（机械电子工程专业论文）液压挖掘机混合动力系统的控制策略与参数匹配研究.pdf

摘要 摘要 液压挖掘机是一种用量大、能耗高，排放差的工程机械，因此研究液压挖掘机的 节能在当前社会能源紧缺和环境恶化问题日趋严重的情况下具有重要的现实意义。并 且作为一种典型的工程机械，液压挖掘机的节能研究将为同类型的其它工程机械相关 问题的解决提供借鉴。 在液压挖掘机上，全部的排放以及很大部分能量转换效率低的环节都在其动力系 统，因此对其节能的研究主要应集中于其动力系统。影响动力系统效率的主要因素有 动力系统的结构、参数优化匹配以及控制策略。 论文通过对液压挖掘机进行能耗分析，提出了相应的节能方法，确立了其混合动 力驱动结构，并根据液压挖掘机的工况制定了相应的控制策略，对动力系统进行了参 数匹配研究，在此基础上提出了液压挖掘机混合动力系统的设计规程。论文为进一步 研究高效节能的液压挖掘机动力系统提供了一定的理论和实验依据。 各章内容分述如下： 第一章论述了在当前能源紧缺、环境恶化的情况下研究液压挖掘机动力系统的控 制与匹配的重要意义。介绍了对液压挖掘机动力系统进行控制与匹配研究的发展概 况；分析比较了各种动力系统控制与匹配方法的特点；在此基础上，提出了液压挖掘 机采用混合动力系统的驱动方案，介绍了液压挖掘机混合动力系统控制与匹配的研究 现状；提出了本课题的研究内容及论文的研究工作。 第二章分析了液压挖掘机的结构组成，建立了液压挖掘机的仿真模型。基于仿真 模型及液压挖掘机工作中的实测数据，分析了液压挖掘机的典型工况，并归纳了其特 点。在此基础上，提出了一种液压挖掘机混合动力驱动结构，该方案通过分析对比各 种混合动力驱动方式的优缺点，确定了并联混合动力驱动的方式；根据液压挖掘机工 作中可回收能量多的特点，采用了液压马达一发电机进行能量回收；针对液压挖掘机 的工况特点，选取了电容器为动力系统的蓄能装置。在所建立的模型上对该液压挖掘 机混合动力驱动结构进行了仿真分析。 第三章对第二章所提出的液压挖掘机混合动力系统进行了建模和分析。将动力系 统分为发动机单元和电容器两部分，分别建立了其中发动机、液压泵、电动机、整流 逆变器，发电机、电容器等元件的模型，对动力系统两大部分的特性进行了分析， i i i 浙江大学博士学位论文 为制定液压挖掘机混合动力系统的控制策略和进行参数匹配提供了依据。 第四章基于第三章对液压挖掘机混合动力系统的建模及分析，研究并提出了其控 制策略。在课题的前期研究中，已提出了初步的液压挖掘机混合动力系统控制策略， 本章对这些控制策略进行了对比分析，结合液压挖掘机混合动力系统的特点，提出了 发动机自判断分段式多工作点切换控制策略和动态工作点控制策略，并对这两种控制 策略进行了仿真和试验研究。 第五章为进一步优化液压挖掘机混合动力系统，提出了以动力系统效率为优化目 标函数、以满足负载驱动需求和最小化装机功率为约束条件函数的基于遗传算法的参 数匹配方法。在前述液压挖掘机混合动力系统的结构、工况及控制策略的基础上，确 立满足优化目标和约束条件的基于遗传算法的参数匹配方法。利用该匹配方法对混合 动力系统中发动机、电动机、发电机和电容器等主要元件进行了参数匹配，在所建立 的混合动力液压挖掘机模型上对匹配结果进行了分析结果表明，进行参数匹配后系 统的效率有了显著的提高。 第六章在前述几章的基础上，系统的提出了液压挖掘机混合动力系统的设计规 程。该设计规程首先通过对设计对象的分析确立其动力系统结构，然后制定相应的控 制策略，在此基础上对动力系统进行参数匹配，从而完成动力系统的设计。以7 t 液 压挖掘机为对象，利用该规程设计了其混合动力系统和控制策略，并进行了参数匹配。 在所建立的模型上对设计结果进行了仿真分析，结果表明，该混合动力系统具有较好 的节能效果，表明了该设计规程的可行性。 第七章概括了论文的主要研究工作和成果，并展望了今后的研究工作和方向。 关键词：液压挖掘机；混合动力系统；节能；驱动结构；控制策略；参数匹配；动力 系统设计 i v a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g yi sc o n s u m i n gu pa n dp o l l u t i o ni sm o r ea n dm o t es e r i o u sn o w a d a y s ，s or e s e a r c h o ne n e r g ys a v i n go fh y d r a u l i ce x c a v a t o r sh a sg r e a ts i g n i f i c a n c eb e c a u s eo ft h e i rl a r g e a p p l i c a t i o nq u a n t i t i e s ，h i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n db a de x h a u s t a sh y d r a u l i ce x c a v a t o ri s o n et y p i c a lc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , s u c hr e s e a r c hc a na l s op r o v i d es o l u t i o n sf o ro t h e r c o n s t r u c t i o nm a c h i n e sw h i c hh a v et h es a m ec h a r a c t e r i s t i c st oa c h i e v e e n e r g ys a v i n g i no n eh y d r a u l i ce x c a v a t o r , a l le x h a u s ta n dm o s tc o m p o n e n t sw h i c hh a v el o w e n e r g y c o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya r ei nt h ep o w e rs y s t e m s ot h er e s e a r c ho ne n e r g ys a v i n ga n d e x h a u s tr e d u c t i o no fh y d r a u l i ce x c a v a t o r ss h o u l dc o n c e n t r a t ei nt h e p o w e rs y s t e m g e n e r a l l y , t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ee f f i c i e n c ya n de x h a u s to ft h ep o w e rs y s t e ma r et h e s t r u c t u r e ，p a r a m e t e rm a t c h i n ga n dc o n t r o ls t r a t e g y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec o r r e s p o n d i n ge n e r g ys a v i n gm e t h o d sa r ep r o p o s e da n dt h e s t r u c t u r eo fh y b r i ds y s t e mi sp r e s e n t e db a s e do nt h ea n a l y s e so fe n e r g yc o n s u m p t i o no f h y d r a u l i ce x c a v a t o r s t h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g yo ft h eh y b r i ds y s t e mi sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gc o n d i t i o no fh y d r a u l i ce x c a v a t o r s a n dp a r a m e t e rm a t c h i n go f t h i sh y b r i ds y s t e mi ss t u d i e d t h e nad e s i g nm e t h o do fh y b r i ds y s t e mi n h y d r a u l i c e x c a v a t o r si sp r o p o s e db a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h t h i sd i s s e r t a t i o nc a np r o v i d es o m e t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e f e r e n c e sf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho ne n e r g ys a v i n go fp o w e r s y s t e mi nh y d r a u l i ce x c a v a t o r s t h ec h a p t e r so ft h i sd i s s e r t a t i o na r eo r g a n i z e da sf o l l o w s i nc h a p t e r1 ，t h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ho np a r a m e t e rm a t c h i n ga n dc o n t r o l s t r a t e g yo ft h ep o w e rs y s t e mi nh y d r a u l i ce x c a v a t o r su n d e rt h ec i r c u m s t a n c et h a te n e r g yi s c o n s u m i n gu pa n dp o l l u t i o ni sm o r ea n dm o r es e r i o u si sd i s c u s s e d t h ed e v e l o p m e n to f p a r a m e t e rm a t c h i n ga n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ep o w e rs y s t e mi nh y d r a u l i ce x c a v a t o r si s i n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tp a r a m e t e rm a t c h i n gm e t h o da n dc o n t r o ls t r a t e g y a r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h e nad r i v i n gp r o g r a mi nw h i c hh y b r i d s y s t e mi su s e dt o d r i v eh y d r a u l i ce x c a v a t o ri sp r o p o s e d t h es t a t eo ft h ea r to fp a r a m e t e rm a t c h i n ga n d c o n t r o ls t r a t e g yo fh y b r i ds y s t e mi nh y d r a u l i ce x c a v a t o r si sp r e s e n t e d f i n a l l y , t h ep r i m a r y v 浙江大学博士学位论文 r e s e a r c hc o n t e m so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ep r o v i d e d i nc h a p t e r2 ，t h es t r u c t u r eo f h y d r a u l i ce x c a v a t o r si sa n a l y z e da n ds i m u l a t i o nm o d e l i s b u i l t t h et y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o no fh y d r a u l i ce x c a v a t o r si sa n a l y z e db a s e do nt h e s i m u l a t i o nm o d e la n dt h em e a s u r e dw o r k i n gd a t a 。t h e nah y b r i dd r i v i n gs t r u c t u r eo f h y d r a u l i ce x c a v a t o r si sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ea b o v ea n a l y s e s i nt h i ss t r u c t u r e ，p a r a l l e l h y b r i ds y s t e mi sc h o s e nb yc o m p a r i n gt h em e r i t sa n dd e m e r i t so fd i f f e r e mh y b r i ds y s t e m s ； a st h e r ei sal o to fe n e r g yc a nb er e g e n e r a t e dw h e nh y d r a u l i ce x c a v a t o r sa r ew o r k i n g ，o n e s e to fh y d r a u l i cm o t o r - g e n e r a t o ri su s e dt or e c o v e r ye n e r g y ；c a p a c i t o ri sc h o s e na st h e a c c u m u l a t o ro ft h eh y b r i ds y s t e ma c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ew o r k i n gc o n d i t i o n o fh y d r a u l i ce x c a v a t o r s t h i sh y b r i dd r i v i n gs t r u c t u r ei sa n a l y z e db ys i m u l a t i o ns t u d yo n t h eb u i l tm o d e l i nc h a p t e r3 ，t h eh y b r i ds y s t e ma p p l i e di nh y d r a u l i ce x c a v a t o r , w h i c hi sp r o p o s e di n c h a p t e r2 ，i sm o d e l e da n da n a l y z e d t h ep o w e rs y s t e mi sd e v i d e di n t ot w op a r t s ：e n g i n e s y s t e ma n dc a p a c i t o r t h em o d e l so fe n g i n e ，h y d r a u l i cp u m p ，e l e c t r i cm o t o r , i n v e r t e r , g e n e r a t o ra n dc a p a c i t o ra r eb u i l t t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et w op a r t si np o w e rs y s t e ma r e a n a l y z e d t h ea n a l y s e sp r o v i d er u l e sf o rt h ec o n t r o ls t r a t e g yp a r a m e t e rm a t c h i n go fh y b r i d s y s t e ma p p l i e di nh y d r a u l i ce x c a v a t o r i nc h a p t e r4 ，c o n t r o ls t r a t e g i e so ft h eh y b r i ds y s t e ma p p l i e di nh y d r a u l i ce x c a v a t o ri s s t u d i e db a s e do nt h em o d e l i n ga n da n a l y s e si nc h a p t e r3 s o m ec o n t r o ls t r a t e g i e so ft h e h y b r i ds y s t e ma p p l i e di nh y d r a u l i ce x c a v a t o rw e r ep r o p o s e di nf o r m e rs t u d ya n da r e a n a l y z e di nt h i sc h a p t e r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eh y b r i ds y s t e ma p p l i e di n h y d r a u l i ce x c a v a t o r , ac o n t r o ls t r a t e g y n a m e d e n g i n e s e l f - d e t e r m i n e d m u l t i - p h a s e m u l t i p o i n ta n d ac o n t r o ls t r a t e g yn a m e de n g i n ed y n a m i cw o r k i n g p o i n t sa r ed e v e l o p e da n d s t u d i e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s i nc h a p t e r5 ，ap a r a m e t e rm a t c h i n gm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mu s e s e f f i c i e n c yo fp o w e rs y s t e ma so p t i m a lt a r g e tf u n c t i o n sa n du s e sd r y i n gd e s i r eo fl o a da n d m i n i m u mm a c h i n ep o w e ra sr e s t r a i n tc o n d i t i o nf u n c t i o n s ，i sp r o p o s e dt o o p t i m i z et h e h y b r i ds y s t e mi nh y d r a u l i ce x c a v a t o r s a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r e ，w o r k i n gc o n d i t i o na n d c o n t r o ls t r a t e g yo ft h eh y b r i ds y s t e m ，t h i sm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h ma n d v i a b s t r a c t s a t i s f i e so p t i m i z a t i o nt a r g e tf u n c t i o n sa n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o nf u n c t i o n s ，i sd e v e l o p e d t h e p a r a m e t e r so ft h em a i nc o m p o n e n t s ，s u c ha se n g i n e ，e l e c t r i cm o t o r , g e n e r a t o ra n dc a p a c i t o r , o ft h ep o w e rs y s t e mw e r em a t c h e d u s i n gt h i sm e t h o d t h em a t c h i n gr e s u l t sw e r ea n a l y z e d u s i n gt h eb u i l th y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o rm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h es y s t e me f f i c i e n c yi s i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y i nc h a p t e r6 ，d e s i g nr u l e so fh y b r i ds y s t e mi nh y d r a u l i ce x c a v a t o ra r ep r e s e n t e d s y s t e m a t i c a l l yb a s e do nt h ea b o v es t u d y i nt h e s ed e s i g nr u l e s ，t h es t r u c t u r eo ft h eh y b r i d s y s t e mi s f i r s td e t e r m i n e d a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s e so ft h ed e s i g no b j e c t t h e nt h e c o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g yi sd e v e l o p e d f i n a l l y , t h ec o m p o n e n t so ft h eh y b r i ds y s t e m a r ep a r a m e t e rm a t c h e d ah y b r i ds y s t e mi n7 - t o nh y d r a u l i ce x c a v a t o ri s d e s i g n e du s i n g t h e s er u l e s a n dt h ed e s i g n e dh y b r i ds y s t e mi ss i m u l a t e di nt h eb u i l tm o d e l t h er e s u l t s s h o wt h i sh y b r i ds y s t e mh a sg o o de n e r g ys a v i n ge f f e c t , w h i c hi n d i c a t e st h ef e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g nr u l e s t h em a i nc o n c l u s i o n sa n da c h i e v e m e n t sa r es u m m a r i z e di nc h a p t e r7 ，a n dt h ef u r t h e r r e s e a r c hw o r ki sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce x c a v a t o r ；h y b r i ds y s t e m ；e n e r g ys a v i n g ；d r i v i n gs t r u c t u r e ；c o n t r o l s t r a t e g y ；p a r a m e t e rm a t c h i n g ；p o w e rs y s t e md e s i g n v l i 图表目录 一，图目录 图表目录 图1 1 发动机负载自适应控制2 图1 2 全功率控制示意囹3 图1 3 分功率控制示意图4 图l - 4 交叉传感控制。5 图1 5 压力切断控制的节能效果6 图1 - 6 串联式混合动力系统一。9 图1 7 并联式混合动力系统9 图1 8 混联式混合动力系统9 图1 - 9 日立建机的混合动力液压挖掘机结构1 2 图1 1 0 小松的混合动力液压挖掘机系统1 3 图1 1 1 新卡特彼勒一三菱的混合动力液压挖掘机结构1 4 图1 1 2j 弋彦了建机与神户制钢所的混合动力挖掘机系统1 4 图1 1 3 了弋少j 建机与神户制钢所的混合动力挖掘机控制系统1 5 图2 1 液压挖掘机结构图一2 0 图2 2 液压挖掘机驱动系统原理图2 0 图2 3 液压挖掘机仿真模型一2 l 图2 - 4 挖掘工况下液压挖掘机主阀控制信号一2 2 图2 5 挖掘工况下的功率曲线2 3 图2 - 6 平地工况下的功率曲线2 3 图2 7 液压挖掘机串联式混合动力系统原理图一2 5 图2 8 液压挖掘机并联式混合动力系统原理图。2 5 图2 - 9 串联式混合动力液压挖掘机模型2 5 图2 1 0 并联式混合动力液压挖掘机模型2 6 图2 1 1 基于混合动力的液压挖掘机一3 0 图2 1 2 液压挖掘机混合动力驱动结构示意图3 1 图2 1 3 液压挖掘机混合动力驱动结构仿真模型3 2 图2 1 4 发动机、电动机、液压泵功率对比3 3 图3 1 液压挖掘机混合动力系统一3 5 图3 2 发动机调速特性曲线3 6 图3 3 电动机机械特性曲线3 8 图3 - 4 液压泵变量调节机构4 0 图3 5 阀控液压缸方块图4 1 图3 6 液压泵排量调节方块图4 2 图3 7 发动机效率曲线图4 3 图3 8 发动机转矩控制框图4 3 图3 - 9 电容器等效模型。4 4 图3 1 0 恒功率充放电示意图。4 5 图3 1 l 变功率充放电示意图4 6 i x 浙江大学博士学位论文 x 图4 1 发动机与电动机功率对比曲线。5 0 图4 - 2 发动机双工作点控制策略试验曲线5 0 图4 3 发动机自判断分段式多工作点切换控制策略结构5 l 图4 - 4 液压挖掘机混合动力系统后向式仿真模型5 3 图4 5 挖掘工况下的油耗和s o c 曲线5 3 图4 6 平地工况下的油耗和s o c 曲线5 4 图4 7 发动机动态工作点控制策略结构一5 5 图4 8 发动机效率曲线囹。5 6 图4 - 9 发动机动态工作点控制策略流程图。5 7 图4 1 0 液压挖掘机混合动力试验系统原理图5 9 图4 1 1 液压挖掘机混合动力模拟试验平台5 9 图4 1 2 测控系统硬件构成图6 1 图4 1 3 测控系统软件主界面6 1 图4 1 4 模拟负载的压力和流量曲线。6 2 图4 1 5 无混合动力系统时发动机工作点分布6 3 图4 1 6 采用控制策略后发动机工作点分布6 3 图4 1 7 电容器s o c 变化曲线6 4 图4 1 8 变量泵流量响应对比曲线6 5 图5 1 混合动力液压挖掘机按功率比分类示意图6 8 图5 - 2 液压挖掘机混合动力系统能量流动示意囹一6 9 图5 3 使用遗传算法进行参数匹配流程图。7 2 图5 - 4 混合动力液压挖掘机m a t l a b 仿真模型7 7 图6 1 液压挖掘机混合动力系统设计规程。8 0 图6 27 t 液压挖掘机驱动系统示意图8 l 图6 3 液压挖掘机能耗分布8 2 图6 - 4 采用电驱旋转的液压挖掘机混合动力系统结构。8 3 图6 5 能量回收控制策略。8 4 图6 - 6 电驱旋转单元控制策略8 4 图6 7 液压挖掘机混合动力系统控制策略一8 5 图6 8 电动机所需输出的功率曲线。8 8 图6 - 9 电动机所需输出的转矩分布。8 9 图6 1 0 发电机的输入功率曲线9 0 图6 1 l 发电机转矩分布9 0 图6 1 2 电容器功率曲线9 1 图6 1 3 系统仿真模型9 3 图6 1 4 发动机工作点分布9 4 图6 1 5 电动机l 输出转矩曲线9 5 图6 1 6 电动机2 工作点分布9 5 图6 1 7 发电机输入转矩曲线9 6 图6 1 8 电容器s o c 变化曲线9 6 图6 - 19 电容器电流变化曲线9 7 图表目录 二、表目录 表1 1 混合动力系统的分类8 表1 2 国外典型混合动力车型1 0 表1 3 汽车混合动力系统的控制策略1 l 表2 1 液压挖掘机混合动力系统仿真结果2 7 表3 1 不同充放电功率下电容器的效率。4 6 表3 2 变功率充放电电容器的效率4 7 表4 1 试验系统主要元件参数6 0 表5 1 参数匹配结果对比。7 7 表6 17 t 液压挖掘机基本参数8 2 表6 27 t 液压挖掘机混合动力系统参数匹配结果8 6 表6 3 工程机械发动机常用额定转速范围8 6 表6 - 4 常用电动机类型8 8 表6 5 动力系统参数匹配结果9 2 表6 - 6 装备不同动力系统的液压挖掘机参数对比一9 7 x i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得逝婆太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： 筠蔼 签字日期： 妒8 年夕月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙婆太堂有权保留并向国家有关部门或机构送 交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阋。本人授权逝婆太堂可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 角璃 签字日期：渺年7 月弓日 导师签名： 签字日期： 日 致谢 致谢 论文的顺利完成，首先要感谢的是导师王庆丰教授。王老师从论文选题到论文最 后完成的各个环节中都倾注了大量的心血和智慧，没有导师所提供的研究平台及悉心 指导和无私帮助，论文是无法完成的。导师严谨的治学态度，踏实、雷厉的工作作风 给我留下了深刻的印象，值得我不断学 - - j ；导师在学术上的悉心指导和精心培养使我 在业务上有了长足的进步；导师还言传身教，使我明白了许多为人处事的道理和方法， 这些都让我受益匪浅并将受用终身。再次向王老师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 感谢日本日立建机株式会社为本论文提供的支持与帮助。特别要感谢的是5 1 本日 立建机株式会社刘小平老师和落合正巳先生。刘老师在论文期间提供了诸多指导、建 议和帮助，在日研修期间，刘老师在工作和生活中给予了许多帮助，在此表示真挚的 谢意；感谢落合正巳先生为论文提供的指导和建议以及在日期间提供的帮助。 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的范毓润教授、丁凡教授、傅新教授、 孔晓武副教授、李其朋副教授、葛耀峥高工以及所办公室的各位老师及刘师傅等各工 作人员，还有学院及研究生科的各位老师等对本人给予了热心帮助和支持，在此一并 表示感谢。 论文的完成要特别感谢的是师兄张彦廷博士，师弟胡宝赞、林添良和龚文。张师 兄在前期做了大量扎实的工作，创造了一个良好的研究基础，为论文的顺利完成提供 了较好的条件，并在论文期间给予了我许多无私的指导和帮助，在此谨表示诚挚的感 谢! 三位师弟勤恳兢业，在试验台的建设和课题的研究中做了大量的工作，在此表示 真诚的谢意! 论文还得到了课题组李延民博士、钟天字博士，唐建中博士、闭治跃博士、何蝶 萍、于慧君、王海波、付强、江灏、李慧忠、聂勇、胡楚雄、范文玲、谢华军、陈正、 安涛、张超、王滔等同门的诸多帮助和支持，在此深表感谢。有缘与他们从全国各地 走到一起，在科研的道路上共同探索，共度这段美好时光，令我终生难忘。 由衷感谢同学崔剑、胡晓杭、王峰、梁冬泰、杨扬、黎鑫、王进、胡东明等对我 的关心和支持! 衷心感谢我的父母和家人，在漫长的求学过程中，是他们一直在支撑着我一步一 步走了过来，没有他们的支持和鼓励，我不可能顺利的完成学业，再次对他们表示感 浙江大学博士学位论文 谢和祝福! 最后，谨向所有给予我帮助、指导和关心的老师、同学和朋友们致以最诚挚的谢 h 肖清 二0 0 八年七月于求是园 i 绪论 1 绪论 【摘要】本章论述了在当前能源紧缺、环境恶化的情况下研究液压挖掘机动力系统的控制 与匹配的重要意义介绍了对液压挖掘机动力系统进行控制与匹配研究的发展概况；分析 比较了各种动力系统控制与匹配方法的特点；在此基础上，提出了液压挖掘机采用混合动 力系统的驱动方案，介绍了液压挖掘机混合动力系统控制与匹配的研究现状；提出了本课 题的研究内容及论文的研究工作。 1 1 液压挖掘机动力系统控制与匹配的研究意义 液压挖掘机是一种用量大、能耗高、排放差的工程机械，据统计，世界上各种土 方工程中约6 5 7 0 是由液压挖掘机来完成的，并且由于强大的多功能适应性，其 用量仍在不断的稳步增长中 1 1 因此研究液压挖掘机的节能与降排放在当前社会能源 紧缺和环境恶化问题日趋严重的情况下具有重要的现实意义。并且作为一种典型的工 程机械，液压挖掘机的节能研究将为同类型的其它工程机械相关问题的解决提供借 鉴。 在液压挖掘机上，动力系统的能量转换效率只有约4 0 ，是效率最低的环节之一， 因此提高动力系统的效率对于液压挖掘机的节能研究具有重要的意义。 影响动力系统的效率主要因素有结构、控制策略以及参数匹配等。 控制策略的研究包括动力系统的能量管理和功率分配等，其作用是在某种优化控 制目标下，监控动力系统各元件的工作状况，协调各元件之间的工作，对能量进行有 效的管理及对功率进行合理的分配，使动力系统各元件都能处于高效的工作状态，以 取得较好的节能效果 2 1 1 3 1 。 动力系统参数的匹配是在满足系统正常工作的前提下，合理选择系统各元件的参 数，使之与工况相适应，工作时能够达到最佳的工作状态，以提高系统局部和整体的 效率，达到较好的节能效果【4 】【5 1 。同时，合理的参数匹配由于能够使各元件的作用得 到最佳的发挥，可以降低动力系统的装机功率和成本，减轻系统的重量。因此，参数 匹配的研究对于动力系统的节能效果和成本降低都有重要的意义。 浙江大学博士学位论文 1 2 液压挖掘机动力系统控制与匹配研究的发展概况 目前所生产的绝大部分液压挖掘机上，动力系统都采用由发动机驱动泵的方式， 发动机的输出功率随着负载的变化波动很大，经常偏离其理想的经济区，从而导致发 动机的能耗大，排放差。在这种传统的驱动方式中，为减小发动机的油耗和降低发动 机的排放，通常采用的控制与匹配方法是对动力系统( 发动机一液压泵) 进行功率匹 配，常用的控制方法有：发动机负载自适应控制、自动怠速控制、恒功率控制、分工 况控制、压力切断控制、转速感应控制和发动机功率匹配等。 1 2 1 发动机负载自适应控制 负载自适应控制即利用 液压泵输出压力来识别挖掘 机工况，根据识别的结果自 动设定发动机调速拉杆，同 时控制液压泵的吸收扭矩， 使发动机所处的工作点不仅 能与挖掘机工况相适应，而 且具有较高的燃油利用率， 图1 1 所示为该控制方法的 示意图。但液压泵的输出压 力只能部分反应挖掘机的工 转速传感器 ：，。j 卜发动机调速拉杆位置，卜_ 发动机转速 一发动机输出功率，c 一液压泵吸收扭矩 图1 1 发动机负载自适应控制 况，因此如何提高工况识别能力是这种控制方法的关键所在【6 1 。 1 2