基于PLC的挖掘机司机用减震座椅模糊控制系统.pdf

第 3期 总 第 1 6 6期 2 0 1 1年 6月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG ＆ AUTOMAT1 0N No ． 3 J un ． 文章编号 1 6 7 2 - 6 4 1 3 2 0 1 1 0 3 0 1 5 3 0 2 基 于 P L C的挖掘机 司机用减震座椅模 糊控制 系统 薄钟 沛 ，梁慧杰 ，杨淑敏 ，庞 建峰 1 ．天津 市无缝钢管厂 ，天津 3 0 0 2 2 0 ；2 ．山西蓝海鑫科技有 限公 司，山西 太原0 3 0 0 0 6；3 ．北方 自动控 制 研 究所 ， 山西 太 原0 3 0 0 0 6 摘要 利用可编程序控制器 s 72 0 0作为 主控 制器 ，以加速度 作 为输入 信号 ，通 过对 气体 回路 实施模 糊控 制，实现挖掘机司机座椅 的减震 。实践证 明，这 是一种简便可靠 、经济实用 的控制系统。 关键词 P L C ；模糊 控制 ；减震 ；挖掘机 中 图 分类 号 T P 2 7 3 ． 4 T D 4 2 2 ． 2 文 献 标 识 码 A 0 引 言 现有 的座 椅减震 技术 普遍 使用 机械 弹簧 的方 式进 行 减震 ，由于 弹簧 刚度 固定 ，无法 兼顾 各种 不 同震 动 强度下 的减震 需求 ，减震 效果 并不 理想 。 为解决 这 一 问题，本文设计 了一套模糊 控制 系统 ，该系统利 用 P L C作为模 糊控 制器 ，对 座椅震 动情 况进 行判 断 并 对 气路 实施控制 。 1 减震 座 椅控 制 系统构 成 减 震座椅 控 制系统 构成 如图 1所示 。 由气缸 组 件 和活塞 杆组件 共 同承受 来 自座椅 及驾驶 员 的压力 ，封 入气缸 上部 的气体 起到 气体 弹 簧 的作 用 。气 缸 组 件 3 通过 螺 钉组 2与座 椅 l固连 ；活塞 杆组 件 4通过 螺 钉 组 5与 驾驶室 地板 固连 ；行程 开关 6用 于确 定 活塞位 置 ；加 速度传 感器 7用 于采集 座椅 所承 受 的震动 ；气 路接头 8连接气缸上腔与气路；可编程控制器 9接收 来 自加 速度 传 感 器 7的 信 号 ，并 且 控 制 电气 比 例 阀 1 0 、电磁换 向阀 l 2以及 气泵 1 4的工 作状 态 。 开始 工作 后 ，可编程 控制 器 9发 出控制命 令 ，气 泵 1 4开 始 工 作 ，电 磁 换 向 阀 l 2关 闭 ，电气 比例 阀 1 0全 部打 开 ，气 体进 入 气 缸 组 件 3的 上 腔 ，在 气 压 作用下座椅 1连同气缸组件 3向上位移 ，直到行程开 关 6被压下并将信号送入可编程控制器 9后 ，气泵停 止工作 。控制 器采 集加 速度 信号 ，根据 加速 度信 号 的 大小进 行模糊 控制 。加 速度 很小 时 ，如 果 行 程 开关 6 没有信 号 ，则 说 明活塞 杆 组 件 4没 有 到 达气 缸 底 部 ， 此 时 电磁换 向 阀 1 2关 闭 ，电 气 比例 阀 l O开 启 至最 大 ，气 泵 l 4工 作 ，直 至 行程 开 关 6送 出信 号 至 可 编 程控 制 器 9后 ，关 闭电气 比例 阀 l 0，气 泵停 止 工 作 ； 如果 行程 开关 6有 信 号 ，则 关 闭 电 磁换 向 阀 1 2和 电 收 稿 日期 2 0 1 1 ． 0 1 ． 2 5 作者简介 薄钟沛 1 9 6 1 ， 男 ， 天津人， 工程 师， 本科 。 气 比例阀 l O ，气泵停止工作 。加速度较小时 ，打开 电磁换 向 阀 1 2并 将 电气 比例 阀 1 0打 开 较 小 的角 度 ； 加 速度 较大 时 ，打 开 电磁 换 向 阀 1 2并将 电气 比例 阀 1 0打开较大的角度 ；加速度很大时 ，打开 电磁换 向 阀 l 2并将 电气 比例 阀 1 0打 开很 大 的角度 ，从 而 实 现 减 震功 能 6， 8 9 l 0 l l l 2 l 3 l 4 1 一座椅 ；2，5～螺钉组 ；3～气缸组件 ；4一活塞杆组件 ； 6～行程开关 ；7一加速度传感器 ；8～气路接头 ； 9一可编程控制器 ；1 0一电气 比例阀 ；l 1一排气回路 ； l 2一电磁换向阀 ；1 3～进气 回路 ；1 4一气泵 图 1 减 震 座 椅 控 制 系统 构 成 原 理 图 2模 糊控 制原 理及 实现 由于模糊 控 制 不 需 精 确 建 立 被 控 对 象 的 数 学 模 型 ，只需将操作、工艺 技术人员 的控制 经验归纳总 结 ，整理 成多 条控 制 规 则 ，由模 糊 控 制 器进 行 处 理 ， 因此 这种 控制 方法对 于存 在 滞后或 随机 干扰 的系 统具 有 良好 的控制 效果 。模糊 控 制系统 的各 个组 成部 分如 图 2所示 。系统 控制 规则 见表 1 。 本 系统选择 西 门子 s 7 2 0 0系列 中的 C P U 2 2 4 X P 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 5 4 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 1年 第 3期 型可编 程控 制 器 。该 控 制 器 具 有 1 4点 数 字 量输 入 、 l 0点数 字 量输 出 ，并且 具 有 两 路 模 拟 量 输 入 、一 路 模 拟量输 出。P L C的 I ／ 0分 配见表 2 。 图 2 模糊控制系统的组成 表 1 模糊 控制规则表 电气比例阀 l 0 加速度数 值 气泵 l 4 电磁换向阀 l 2 开启角度 很 行程开关无信号 工作 关闭 最大 小 行程开关有信号 停止 关 闭 关闭 较小 停止 打开 较小 较大 停止 打开 较大 很大 停止 打开 很大 表 2 P L C的 L ／ O分配 I ／ 0地 址 引 脚 用途 【0 ． 0 行 程 开关 1 0 ． 1 启动按钮 1 0 ． 2 停止按钮 Q o ． o 气泵 电机接触器 Q o ． 1 电磁换向阀 A I W0 加速度传感器 A Q W0 电气 比 例 阀 在 实际控制 中 ，P L C首先将 采样得 到的输 入量量 化到输人 量语 言变量模糊 论域 中 ，再根 据量化 的结果 元 素去查 表求 出控 制量 的一个 清晰值 。设 输入 、输 出 论域 量 化 为 5档 ， 即{一2 ， 一1 ，0 ，1 ，2 } ，将 它 们 的模糊 集 设 为{ N B，N S ，I E，P S ，P B} 。隶属 函 数取 为三角形 隶属 函数 ，通 过隶属 函数可 方便 地求得 输人语言变量赋值表 ，利用输入语言变量赋值表及模 糊控制 规则得 到模糊 控制查 询表 ，见表 3 。其 中， c i0 ， 1 ， ⋯， 2 4 表示模糊变量的输出量 ； E为输入 变 量误差 ； E 为 误差 变化 ； U为输 出变 量控制量 。 表 3模糊 控 制查 询 表 E c ， 一 2 一l O l 2 一 2 cl C 2 c 3 一 l c 5 c 6 C 1 c 8 c 9 O cl 0 C C1 2 C1 GH l Cl 5 l 6 C1 7 Cl 8 Cl 9 2 C 2 0 C2 l C 2 2 C 2 ， C 实 现该控 制功能 的 P L C梯 形图如 图 3所示 。 3 结论 利用 s 7 2 0 0 P L C作为控 制器实现挖 掘机减震 系 统 的模糊 控制 ，具 有方法 简便 、可靠性高 的特点 。实 际使用表 明 ，这是 一种行 之有效 的减震方 法 ，具有广 阔的应用前 景 。 V W2 0 1 中存放 模拟控翩表指针 图 3 实 现 模糊 控 制的 P L C梯 形 圈 参考 文 献 出版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 1 ] 李楠 ， 张德强 ．基于 s 72 0 0 P L C的模糊控制研究 [ J ] ． [ 3 ] 章卫 国 ．模糊 控制理论与应用[ M] ． 西安 西北工业大学 辽宁工学院学报， 2 0 0 6 1 2 2 7 3 1 ． 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ]张化光 ． 智能 控制基础理论及应用[ M] ． 北京 机械工 业 S h o c k ． a b s o r b i n g S e a t Fu z z y Co n t r o l S y s t e m f l0 r Ex c a v a t o r Op e r a t o r Ba s e d 0 n PLC BO Zh o n g p e i ，LI ANG Hu i j i e ，YANG S h u - rai n ，PANG J i a n - f e n g 1 ． T i a n j i n S e a ml e s s T u b i n g Mi l l ，T i a n j i n 3 0 0 2 2 0 ， C h i n a ； 2 ．S h a n x i L a n h a i x in g T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 6 ， C h i n a ； 3 ．T h e N o rt h A u t o m a t i o n C o n t r o l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 6， C h i n a Abs t r a c t Us i n g p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r S 72 00 a s ma i n c o n t r o l l e r a n d a c c e l e r a t i o n a s i n p ut s i g n a l ，t he s ho c k a bs o r bi n g o f e x c a v a t o r s e a t i s a c hi e v e d b y i mp l e me n t i n g f uz z y c o nt r o l t o g a s l o o p．Th e p r a c t i c e p r o v e s t h a t i t i s a s i mp l e，d e p e n d a b l e a n d e c o n o mi c c o n t r o l s y s t e m． K e y wo r dsPL C ；f u z z y c o n t r o l ；s ho c k- a b s o r bi n g； e x c a v a t o r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m