專利名稱：基于任務進行控制的工作機械的制作方法
技術領域：
本發明整體涉及機械系統，更具體地涉及基于機械系統的作業工具的分類任務對
機械系統的功率源進行控制。
背景技術：
移動機械，包括輪式裝載機、推土機、平地機以及其他類型的重型設備被用來進行 各種操作。為了完成這些操作，機械通常包括原動機，例如內燃機。原動機通常連接至牽引 設備以推進機械并且還能夠為附裝到機械上的作業工具提供功率。 機械通常具有"高怠速"操作模式。在使用高怠速操作模式期間，通常將原動機的 輸出設定到足以向牽引設備和/或作業工具快速產生最大輸出的水平。換句話說，為了確 保機械在所有條件下都具有足以使機械和/或作業工具移動的功率，原動機的輸出(即，速 度、轉矩或者速度和轉矩的結合)被設定在高的水平，即使機械執行的當前操作的需求小 于該高的輸出水平也如此。盡管將原動機的輸出設定到高的水平允許立即可用的功率，但 可能效率很差并會造成過量的燃料燃燒、廢氣排放和發動機噪聲。 1987年10月6日授予0kabe等人的美國專利No. 4697418 ('418專利)公開了控 制原動機輸出的一種方法。'418專利涉及用于液壓挖掘機的控制系統。該挖掘機具有原動 機、由原動機驅動的可變排量液壓泵、由來自泵的加壓流體驅動的至少一個致動器、用于感 測致動器的操作狀態的設備以及與致動器相關聯的工作元件。用于感測致動器操作狀態的 設備包括用于感測移動電機是否運行的壓力開關和感測用于驅動前部連接件的動臂油缸、 大臂油缸或鏟斗油缸以及用于旋轉回轉裝置的回轉電機是否運行的壓力開關。該挖掘機還 具有用于為每個工作元件選擇操作模式的選擇部件。該選擇部件包括適用于重度挖掘操作 的功耗模式(P模式)和適用于輕度挖掘操作的經濟模式(E模式)。 基于來自傳感器和選擇部件的輸出信號，控制器選擇原動機的最大轉數和泵的最 大排量的組合(例如，控制器可根據是在功耗模式挖掘或在經濟模式挖掘而選擇不同的原 動機和泵設置)。控制部件然后設定原動機的最大轉數和液壓泵的最大排量。根據選擇部 件和致動器的操作模式設定原動機的最大轉數和泵的最大排量可幫助減少燃料燃燒和噪
聲° 盡管'418專利的建筑機械可通過根據選擇部件和致動器的操作模式設定原動機 的最大轉數和泵的最大排量來改善燃料效率和噪聲，但仍然不是最優的。'418專利的控制 系統只檢測致動器是否運行(即運行或者停止)，而不檢測致動器運行時在完成何種操作 (即，提升鏟斗、傾倒材料、挖掘等)。換句話說，'418專利的控制系統可能通過將原動機的 最大轉數和泵的最大排量設定到對于正在執行的操作來說太高或太低的水平來對致動與 前部連接件相關聯的壓力開關的任何操作做出反應。而且，'418專利的控制系統只通過設 定最大轉數來控制原動機的操作，這會限制用于特定任務的機械的對地速度并由此限制其 生產率。
發明內容
本發明的機械系統旨在克服上述的一個或多個問題。 在一個方面，本發明提供一種機械控制系統。該控制系統可包括功率源、能夠生成 指示希望的功率源操作模式的第一信號的操作員輸入設備以及由功率源驅動的作業工具。 該控制系統還可包括與功率源和操作員輸入設備通信的控制器。該控制器能夠對作業工具 當前執行的任務進行分類并基于作業工具當前執行的任務分類和第一信號選擇輸出映射。 該控制器還能夠利用所述輸出映射控制功率源操作。 在另一方面，本發明提供一種操作機械的方法。該方法可包括接收指示希望的功 率輸出生成模式的使用者輸入，產生功率輸出，并引導功率輸出以致動作業工具。該方法還 可包括對作業工具當前執行的任務進行分類并基于作業工具當前執行的任務和希望的功 率輸出生成模式選擇輸出關系。該方法還可包括利用所述輸出關系調節功率輸出生成。
圖1是一種示例性公開的機械的示意圖； 圖2是用于圖1的機械的一種示例性公開的控制系統的示意圖；
圖3是一種示例性輸出映射的曲線圖；
圖4是一種示例性輸出映射的另一曲線圖；
圖5是一種示例性輸出映射的另一曲線圖；禾口 圖6是描述圖2中所示的控制系統的一種示例性操作的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出了機械10的一種示例性實施方式。機械10可以是執行例如與采礦、建 筑、農業等行業或本領域已知的其他行業相關聯的一些類型的任務或操作的移動機械。例 如，機械10可以是土方機械，例如輪式裝載機、挖掘機、反鏟挖土機、平地機，或者是本領域 已知的任何其他合適的土方機械。機械IO可包括傳動系11、至少一個牽引設備14、作業工 具32和操作員站20。 如圖2所示，傳動系11可包括功率源12、變速器16和變矩器18。這些部件可相 互配合以推進機械10。功率源12可體現為發動機，例如柴油機、汽油機、氣體燃料發動機 (例如，天然氣發動機)，或者本領域已知的任何其他類型的內燃機。功率源12可以替代地 體現為非燃燒式功率源，例如燃料電池、功率存儲設備、電動機或者其他類似設備。功率源 12可連接至驅動牽引設備14(見圖1)，由此推進機械10。功率源12可具有可控的輸出速 度和轉矩。 變速器16可將功率從功率源12傳輸至牽引設備14。特別地，變速器16可體現 為具有多個前進檔、一個或多個倒檔、一個或多個離合器(未示出)的多速、雙向機械變速 器。變速器16可選擇性地致動離合器以接合產生希望輸出檔的預定齒輪組合(未示出)。 變速器16可以是自動式變速器，其中，基于功率源速度、操作員選定的最大傳動比和控制 器內儲存的換擋映射來進行換擋。替代地，變速器16可以是手動變速器，其中操作員手動 選擇接合的齒輪。變速器16可通過變矩器18連接至功率源12。變速器16的輸出可通過 軸23旋轉地驅動牽引設備14，由此推進機械10。
再次參照圖l，牽引設備14可將變速器16提供的旋轉運動轉換成機械10的平移 運動。牽引設備14可包括定位在機械10的每側上的輪子。替代地，牽引設備14可包括履 帶、皮帶或其他驅動牽弓I設備。 作業工具32可包括用來執行特定任務的任何設備，例如鏟斗、鏟刀、吊斗、粗齒鋸 或者本領域已知的任何其他任務執行設備。 一個或多個作業工具32能夠附接到單個機械 10上并能夠通過操作員站20進行控制。作業工具32可借助直接樞軸、聯動系統、一個或多 個液壓缸、電機或者以任何其他合適的方式連接到機械10。作業工具32可以本領域已知的 任何方式相對于機械10樞轉、旋轉、滑動、擺動、提升或移動。 如圖2進一步示出的，機械10可包括液壓系統22和控制系統34。液壓系統22可 包括相互配合以致動作業工具32的多個部件。特別地，液壓系統22可包括一個或多個液 壓缸24、泵28、罐30和控制閥42。可以通過泵28從罐30抽吸流體并對流體加壓。 一旦被 加壓，流體可由控制閥42定量供給并被供應至液壓缸24或者機械10的其他部件以執行有 用的工作。低壓流體可返回罐30以進一步由泵28加以利用。可以想到，液壓系統22可包 括另外或不同的部件，例如蓄能器、單向閥、壓力釋放閥或備用閥、壓力補償元件、節流孔和 本領域已知的其他液壓部件。 通過在設置于每個液壓缸24的管27內的活塞組件25上形成不平衡力可以實現 液壓缸24的軸向位移。具體來說，每個液壓缸24可包括由活塞組件25分開的第一室和第 二室。活塞組件25可包括兩個相對的液壓表面，其分別與第一室和第二室相關聯。可選擇 性地向第一室和第二室供應加壓流體和從第一室和第二室排出加壓流體，以在兩個表面上 形成不平衡力。不平衡力可引起活塞組件25在管27內軸向位移。 液壓缸24可被用來為機械10的各個部件，例如作業工具32提供致動力。作業工 具32可通過直接樞軸或聯動系統連接至機械10的框架，此時，液壓缸24是樞軸或聯動系 統的一個構件。隨著液壓缸24軸向位移，樞軸或聯動系統可以平移或旋轉，由此使操作員 能夠利用作業工具32執行希望的任務。可以想到，可在樞軸或聯動系統中使用多個液壓缸 24來使作業工具32進行另外自由度的運動。 泵28可產生機械10使用的加壓流體流。泵28可體現為可變排量泵、固定排量 泵、變流量泵或者本領域已知的任何其他加壓流體源。泵28可例如通過副軸36、皮帶(未 示出)、電路(未示出)或者以任何其他合適的方式能夠驅動地連接至功率源12。盡管圖 2示出的泵28專門用于只向液壓缸24供應加壓流體，但可以想到，泵28可向機械10的其 他液壓部件供應加壓流體。 罐30可體現為能夠保持流體供應的容器。流體可包括液壓油或者本領域已知的 任何其他液壓流體。泵28可從罐30抽吸流體并向罐30返回流體。可以想到，泵28可連 接至多個單獨的罐30。 控制閥42可定量供給在泵28和液壓缸24之間連通的流體。控制閥42可通過供 應管線38連接至泵28并通過排放管線40連接至罐30。控制閥42可包括至少一個閥元 件，其定量供給流向液壓缸24內的第一室和第二室中的一個的加壓流體，同時允許流體從 第一室和第二室中的另一個排至罐30。 控制閥42可以克服彈簧偏置被先導致動，以在若干位置之間移動。這些位置可包 括允許流體流入第一室且從第二室向罐30排放流體的第一位置、阻止流體流向第一室和第二室的第二中間位置、以及與第一位置的流體流動方向相反的第三位置。第一、第二和第 三位置之間的閥元件位置可決定流入和流出第一室和第二室的加壓流體的流量和相應的 致動速度。可以想到，控制閥42可替代地用獨立控制每個液壓缸24的每個第一室和第二 室的填充和排放功能的多個獨立的計量閥所代替。還可以想到，控制閥42可替代地由電致 動、機械致動或者以任何其他合適的方式致動。 操作員站20(見圖1)可以是操作員控制機械10的操作的地方。操作員站20可 位于機械10上或脫離機械10并可以包括一個或多個操作員輸入設備21，例如操作模式選 擇器45和節氣門鎖定選擇器46。操作員輸入設備21可位于操作員座位附近并可以與控制 臺相聯。操作員輸入設備21可體現為單軸或多軸操縱桿、方向盤、旋鈕、推拉設備、按鈕、踏 板、開關和/或本領域已知的其他操作員輸入設備。 操作模式選擇器45可以是接收操作員輸入、指示希望的操作模式的設備。在一種 實施方式中，操作模式選擇器45可以是具有兩個可選位置的搖桿開關。搖桿開關的每個位 置可對應于一個操作模式，例如正常模式和經濟模式。正常模式可允許機械10的標準操 作。經濟模式可通過調節功率源12改善燃料效率、廢氣排放和發動機噪聲。可以想到，操 作模式選擇器45可具有與操作模式相關的任何數量的可選位置。 節氣門鎖定選擇器46可接收操作員輸入并指示功率源12要求的節氣門設定。節 氣門鎖定選擇器46可包括用于致動或解除節氣門鎖(例如，通斷開關、按鈕或轉盤)的部 件和用于輸入要求的節氣門設定的部件(未示出)。節氣門設定部件可體現為單獨的設備 (例如，單獨的踏板、轉盤或電子鍵盤)或者可集成到致動部件(例如，具有與功率源12要 求的節氣門設定相關聯的可選的斷開位置和一系列接通位置的單個轉盤)中。當節氣門鎖 定選擇器46被致動時，功率源12可保持在要求的節氣門設定。可以想到，節氣門鎖定選擇 器46的要求的節氣門設定可根據一個或多個輸入自動調節。 控制系統34可監測并調節機械IO及其部件的性能。具體地，控制系統34可包括 任務傳感器44和控制器48。控制器48可借助通信線路52與功率源12通信、借助通信線 路50與操作模式選擇器45通信、借助通信線路58與節氣門鎖定選擇器46通信、借助通信 線路54與泵28通信，以及借助通信線路56與任務傳感器44通信。可以想到，控制器48 還可與變速器16、控制閥42和/或機械10的其他部件通信。 —個或多個任務傳感器44可向控制器48提供可用來對當前任務進行分類的信 息。每個任務傳感器44例如可體現為作業工具位置和/或速度傳感器、機械行進速度傳感 器、變速器檔位傳感器、功率源速度傳感器、操作員輸入設備傳感器、與驅動作業工具32的 加壓流體相關的壓力傳感器以及與機械10的性能、操作和/或生產率相關的任何其他傳感 器。使用的傳感器的類型和數量可根據應用來改變。例如，位置和/或速度任務傳感器可 體現為分壓計、流速計或者光學編碼器。壓力任務傳感器可體現為壓電換能器、電容傳感器 或者應力計。控制器48可利用來自以任意組合的一個或多個任務傳感器44的信息對當前 執行的任務進行分類。 控制器48可體現為包括用于控制機械10的操作的部件的單個微處理器或多個微 處理器。很多能夠買到的微處理器可執行控制器48的功能，應當理解，控制器48可簡單地 體現為能夠控制機械的多種功能的通用機械微處理器。控制器48可包括內存、次級存儲設 備、處理器和用于運行應用程序的任何其他部件。各種其他電路可與控制器48相關，例如
6供電電路、信號調節電路、數據采集電路、信號輸出電路、信號放大電路和本領域已知的其 他類型的電路。 控制器48可使用任何合適的控制算法，例如開關控制、比例控制、比例積分微分 控制、自適應控制、基于模型的控制、基于邏輯的控制或本領域已知的任何其他控制方法。 控制器48可使用開放式回路、前饋和/或反饋控制。 可以想到，控制器48可包括存儲在控制器48的內存中的一個或多個映射。這些 映射中的每一個可包括表格、曲線和/或等式形式的數據集合。特別地，控制器48可包括 任務映射，控制器48可使用該任務映射來識別作業工具32當前執行的任務。每個任務映 射可包括與預先編程的作業工具任務有關的預設數據范圍和/或特定數據值。數據例如可 包括作業工具位置、作業工具速度、機械行進速度、變速器檔位、功率源速度、操作員輸入設 備位置、作業工具流體壓力和/或本領域已知的有關機械的任何其他數據(可以設想該數 據是依賴機械的數據)。預先編程的作業工具任務可包括挖掘任務、穿越任務、卸載任務和 其他作業工具任務。每個預先編程的作業工具任務可以是高功率任務或者低功率任務。例 如，挖掘任務可以是高功率任務，卸載任務可以是低功率任務。可以想到，也可以包括中間 任務水平(即，中功率任務)。 控制器48可包括將任務映射內的預設數據與任務傳感器信息和/或其他模擬信 息進行比較的內部邏輯。內部邏輯可使作業工具當前執行的任務與預先編程的作業工具任 務中的一個相關聯，由此將作業工具當前執行的任務分為高功率任務或低功率任務。可以 想到，可利用任務傳感器信息或操作員提供的信息對預設的數據范圍或數據值進行更新。
如圖3-5所示，控制器48還可包括用于控制功率源輸出的一個或多個映射。該輸 出映射可包括功率源速度(X軸)和功率源轉矩(Y軸)之間的關系。輸出映射可包括高功 率映射60和低功率映射62。高功率映射60可對應于功率源轉矩和功率源速度的最大范圍 (功率源轉矩和功率源速度的最大范圍可由管理員設置或者由機械10的物理限制設置)。 對于低功率映射62，功率源轉矩和功率源速度中的至少一個會受到高功率映射60給出的 最大功率源轉矩和/或功率源速度的限制。例如，如圖3所示，速度限制映射62a可以限制 可用功率源速度。在圖4所示的另一例子中，轉矩限制映射62b可限制作為可用功率源速度 的函數的可用功率源轉矩，但仍可實現最大功率源速度。在圖5所示的最后例子中，轉矩速 度限制映射62c可限制可用功率源速度和作為可用功率源速度的函數的可用功率源轉矩。 可以想到，控制器48可例如通過降低和/或增加噴射的燃料量、流入的空氣量、流入空氣的 壓力、功率源定時和/或功率源12的閥門定時來調節功率源12的速度和/或轉矩。
控制器48可基于模式選擇(例如正常模式或經濟模式)和作業工具的任務分類 (例如高功率任務或低功率任務)來選擇輸出映射。控制器48可選擇輸出映射來提供實現 作業工具當前執行的任務所要求的必要功率，而不會造成不必要的燃料燃燒。可以想到，控 制器48選擇的輸出映射可更改當前的節氣門鎖定設置。還可以想到，控制器48選擇的輸 出映射可更改液壓系統22可用的功率。功率源輸出和液壓系統22可用的功率之間的關系 可包括在控制邏輯中，以確保有充足的可用功率來操作作業工具32。可以想到，泵28的排 量可由控制器48調節，以增加用于操作作業工具32的可用功率。還可以想到，可以調節泵 28的排量以減少功率源12的負載并由此減少燃料燃燒。
工業實用性
本發明的控制系統可應用于希望控制功率源的任何機械。特別地，本發明的控制 系統可提供多個可選操作模式，包括至少一個經濟模式。此外，本發明的控制系統可基于選 擇的功率源操作模式和低功率任務和高功率任務的分類自動調節功率源輸出。這種根據當 前任務進行的調節可使燃料燃燒、廢氣排放和發動機噪聲整體降低。現在描述控制系統34 的操作。 如圖6所示，操作員可(通過操作模式選擇器45)在若干可用的機械操作模式之 間進行選擇(步驟100)。在接收模式選擇后，控制器48可確定操作員選擇了經濟操作模式 還是正常操作模式(步驟110)。當操作員選擇了正常操作模式時，控制器48可利用高功率 映射60控制功率源12 (步驟120)。在為了機械10的響應性和/或容量而犧牲經濟性時， 操作員可為任務選擇正常模式。控制器48可保持在正常模式，直到操作員選擇新的操作模 式。 當操作者選擇經濟操作模式時，控制器48可與任務傳感器44通信以接收與機械 10當前執行的任務有關的信息。控制器48然后可以根據本發明的控制算法將作業工具當 前執行的任務分為高功率任務或低功率任務(步驟130)。 例如，機械10可以是執行裝載循環的輪式裝載機。該裝載循環可基本包括挖掘任 務、穿越任務和卸載任務。在裝載循環中，控制器48可從任務傳感器44接收有關作業工具 位置、作業工具速度、機械行進速度、變速器檔位、功率源速度和/或負載、操作員輸入設備 位置和/或作業工具流體壓力的測量結果。控制器48可將這些測量結果與其內存中存儲 的任務映射進行關聯以對作業工具當前執行的任務進行分類。例如，當作業工具32處于降 低的位置、變速器16處于較低的前進檔、且功率源12被加載時可確定在執行挖掘任務。控 制器48可將挖掘任務識別為高功率任務并通過實施高功率映射60進行自動響應(步驟 120)。控制器48可持續利用高功率映射60，直到輪式裝載機不再執行高功率任務和/或 控制器48將作業工具當前執行的任務分類為低功率任務，例如穿越任務或卸載任務(步驟 140)。 控制器48可選擇有效實現作業工具的分類任務的低功率映射62。例如，要求高功 率源轉矩但僅需要有限功率源速度的作業工具任務可利用速度限制映射62a來完成。替代 地，要求高功率源速度(例如，該任務要求高的運行速度)但僅需要有限功率源轉矩的作業 工具任務可利用轉矩限制映射62b來完成。要求有限的功率源轉矩和功率源速度的作業工 具任務可利用轉矩速度限制映射62c來完成。 本發明的控制系統可實現多個好處。具體來說，該控制系統可提供多個可選的機 械操作模式并在任務要求高功率操作時自動調節功率源輸出。可選操作模式和自動任務調 節的結合可提高效率，又不會增加操作員輸入的復雜性。本發明的系統還可基于當前執行 的任務選擇性地控制功率源轉矩和速度，以提高機械效率，而基本不會降低生產率。
本領域技術人員能夠理解，在不脫離本發明范圍的條件下可以對公開的任務調節 的經濟模式系統進行各種修改和變型。通過考慮本文公開的機械控制系統的詳述和實踐， 本領域技術人員可以想到機械控制系統的其他實施方式。這些詳述和實施例應當僅僅被認 為是示例性的，本發明的真正范圍由權利要求書及其等同范圍指明。
權利要求
一種機械控制系統(34)，包括功率源(12)；操作員輸入設備(45)，其能夠生成指示希望的功率源操作模式的第一信號；作業工具(32)，其由所述功率源驅動；和控制器(48)，其與所述功率源和所述操作員輸入設備通信，該控制器能夠對作業工具當前執行的任務進行分類；基于作業工具當前執行的任務的分類和所述第一信號選擇輸出映射；利用所述輸出映射控制功率源操作。
2. 如權利要求1所述的機械控制系統，其中，所述輸出映射包括可用功率源速度和可用功率源轉矩之間的關系。
3. —種機械控制方法，包括接收指示希望的功率輸出生成模式的使用者輸入； 產生功率輸出；引導所述功率輸出以致動作業工具(32); 對作業工具當前執行的任務進行分類；基于作業工具當前執行的任務和希望的功率輸出生成模式選擇輸出關系； 利用所述輸出關系調節功率輸出生成。
4. 如權利要求3所述的方法，其中所述輸出關系使可用功率輸出速度和可用功率輸出轉矩發生聯系；禾口 所述輸出關系選自多個輸出關系，其中，所述多個輸出關系包括高功率關系和低功率 關系。
5. 如權利要求4所述的方法，其中，所述低功率關系涉及限制以下項中的至少一個 可用功率輸出速度；作為功率輸出速度的函數的可用功率輸出轉矩；或可用功率輸出速度和作為功率輸出速度的函數的可用功率輸出轉矩。
6 如權利要求5所述的方法，其中，限制涉及調節節氣門鎖定設置和用于產生功率輸 出的燃料量。
7. 如權利要求6所述的方法，其中，接收使用者輸入包括接收指示經濟模式或正常模 式的至少一個的使用者輸入。
8. 如權利要求7所述的方法，還包括生成指示作業工具位置、作業工具速度和功率輸 出速度的至少一個的信號，其中，所述信號用于對作業工具當前執行的任務進行分類。
9. 如權利要求8所述的方法，其中，選擇涉及在以下情況時選擇高功率關系 作業工具當前執行的任務被分類為高功率任務；禾口 當前選擇的功率源操作模式是經濟模式。
10. 如權利要求9所述的方法，其中，所述高功率任務是挖掘任務。
全文摘要
本發明公開一種用于機械(10)的控制系統(34)。該控制系統可以包括功率源(12)、能夠生成指示希望的功率源操作模式的第一信號的操作員輸入設備(45)以及由功率源驅動的作業工具(32)。該控制系統還可具有與功率源和操作員輸入設備通信的控制器(48)。該控制器能夠對作業工具當前執行的任務進行分類并基于作業工具當前執行的任務分類和第一信號選擇輸出映射。該控制器還能夠利用所述輸出映射控制功率源操作。
文檔編號E02F9/22GK101790614SQ200880101537
公開日2010年7月28日 申請日期2008年7月23日 優先權日2007年7月31日
發明者L·A·卡納普, 何蘊仁, 林弘均 申請人:卡特彼勒公司