工程机械的控制系统、工程机械和工程机械的控制方法

专利名称：工程机械的控制系统、工程机械和工程机械的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种工程机械的控制技术，特别涉及一种工程机械的控制系 统和具有该控制系统的工程机械，还涉及到一种工程机械的控制方法。
背景技术：
随着全球能源供求矛盾的加剧，能源问题的日益突出，如何合理地利用 能源创造出更多的价值已经成为当今社会关注的焦点。
工程机械的能源消耗成本是当前工程建设成本中的重要组成部分，因此， 工程机械的能源消耗指标越来越引起人们的关心与重视。以燃油消耗为例，
据统计，全国工程机械每年消耗燃油共4000万吨，燃油消耗占工程机械直接 使用成本的比例高达38%。为了降低工程建设的成本，人们正通过各种方式 降低工程机械的燃油消耗，及其他能源消耗。
目前降低工程机械的能源消耗的方式之一就是在保证满足施工作业需 要的前提下，通过功率匹配实现工程机械的节能，尽可能地减少无用功率的 输出，提高工程机械的效率。
当前，由于工程机械普遍采用液压系统实施预定的作业，因此，现有的 功率匹配的技术方案主要集中于发动机、液压系统及负载之间功率匹配。
工程机械一般包括发动机，液压系统，液压系统又包括液压泵、液压控 制元件和液压执行元件，发动机、液压泵和液压执行元件形成工程才几械的动 力部件，形成动力的传递链。发动机驱动液压泵运转，使液压泵输出液压油， 输出的液压油驱动液压执行元件执行预定的动作，完成预定的作业；液压控 制元件控制液压油的流向和流量，进而控制液压纟丸行元件的执行动作及执4亍 动作的速度。
当前，工程机械的功率匹配技术方案主要是通过匹配各动力部件的功率 实现，主要包括以下方面的内容
第一、液压泵与实际负载的功率匹配。根据工程机械液压系统的实际负 载或实际执行速度的需要，调整液压系统液压泵的排量，进而调整液压泵的输出功率，使液压泵的输出功率适好能够满足施工作业的需要。
第二、发动^L与液压泵的功率匹配。在匹配液压泵与实际负栽之后，液
压泵的输出功率产生变化，就需要根据液压泵的实际输出功率，调整发动机
的输出功率，使发动机的输出功率适好能够满足驱动液压泵运转的需要，避
免发动机输出无用功率，减少发动机的燃油消耗。
上述技术方案虽然能够减少工程机械的燃油消耗，但也存在多个技术缺
陷
第一、工程机械的液压系统输出的功率和发动机输出功率分别调整，且 依据不同的基准调整，因此，只能在工程机械的局部实现功率分配的优化， 并不能实现工程机械整体的功率分配优化。换言之，由于液压泵的输出功率 依据实际负载调整，发动机的输出功率再根据液压泵的输出功率调整，因此，
无法从整体上，对液压泵和发动机的输出功率进行统筹分配，不能才艮据实际 情况，使发动机输出转速与液压泵的排量进行配合，也就不能使液压执行元 件以最合适的速度进行工作，进而，不可避免地会增加无用功率的输出。
第二、发动机转速控制过程存在明显的滞后性。现有的技术方案中，先 根据负载调整液压泵的输出功率，在液压泵调整完毕后，再根据液压泵的输 出功率调整发动机的输出功率，发动机输出功率的调整存在明显的滞后，进 而造成发动机的转速控制的滞后；进一步地，这种滞后一方面会造成能量的 流失，增加燃油消耗；同时，还会造成工程机械控制动作的延迟，使工程机 械操作控制非常不便。
第三、对发动机输出功率的调整是在液压泵调整结束之后进行的，也就 是说发动机输出功率的调整以液压系统的稳定状态为^f出，因此，发动机与 液压泵的功率匹配是以稳定状态为基础的；然而，工程机械的负载是持续变 化的，因此，现有技术方案未能考虑负载的动态变化，从而无法避免状态变 化及状态过渡期间的能量损失。
上述缺陷不仅存在于发动机作为动力源的工程机械中，也存在于以其他 才几构作为动力源的工程初4戒中。
综上所述，现有工程机械的功率匹配技术方案仅是局部的功率匹配，难 以实现工程机械整体的动力优化配置，也就无法进一步地降低工程机械的能源消耗。

发明内容
针对上述缺陷，本发明的第一个目的在于，提供一种工程机械的控制系 统，以从整体上实现工程机械各部分的功率匹配，实现工程机械整体的动力 优化配置，减小工程机械的能源消耗。
在第一个目的的基础上，本发明的第二个目的在于，提供一种具有上述 控制系统的工程机械。
本发明的第三个目的在于，提供一种工程机械的控制方法。
为了实现上述第一个目的，本发明提供了一种工程机械的控制系统，所 述工程才几械包括原动才几、液压系统，所述液压系统依赖于原动才几驱动输出液
压动力，所述控制系统包括输入装置、控制装置和输出装置；所述输入装置 采集预定参数；所述控制装置根据所述预定参数获得预定运行参数，并根据 预定运行参数生成控制信号；所述预定运行参数包括原动机的预定运行参数 和液压系统的预定运行参数，所述控制信号包括原动机的控制信号和液压系 统的控制信号；所述输出装置将控制装置产生的控制信号输出。
优选地，所述预定参数包括工程机械的操纵机构输出的指令参数和表征 工程机械负载的负载参数。
优选地，所述控制装置包括顶层控制器和执行控制器，所述顶层控制器 根据所述预定参数获得所述预定运行参数；所述执行控制器根据所述液压系 统的预定运行参数生成液压系统的控制信号。
钯选地，所述顶层控制器包括顶层分析单元和存储单元，所述存储单元 中存储工程机械的特性参数，所述顶层分析单元根据所述预定参数和工程机 械的特性参数获得所述预定运行参数。
优选地，所述工程机械的特性参数包括原动机的特性参数、液压系统中 液压泵的特性参数和工程机械负载概率分布特性参数。
优选地，所述预定参数还包括工程机械的实际运行参数。
优选地，所述顶层控制器还包括第一判断单元，所述第一判断单元判断 所述工程机械的实际运行参数是否符合要求，如果否，所述顶层分析单元将获得的所述预定运行参数输送到所述^^行控制器。
优选地，所述工程机械的实际运行参数包括原动机的实际运行参数和液 压系统的实际运行参数。
优选地，所述执行控制器包括第二判断单元和转化单元，所述第二判断
单元判断所述工程机械的实际运行参数是否符合要求；如果否，所述转化单 元根据所述液压系统的预定运行参数生成所述液压系统的控制信号。
优选地，所述工程机械的实际运行参数包括液压系统的实际运行参数。 为了实现上述第二个目的，本发明提供的工程机械包括原动机、液压系 统和控制系统，所述液压系统依赖于原动机驱动输出液压动力，所述控制系 统为上述任一种工程机械的控制系统，所述输出装置与原动机和液压系统相 连。
优选地，所述工程机械具有传感器和操纵机构，所述输入装置分别与传 感器和操纵机构相连。
为了实现上述第三个目的，本发明还提供了 一种工程机械的控制方法， 所述工程斗几械包括原动机、液压系统，所述液压系统依赖于原动机驱动输出 液压动力，该方法包括步骤
采集预定参数，所述预定参数包括工程机械的操纵机构输出的指令参数 和表征工程机械负载的负载参数；
根据所述预定参数获得预定运行参数；所述预定运行参数包括原动机的 预定运行参数和液压系统的预定运行参数；
根据所述预定运行参数生成控制信号，所述控制信号包括原动机的控制 信号和液压系统的控制信号；
根据控制信号调整工程机械的运行状态。
优选的，在获得预定运行参数之后，还包括步骤采集工程机械的实际 运行参数，并判断所述工程机械的实际运行参数是否符合预定要求，如果为 否，则进入根据所述预定运行参数生成控制信号的步骤。
与现有技术相比，本发明提供的工程机械的控制系统能够根据预定参数 获得工程机械的预定运行参数，还能够根据预定运行参数生成控制信号；预 定运行参数包括原动机的预定运行参数、液压系统的预定运行参数，液压系统的预定运行参数又可以包括液压泵的预定排量参数和液压执行元件的预定
运行参数；使工程机械能够根据控制信号调整原动机、液压泵和液压执行元 件的运行状态。提供的工程机械的控制系统具有以下技术效果第一、由于 控制装置根据预定参数，从工程机械整体出发，获得原动机、液压泵和液压 执行元件的预定运行参数，能够实现原动机、液压泵和液压执行元件三者之 间功率匹配和优化配置，克服了现有技术中仅在局部实现功率匹配的不足； 从而能够进一步地降低工程机械整体的能耗，提高工程机械的运行效率。第 二、调整原动机不再仅根据液压泵的运行状态进行，而是根据综合优化出预 定运行参数进行调整，这就能够同时调整原动机与液压系统，避免原动机转 速调整的滞后现象；进一步地，也有利于工程机械的操作和控制，提高工程 机械的操纵性能。第三、本发明提供的控制装置根据预定参数，从工程机械 的动态变化过程出发，实时调整工程机械各动力部件的运行状态，实现动力 的全局优化组合，将节能过程从以静态目标为基础的局部控制扩展到以综合 考虑工程机械动态目标为基础的整体控制，能够减少工程机械过渡状态的能 量损失，进一步地减少工程机械的能源消耗。
在进一步的技术方案中，控制装置根据多个参数，包括操纵机构输出的 指令参数、表征工程机械负载的负载参数，获得工程机械的预定运行参数， 可以提高工程机械的预定运行参数的准确性，提高工程机械动力分配的优化 程度。而且，根据操纵机构输出的指令参数控制产生预定运行参数，能够方 便工程机械的控制和操作。
在进一步的技术方案中，所述控制装置包括顶层控制器和执行控制器， 顶层控制器从工程机械整体出发，根据预定的功率匹配和优化策略，获得预 定运行参数；执行控制器根据预定运行参数生成控制信号，实际执行对液压 系统的控制；由于顶层控制器和执行控制器各司其职，顶层控制器可以通过 多种方法实现对工程机械整体的统筹优化；执行控制器可以通过简单、实用 的方式生成控制信号，能够实现对各动力部件的快速性调整。
在进一步的技术方案中，还根据工程机械的特性参数获得预定运行参数， 工程机械的特性参数又可以包括发动机特性参数、液压泵特性参数和工程机 械负载概率分布特性参数；该技术方案提供的控制系统能够根据更多参数，更加准确地获得预定运行参数，提高工程机械整体动力的优化程度。在工程 机械的特性参数包括发动机特性参数时，还可以根据发动机特性参数确定发 动机的预定运行参数，进一步地保证发动机以最优的状态运转， 一方面能够 降低能源消耗，提高工程机械的经济性能和动力性能，另一方面能够减小对 发动机的损害，延长发动机的使用寿命。
在进一步的技术方案中，所述顶层控制器还包括第一判断单元，且第一 判断单元能够判断工程机械的实际运行参数是否符合预定的要求，如果判断 结果为否，顶层分析单元则将获得的预定运行参数输出，如果判断结果为是， 由于不需要调整发动机、液压泵和液压执行元件的运行状态，则不输出预定 运行参数。该技术方案能够减少控制系统的数据传输和通讯量，减轻控制系 统的运行负担，还能够避免对工程机械各动力部件的反复调整，保证工程机 械工作的稳定性。
在进一步的技术方案中，所述执行控制器包括第二判断单元和转化单元， 通过第二判断单元判断工程机械的实际运行参数是否符合预定的控制目的， 如果否，转化单元才艮据液压系统的预定运行参数生成液压系统的控制信号，
并通过输出装置输出；如果是，就不需要对液压系统进行调整。该技术方案 能够在实现对动力部件快速性调整的同时，实现对工程机械动力部件的实时 监控和实时调整，保持工程机械的低耗能状态。
可以理解，本发明提供的具有上述控制系统的工程机械也具有相对应的 技术效果。
另夕卜，提供的工程机械的控制方法可以用上述工程机械的控制系统实施， 也具有上述技术效果。


图l是本发明提供的工程机械的控制系统的结构示意图，图中还示出了 控制系统与工程机械动力部件的连接关系；
图2是实施例一提供的工程机械的控制系统的工作过程示意图，也是本 发明提供的一种工程机械的控制方法的流程图3是本发明实施例二提供的工程机械的控制系统的结构框图；图4是本发明实施例三提供的工程机械的控制系统中的控制装置的结构
框图5是本发明实施例四提供的工程机械的控制系统的顶层控制器的结构 框图6是本发明实施例四提供的工程机械的控制系统的工作过程示意图， 同时也是一种工程机械的控制方法的流程图7是本发明实施例五提供的工程机械的控制系统中，执行控制器的结 构框图8,该图是本发明实施例六提供的工程机械的控制系统的结构框图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释 性的说明，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
本部分在对工程机械的控制系统进行描述的同时，对工程机械的控制方 法进行说明，对工程机械的控制方法不再单独说明；应当说明的是，虽然本 发明提供的工程机械的控制系统可以实施本发明提供的工程机械的控制方 法，但本发明提供的工程机械的控制方法不限于用本发明提供的工程机械的 控制系统实施。
请参考图1,该图是本发明提供的工程机械的控制系统的结构示意图， 为了描述的方便，该图还示出了控制系统与工程机械动力部件的连接关系。
图中，工程机械包括原动机300、才喿纵机构500和液压系统，液压系统 包括液压泉200、液压执行元件100。本例中，原动4几300为发动4几，且该发 动机包括电子控制单元310,可以理解，原动机300也可以为电动机，并可 以根据实际需要选定不同类型的电动机；液压执行元件IOO为液压马达，液 压泵200为液压执行元件100^是供液压动力。本例中，液压系统为闭式液压 系统，液压泵200为变量液压泵，包^fe变量才几构210;液压马达为变量液压 马达，包括变量机构110,变量才几构110为工程才几纟成的液压控制元件，通过 改变液压马达的排量控制液压马达的旋转速度和最大驱动力。所述操纵机构 500用于实现对工程机械运行状态的控制，操作人员可以通过操纵机构500输出指令参数。
所述控制系统400包括输入装置410、控制装置420和输出装置430。可 以理解，本发明中，输出装置410和输入装置430可以有多种具体表现形式， 输出装置410可以包括多个输入接口 ，输出装置430可以包括多个输出接口 。
所述输入装置410分别与原动机300的电子控制单元310、液压泵200、 液压执行元件IOO和才喿纵才几构500相连，以采集预定参数，并将预定参数输 送到控制装置420,所述预定参数包括操纵机构500的指令参数和液压系统 的预定参数。本例中，液压泵200上设置第一传感器，用于;f企测液压泵200 的参数，包括液压泵200的压力参数、排量参数和流量参数；液压执行元件 IOO设置第二传感器，用于采集液压执行元件100的参数，包括负载参数、 执行动作的速度参数和位置参数。输入装置410分别与第一传感器和第二传 感器相连，以釆集液压泵200的参数信息和液压执行元件100的参数信息； 输入装置410与电子控制单元310相连，以通过电子控制单元310采集原动 机300的参数信息。
控制装置420根据预定参数获得工程机械的预定运行参数，并一艮据预定 运行参数生成控制信号，然后将控制信号输送到输出装置430。预定运行参 数可以包括原动机300的预定运行参数和液压系统的预定运行参数，所述液 压系统的预定运行参数又可以包括液压泵200的预定排量参数和液压执行元 件100的预定运行参数。本例中，液压执行元件100的预定运行参数为液压 马达的排量。控制信号可以包括原动机300的控制信号和液压系统的控制信 号。
输出装置430将控制装置420生成的控制信号输出，具体包括第一、 将原动机300的控制信号输送到电子控制单元310,通过电子控制单元310 控制原动机300的运行状态；可以理解，对原动机300状态的控制不限于对 原动机转速的控制，还可以包括对发动机电喷系统的喷油压力、喷油量及喷 油定时等参数的控制，以实现对原动机300的输出扭矩、燃油率及其他性能 的调整；进而，在液压泵200排量变化之前或同时使原动机300输出扭矩改 变。第二、将液压系统的控制信号输送到变量机构210和变量机构110,使 变量机构210和变量机构110分别进行预定的动作，调节液压泵200和液压执行元件100运行状态。
请参考图2，该图是实施例一提供的工程机械的控制系统的工作过程示 意图，也是本发明提供的一种工程机械的控制方法的流程图。该方法包括以 下步骤
S100,采集预定参数。所述预定参数可以包括工程机械的操纵才几构500 输出的指令参数、表征工程机械负载的负载参数和液压系统的压力参数。可 以理解，釆集的预定参数越全面，越准确、越及时，控制装置420根据预定 参数获得的预定运行参数越可靠，越准确，因此，可以根据实际需要采集工 程机械的更多个预定参数。
S200,根据所述预定参数获得预定运行参数。所述预定运行参数包括原 动机300的预定运行参数、液压系统的预定运行参数，液压系统的预定运行 参数又可以包括液压泵200的预定排量参数和液压执行元件100的预定运4亍 参数，以分别对原动机300、液压泵200和液压执行元件IOO分别进行调整。 由于工程机械中具体结构存在相应的差别，具有的动力部件也不相同，因此， 预定运行参数也可以根据工程机械的不同包括更多动力部件的预定运行参 数，以实现对多个动力部件分别调节，实现工程机械整体的功率匹配和动力 优化配置。
S300，根据预定运行参数生成控制信号，所述控制信号包括原动机的控 制信号和液压系统的控制信号，以实现对原动机300和液压系统的调整，液 压系统的控制信号可以包括液压泵200的控制信号和液压执行元件100的控 制信号。可以理解，在预定运行参数包括更多动力部件的预定运行参数时， 控制装置420可以根据所述预定运行参数生成更多个控制信号。
S400,根据控制信号调整工程机械的运行状态，包括根据控制信号调整 原动机300,液压泵200和液压执行元件100的运行状态，调整结束后，返 回步骤SIOO,进入下一周期的调整过程。输出装置430将合适的控制信号分 别输送到原动才几300、液压泵200和变量才几构110; 4吏原动才几300以预定的状 态运行，驱动液压泵200以预定转速旋转；使液压泵200以预定的排量输出 液压油，液压泵200预定排量与原动机300的预定转速相配合，使液压泵200 以预定的输出流量驱动液压执行元件IOO动作；同时，液压马达的排量也根据相应的控制信号进行调整，使液压执行元件100以预定的状态输出动力。
由于本例中的控制装置420能够从全局出发，统筹优化，因此，该工程机械的控制系统具有以下技术效果
第一、能够实现原动机300、液压泵200和液压执行元件100三者之间的功率匹配，降低工程机械的整体能耗，提高工程机械整体的运行效率。控制装置420可以根据预定的策略获得预定运行参数，使原动机300、液压泵200和液压执行元件100各运行参数相结合，在满足工程机械具体作业需要的同时，尽可能地减少无用功率的输出，降低工程机械的燃油消耗，提高工程机械的运行效率。
第二、原动机300调整不再仅依据液压泵200的状态进行调整，而是根据综合优化出的原动机的预定运行参数进行调整，这就能够同时调整原动机300、液压泵200和液压执行元件100，避免原动才几300转速调整的滞后现象；进一步地，也有利于工程机械的操作和控制，提高工程机械的操纵性能。
第三、控制系统400从工程机械的动态变化过程出发，可以通过循环过程保持对工程机械各动力部件的控制，在实现能量的全局优化组合的同时，将节能过程从以静态目标为基础的局部控制扩展到以综合考虑工程机械动态目标为基础的整体控制，能够减少工程机械过渡状态的能量损失，进而减少工程机械的能源消耗。
可以理解，工程机械各动力部件是相互关联的， 一个动力部件的运行参数产生变化，需要相应调整其他动力部件的运行参数；为了获得可靠、准确的预定运行参数，且保证对动力部件的控制的快速性，本发明还提供了另一种结构的工程机械的控制系统。
请参考图3,该图是本发明实施例二提供的工程机械的控制系统的结构框图，该控制系统包括输出装置410、控制装置420和输出装置430，所述控制装置420又进一步包括顶层控制器4210和#1行控制器4220，所述顶层控
行参数；并将液压系统的预定运行参数，即液压泵200的预定排量参数和液压执行元件100的预定运行参数输送到执行控制器4220;所述执行控制器4220根据所述液压泵200的预定排量参数和液压执行元件200的预定运行参数生成适当的液压系统的控制信号，并将生成的液压系统的控制信号输送到
输出装置430;输出装置430再将液压系统的控制信号输送到液压系统；本 例中，液压系统的控制信号包括两个变量信号，输出装置430将两个变量信 号分别输送到液压泵200的变量机构210和液压扭J于元件100的变量才几构 110。同时，顶层控制器4210根据原动机300的预定运行参数生成原动机300 的控制信号，并将原动机300的控制信号直接输送到输出装置430,输出装 置430将原动机300的控制信号输送到原动机300的电子控制单元，其他与 实施例一相同，实现本发明的目的。
实施例二中，控制装置420包括顶层控制器4210和执行控制器4220的 益处在于顶层控制器4210和执行控制器4220各司其职，顶层控制器4210 负责处理工程机械整体的功率匹配和能源优化，可以通过智能^t术实现对工 程机械整体的统筹优化，比如说可以通过模糊技术，神经网络技术，专家 系统技术，遗传算法技术，淬火算法技术，蚁群算法技术，混沌优化技术等 方法实现工程机械的全局优化。执行控制器4220实际执行对液压系统的运行 进行控制，可以利用现有的PID或其他现有控制技术，利用驱动电路获得两 组的PWM变量信号，经输出装置430输出， 一组变量信号输送到变量才几构 210，实现对液压泵200排量的调节，另一组变量信号输送到变量机构110, 实现对液压马达排量的调节。这样，顶层控制器4210和执行控制器4220的 分工合作，顶层控制器4210从工程机械整体出发，进行功率匹配和能源分配 的优化，能够保证获得的预定运行参数的及时性、可靠性和准确性。执行控 制器4220能够以简单、快速地生成变量信号，且保证变量信号的可靠性，进 而提高液压泵200和液压执行元件300响应性能。总之，顶层控制器4210 和执行控制器4220分别执行不同的功能，能够节省控制资源，提高控制装置 的响应速度，还可以提高控制装置功能的可靠性。
本例中，之所以用顶层控制器4210生成原动机300的控制信号，是由于 原动机300具有电子控制单元310,因此，不需要驱动电路生成驱动性电信 号，因此，顶层控制器4210可以直接4艮据原动机300的预定运行参数生成原 动机300的控制信号，并通过输出装置430直接输送到电子控制单元310; 可以理解，在特定情况下，也可以利用执行控制器4220生成的适合的控制信号控制原动机300的运行状态。
可以理解，降低能量消耗的关键是降低原动机300的能量消耗，为了使 原动机300以最优的状态运行，在获得预定运行参数时，有必要以原动机300 性能参数为基础；同样，要使各动力部件在最优的状态下运行，也需要以各 动力部件的性能参数为基础。请参考图4，该图是本发明实施例三提供的工 程机械的控制系统中的控制装置的结构框图，本例中，所述顶层控制器4210 包括顶层分析单元4212和存储单元4211，所述存储单元4211存储有工程机 械的特征参数，工程机械的特征参数可以包括原动机300特性参数、液压泵 200特性参数和负载概率分布特性参数。
其中，原动机300特性参数又可以包括原动机300的多种特性参数，可 以包括形成发动机的万有特征曲线的参数、和形成最佳燃油消耗曲线的参数
械的负载产生预定变化的概率，该特性参数可以根据历史数据确定，也可以 通过适当的输入装置设定。
顶层分析单元4212具体执行分析功能，用于根据预定参数获得所述预定 运行参数，在获得预定运行参数时，可以根据操纵机构输出的指令参数、以 发动机特性参数和燃油消耗参数、液压泵200效率曲线和负载概率分布特性 参数为约束条件，在保证工程机械动力性和操纵性的前提下，通过智能优化 算法对工程机械进行全局优化，获得原动机300的预定运行参数、液压泵200 的预定排量参数和液压执行元件100的预定运行参数；其中，原动机300的 预定运行参数可以是发动机电喷系统的喷油压力、喷油量及喷油定时等参数， 以通过电子控制单元310实现发动机输出扭矩的调节，使发动机以最优化状 态运行。
根据上述描述，可以理解，在获取预定运行参数时加入发动机的特征参 数，不仅能够有助于实现工程机械整体的功率匹配和优化配置，还能够降低 发动机的油耗，提高发动机的动力性能，进而提高工程机械的运行效率；进 一步地，通过电子控制单元310控制发动机的运行状态，不仅能够缩短发动 机的响应时间，还能够更准确地调整发动机的运行。在获取预定运行参数时 加入负载概率分布特性参数可以进一步地提高工程机械运行的智能化程度，提高对发动机转速的先导性控制，避免对工程机械各动力部件的反复调整， 不仅有利于降低工程机械的能量消耗，还能够减少工程机械的动力冲击，提 高工程才几械工作的稳定性。
可以理解，在获得预定运行参数时，还可以加入工程枳i械的实际运行参 数，加入工程机械的实际运行参数获取预定运行参数的方式有很多种，实施 例四就提供了其中的一种。
请参考图5,该图是本发明实施例四提供的工程机械的控制系统的顶层 控制器的结构框图。
实施例四是在实施例三基础上的改进，顶层控制器4210除了包括存储单 元4211和顶层分析单元4212外，还包括第一判断单元4213;第一判断单元 4213接收顶层分析单元4212获得的预定运行参数和工程机械的实际运行参
合要求，如果是，则不再输出获得的预定运行参数，如果否，则输出预定运 行参数，将预定运行参数输送到执行控制器4220。
其具体运行过程如图6所示，图6是本发明实施例四提供的工程机械的 控制系统的工作过程示意图，同时也是一种工程机械的控制方法的流程图。
SIOO，采集预定参数。该步骤中，与实施例一提供的控制系统的工作过 程中的区别在于采集的预定参数包括工程机械的实际运行参数，具体采集 的方式可以在工程机械的适当位置设传感器，并使传感器与输出装置410相 连。
S200，根据所述预定参数获得预定运行参数，本例中，该步骤由顶层分 析单元4212执行。与实施例一相同，可以获得多个动力部件的预定动力参数， 包括获得原动机300的预定运行参数、液压泵200的预定排量参数和液压执 行元件100的预定运行参数。
S210,判断实际运行参数是否符合要求，如果否，则进入步骤S300;如 果是，则不再进入下一步骤，返回步骤SIOO。本例中，判断工程机械的实际 运行参数是否符合要求由第一判断单元4213进行，在判断结果为是时，顶层 控制器4210就不再输出预定运行参数，返回步骤SIOO，进入下一循环的控 制过程，还可以将实际运行参数通过文本或其他设备输出，增加人机的交互性；在判断结果为否时，就说明有必要对工程机械的运行状态进行调整，则 第一判断单元4213输出工程机械的预定运行参数，进入步骤300，再通过步 骤400实现本发明的目的。第一判断单元4213进行判断的方法有多种具体方 式，可以是对比相对应的实际运行参数和预定运行参数，如果二者相等，则 判断为是，如果二者不相等，则判断为否；也可以才艮据二者的差值大小进4亍 判断，在二者之间的差值小于预定值时，判断为是，当二者之间的差值大于 预定值时，判断为否；还可以根据实际需要增加更多的判断条件，比如还 可以增加或单独判断工程机械的实际运行参数是否达到预定的限值，如果达 到预定的限值，则不再调整工程机械的运行状态，如果未达到预定的限值， 则输出预定运行参数。
增加第一判断单元4213的意义在于在不需要调整工程机械的运行状态 时，顶层控制器4210不再输出预定运行参数，能够在实现工程机械整体优化 的同时，减小控制系统的数据传输和通讯量，避免控制系统对工程机械动力 部件的反复调整，提高工程机械工作的稳定性。
可以理解，工程机械的实际运行参数可以是综合表征工程机械运行状态 一个参数，也可以是多个参数，本例中，与预定运行参数相对应，工程机械 的实际运行参数包括原动机300的实际运行参数、液压泵200的实际排量参 数和液压执行元件IOO的实际运行参数。在判断过程中，第一判断单元4213 可以分别对比原动机300的实际运行参数和原动机300的预定运行参数、液 压泵200的实际排量参数与液压泵200的预定排量参数及液压执行元件100 的实际运行参数和液压执行元件100的预定运行参数。在原动机300的实际 运行参数不符合预定要求时，顶层分析单元4212可以根纟居原动^/L 300的预定 运行参数生成原动机的控制信号，并输送到输出装置430,再通过电子控制 单元310调整原动机300的运行状态；同样，也可以以相同的方式仅对液压 泵200或/和液压执行元件100的运行进行调整。可以理解，上述判断过程中， 也可以判断一部分实际运行参数是否符合预定的要求，还可以预先设定适当 的条件，判断工程机械的实际运行参数是否满足预定的条件；可以理解，根 据以上描述，本领域技术人员还可以根据实际情况设定具体的条件，实现本 发明的目的。为了增加控制装置420对工程机械动力部件的实时监控和实时调整，保 持工程机械各动力部件动态的功率匹配，本发明实施例四还提供了另 一种结 构的工程机械的控制系统。
请参考图7,该图是本发明实施例五提供的工程机械的控制系统中，控 制装置的执行控制器的结构框图。所述执行控制器4220包括第二判断单元 4221和转化单元4222，所述第二判断单元4221接收工程机械的实际运行参 数和顶层控制器4210输出的预定运行参数，并判断工程机械的实际运行参数 是否符合要求；如果否，转化单元4222根据所述工程机械的预定运行参数生 成所述液压系统的控制信号，并通过输出装置430输送到液压泵200的变量 机构210和液压马达的变量机构110，调整液压泵200的排量和液压马达的 排量，实现本发明的目的。可以理解，第二判断单元4221进行判断的目的有 两个， 一是判断顶层控制器4210是否输出了新的预定运行参数，是否需要转 化单元4222根据该预定运行参数生成液压系统的控制信号，以调整液压泵 200或液压执行元件100的运行状态；另一种是判断是否由于负载波动或外 环境产生了变化使液压泵200或液压执行元件100的运行参数产生了变化， 此时，执行控制器4220可以自动根据顶层控制器4210输出的预定运行参数 调整相应液压系统中动力部件的运行状态，保证动力部件以预定的运行参数 运行。可以理解，执行控制器4220—方面形成一个闭环的控制系统，以保持 对液压系统的实时监控和实时调整，另一方面，还才艮据顶层控制器4210输出 的预定运行参数生成具有驱动功能的控制信号，以调整液压系统的液压元件 的运行参数，实现本发明的目的。
可以理解，上述工程机械的控制系统不仅能够具有闭式液压系统的工程 机械中，也可以应用于具有开式液压系统的工程机械中，请参考图8,该图 是本发明实施例六提供的工程机械的控制系统的结构框图。
实施例六中，工程机械的包括原动机300和液压系统，液压系统包括液 压泵200、液压控制元件110、液压执行元件100和操:纵才几构500,本例中， 液压系统为开式液压系统，液压拍4行元件100为液压缸，液压控制元件110 为换向阀，通过换向阀控制液压缸的伸出或缩回。控制系统也包括输出装置 410、控制装置420和输出装置430。控制装置420又可以包括顶层控制器4210
19和执行控制器4220,顶层控制器4210和执行控制器4220可以为上述具体结 构。
实施例六提供的工程机械的控制系统的工作过程与实施例四提供的工程 机械的控制系统的工作过程基本相同，请参考图6，工作过程包括如下步骤
S100,采集预定参数，预定参数包括工程机械的实际运行参数。该步骤 通过输入装置410实现。
S200,根据所述预定参数获得预定运行参数。该步骤由顶层控制器4210 实现，本例中，预定运行参数包括换向阀的开度参数。
S210,判断工程机械的实际运行参数是否符合要求，该步骤包括第一判 断单元4213和第二判断单元4221分别进行的判断过程；如果二者判断的结 果均为否，则进入下一步骤，如果二者之中有一个判断结果为是，则返回步 骤SIOO。
S300，根据预定运行参数生成控制信号，以实现对原动机300、液压泵 200和液压执行元件IOO的控制。生成的控制信号包括驱动换向阀位置改变 的控制信号。
S400，调整工程机械运行状态，返回步骤SIOO。不同的是，对液压执行 元件IOO的控制是通过换向阀实现的，通过控制信号控制换向阀的位置，实 现对对液压缸动作及动作速度的控制。
本发明中，控制装置420还可以具有总线接口，并使顶层控制器4210 和执行控制器4220之间通过总线通讯，还可以设置故障诊断单元及远程通信 单元，以方便控制系统功能的扩展；顶层控制器4210和执行控制器4220可 以有多种具体组成，比如说顶层控制器4210可以设置核心微处理器、人机 交互接口、总线收发器或高速光电隔离电路；执行控制器可以包括滤波电路， 微处理器、光电隔离电路和功率驱动电路等等，以保证输入、输出信号或数 据的可靠性和稳定性。
在提供上述工程机械的控制系统的基础上，还提供了一种工程机械，所 述工程才几械包括原动才几、液压系统和控制系统，所述液压系统依赖于原动积j 驱动输出液压动力，所述控制系统可以为上述的工程机械的控制系统，并使 上述控制系统的输出装置430与原动机300、液压系统的液压泵200和液压执行元件100相连。为了便于预定参数采集，还可以设置适当的传感器和操 纵机构500,并使控制系统的输入装置410分别与传感器和操纵机构500相 连。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润 饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1、一种工程机械的控制系统，所述工程机械包括原动机(300)、液压系统，所述液压系统依赖于原动机(300)驱动输出液压动力，其特征在于，所述控制系统包括输入装置(410)、控制装置(420)和输出装置(430)；所述输入装置(410)采集预定参数；所述控制装置(420)根据所述预定参数获得预定运行参数，并根据预定运行参数生成控制信号；所述预定运行参数包括原动机(300)的预定运行参数和液压系统的预定运行参数，所述控制信号包括原动机(300)的控制信号和液压系统的控制信号；所述输出装置(430)将控制装置(420)产生的控制信号输出。
2、 根据权利要求1所述的工程机械的控制系统，其特征在于，所述预定 参数包括工程机械的操纵机构(500)输出的指令参数和表征工程机械负载的 负载参数。
3、 根据权利要求1所述的工程机械的控制系统，其特征在于，所述控制 装置(420)包括顶层控制器(4210)和执行控制器(4220),所述顶层控制器(4210)根据所述预定参数获得所述预定运行参数；所述执行控制器(4220) 根据所述液压系统的预定运行参数生成液压系统的控制信号。
4、 根据权利要求3所述的工程机械的控制系统，其特征在于，所述顶层 控制器(4210)包括顶层分析单元(4212)和存储单元(4211)，所述存储单 元(4211)中存储工程机械的特性参数，所述顶层分析单元(4212)根据所述 预定参数和工程机械的特性参数获得所述预定运行参数。
5、 根据权利要求4所述的工禾呈机械的控制系统，其特征在于，所述工程 机械的特性参数包括原动机(300)的特性参数、液压系统中液压泵(200)的 特性参数和工程机械负载概率分布特性参数。
6、 根据权利要求3、 4或5所述的工程机械的控制系统，其特征在于，所 述预定参数还包括工程机械的实际运行参数。
7、 根据权利要求6所述的工程机械的控制系统，其特征在于，所述顶层 控制器(4210)还包括第一判断单元(4213)，所述第一判断单元(4213)判 断所述工程机械的实际运行参数是否符合要求，如果否，所述顶层分析单元(4212 )将获得的所述预定运行参数输送到所述执行控制器。
8、 根据权利要求7所述的工程机械的控制系统，其特征在于，所述工程 机械的实际运行参数包括原动机(300)的实际运行参数和液压系统的实际运 行参数。
9、 根据权利要求6或7所述的工程机械的控制系统，其特征在于，所述 执行控制器(4220)包括第二判断单元(4221 )和转化单元(4222),所述第 二判断单元(4221 )判断所述工程机械的实际运行参数是否符合要求；如果否， 所述转化单元(4222 )才艮据所述液压系统的预定运行参数生成所述液压系统的 控制信号。
10、 根据权利要求9所述的工程机械的控制系统，其特征在于，所述工程 机械的实际运行参数包括液压系统的实际运行参数。
11、 一种工程机械，所述工程机械包括原动机(300)、液压系统和控制系 统，所述液压系统依赖于原动机(300)驱动输出液压动力，其特征在于，所 述控制系统为权利要求1-10任一项所述的工程机械的控制系统，所述输出装 置(430)与原动机(300)和液压系统相连。
12、 根据权利要求11所述的工程机械，其特征在于，所述工程机械具有 传感器和操纵机构(500 ),所述输入装置(410 )分别与传感器和操纵机构(500 ) 相连。
13、 一种工程机械的控制方法，所述工程机械包括原动机(300)、液压系 统，所述液压系统依赖于原动机(300)驱动输出液压动力，其特征在于，该 方法包括步骤采集预定参数，所述预定参数包括工程机械的操纵机构(500)输出的指 令参数和表征工程机械负载的负载参数；根据所述预定参数获得预定运行参数；所述预定运行参数包括原动机 (300)的预定运行参数和液压系统的预定运行参数；根据所述预定运行参数生成控制信号，所述控制信号包括原动机(300) 的控制信号和液压系统的控制信号；根据控制信号调整工程机械的运行状态。
14、 根据权利要求13所述的工程机械的控制方法，其特征在于，在获得预定运行参数之后，还包括步骤采集工程机械的实际运行参数，并判断所述工程机械的实际运行参数是否 符合预定要求，如果为否，则进入根据所述预定运行参数生成控制信号的步骤。
全文摘要
本发明公开一种工程机械的控制系统、工程机械及工程机械的控制方法，所述控制系统包括输入装置、控制装置和输出装置；所述输入装置采集预定参数；所述控制装置根据所述预定参数获得预定运行参数，并根据预定运行参数生成控制信号；所述预定运行参数包括原动机的预定运行参数和液压系统的预定运行参数；所述输出装置将控制装置产生的控制信号输出，所述控制信号包括原动机的控制信号和液压系统的控制信号。由于控制装置根据预定参数，从工程机械整体出发获得的预定运行参数，能够实现原动机、液压泵和液压执行元件三者之间功率匹配，降低工程机械整体的能耗，提高工程机械的运行效率。
文档编号G05B19/02GK101625543SQ200910165370
公开日2010年1月13日 申请日期2009年8月7日 优先权日2009年8月7日
发明者敏 叶, 易小刚, 谭凌群 申请人:三一重工股份有限公司