[討論]工程機械液壓系統的控制技術有哪些？

液壓系統動力匹配及控制技術在國外起步較早，發展較快，很多技術在國外使用后很快進入中國市場，目前國內主要停留在引進-模仿階段，并沒有自己的專有技術。

　　1、定量泵設計方法

　　在早期的工程機械系統設計中，采用定量泵設計的原則是：系統的最大工作流量(Q)與最大工作壓力(P)的乘積即系統的最大輸出功率(N)不能超出柴油機額定功率(Nj)。

　　但在一般工況下功率利用系數太低，且無法施展較強的控制功能，因而性能不佳。目前在小噸位(5～50t)汽車起重機和隨車起重機等產品中仍在使用。

　　2、單泵恒功率控制技術

　　在單泵控制系統中，一般通過變量控制機構實現對變量泵排量的控制，在最早的恒功率控制技術中，通過對變量機構兩根彈簧彈力的不同設定，能實現對變量泵輸出流量的控制，其工作曲線為折線，當系統壓力達到第一根彈簧設定力后，變量泵排量開始減小。當系統壓力克服第二根彈簧設定力后，變量泵變量曲線斜度發生變化。通過以上控制，使其變量曲線上P、Q乘積的離散值趨近于常數C。通過以上控制大大提高了柴油機功率的利用系數，又能保證柴油機不會因過載熄火。力士樂公司開發的恒功率控制技術中，通過杠桿原理對變量控制機構進行了改進，使其功率曲線近似為反比例曲線，功率利用系數更高。

　　3、雙泵恒功率控制技術

　　在雙泵或多泵系統中，由于存在多泵之間功率分配的技術難題，如何使柴油機功率合理地分配到各泵，使各執行機構協調工作，盡可能發揮其最大效能，最大程度發揮出發動機功率成為關鍵。目前，這方面的控制技術有不同的組合形式。

　　(1)分功率控制技術

　　分功率控制是根據各泵所負責的執行機構實際需用功率，將柴油機功率按一定比例分配給各泵。在分功率控制中，每個泵均有獨立的變量控制機構，使執行機構在預先設定的工作曲線上工作。但分功率控制的最大缺點是不能充分利用發動機功率，當某個泵因某種情況不需要工作時，其功率不能給另一個泵使用而白白浪費，因此極易出現“大馬拉小車”的現象，無法滿足大型工程機械的使用要求。

　　(2)總功率控制技術

　　總功率控制系統共用一個變量機構，因此各泵流量相同，作用在彈簧上的壓力是多泵工作壓力之和，當多泵壓力之和的1/2達到彈簧設定值后，主泵開始變量，其變量原理與單泵恒功率的相同。

　　總功率控制可以實現多泵功率互補，當其中一個泵不工作時，其功率可被其他泵使用，柴油機功率利用系數大大提高。其最大缺點是能量損失大。因各泵工作流量相同，當其中某泵負責的執行機構不工作時，主泵仍輸出大流量，多余流量必然會轉化為熱量。總功率控制另一個缺點是無法實現對多執行機構不同速度的控制。

　　(3)交叉傳感控制技術

　　交叉傳感控制系統是上世紀80年代日本在總功率控制和分功率控制基礎上研制出的一種新型功率控制技術。它是在分功率控制基礎上，將兩個泵工作壓力實現交叉控制，即每個泵各自有變量機構，各自流量可以不同，當其中一個泵的功率利用小于總功率的50%時，多余功率可被另一個泵利用，當兩個泵的功率利用系數都達到50%時，每個泵都利用總功率的50%。交叉傳感控制技術集中了總功率控制和分功率控制的優點，摒棄了它們的缺點，較為理想。但仍不能全部利用柴油機功率，而且功率分配在多執行機構同時工作，當某泵所負責的執行機構工作速度調至很低且負荷較大時，因交叉傳感已將壓力反饋給另一個泵，此時另一個泵最多只能利用50%的功率，而第一個泵卻沒有用完50%的功率，顯然在這種工況柴油機功率利用系數仍然偏低。

　　(4)負反饋交叉傳感功率控制技術

　　交叉傳感控制技術雖然在某種程度最大限度地利用了柴油機功率，但只限于兩個主泵之間。而對于多泵控制系統，由于各泵并不同時處于工作狀態，或者即使都處于工作狀態，但并不同時以最大排量或最大壓力工作，這樣還是無法準確確定變量泵的實際輸出功率，易造成功率設定超載或過于保守。

　　力士樂公司上世紀90年代開發的負反饋交叉傳感功率控制技術將其他泵的壓力反饋至主泵的功率控制口，當其他泵不工作時，反饋壓力為0，主泵在最大功率點工作，當其他泵工作后，系統根據反饋壓力自動將主泵設定功率降低。這種控制不僅可使各泵所利用的功率實現互補，還可以最大限度地提高主泵輸出功率。負反饋交叉傳感功率控制技術由于交叉傳感在功率控制上自身的缺陷，隨著被反饋液壓泵數量的增加，這種控制方法不僅效果越來越不理想，而且難度越來越大，系統也過于復雜。

　　4、計算機控制功率優化控制技術

　　綜上所述，傳統動力匹配及控制技術，雖取得了明顯的效果，但都未能從根本上解決問題。隨著計算機技術的發展，20世紀90年代以來，國外很多公司將計算機技術成功地應用到動力匹配及控制技術中，取得了良好的效果。傳統的恒功率控制中，控制系統與柴油機的匹配非常保守，液壓泵的輸出轉矩要遠低于柴油機最大輸出轉矩，且當柴油機性能下降時易使柴油機轉速下降導致熄火。浙江大學流體傳動及控制國家重點試驗室新建的節能試驗臺，采用計算機功率優化控制系統。它設有多種工作選擇模式和怠速模式，用戶可按負載大小和實際工作需要進行選擇，每一個工作模式對應于一定的油門位置。當設定好一定的工作模式后，計算機向步時電機發出輸出指令，給定一個油門開度，同時控制系統可根據工作模式，在系統數據庫中查出該油門開度下的柴油機目標轉速。該系統還有一個輸出模式選擇，即最大功率模式和最節省燃油模式。在設定了功率模式和輸出模式后，通過檢測柴油機的工作轉速的變化可對油門和主泵排量進行按比例無級控制，從而使柴油機始終在目標轉速范圍內工作。

　　目前該項研究僅停留在試驗階段，該控制系統中，工作模式在CPU中進行預先設定，因此用戶必須在CPU規定的模式下進行選擇，可選模式受到限制，無法滿足用戶各項使用要求。在混凝土泵車行業，目前三一重工開發出的柴油機轉速閉環控制裝置，利用PLC中的PID控制指令對柴油機輸出轉速進行PID調節，有效地減少了柴油機工作轉速在液壓系統輸出功率加大后造成的波動，使控制系統在不同負荷下都能維持同一工作轉速。該控制系統提高了整機輸出功率和工作效率，使柴油機在較低轉速工作時不會因過載產生怠速或熄火現象，因此液壓系統和柴油機之間的匹配得以優化。但該控制系統只是實現了對柴油機工作轉速的閉環控制，在系統超載產生柴油機失速后，只是通過加大油門開度實現轉速的恒定，并沒有實現對液壓泵排量的控制，因此并沒有真正實現對液壓系統和柴油機之間的最佳匹配和控制，而且當柴油機在較高轉速工作時，控制效果并不理想。計算機功率優化控制技術的出現，不但使柴油機和匹配實現最優化，還使液壓系統更趨于簡單化。

　　5、存在的主要問題

　　目前國內對液壓動力匹配的核心技術多集中在國外專業公司手中，國內缺乏自主創新能力，無法對現有產品進行必要的改進和提高;系統數學模型建立較為復雜，很多研究還集中在定性方面，缺乏理論計算基礎;對柴油機技術、液壓系統控制技術、電氣控制(主要涉及PLC控制領域)3者應進行有效接口，提出系統控制方案;對柴油機、液壓等系統缺乏必要的測試手段。