一种叉车液压系统回收能量梯次利用控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及叉车回收能量再利用技术领域，具体是一种叉车液压系统回收能量梯次利用控制方法及控制系统。

背景技术

平衡重式叉车作为一种常用的货物搬运车辆，叉车广泛出现在港口、货场、工厂车间、仓库等场所，主要用于货物的流通配送，近两年受国家政策及物流行业发展影响，叉车销量猛涨，逐渐成为工业发展不可或缺的部分。然而，提高叉车能量利用率和工作效率是人们的研究动力，目前叉车举升系统的主要能量损失途径包括：溢流阀溢流、换向阀节流、管路旁路损失和功率不匹配损失。在当下以节能减排为导向的时候，任何一种形式的能量损失都是浪费。

然而，叉车在举升过程中节流损失主要由发动机、液压泵和负载之间未进行功率匹配造成，导致发动机、液压泵输出的能量超出了举升负载所需要的能量，发动机经常低效工作，因此通过对液压泵的转速控制，合理的输出液压泵举升所需能量，能有效降低换向阀进出口节流损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种叉车液压系统回收能量梯次利用控制方法及控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种叉车液压系统回收能量梯次利用控制方法，包括与起升油缸连通的供油部、蓄能部，供油部包括与起升油缸连通的变量油泵，所述蓄能部包括至少一个蓄能器，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1、检测叉车货叉状态，或货叉处于起升状态，则执行步骤2；

步骤2、通过释放梯次蓄能部内不同蓄能器内的高压油为货叉的起升油缸3供能；

步骤3、根据货叉起升速度确定变量油泵的输出流量；

步骤4、根据货叉的负载确定起升需求功率；

步骤5、根据蓄能部的实时输出压力值确定蓄能部的输出功率；

步骤6、根据起升需求功率和蓄能器输出功率确定发动机最低输出功率；

步骤7、对发动机转速、变量油泵排量进行控制。

作为本发明进一步的方案：所述蓄能器连接有控制器，所述蓄能部包括第一蓄能器、第二蓄能器，所述步骤中蓄能部内的所有蓄能器梯度是否高压油的控制方法包括以下步骤：

步骤2.1、控制器采集第一蓄能器、第二蓄能器的油压以及变量油泵出口处油压；

步骤2.2、计算第一蓄能器、第二蓄能器的由于与变量油泵出口处油压的差；

步骤2.3、选取压力差最小且满足压力差大于0的蓄能器供能；

步骤2.4、所选蓄能器持续供能至SOC状态为0，再返回步骤2.1。

作为本发明进一步的方案：所述步骤3中变量泵的输出流量为：

Q

式中，A

作为本发明进一步的方案：所述步骤4中起升需求功率为：

式中，F为起升油缸驱动负载的力，N；Q

作为本发明进一步的方案：所述步骤5中蓄能部输出功率为：

P

式中，p

作为本发明进一步的方案：所述步骤6中发动机输出功率为：

P

式中，P

作为本发明进一步的方案：所述发动机转速控制包括以下步骤：

步骤7.1.1、控制器根据发动机万有特性确定的发动机目标转速n

式中，k

步骤7.1.2、设计发动机转速误差e、误差变化率ec和输出量油门开度to的语言为模糊子集，[BS MS S M SB MB B]，分别表示[大小中小小零小大中大大]，转速误差e和误差变化率ec的模糊论域为[-3，3]，确定输出Δk

步骤7.1.3、系统需要根据量化因子对控制系统参数做出调整，确定量化因子为：

K

K

式中，K

步骤7.1.4、确定模糊规则为：

当发动机转速误差e较大时，为了提高系统的转速响应，应取大的Δk

当e适中时，要想系统具有小的超调量应取较小的Δk

当e较小时，要保持系统的稳定性且为了避免发生振荡，应取较大的Δk

步骤7.1.5、根据两输入单输出模糊控制器求得模糊关系矩阵为：

式中，E

步骤7.1.6、采用最大隶属度法在模糊集合中取最大值将输出变量解模糊化，得出油门开度输出值，通过油门开度控制实现发动机转速控制。

作为本发明进一步的方案：所述变量油泵排量确定方式按如下进行：

其中，n

所述变量油泵排量控制器构建按如下方式进行：

步骤7.2.1、根据斜盘式变量油泵结构特征确定变量油泵的变量缸位移对变量油泵电磁阀开度传递函数如下：

式中，

步骤7.2.2、将步骤1中传递函数用数学模型描述如下：

式中，y(k)为k时刻输出量；u(k)为k时刻输入量。

步骤7.2.3、根据Diophantine方程写出系统传递函数非最小实现形式，由于被控系统阶数n＝3，m＝0，则相对阶数n

式中，Q(s)＝s

H(s)＝h

步骤7.2.4、将系统非最小实现形式简化如下：

y(k)＝Θ

式中，

步骤7.2.5、确定系统输出估计：

式中，

步骤7.2.6、可得其自适应率为：

式中，Γ为正定对称矩阵，e(k)为k时刻输出量与目标量误差。

一种叉车液压系统回收能量梯次利用控制系统，包括起升油缸，所述起升油缸的活塞端与货叉动力连接，所述货叉上安装有高度传感器、载荷传感器，所述起升油缸通过起升电磁阀连接有供油部、回油部；

所述供油部包括供油管道以及设置于所述供油管道上的变量油泵，所述供油管路上连接有溢流阀、回油油压传感器，所述供油管路的靠近变量油泵的一端设有供油阀；

所述回油部包括回油管道，所述回油管道的末端与所述变量油泵的进油口连通，所述回油管道上连接有蓄能部，所述蓄能部包括至少一个蓄能器，所述蓄能器通过蓄能器阀与所述回油管道连通；

所述变量油泵的进油口连接有油箱，所述变量油泵与所述油箱之间设有单向阀，所述回油管道与变量油泵的连接处位于所述单向阀与所述变量油泵之间，所述供油管道上连接有供油油压传感器、安全阀；

所述起升油缸的无杆腔连接有起升电磁阀，所述起升电磁阀与所述蓄能部、变量油泵连通，所述变量油泵连接有油箱，所述变量油泵的出油端连接有供油油压传感器、安全阀，所述变量油泵与发发动机动力连接，所述发动机上设有转速传感器，变量油泵的变量油泵斜盘连接有变量缸，所述变量缸连接有变量油泵电磁阀，所述变量缸一端连接有位移传感器，所述位于传感器与所述变量油泵电磁阀之间设有放大器。

作为本发明进一步的方案：所述蓄能部包括第一蓄能器、第二蓄能器，所述第一蓄能器为高压蓄能器、第二蓄能器为低压蓄能器，所述第一蓄能器上连接有第一油压传感器，所述第一蓄能器通过第一蓄能器阀与所述供油管路连通，所述第二蓄能器上连接有第二油压传感器，第二蓄能器通过第二蓄能器阀与所述供油管路连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提出了蓄能器回收能量梯次利用方法，根据无杆腔压力和各梯次蓄能器的供油压力确定蓄能器供油方式，保证了供油效率最大化；同时提出了发动机-变量泵-蓄能器与负载间的功率匹配方法，根据负载需求功率和蓄能部供能功率确定发动机功率输出，极大的降低了发动机多余的功率损耗，提高了能量利用效率；

2、本发明提出了变量泵流量的确定方式，根据货叉起升速度需求，使得叉车在满足工作效率基础上保证操作安全性，避免工作过程中货物坠落砸伤工作人员；

3、本发明提出了发动机转速和变量泵排量控制方法，能有效改善叉车举升系统能量浪费，减少阀的节流损失，实现发动机转速和变量泵排量调节，改善工作效率。

附图说明

图1为本实施例能量回收系统示意图；

图2为蓄能器梯次利用流程；

图3为功率匹配控制系统框图；

图4为变量油泵排量调节机构结构图；

图中：1-高度传感器、2-载荷传感器、3-起升油缸、31-起升油缸无杆腔、41-第一蓄能器、42-第一油压传感器、43-第一蓄能器阀、51-第二蓄能器、52-第二油压传感器、53-第二蓄能器阀、6-溢流阀、7-起升电磁阀、8-回油油压传感器、9-供油油压传感器、10-油泵、11-供油阀、12-安全阀、13-油箱、14-控制器、15-转速传感器、16-发动机、17-变量油泵电磁阀、18-变量油泵斜盘、19-变量缸、20-位移传感器、21-放大器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

请参阅图1-4，一种叉车液压系统功率匹配与能量梯次利用系统，包括起升油缸3，所述起升油缸3通过起升电磁阀7连接有供油部、回油部；

所述供油部包括供油管道以及设置于所述供油管道上的变量油泵10；

所述回油部包括回油管道，所述回油管道的末端与所述变量油泵10的进油口连通，所述回油管道上连接有蓄能部，所述蓄能部包括至少一个蓄能器，所述蓄能器通过蓄能器阀与所述回油管道连通；

所述起升油缸3的无杆腔31与所述起升电磁阀7连通，所述起升油缸3的活塞端连接有货叉，所述货叉上设有高度传感器1、载荷传感器2，高度传感器用于检测货叉高度，载荷传感器用于检测载重量信号；

所述变量油泵10的进油口连接有油箱13，所述变量油泵10与所述油箱13之间设有单向阀，所述回油管道与变量油泵10的连接处位于所述单向阀与所述变量油泵10之间，所述供油管道上连接有供油油压传感器9、安全阀12。

所述蓄能部包括第一蓄能器41、第二蓄能器51，所述第一蓄能器41为高压蓄能器、第二蓄能器51为低压蓄能器，所述第一蓄能器41上连接有第一油压传感器42，所述第一蓄能器41通过第一蓄能器阀43与所述供油管路连通，所述第二蓄能器51上连接有第二油压传感器52，第二蓄能器51通过第二蓄能器阀53与所述供油管路连接。

所述供油管路上连接有溢流阀6、回油油压传感器8，所述供油管路的靠近变量油泵10的一端设有供油阀11。

所述变量油泵10与发动机16通过传动轴相连，所述传动轴上连接有转速传感器15，变量油泵10的变量油泵斜盘18连接有变量缸19，所述变量缸19连接有变量油泵电磁阀17，所述变量缸19一端连接有位移传感器20，所述位于传感器20与所述变量油泵电磁阀17之间设有放大器21。

一种叉车液压系统功率回收能量梯次利用控制方法，包括如下步骤：

步骤1、检测叉车货叉状态，或货叉处于起升状态，则执行步骤2；

步骤2、通过释放梯次是否蓄能部内不同蓄能器内的高压油为货叉的起升油缸3供能，，利用的过程中，控制器14根据起升油缸无杆腔压力和各蓄能器压力状态选择用于供能的蓄能器对变量油泵进油口供能；

蓄能部内的所有蓄能器梯度是否高压油的控制方法包括以下步骤：

步骤2.1、控制器14采集第一蓄能器41、第二蓄能器51的油压以及变量油泵10出口处油压，本实施例中，控制器14采集第一油压传感器42、第二油压传感器52和供油油压传感器9信号；

步骤2.2、计算第一蓄能器41、第二蓄能器51的由于与变量油泵10出口处油压的差；

步骤2.3、选取压力差最小且满足压力差大于0的蓄能器供能；

步骤2.4、所选蓄能器持续供能至SOC状态为0，再返回步骤2.1

步骤3、根据货叉起升速度确定变量油泵的输出流量；

变量泵流量确定方式如下：

Q

式中，A

步骤4、根据货叉的负载确定起升需求功率；

负载举升需求功率确定方式如下：

式中，F为起升油缸驱动负载的力，N；Q

步骤5、根据蓄能部的实时输出压力值确定蓄能部的输出功率；

蓄能部输出功率确定方式如下：

P

式中，p

步骤6、根据起升需求功率和蓄能器输出功率确定发动机最低输出功率；

发动机输出功率确定方式如下：

P

式中，P

步骤7、对发动机转速、变量油泵排量进行控制，也就是，转速传感器15采集发动机实时转速信号传递给控制器14，通过自适应模糊PID控制构建发动机转速控制器，同时通过模型参考自适应构建变量油泵排量控制器。

发动机转速控制器构建按如下方式进行：

步骤7.1.1、控制器根据发动机万有特性确定的发动机目标转速、转速传感器实时转速信号，将发动机转速误差e和误差变化率ec作为输入量，Δk

式中，k

步骤7.1.2、设计发动机转速误差e、误差变化率ec和输出量油门开度to的语言为模糊子集，[BS MS S M SB MB B]，分别表示[大小中小小零小大中大大]，转速误差e和误差变化率ec的模糊论域为[-3，3]，确定输出Δk

步骤7.1.3、系统需要根据量化因子对控制系统参数做出调整，确定量化因子为：

K

K

式中，K

步骤7.1.4、确定模糊规则为

当发动机转速误差e较大时，为了提高系统的转速响应，应取大的Δk

当e适中时，要想系统具有小的超调量应取较小的Δk

当e较小时，要保持系统的稳定性且为了避免发生振荡，应取较大的Δk

步骤7.1.5、根据两输入单输出模糊控制器求得模糊关系矩阵为：

式中，E

步骤7.1.6、采用最大隶属度法在模糊集合中取最大值将输出变量解模糊化，得出油门开度输出值。

变量油泵排量确定方式按如下进行：

n

变量泵排量控制器构建按如下方式进行：

步骤7.2.1、根据斜盘式变量油泵结构特征确定变量油泵的变量缸19位移对变量油泵电磁阀17开度传递函数如下：

式中，

步骤7.2.2、将步骤1中传递函数用数学模型描述如下：

式中，y(k)为k时刻输出量；u(k)为k时刻输入量。

步骤7.2.3、根据Diophantine方程写出系统传递函数非最小实现形式，由于被控系统阶数n＝3，m＝0，则相对阶数n

式中，Q(s)＝s

H(s)＝h

步骤7.2.4、将系统非最小实现形式简化如下：

y(k)＝Θ

式中，

步骤7.2.5、确定系统输出估计：

式中，

步骤7.2.6、可得其自适应率为：

式中，Γ为正定对称矩阵，e(k)为k时刻输出量与目标量误差。

通过上述的控制，可以获取输出量与目标量的误差，进而可以根据实际目标量的需求，控制变量泵的输出量，进而对变量泵进行控制，降低变量泵的损耗。

实施例

以普通3吨叉车为例；

将本实施例的蓄能器能量梯次利用系统应用于一辆普通3吨叉车，测得该叉车的参数为：叉车额定载重量3吨，最大起升高度3米，起升油缸最大行程1.5米，起升油缸无杆腔横截面积为0.0024m

以货叉2.5t载重为例，当货叉起升时测得，起升油缸无杆腔压力为24Mpa，高压、低压气囊式蓄能器压力分别为20Mpa、15Mpa，按高压、低压顺序则可先选择高压蓄能器用于液压能量回收，起升油缸速度需求为0.25m/s，确定变量泵输出流量为60L/min。在蓄能器压力供应下，变量泵初始进出口压力差为4Mpa，负载需求功率25kW，蓄能器输出功率20kW，功率损失1kW，则此时发动机最低输出功率为6kW，降低了20kW功率输出。

在上升过程中，高压蓄能器输出压力不断降低，变量油泵进出口压力差不断升高，直至高压蓄能器压力降至16Mpa，切换至低压蓄能器供能，低压蓄能器压力降至8Mpa时，关闭供油阀，变量油泵直接从油箱吸油。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。