一种挖掘机散热系统及其控制方法实用新型专利

专利名称：一种挖掘机散热系统及其控制方法

专利类型：实用新型专利

专利申请号：CN202211302480.8

专利申请（专利权）人：中联重科股份有限公司
权利人地址：湖南省长沙市岳麓区银盆南路361号

专利发明（设计）人：吴仲吉,潘宏达,王毅,赵海涛,高达

专利摘要：本申请提供一种挖掘机散热系统及其控制方法，所述挖掘机散热系统包括冷却泵、反比例电磁阀、主控制器、温度传感器、液压马达、风扇；所述冷却泵用于为所述液压马达提供液压油，驱动所述液压马达带动所述风扇转动以进行散热；所述温度传感器用于感测所述挖掘机散热系统中预设区域的温度，所述主控制器用于根据所述温度传感器感测的温度产生相应的控制电流，所述反比例电磁阀用于根据所述控制电流产生对应的控制压力调节所述冷却泵的液压油流量，进而调节所述液压马达和所述风扇的转速，以调节所述挖掘机散热系统的散热功率。

主权利要求：
1.一种挖掘机散热系统，其特征在于，所述挖掘机散热系统包括冷却泵、反比例电磁阀、主控制器、温度传感器、液压马达、风扇；所述冷却泵与所述液压马达及所述反比例电磁阀流体连接，所述风扇与所述液压马达传动连接，所述冷却泵用于为所述液压马达提供液压油，驱动所述液压马达带动所述风扇转动以进行散热；所述主控制器与所述反比例电磁阀及所述温度传感器电性连接，所述温度传感器用于感测所述挖掘机散热系统中预设区域的温度，所述主控制器用于根据所述温度传感器感测的温度产生相应的控制电流，所述反比例电磁阀用于根据所述控制电流产生对应的控制压力调节所述冷却泵的液压油流量，进而调节所述液压马达和所述风扇的转速，以调节所述挖掘机散热系统的散热功率；
其中，所述主控制器还用于通过以下操作对所述控制电流进行修正：
根据所述温度传感器感测的温度产生相应的控制电流后，将所述控制电流的电流值作为前馈补偿电流，将基于预设的前馈控制的模糊PID自适应温度控制方法确定的模糊PID控制器的输出值作为外环补偿电流，将电流内环反馈的所述反比例电磁阀的阀芯电流给定值作为内环补偿电流；将所述前馈补偿电流、外环补偿电流及内环补偿电流以预设权重比例进行加权求和，将所得的和作为所述控制电流的最终值。
2.如权利要求1所述的挖掘机散热系统，其特征在于，所述主控制器用于通过以下操作根据所述温度传感器感测的温度产生相应的控制电流：将所述温度传感器感测的温度T与预设的第一温度阈值T1、第二温度阈值T2、第三温度阈值T3进行比较，其中T1
如果T≤T1，则确定控制电流的电流值I为预设的第一电流阈值I1；
如果T1＜T＜T2，则确定所述电流值I＝I1‑k1×T，其中k1为预设的第一比例系数；
如果T＝T2，则确定所述电流值I为预设的第二电流阈值I2，其中I1＞I2；
如果T2＜T＜T3，则确定所述电流值I＝I2‑k2×T，其中k2为预设的第二比例系数，且k1＞k2；
如果T≥T3，则确定所述电流值I＝0。
3.如权利要求1所述的挖掘机散热系统，其特征在于，还包括电磁换向阀，所述电磁换向阀为三位四通电磁换向阀，流体连接于所述冷却泵和所述液压马达之间，用于将所述冷却泵输入的液压油提供给所述液压马达；所述电磁换向阀还与所述主控制器电性连接，用于在所述主控制器控制下改变其相对两侧的得电和失电状态以分别切换到不同的工作状态，并通过不同的工作状态分别控制所述液压马达正转、反转及泄压。
4.如权利要求3所述的挖掘机散热系统，其特征在于，所述挖掘机散热系统还包括用于存储液压油的液压油箱，所述冷却泵、电磁换向阀、液压马达分别与所述液压油箱流体连接。
5.如权利要求1所述的挖掘机散热系统，其特征在于，所述挖掘机散热系统还包括发动机和散热器，所述发动机用于驱动所述冷却泵，所述散热器用于为所述发动机散热，所述风扇用于为所述散热器散热。
6.一种挖掘机散热系统控制方法，用于控制如权利要求1‑5中任一项所述的挖掘机散热系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：实时感测所述挖掘机散热系统中预设区域的温度；
根据感测的温度产生控制电流；将所述控制电流的电流值作为前馈补偿电流，将基于预设的前馈控制的模糊PID自适应温度控制方法确定的模糊PID控制器的输出值作为外环补偿电流，将电流内环反馈的所述反比例电磁阀的阀芯电流给定值作为内环补偿电流；将所述前馈补偿电流、外环补偿电流及内环补偿电流以预设权重比例进行加权求和，将所得的和作为所述控制电流的最终值，以对所述控制电流进行修正；
根据所述控制电流产生对应的控制压力；
利用所述控制压力调节所述挖掘机散热系统的散热功率。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法用于控制如权利要求2所述的挖掘机散热系统，且所述根据感测的温度产生控制电流包括：将感测的温度T与预设的第一温度阈值T1、第二温度阈值T2、第三温度阈值T3进行比较，其中T1
如果T≤T1，则确定控制电流的电流值I为预设的第一电流阈值I1；
如果T1＜T＜T2，则确定所述电流值I＝I1‑k1×T，其中k1为预设的第一比例系数；
如果T＝T2，则确定所述电流值I为预设的第二电流阈值I2，其中I1＞I2；
如果T2＜T＜T3，则确定所述电流值I＝I2‑k2×T，其中k2为预设的第二比例系数，且k1＞k2；
如果T≥T3，则确定所述电流值I＝0。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法用于控制如权利要求3所述的挖掘机散热系统，且所述方法还包括以下步骤：控制所述挖掘机散热系统的电磁换向阀的相对两侧的得电和失电状态，以将所述电磁换向阀分别切换到不同的工作状态，并通过不同的工作状态分别控制所述挖掘机散热系统的液压马达正转、反转及泄压。 说明书 : 一种挖掘机散热系统及其控制方法技术领域[0001] 本发明涉及工程机械领域，特别是涉及一种挖掘机散热系统及其控制方法。背景技术[0002] 挖掘机等工程机械在工作中通常使用包含风扇的散热系统来进行散热。本领域最传统的散热系统为发动机直驱式散热系统，其中的风扇直接由发动机驱动，但是这样会使得风扇转速与发动机转速绑定，无法灵活匹配实际环境温度，因此难以将待散热区域的温度调节到最适合当前环境的理想温度，同时也会造成较大的能量损失。[0003] 鉴于发动机直驱式散热系统的上述缺点，现在独立散热系统也得到了广泛使用。在独立散热系统中采用液压马达驱动风扇来进行散热，能够根据实际环境温度实时调节风扇的转速，可控性强，且比较节能。[0004] 现有的用于挖掘机的独立散热系统主要由控制器、温度传感器、冷却泵(通常为冷却泵)、控制阀(通常为比例电磁阀)、液压马达、风扇等部分组成。所述独立散热系统使用时，温度传感器将从预设的感测区域(该感测区域通常包括在由风扇进行散热的散热区域中)采集到的温度数据传输给控制器，控制器根据温度数据确定用于调节控制阀阀芯开度的控制电流的大小，并生成相应的控制电流发送到控制阀，控制阀在控制电流的控制下调节其阀芯开度以控制先导压力，先导压力改变后，冷却泵的排量也就会随之改变，这样就能够调节冷却泵和控制阀提供给液压马达的输出流量，从而改变液压马达和风扇的转速，进而调节散热功率。散热功率的改变会导致包括所述感测区域在内的散热区域的温度发生改变，然后温度传感器将从感测区域采集到的温度数据再次传输给控制器，控制器再次根据温度数据确定新的控制电流发送给控制阀，这样就使得整个控制过程形成为闭环的动态循环过程。所述控制阀在采用比例电磁阀的基础上通常还可以进一步选用换向阀，能够控制液压马达正转和反转，从而实现风扇的正向和反向吹风，实现更好的散热及清洁效果。[0005] 但是，目前常用的独立散热系统也存在有自身的一些缺陷。例如：(1)独立散热系统的冷却泵和控制阀中通常包含有磁性部件，在实际应用中，磁性部件具有磁滞性，磁滞现象容易导致散热系统对温度的变化响应速度慢且响应结果不精确。(2)控制阀通常采用比例电磁阀，而比例电磁阀容易受到电源电压波动的影响，并且其阀芯线圈的电阻值还容易随着温度变化而发生改变，这些都可能影响阀芯电流的一致性；另外，在使用中还可能存在负载扰动，容易使比例电磁阀的压力出现不稳定或者随时间漂移的现象，这会导致系统前向通道控制品质变差，需要依靠温度反馈通道进行大量的调节来保证介质温度对给定温度的跟随，这样最终会影响到温控系统的动态响应精度。(3)现有的散热系统一般都具有控制风扇反转的功能以实现反向吹风除尘，但常用的电磁换向阀多为二位换向阀，在需要改变风扇的转动方向时，若是液压马达当前正处于转动状态，必须等待液压马达停转后才能重新控制其换向转动，否则容易因逆向冲击力过大而损坏液压元件。某些现有技术方案对此也进行了改进，将二位的电磁换向阀换成中位机能为“H型”的三位四通换向阀，此类换向阀可以在处于第一工位时控制风扇正转，处于第二工位时控制液压马达油路短路，实现自行泄压以减少换向冲击，处于第三工位时控制风扇反转。但此类换向阀的缺点在于，实际应用中需要保证换向阀一直处于得电状态，才能维持液压马达和风扇的正常旋转；若换向阀出现例如线圈失效或者突然失电等意外情况时，散热系统将停止工作，导致温度上升影响整机作业进度；同时若操作不当，导致换向阀两侧的得电状态产生较为突然的切换，此时虽然会经过第二工位形成一定的泄压缓冲，但是换向阀的换向速度较快可能导致泄压不完全，存在损坏液压元件的风险。[0006] 有鉴于此，有必要提供一种更加新颖的挖掘机散热系统及其控制方法来解决现有技术的上述问题。发明内容[0007] 基于现有技术中的上述问题，本发明的目的在于提供一种挖掘机散热系统及其控制方法，能够更加智能地响应于实时温度而确定与当前环境匹配的散热功率，满足风扇在不同温度区间适应多种散热功率的输出要求，使整个系统随时保持在最佳散热状态，实现了功率的最大利用率，达到了节能和高效的效果。[0008] 本发明的一方面的实施方式提供一种挖掘机散热系统，所述挖掘机散热系统包括冷却泵、反比例电磁阀、主控制器、温度传感器、液压马达、风扇；所述冷却泵与所述液压马达及所述反比例电磁阀流体连接，所述风扇与所述液压马达传动连接，所述冷却泵用于为所述液压马达提供液压油，驱动所述液压马达带动所述风扇转动以进行散热；所述主控制器与所述反比例电磁阀及所述温度传感器电性连接，所述温度传感器用于感测所述挖掘机散热系统中预设区域的温度，所述主控制器用于根据所述温度传感器感测的温度产生相应的控制电流，所述反比例电磁阀用于根据所述控制电流产生对应的控制压力调节所述冷却泵的液压油流量，进而调节所述液压马达和所述风扇的转速，以调节所述挖掘机散热系统的散热功率。[0009] 在一些实施方式中，所述主控制器用于通过以下操作根据所述温度传感器感测的温度产生相应的控制电流：将所述温度传感器感测的温度T与预设的第一温度阈值T1、第二温度阈值T2、第三温度阈值T3进行比较，其中T1[0010] 在一些实施方式中，所述主控制器还用于通过以下操作对所述控制电流进行修正：将所述电流值I作为前馈补偿电流，将基于预设的前馈控制的模糊PID自适应温度控制方法确定的模糊PID控制器的输出值作为外环补偿电流，将电流内环反馈的所述反比例电磁阀的阀芯电流给定值作为内环补偿电流；将所述前馈补偿电流、外环补偿电流及内环补偿电流以预设权重比例进行加权求和，将所得的和作为所述控制电流的最终值。[0011] 在一些实施方式中，所述挖掘机散热系统还包括电磁换向阀，所述电磁换向阀为三位四通电磁换向阀，流体连接于所述冷却泵和所述液压马达之间，用于将所述冷却泵输入的液压油提供给所述液压马达；所述电磁换向阀还与所述主控制器电性连接，用于在所述主控制器控制下改变其相对两侧的得电和失电状态以分别切换到不同的工作状态，并通过不同的工作状态分别控制所述液压马达正转、反转及泄压。[0012] 在一些实施方式中，所述挖掘机散热系统还包括用于存储液压油的液压油箱，所述冷却泵、电磁换向阀、液压马达分别与所述液压油箱流体连接。[0013] 在一些实施方式中，所述挖掘机散热系统还包括发动机和散热器，所述发动机用于驱动所述冷却泵，所述散热器用于为所述发动机散热，所述风扇用于为所述散热器散热。[0014] 本发明的另一方面的实施方式提供一种挖掘机散热系统控制方法，用于控制如上所述的挖掘机散热系统，所述方法包括以下步骤：实时感测所述挖掘机散热系统中预设区域的温度；根据感测的温度产生控制电流；根据所述控制电流产生对应的控制压力；利用所述控制压力调节所述挖掘机散热系统的散热功率。[0015] 在一些实施方式中，所述根据感测结果产生控制电流包括：将感测的温度T与预设的第一温度阈值T1、第二温度阈值T2、第三温度阈值T3进行比较，其中T1[0016] 在一些实施方式中，所述根据感测结果产生控制电流还包括：将所述电流值I作为前馈补偿电流，将基于预设的前馈控制的模糊PID自适应温度控制方法确定的模糊PID控制器的输出值作为外环补偿电流，将电流内环反馈的所述反比例电磁阀的阀芯电流给定值作为内环补偿电流；将所述前馈补偿电流、外环补偿电流及内环补偿电流以预设权重比例进行加权求和，将所得的和作为所述控制电流的最终值，以对所述控制电流进行修正。[0017] 在一些实施方式中，所述方法还包括以下步骤：控制所述挖掘机散热系统的电磁换向阀的相对两侧的得电和失电状态，以将所述电磁换向阀分别切换到不同的工作状态，并通过不同的工作状态分别控制所述挖掘机散热系统的液压马达正转、反转及泄压。[0018] 本发明的上述实施方式提供的挖掘机散热系统及其控制方法提供的挖掘机散热系统相比于现有技术可以产生明显的有益技术效果，例如：(1)提供了可随时让动力散热系统匹配到最佳散热功率及温度区间的方案，实现了对液压马达转速的灵活控制，能够提高整体散热效率，降低燃油经济，减少噪声，提高整机作业效率。(2)采用基于前馈控制的模糊PID自适应控制改善因磁滞现象以及电磁比例阀电流不稳定而导致温度控制响应速度慢且不精确的状况。首先根据电磁比例阀的电流信号与温度特性函数关系将前馈电流给定，其特性测量参数可由电流‑温度测量模块不断修正。温度外环则根据实时测量的温度与给定温度之差以及其温度差变化率作为模糊控制器的输入，输出为电磁比例阀的电流信号，与前馈电流共同经过电流内环控制输出最终电流信号进入反比例的PWM调节装置，实现散热系统快速、准确的温度控制。在电流内环和温度外环控制的基础上，引入温度前馈控制，提高了温度控制系统的响应精度。本申请提出的基于前馈控制的模糊PID自适应温度控制方法使得在进行温度控制时，即使不存在温度闭环，水温也能实现对给定温度的较好跟踪。在存在温度反馈的情况下，结合前馈控制方法，温度控制误差将大大减少，从而显著减轻温度闭环的反馈调节负担，大幅度提高系统的控制精度和动态品质。(3)采用三位四通电磁换向阀实现马达正反转功能，针对换向阀设计了专门的马达正反转控制方法以解决现有技术中控制马达正反转存在的缺陷。实际工作过程中，驾驶员可根据工况不定期操作该功能进行散热系统自清洗，可节约清洗成本，保证整机正常出勤。附图说明[0019] 为了更清楚地说明本发明的实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。[0020] 图1是本申请的一个较佳实施方式提供的一种挖掘机散热系统的功能模块示意图。[0021] 图2是图1所示的挖掘机散热系统中的冷却泵的功能模块示意图。[0022] 图3是图1所示的挖掘机散热系统中的用于控制反比例电磁阀的控制电流与冷却介质的温度之间的对应关系的曲线图。[0023] 图4是图1所示的挖掘机散热系统采用的基于前馈控制的模糊PID自适应温度控制方法的控制原理图。[0024] 图5是图4所示的基于前馈控制的模糊PID自适应温度控制方法的模糊自适应控制的原理图。[0025] 图6是图1所示的挖掘机散热系统采用的风扇转动方向控制方法的流程图。具体实施方式[0026] 下面将结合附图，对本发明的特定实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的描述，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0027] 请参阅图1及图2，本申请的一个较佳实施方式提供一种挖掘机散热系统，包括发动机1、油箱2、冷却泵3、反比例电磁阀4、主控制器5、温度传感器6、电磁换向阀7、液压马达8、风扇9、散热器10。[0028] 发动机1可以是挖掘机中现有的发动机，如内燃机或电动机等。油箱2用于储存液压油。冷却泵3优选为冷却泵，与发动机1传动连接，受到发动机1的驱动；同时冷却泵3还流体连接于油箱2与电磁换向阀7之间，从而可以在发动机1的驱动下从油箱2中吸取液压油，并将液压油输出到电磁换向阀7。电磁换向阀7可以将冷却泵3提供的液压油输送给液压马达8以驱动液压马达8运转。风扇9与液压马达8传动连接，能够在液压马达8的驱动下转动。散热器10可以为现有的各种车用散热器，本实施方式中优选采用水冷散热器，用于给发动机1散热，其具体特征和工作方式都可以参照现有技术，此处无需赘述。散热器10设置在风扇9转动产生的气流的流通路径上，从而当风扇9被液压马达8驱动运转时即可为散热器10降温。另外，电磁换向阀7和液压马达8也可以分别按照现有方式和油箱2流体连接，以便实现液压油的循环和回收。[0029] 冷却泵3内部设置有例如图2所示的流量控制阀31和伺服柱塞32，其中流量控制阀31与反比例电磁阀4流体连接。主控制器5可以是现有的数据处理器件例如中央处理单元(CentralProcessingUnit,CPU)、单片机等等，也可以由挖掘机中现有的中控系统的控制器件充当。反比例电磁阀4与主控制器5电性连接，主控制器5能够控制反比例电磁阀4对冷却泵3的流体通路施加特定的压力，调节流量控制阀31和伺服柱塞32的状态，以调节冷却泵3的切断压力和斜盘倾角，控制冷却泵3向电磁换向阀7输出液压油的流量，从而通过控制液压油的流量来控制液压马达8和风扇9的转速。本实施方式中，主控制器5还具有多个控制位，例如图1中示出的控制位51及52，主控制器5能够通过切换其控制位51、52而控制液压马达8和风扇9正转和反转，这样能够分别形成两种方向相反的气流，实现更好的散热和清洁效果。[0030] 温度传感器6用于感测挖掘机散热系统中预设区域的温度，本实施方式中该预设区域的温度优选为散热器10的冷却介质的温度，当然其他实施方式中也可以是挖掘机散热系统中其他适合反映挖掘机工作环境温度的区域的温度。本实施方式中散热器10的冷却介质优选采用水，在其他实施方式中也可以采用其他的现有冷却介质。温度传感器6与主控制器5通信连接，使得主控制器5能够获取温度传感器1实时感测的温度数据。主控制器2能够根据获取的温度数据产生对应的控制电流，然后利用控制电流来控制反比例电磁阀4对冷却泵3的流体通路施加的压力，以调节冷却泵3的切断压力和斜盘倾角，这样就可以对液压油的流量及风扇9的转速实现闭环控制。[0031] 当本实施方式所述的挖掘机散热系统处于正常工作情况时，依照现有技术中的工作方式，冷却泵6在发动机1的驱动下从油箱2中吸取液压油，并将液压油输出到电磁换向阀7；电磁换向阀7将液压油提供给液压马达8以驱动液压马达8运转；液压马达8进一步驱动风扇9转动，为散热器10降温。但在此基础上，本实施方式所述的挖掘机散热系统还采用了相比于现有技术具有实质改进的技术方案来调控风扇9的转速和转动方向，以获得理想的散热功率和散热气流流向。以下详细说明本实施方式所述的挖掘机散热系统采用的调控风扇转速和风扇转动方向的具体技术方案。[0032] 下面首先说明本实施方式采用的风扇转速调控方案，其实际上也就是用于调控系统温度和散热功率的调控方案。在本实施方式所述的挖掘机散热系统中，主控制器5预先设置并存储有控制电流与冷却介质温度的对应关系。在所述挖掘机散热系统的上述工作过程中，温度传感器6会实时检测散热器10的冷却介质的温度T。主控制器5从温度传感器6获取到该温度T，然后根据该温度T及预先存储的控制电流与冷却介质温度的对应关系，相应地确定用于控制反比例电磁阀4的控制电流的电流值I。[0033] 请参阅图3，其示出了本实施方式所述的挖掘机散热系统中由主控制器5产生并用于控制反比例电磁阀4的控制电流与冷却介质的温度之间的对应关系的曲线图。具体在本实施方式中，主控制器5预先设置有第一温度阈值T1、第二温度阈值T2、第三温度阈值T3、与第一温度阈值T1对应的第一电流值I1、与第二温度阈值T2对应的第二电流值I2，其中T1＜T2＜T3，I1＞I2。主控制器5从温度传感器6获取到冷却介质的温度T后，将温度T的数值与第一温度阈值T1及第二温度阈值T2进行比较，并按照以下具体规则确定控制电流I：如果T≤T1，则将控制电流I的值保持为恒定的I1；如果T1＜T＜T2，则确定I＝I1‑k1×T，其中k1为预设的第一比例系数(即温度‑电流曲线的斜率)，基于该运算公式将I和T的关系设置为预设的第一一次函数关系，使I随着T的增加而均匀地从I1减小至I2；如果T＝T2，则I＝I2；如果T2＜T＜T3，则确定I＝I2‑k2×T，k2为预设的第二比例系数(即温度‑电流曲线的斜率)，基于该运算公式将I和T的关系设置为预设的第二一次函数关系，使I随着T的增加而均匀地从I2减小至0；如果T≥T3，则停止产生控制电流，也就是使得I＝0。本实施方式中，优选k1＞k2，这样在T处于T1和T2之间时，也就是当冷却介质温度T处于最适于调控的工作温度区间时，能够更加灵敏地响应于温度变化而调节控制电流I的值。在进一步优选的实施方式中，T1、T2、T3的数值可以分别为85℃、90℃、100℃。[0034] 在根据上述方法确定控制电流后，主控制器5可以将相应的控制电流传输到反比例电磁阀4，反比例电磁阀4接收到控制电流后，会根据自身电流‑压力特性曲线限定的对应关系产生对应的控制压力，将所述控制压力施加到冷却泵3的流体通路。所述反比例电磁阀4产生的所述控制压力会影响到冷却泵3的切断压力和斜盘倾角，此时冷却泵3的输出流量就会发生变化，使得电磁换向阀7的输出流量也对应改变，从而改变液压马达8的转速，进而调节风扇9的转速。这样，风扇9的转速就能够及时地与冷却介质的温度实现匹配，使得挖掘机散热系统的散热功率能够根据冷却介质的温度及时调整。[0035] 具体例如在上述工作过程中，当冷却介质的实时温度T满足T＜T1时，对应控制电流值I最大的区间，反比例电磁阀4接收的控制电流处于较大的数值区间，此时反比例电磁阀4所对应的压力最小，产生的控制压力驱动冷却泵3的流量控制阀31达到最左端机能状态，伺服柱塞32的活塞向左移动，将冷却泵3的排量调节至最小，使其理论输出流量处于最小值，液压马达8和风扇9的转速相应地被降低到最小，散热系统输出功率最小；当冷却介质的实时温度T满足T1＜T＜T3时，基于实时温度T的具体数值，主控制器5能够根据预设的线性关系来调整控制电流，使得散热系统的输出功率调节相对于实时温度T具备更好的跟随性；当冷却介质的实时温度T满足T＞T3时，主控制器5输出的控制电流为0，此时反比例电磁阀4所对应的压力最大，产生的控制压力驱动冷却泵3的流量控制阀31达到最右端机能状态，伺服柱塞32的活塞向右移动，将冷却泵3的排量调节至最大，使其理论输出流量处于最大值，液压马达8和风扇9的转速相应地被升高到最大，散热系统输出功率最大。[0036] 本领域技术人员可以理解，基于图3所示的控制电流与冷却介质的温度之间的对应关系来调节散热系统的输出功率也即散热功率，在本实施方式中可以获得显著优于现有技术的散热效果。具体而言，在T＜T1的阶段，系统温度刚刚开始升高，此时散热系统以最低功率工作，可以节省能源。当T1＜T＜T2时，系统温度继续升高，散热系统的功率在依照上述控制手段进行的调节下逐渐增大，控制系统温度平稳升高，这样可以避免因为散热系统输出功率过大或者增加过快，导致系统温度升高较慢而延缓了系统到达最近工作状态所需的时间，有助于促使系统尽快达到最佳工作状态，达到节能和提效的效果。当T2＜T＜T3时，系统温度即将达到最佳工作温度(也就是使得系统处于热平衡状态的工作温度)，此时散热系统以相比于上一阶段较小一些的温度‑电流曲线斜率产生控制电流以调节散热功率，有助于使液压系统随时保持最佳工作状态，又可有效避免温度过高导致工作效率下降。在T＞T3时，说明系统可能过热，此时散热系统持续以最高功率工作以尽快散热。[0037] 本实施方式提供的上述挖掘机散热系统基于其上述工作原理能够更加智能地响应于实时温度而确定与当前环境匹配的散热功率，满足风扇在不同温度区间适应多种散热功率的输出要求，使整个系统随时保持在最佳散热状态。具体而言，对于不同温度区间，本实施方式设定了不同的温度—电流函数曲线的斜率(即上述比例系数k1、k2)。另一方面，根据实际经验，在实时温度T＜T1的阶段，发动机所处温度通常处于一个合理工作区间的较低值，在这个温度区间内发动机为了防止温度过高所需的散热功率并不大；当T＞T1，发动机所需散热功率增大；当T＞T2，则需要更大的功率来散热。对于不同类型的发动机，T的理想范围是不一样的，挖掘机常用的发动机一般为柴油机，正常工作温度一般在80℃～95℃之间，才能使发动机的热效率和各方面性能都处于最佳状态，所以，温度T的数值不能过高，也不能过低。如果柴油机工作时温度T过低会造成启动困难，燃烧迟缓，造成发动机功率下降，机油因温度过低而变浓，粘度增大，增加了机构件运动的阻力，会导致发动机磨损增加，使用寿命受到影响。如果柴油机工作时温度T过高则会造成进入发动机的空气温度，因此实际进入发动机的空气量就比较少，从而降低了发动机的充气效率，发动机的功率、扭矩随之下降；另外活塞会过度热膨胀，使活塞与缸壁之间的配合间隙减小甚至消失，从而使活塞运动阻力增大；润滑油的粘度随之下降，在摩擦表面不能形成良好的油膜，从而加剧了零件的磨损；由此可见，对于柴油发动机来说，温度过高过低都会影响其效率、寿命、油耗。因此，基于上述分析，本实施方式中把挖掘机散热系统的第一温度阈值T1和第二温度阈值T2分别设置为80℃和95℃，以便获得最佳的发动机工作温度范围。在其他实施方式中，第一温度阈值T1和第二温度阈值T2也可以根据具体使用环境设置为其他数值。[0038] 在本实施方式中，为了进一步提高散热系统对于冷却介质实时温度的响应精度，除了可以通过例如图3所示的预设的控制电流与冷却介质温度之间的对应关系，根据冷却介质实时温度直接确定出控制电流的基础值之外，还可以进一步根据预设的基于前馈控制的模糊PID自适应温度控制方法来对控制电流进行修正。具体在本实施方式中，主控制器5可以分别根据三个标准确定控制电流的各个部分，然后将各个部分按照预设的加权方式相加，得到最合适的控制电流值。请参阅图4，其示出了本实施方式的挖掘机散热系统采用的基于前馈控制的模糊PID自适应温度控制方法的控制原理图。[0039] 如图4所示，在本实施方式的挖掘机散热系统中，电流内环通过反比例电磁阀4的阀芯线圈与电流检测装置相连，经PWM调节装置形成阀芯电流反馈回路，驱动阀芯电流对其给定值的跟随，抑制电源电压波动和阀芯电阻值对阀芯电流的影响，同时能够保证前馈作用发挥有效控制作用。在进行温度控制时，主控制器5首先按照前述的根据冷却介质的实时温度T和预设的温度‑电流曲线确定控制电流I的方法，由其前馈控制模块基于例如图3所示的预设温度‑电流曲线将给定温度(例如前述的冷却介质的实时温度T)直接换算为阀芯电流给定值，产生具有该给定值的阀芯电流驱动阀芯电流内环工作，此通道属于前馈控制通道。另一方面，主控制器5在通过温度传感器6多次测定冷却介质的实时温度T之后，可以根据预设的基于前馈控制的模糊PID自适应温度控制方法可对阀芯电流给定值进行修正。电流内环可以将该阀芯电流给定值反馈给主控制器5，用作控制电流的一个部分，可称为内环补偿电流，记为in。[0040] 另一方面，请一并参阅图5，其中示出了所述基于前馈控制的模糊PID自适应温度控制方法中进行模糊自适应控制的原理图，在本实施方式中，采用可变参数的模糊PID控制器(对于已经成熟的PID控制而言，其中的部分参数可能需要根据经验进行调制，这属于现有技术，此处无需赘述)，其数学模型可以表达为：[0041][0042] 其中i(k)表示模糊PID控制器的输出值，其可以用作控制电流的另一部分，可称为外环补偿电流；e(k)＝T‑T(k)表示温度差；ec(k)＝e(k)‑e(k‑1)表示温度差增量。[0043] 在本实施方式中，利用温度传感器6可以准确获得冷却介质各时刻的温度，从而直接得到温度偏差e(k)和温度偏差增量ec(k)，在此基础上，主控制器5可以通过PID参数模糊整定来实现模糊控制，由输入输出变量模糊控制确定控制趋势。[0044] 再一方面，主控制器5的前馈控制模块基于例如图3所示的预设温度‑电流曲线求得前馈补偿电流if，作为控制电流的又一部分。其表达式为：[0045][0046] 也就是说，当实测温度T低于T1时，输出的控制电流值为最大电流，用于调整冷却泵3的斜盘倾角，使其排量最小，即使得冷却泵3功率最小；当T处于T1与T2之间与处于T2与T3之间时，分别以上述的曲线斜率k1、k2进行线性调整，即通过线性改变输出的控制电流值来对冷却泵3的排量进行线性调整；T大于T3时，输出的控制电流值为0，用于调整冷却泵3的斜盘倾角，使其排量最大，即使得冷却泵3功率最大。电流‑温度测量模块在多次测试后，也可根据实际工况对电流给定值进行修正。[0047] 依照上述各方面具体方法确定控制电流的三个部分之后，将前馈控制模块输出信号(即上述前馈补偿电流if)与温度外环模糊PID控制器的输出信号(即上述外环补偿电流i(k))相加后，再与电流内环信号(即上述内环补偿电流in)融合，即可获得系统的最终控制量，也就是所述控制电流被输出到反比例电磁阀4时的最终值：[0048] i＝w1i(k)+w2if+w3in[0049] 其中i为系统最终控制量，也就是所述控制电流被输出到反比例电磁阀4时的最终值；w1是模糊PID控制器输出量的权重，其具体数值可以根据实际工况预设，参考范围优选[0.3‑1.0]；w2是前馈控制模块输出量的权重，其具体数值可以根据实际工况预设，参考范围优选[0.5‑1.0]；w3是电流内环反馈输出量的权重，其具体数值可以根据实际工况预设，参考范围优选[0.6‑1.0]，in为上述的电流内环反馈量。[0050] 由上可见，本方法整合了控制电流的三个部分即前馈控制输出量、模糊PID控制器输出量、电流内环控制量以获得系统最终控制量，也就是最终输出给反比例电磁阀4的控制电流的电流值。这样不仅可以降低系统温度控制的动态偏差，还可以及时地进行检测和反馈，提高散热系统的温控品质。[0051] 通过上述的控制电流确定方法，本实施方式能将PID控制算法的实用性与模糊控制的智能性相结合，实现优势互补，对PWM型电磁比例阀(例如所述反比例电磁阀4进行更准确的控制，具有响应速度快、调节时间短、超调量小的特点，对环境有很强的自适应能力，更好地提高了系统的控制性能。更重要的是，所述基于前馈控制的模糊PID自适应温度控制方法使得在进行温度控制时，即使不存在温度闭环，也能使得冷却介质的实时温度T实现对给定温度的较好跟踪。而在存在温度反馈的情况下，进一步结合前馈控制方法，温度控制误差将大大减少，从而显著减轻温度闭环的反馈调节负担，大幅度提高系统的控制精度和动态品质。在该控制方法中，首先根据例如上述的反比例电磁阀4的控制电流与冷却介质温度的对应函数关系将前馈电流给定，其中所需的特性测量参数可由主控制器5的电流‑温度测量模块不断修正。温度外环根据实时测量的冷却介质温度与给定温度之差以及其温度差变化率作为模糊控制器的输入，输出则用作反比例电磁阀4的电流信号，与前馈电流共同经过电流内环控制后，形成最终的控制电流信号输入到反比例电磁阀4的PWM调节装置，实现对散热系统的快速、准确的温度控制。这样在电流内环和温度外环控制的基础上，引入温度前馈控制，提高了散热系统温度控制的响应精度。[0052] 下面说明本实施方式采用的风扇转动方向调控方案。请参阅图6并同时再次参阅图1，当所述挖掘机散热系统正常工作时，对应于风扇9的换向开关(图中未示出，其可以通过现有方式与主控制器5电性连接)处于初始的断开状态，电磁换向阀7处于中位，液压马达8和风扇9都按照预设的正转方向旋转，散热器10处于吸风状态，可用于对系统进行冷却。需要对散热器10进行除杂清洁时，可以通过按下所述换向开关来向主控制器5发出换向信号，将主控制器5切换到用于换向的控制位51或52(例如本实施方式中设置控制位52为换向控制位)。主控制器52收到换向信号并进行相应切换后，依照图6所示的流程执行对应操作：当换向开关处于闭合状态时，控制电磁换向阀7的Y1侧得电，使电磁换向阀7进入左位工作，使液压马达8进行泄压(泄压时间可根据现有技术自行设置)；泄压结束后，控制电磁换向阀7的Y1侧失电，Y2侧得电，使电磁换向阀7进入右位工作，从而改变液压马达8中液压油的流向，驱动液压马达8和风扇9按照预设的反转方向旋转，以产生出风气流来清洁散热器10；等散热器10清洁完毕后，可以再次将换向开关切换至断开状态，此时主控制器5控制电磁换向阀7的Y1侧得电，Y2侧失电，进入左位工作，再次使液压马达8泄压；泄压结束后，主控制器5控制电磁换向阀7的Y1侧失电，再次进入中位工作，恢复液压马达8和风扇9的正转状态，将散热器10恢复到吸风状态，再次对系统进行冷却。实际工作过程中，驾驶员可根据工况不定期地启动上述功能以实现散热系统的自清洗，主控制器5的电控程序可根据换向开关的启闭状态控制风扇9正反转。[0053] 基于上述的具体结构和工作原理，本申请的上述实施方式提供的挖掘机散热系统相比于现有技术可以产生明显的有益技术效果，例如：(1)提供了可随时让动力散热系统匹配到最佳散热功率及温度区间的方案，实现了对液压马达转速的灵活控制，能够提高整体散热效率，降低燃油经济，减少噪声，提高整机作业效率。(2)采用基于前馈控制的模糊PID自适应控制改善因磁滞现象以及电磁比例阀电流不稳定而导致温度控制响应速度慢且不精确的状况。首先根据电磁比例阀的电流信号与温度特性函数关系将前馈电流给定，其特性测量参数可由电流‑温度测量模块不断修正。温度外环则根据实时测量的温度与给定温度之差以及其温度差变化率作为模糊控制器的输入，输出为电磁比例阀的电流信号，与前馈电流共同经过电流内环控制输出最终电流信号进入反比例的PWM调节装置，实现散热系统快速、准确的温度控制。在电流内环和温度外环控制的基础上，引入温度前馈控制，提高了温度控制系统的响应精度。本申请提出的基于前馈控制的模糊PID自适应温度控制方法使得在进行温度控制时，即使不存在温度闭环，水温也能实现对给定温度的较好跟踪。在存在温度反馈的情况下，结合前馈控制方法，温度控制误差将大大减少，从而显著减轻温度闭环的反馈调节负担，大幅度提高系统的控制精度和动态品质。(3)采用三位四通电磁换向阀实现马达正反转功能，针对换向阀设计了专门的马达正反转控制方法以解决现有技术中控制马达正反转存在的缺陷。实际工作过程中，驾驶员可根据工况不定期操作该功能进行散热系统自清洗，可节约清洗成本，保证整机正常出勤。[0054] 可以理解，本申请的上述实施方式提供的挖掘机散热系统不仅适用于挖掘机，也可以同样适用于其他的工程车辆、行走机械、乃至车辆以外的其他工业领域。[0055] 本申请另一方面的实施方式还提供一种挖掘机散热系统控制方法，所述挖掘机散热系统控制方法可用于控制前述实施方式提供的挖掘机散热系统进行工作。所述挖掘机散热系统控制方法可以包括以下步骤：[0056] S1，实时感测所述挖掘机散热系统中预设区域的温度。[0057] S2，根据感测的温度产生控制电流。[0058] S3，根据所述控制电流产生对应的控制压力；[0059] S4，利用所述控制压力调节所述挖掘机散热系统的散热功率。[0060] 所述步骤S1、S2、S3、S4的具体操作都可以参照前述实施方式提供的挖掘机散热系统的上述具体工作原理。可以理解，所述挖掘机散热系统控制方法也能够实现前述实施方式提供的挖掘机散热系统所实现的上述各方面有益技术效果。[0061] 以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。

专利地区：湖南

专利申请日期：2022-10-24

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN115522592B