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挖掘機的作業(yè)對象――土質(zhì)變化較大，從軟性粘土、松沙質(zhì)土、緊密沙質(zhì)土及較緊密砂礫混合土，到砂礫壓原石和軟巖等，因此在工作過程中載荷的變化很大。另外挖掘機的使用方式和要求也不同：有時追求最大作業(yè)量，要求發(fā)揮最大功率，進行強有力的掘削;有時強調(diào)燃料經(jīng)濟性，對生產(chǎn)率要求不突出，進行一般挖掘和裝載工作;有時則重視精度和安全，進行精細(xì)工作和微調(diào)作業(yè)，在窄小的場地進行操作。為了適應(yīng)不同作業(yè)和使用工況，滿足使用要求，需要進行公工況控制，根據(jù)作業(yè)工況和使用要求來對發(fā)動機和液壓泵進行優(yōu)化設(shè)定，控制發(fā)動機油門開度和液壓泵排量。
1、液壓挖掘機控制技術(shù)的發(fā)展
20世紀(jì)80年代隨著能源危機的出現(xiàn)，為了實現(xiàn)對液壓挖掘機節(jié)能的控制要求，國外液壓挖掘機多種動力模式的發(fā)動機、液壓系統(tǒng)的功率匹配控制，如20世紀(jì)90年代神鋼SK200MARKⅢ、小松PC200-3、卡特240C型液壓挖掘機等。這類液壓挖掘機通常把發(fā)動機的動力輸出分為100%、85%、50%三種模式，通過對液壓泵轉(zhuǎn)矩的控制，使發(fā)動機輸出功率與泵的吸收功率達(dá)到較好的匹配。在100%動力模式下，增加轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制，其原理是將檢測到的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號輸入計算機，并根據(jù)發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的偏差控制泵的排量，使泵的吸收功率始終追綜發(fā)動機的輸出功率，實現(xiàn)功率匹配。由于改變了泵的排量，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速將在最短的時間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定工況時的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)恒功率的控制。
進入21世紀(jì)以來，國外液壓挖掘機生產(chǎn)廠已在解決液壓挖掘機分工況節(jié)能控制的前提下，開始進行液壓挖掘機智能控制的研究和應(yīng)用。如日本神鋼公司把動力模式分成手動模式和模糊控制模式，并且模糊控制模式是優(yōu)先考慮工作效率的模式。它的工作原理是：電腦自動監(jiān)測操作手柄的動作，通過模糊邏輯推理識別當(dāng)時的作業(yè)類型后對操作進行輔助，讓操作更容易，被識別的作業(yè)類型可通過液晶顯示屏顯示。先進的電子控制系統(tǒng)可以在低負(fù)荷時自動降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，重負(fù)荷時發(fā)揮出發(fā)動機最大功率，操作者可在不知不覺中提高作業(yè)效率，是最省油的模式。而美國凱斯公司液壓挖掘機在自動操作模式精準(zhǔn)液壓控制系統(tǒng)(PSCTM)控制下，可以實現(xiàn)“自動”挖掘。
2006年11月，在上海工程機械bauma展覽會上，日立公司展出了新型ZAXIS-3系列液壓挖掘機，該機具有以下特點：
(1)動力模式進一步簡化，只有手動模式和A/A模式。日立公司把A/A模式稱為自動加速模式，它的工作原理類似于日本神鋼公司模糊控制模式，即通過操作手柄的動作和液壓泵出口壓力等的監(jiān)控，自動調(diào)整發(fā)動機油門位置，同時自動調(diào)整液壓泵與發(fā)動機功率的合理匹配，使整機操作更人性化，減少操作人員的勞動強度。
(2)采用彩色漢化的液晶顯示器，能夠向操作人員提供更多的工況信息和保養(yǎng)信息。
(3)遠(yuǎn)程保養(yǎng)管理系統(tǒng)(e-Service Owner’s site)。用戶通過上網(wǎng)可以獲得對液壓挖掘機的工作管理、運行履歷分析以及日立公司對液壓挖掘機遠(yuǎn)程故障診斷的結(jié)果信息。
隨著液壓挖掘機發(fā)動機、結(jié)構(gòu)件、液壓系統(tǒng)性能的不斷提高，國內(nèi)液壓挖掘機廠家在20世紀(jì)90年代開始研究液壓挖掘機的節(jié)能控制系統(tǒng)，目前該技術(shù)的研究已有突破，并且國內(nèi)一些單位已生產(chǎn)出可以裝機的節(jié)能控制系統(tǒng)，浙江大學(xué)、吉林大學(xué)等院校始終走在節(jié)能控制研究的前列。
目前，國內(nèi)研究的重點還停留在實現(xiàn)液壓挖掘機泵與發(fā)動機的匹配，通常的控制方式依然是三擋功率模式。采用模糊算法在線實時調(diào)整PID控制參數(shù)的方法或單神經(jīng)元的自適應(yīng)PID節(jié)能控制以實現(xiàn)前述的轉(zhuǎn)速傳感控制，實現(xiàn)了發(fā)動機與泵的功率匹配的自適應(yīng)節(jié)能控制。新的研究是將挖掘機發(fā)動機、變量泵、控制閥、負(fù)載作為一個系統(tǒng)，分析該系統(tǒng)各環(huán)節(jié)匹配的原理和方法，提出以泵出油口壓力為依據(jù)，實現(xiàn)動力系統(tǒng)與工況的自適應(yīng)控制。
在挖掘機產(chǎn)品的應(yīng)用中，由于國外挖掘機廠家的電氣控制系統(tǒng)技術(shù)對中國市場一直處于封鎖狀態(tài)，國內(nèi)挖掘機廠家為了提高挖掘機性能，正在加緊控制技術(shù)的應(yīng)用研究。目前已有一些廠家推出了挖掘機控制系統(tǒng)，但都還停留在挖掘機簡易控制的基礎(chǔ)上，即前所述的三種動力模式的分工況控制。對于液壓挖掘機作業(yè)工況進行自動識別和減少操作人員的勞動強度，以及人性化設(shè)計等問題還沒有進行進一步的研究。
2、液壓挖掘機智能控制系統(tǒng)的方案
目前國內(nèi)挖掘機控制技術(shù)研究的重點都集中在發(fā)動機、油泵、負(fù)荷的功率、轉(zhuǎn)矩的有效匹配，出發(fā)點是液壓挖掘機的節(jié)能控制研究，很少或沒有考慮液壓挖掘機的操作人員的舒適性和可操作性。挖掘機智能控制系統(tǒng)的研究應(yīng)以操作人員為出發(fā)點，以提高挖掘機操作人員操作舒適性、方便性為目的，重點是通過對操作人員的操作習(xí)慣、操作手柄的行程大小、運動快慢等因素的研究，結(jié)合對實際負(fù)載大小的測量，通過智能推理確定發(fā)動機的動力設(shè)置，在此基礎(chǔ)上完成發(fā)動機、油泵、負(fù)荷的功率和轉(zhuǎn)矩有有效匹配，使整機具有簡單的人工智能，進一步提高挖掘機的挖掘效率。而在整機控制中，
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