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CAN移动式起重机功率极限载荷控制技术
孙继超1，顾 波2，刘华富1
1. 上海派芬自动控制技术有限公司，上海，201206；
2. 徐州建筑职业技术学院 机电工程系，江苏 徐州 221008
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针对使用变量泵液压系统的移动式起重机的发动机功率极限保护问题，对其产生的原因进行了分析并提出相应的控制策略功率极限载荷控制，以解决发动机在工作过程中因超载导致其处于低效率工作状态甚至熄火的问题。针对起重机的具体施工需求，提出了精细控制模式，解决了其在具体施工中要求低速、微动和易操作的问题。
关键词：移动式起重机；发动机；功率极限载荷控制；精细控制
随着国内起重机制造技术的飞速发展，起重机额定起重量也越来越大，汽车起重机型谱已经覆盖25吨到200吨，履带起重机型谱已经覆盖50吨到600吨，而且目前更大吨位的起重机也在设计制造过程中。在起重机的发展过程中，液压系统越来越多地采用了泵控系统和负荷传感控制，它的优点是按需要向系统提供流量，基本无溢流损失，降低能源消耗，减少系统发热，节能环保。
然而，尽管采用了泵控系统（比如恒功率泵控系统），在起重机的实际使用中，还是常常出现发动机与液压系统功率不匹配的现象，导致发动机转速下降过多，偏离最佳工作点，增加油耗，情况严重的还会导致发动机熄火。这些情况的发生，严重影响了起重机的正常使用和安全。因此，功率极限载荷控制在起重机上的应用也成为必然。应用这项技术后，可以最大程度地避免液压系统的吸收功率高于发动机输出功率，达到保护起重机正常工作、提高起重机可操作性及避免发动机熄火的目的，同时也达到了节能降噪、环保的目的。
另外，有时需要起重机作低速运行或微动，据此需求，本文提出了精细控制模式，实现了对起重机的微动控制。
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[问题产生的原因] |
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由于起重机自身的特点，在进行发动机和液压系统的匹配设计时，往往不会使发动机的输出功率曲线总是高于泵（液压系统）的吸收功率曲线，否则发动机的额定功率将选得非常大，不利于节能和降低制造和使用成本，造成极大的浪费。
而起重机又常常工作在低转速、大负载情况下，此时，负载功率(PL)将可能大于发动机的输出功率(PE)，
PL>PE
在理想状况下，不计能量损失，泵的吸收功率等于负载功率，
PL=PP
即泵的吸收功率大于发动机的输出功率，
PP>PE
发动机转速将被迫下降过多，导致发动机工作在低效率状况，情况严重的，还会导致发动机熄火。因此，起重机驾驶员往往需要额外小心操作，才能避免上述情况的发生，严重影响了起重机的可操作性和安全性。
所以，当发动机工作在某固定转速下，如果载荷较大或者载荷提升速度较快时，将可能导致泵的吸收功率大于发动机输出功率，使得发动机转速被迫下降过多甚至熄火。
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[极限载荷控制的实现] |
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极限载荷控制主要由两部分组成：
判断泵的吸收功率PP是否大于发动机的输出功率PE，即PP>PE是否成立；
当PP>PE时，快速减小泵的排量，降低泵的吸收功率，使发动机回到正常转速区域内。
当发动机处于空载状况时，发动机的空载转速n0和油门位置AP成正比，即有如图1所示的曲线：
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根据发动机的工作特性可知，当发动机带载时，发动机转速会被迫下降，下降的转速与空载转速之比称为失速率K，即
当起重机工作时，如果载荷较大或提升速度较快，致使泵吸收功率PP（负载功率PL）大于发动机PE ，则发动机转速下将程度必然较大，即失速率K较大。由于发动机转速在下降的同时，泵的转速也在跟随着下降，由
PP=P×q×n
P：泵出口压力；
q：泵排量；
n：泵转速（发动机转速）； |
可知，泵的吸收功率也在随之下降，如果在此下降过程中，发动机的输出功率PE和泵的吸收功率PP又能重新建立平衡，则发动机转速将会稳定在这个转速上，否则，发动机转速将继续下降，直至熄火。
因此，可通过发动机失速率K的大小来侧面判断泵的吸收功率PP是否大于发动机的输出功率PE。具体实现方法：根据发动机的空载油门-转速曲线，设定发动机允许失速率，即设定判断发动机是否超载的允许极限转速曲线nlimit，如图2所示： |
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当在发动机处于某个油门位置状态下时，检测到的实际发动机转速n小于允许极限转速nlimit，则认为泵的吸收功率PP大于发动机输出功率PE，需要进行对泵的排量调节。
一般的，最大允许失速率在10~15%左右，即当发动机处于低怠速（800rpm）时，允许发动机转速下降80~120rpm左右，而当发动机处于高怠速（2100rpm）时，允许发动机转速下降210~315rpm左右。
当极限载荷控制系统判断出泵吸收功率PP大于发动机输出功率PE，需要进行调节后，系统迅速做出响应，降低变量泵的排量，使发动机转速回到允许的转速范围内。调节方式一般采用PID调节方式。
控制框图如图3所示：
系统采集发动机油门位置和发动机实际转速，根据油门位置和失速率计算当前允许的最低转速，与反馈的发动机实际转速进行比较，当发动机实际转速低于允许的最低转速时，PID进行运算，其输出信号通过PWM控制变量泵排量，降低起重机运行速率，以达到降低负载功率的目的，使发动机恢复到正常的转速范围内。
在实际应用中，当负载功率过大时，会导致发动机转速下降得很快，如果不能及时调整变量泵的排量，则会导致发动机在很短时间内熄火，经实际测量，此时间可小于0.5秒。因此，对PID的动态响应速度提出了很高的要求。
同时，起重机在工作时，又要要求运行平稳，因此在极限载荷控制下，不能让起重机的执行机构工作速度出现震荡，即对PID调节的稳定性要求较高。 |
基于上述实际需求，单一PID参数已经不能满足实际需求，多PID参数成为必需。经过实际试验，当失速率在10~20%时，PID调节应以稳定性为主，在进行PID参数整定时应使比例参数P和微分参数D较小，保持其稳定性；而当失速率大于20%时，PID调节应以快速响应为主，比例参数P和微分参数D较大。
图4是在起重机实际工作时所测的极限载荷响应曲线：
曲线1：发动机转速n；
曲线2：系统压力P，可代表负载大小；
曲线3：系统输出电流I，其大小代表了泵的排量大小（在这里I与泵的排量成反比）。
由上图可看出，当负载突然加大时，发动机转速出现了大幅度下降，从1350rpm降到了900rpm，此时极限载荷控制立即起作用，通过其输出的电流I改变泵的排量，使得发动机转速在非常短的时间内恢复到正常的转速范围即允许失速范围内，由上图所示，发动机转速最后恢复到1270rpm左右，失速大约80rpm；当负载突然消失后（忽略压力尖峰），泵的排量又恢复到正常状态。通过在国内起重机上的实际应用，本文所论述的极限载荷控制系统表现出了较好的控制效果，满足了国内起重机应用的实际需求。 |
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精细工作模式
针对起重机的实际作业需求，如起吊载荷离地过程和卸载荷过程，当载荷较大或吊臂较长时，操作需特别小心，操作幅度不能过大，否则容易产生起重机臂架晃动，影响起重机工作稳定性，增加不安全因素。采用精细操作模式，即强制限制起重机执行机构的最大运行速度，可以使得操作者易于操作。
基本工作原理是在起重机操作面板上增加一个精细模式电位计，此电位计的用途是用来控制变量泵的最大排量。即电位计从0~100%，对应了泵排量的100~0%，如图5所示。即起重机驾驶员可以通过精细模式电位计人为限制泵的最大排量，当泵的排量被限制到很小时，无论驾驶员如何操作，起重机都不会以较快的速度工作，因此，达到了限制起重机最快工作速度的目的，增加了可操作性和安全性。 |
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本文分析了起重机发动机转速下降过多甚至熄火问题的原因，提出了与之相匹配的解决方案：功率极限载荷控制技术，并在实际车辆中取得了良好的应用效果：
1、
增加了起重机可操作性，更好保护发动机。由于极限载荷控制的作用，发动机不会处于过载工作的状况，因此不会非正常原因熄火，延长了发动机的工作寿命。
2、提升了起重机性能。由于极限载荷控制的作用，使得无论发动机处于何种转速下，即使在低怠速（800rpm）下，都能起吊额定载荷。
3、更经济、更节能。由于极限载荷控制的作用，可在起重机设计制造时，选择相对较小的发动机，也能满足设计要求，降低了起重机的制造成本；在起重机的使用过程中，由于在低转速下也能正常起吊，降低了燃油消耗。
4 、更环保。由于极限载荷控制的作用，发动机不会处于低效率工作状态，柴油燃烧更充分，排放更清洁；同时，发动机只有在必要的时候才会处于高转速状态，有效降低了噪音污染。
参考文献
[1]顾波，郭西进.液压挖掘机智能控制系统的构想.建筑机械，2007（13）,P182-185.
[2]王欣，刘宇，蔡福海，徐胜强.履带起重机发动机与液压泵的匹配.
[3]中国工程机械学报，2007（02）,P47-50.林德公司HPR-02液压泵样本.
[4]康明斯公司发动机样本.
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