基于ARM的液压模拟加载系统的设计.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 3年 第 0 7期 基于 AR M的液压模拟加载系统的设计 高立龙， 王新晴， 蒋文峰 解放军理工大学 ， 江苏 南京2 1 0 0 0 7 摘要 针对大型工程机械液压实物加 载困难 、 加载精 度低 的问题 ， 该文设计 了基 于 A R M 的液压模拟加载系统 ， 该 系统集模拟加载 、 传 感器信号采集 、 G P R S无线传输 、 数据分析处理 、 神经 网络控制于一体 ， 通过液压 系统压力信号 的动态反馈 ， 利用神经 网络 P I D控制 ， 动态 调节 电液 比例溢流阀的开度大小 ． 实现了液压系统的精确模拟加载 。 关键词 模拟加载 ； A R M； 嵌人式 系统 ； HD控制 中图分 类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 7 0 0 0 6 0 3 The S t u d y o f Hy d r a u l i c L oa d S i mu l a t i o n S y s t e m Ba s e d o n ARM G A O L i - l o n g ， WAN G Xi n - q i n g ， J I A N G We n - f e n g P L A U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， N a mi n g 2 1 0 0 0 7 ， C h i n a Ab s t r a c t F o r t h e p r o b l e m o f h y d r a u l i c r e a l l o a d i n g d i f fi c u l t a n d l o w l o a d i n g p r e c i s i o n ， t h i s p a p e r d e s i g n s t h e h y d r a u l i c l o a d s i mu l a t i o n s y s t e m b a s e d o n A R M，t h i s s y s t e m u s e s a n a l o g l o a d s e n s o r s i g n a l a c q u i s i t i o n ，G P R S d a t a c o n v e y ，d a t a a n a l y s i s a n d t h e n e u r a l n e t w o r k c o n t r o 1 ．t h r o u g h t h e d y n a m i c f e e d b a c k o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m p r e s s u r e s i g n a l ，u s i n g t h e n e u r a l n e t w o r k P I D c o n t r o l t o a d j u s t t h e o p e n s i z e o f t h e e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l r e l i e f ， r e a l i z i n g t h e a c c u r a t e s i mu l a t i o n o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m l o a d ． Ke y wo r d s s i mu l a t i o n l o a d； ARM ； e mb e d s y s t e m ； P I D c o n t r o l 0 引言 液压加载具有功率一质量 比大 ， 功耗相对 比较低 、 加载力稳定性好且大范 围无级可调 、 自润滑寿命长 、 易 实现加载力的安全保护 、便于控制 自动化的实现等诸 多优点 ． 是各种大中型装置 中进行加载的首要选择 ， 并 被广泛应用⋯ 。但 在实际加载过程中． 液压加载多用实 物加载来完成 ． 导致液压系统 的检测精度低 ． 无法实现 油路的直接加载 本文利用 A R M嵌入式系统搭建 了液压模拟加载 系统 ． 通过调节电液 比例溢流 阀的溢流压力[ 2 1 ． 使液压 缸输 出相应 的加载力。同时采集液压 系统 的压力 、 温 度 、 流量参数 ， 实时监测液压系统的运行状态并反馈 给 液压加载系统 ． 最后通过神经 网络 P I D控制 ． 实现了液 压系统的快速精确加载 该方法解决 了实物加载质量 大 、 操作复杂 、 精度低 的问题 ， 为液压 系统检测提供 了 新 的思路 1 模 拟加载 系统总体结构 现场控制器主要完成压力 、 温度 、 流量的数据采集 与压力调控设施 的直接调控功能。远程客户端是模拟 收稿 日期 2 0 1 3 一 O 1 一 O 8 作 者简 介 1 9 8 8 一 ， 男 ， 山东 临沂人 ， 硕 士研究 生 ， 研究方 向 机械 故 障诊断与检测 。 6 加载系统的监测管理端 ．它汇总所有现场控制器的压 力 、 温度 、 流量数据 ， 完成数据存储 、 处理和系统总体配 置等功能 现场控制器采用的是 A R M嵌人式系统 ． 完成 控制量的输出、 信号的采集及数据的传输 。模拟加载阀 块主要完成油路压力 的调节 ．实现液压系统负载的模 拟 远程客户端采用通用 P C机 ． 也可根据实际情况采 用便携式 A R M系统 控制器与远程客户端通过 G P R S 进行数据通讯。模拟加载系统结构框图如图 1 所示。 图 1模 拟 加 载 系统 1 ． 1 AR M 现 场控 制器 模拟加载系统采用嵌 入式 系统作 为现场控 制器 嵌入式硬件 系统采用核心板和底层板分离的模式。如 图 2所示 。核心板 主要 由处理器 3 C 6 4 1 0 A、 F L AS H、 S D R A M 等核心部 件组成 。底 层板 由各种扩 展卡槽 、 R S 2 3 2 、 D ／ A转换模块 、 G P R S模 块等扩展部件组成 ， 便 于与其他设备连接 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ．O 7 ． 2 0 1 3 图 2控 制器 硬 件 组成 1 ． 2 数 据 采集 系统 数据采集系统主要包括两个三线制压 力传感器 、 一 个温度传感器 、 一个流量传感器 。压力传感器安装在 液压油路进 、 出油 口， 对压力信号进行采集。温度和流 量传感器根据实际需要可灵活选择安装位置 ．主要对 加载工作过程 中油液温度变化情况和流量变化情况进 行监测 。 1 。 3 模拟加载阀块 模拟加载 阀块主要有两个单 向阀．两个 电液 比例 溢流阀组成 其结构图如图 3 所示 。 加载过程 中通过现 场 控制器输 出 的模 拟 电信号 驱动溢 流阀保 持制定 开 度 ．使 先 导式 溢 流 阀 1和 2的开启 压 力保 持 在 5 ～ 3 0 MP a 范 围内某一额定值 。电磁阀处于左位时 ， 液压油 经过单向阀 1 进入液压缸无杆腔 ．当液压缸有杆腔压 力达到溢流阀 2的额定压力时 ． 有杆腔油液经溢流阀 2 泄油 ． 液压杆伸出 电磁阀处于右位时 ， 液压油经过单 向阀 1进入液压缸无杆腔 ．当液压缸有杆腔压力达到 溢流阀 2的额定压力时 ． 有杆腔油液经溢流阀 2泄油 ． 液压杆伸 出。至此液压缸伸出 、 收 回过程结束 ， 压力传 感器 1 、 2记录下 了两个液压腔 的压力变化情况。 4 3 2 阀 PT 1 一 换 向 阀2 一 压 力 传 感 器 2 3 - 单 向闽 1 4 一 溢 流 阀 1 5 一 液 压缸6 一 单 向阀 2 7 - 溢流阀 2 8 - 压 力传感 器 1 图3模拟加载 阀块 结构 图 1 ． 4 D ／ A接 口电路 现场控制器需要控制溢流阀的开度大小 ， 因此要求 现场控制器能够输出模拟电信号。 所以 D ／ A转换 电路是 必须配备 的 本 文采用 1 O位 MA X 5 0 4 D ／ A转换 器接 S P I 总线 ， 实现模拟量的输出。其接 口电路如图 4所示。 1 ． 5 GP R S通讯 模块 模拟加载系统 中选择 G P R S方式来进行数据 的传 输 ． G P R S模 块 与 A R M 现 场 控 制 器 和 远 程 客户 端 通 过 R S 2 3 2进 行 连 接 所 以 本 文 选 用 S I MC O M 公 司 的 S I M3 0 0模块 ．并开发了相关 的串 口连接电路。S I M3 0 0 模块的默认波特率 l 1 5 2 0 0 ．集成了串口通讯模块的组 件 ．通过它可以直接通过 D B 9插座与控制器和远程客 户端的 D B 9插座进行连接[2 】 vcc U l O 0 2 1 3 IC 1 0 0 2 E X 10 3 5 [ g RE F I N T 脚 T T 星 害 l E一 O N D f M 子 G N D GND 图 4 MAX 5 0 4电 路连 接 图 G P R S无线设备的联 网是通过 I C P ／ I P协议完成的 ． 本文所采用的操作系统和 G P R S设备都支持 I C 踟 P协 议 ． 以便于无线应用程序的开发设计 。 2 模拟加载系统软件组成 2 ． 1 软件 系统 结构 远程控制 中心的软件系统包括控制系统 、 数据采集 系统 、 信息存储系统 、 数据处理系统。 控制系统主要实现 电液比例溢流阀阀芯开度控制指令的生成与发送 ． 根据 数据处理系统反馈过来的数据 ． 重新对 阀芯的开度进行 控制 数据采集系统主要完成液压 系统的压力采集和转 换工作 数据处理系统主要完成采集数据 的预处理， 并 把处理后 的数据反馈给控制系统 信息存储 系统主要完 成数据的存储 、 绘制和查询。 2 ． 2溢流阀开度控制策略 P I D神经网络控制 未经控制设定的模拟加载力与液压元件实际运 动 时承受的负载有所偏差 为保证模拟加载量保持在额 定载荷 ， 考虑到液压元件非线性 、 油 温时变性 等因素 ， 模拟加载的控制系统采用神经网络 P I D控制策略。 P I D神经元 网络从结构上可以分为输入层 、隐含层 和输出层。 输入层有两个神经元 ， 分别接收控制量的目标 值和当前值[4 1 。 隐含层由比例元 、 积分元和微分元构成 ， 分 别对应着 P I D控制器 中的比例控制 、 积分控制和微分控 制 输出层输 出控制量。控制效果仿真 ， 如图 5所示。 2 ． 3 软 件操 作界 面 设计 远程客户端软件的设计开发是对远程客户端对现场 控制器发送来的液压系统压力、 温度、 流量数据进行管理。 利用开发的软件实现压力 、 温度、 流量采集参数的设置 ， 存 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 7期 储历 史数 据 以供 查询 。本文 的软件 编 写采用 V i s u a l B a s i c 编译环境。远程客户端软件界面， 如图6所示。 嘲 柩 P I D神经网络控制 图 5 控制器控制效果图 图 6 模拟加载软件界 面 3 结束语 该模拟加载系统 已成功应用于装载机 、 挖掘机 、 推 一 * 一一 一 一 一 *- 一 一 一- - 4- - - 4 - - -- 一 - 一 一 - ． - 4 ． - - ． 一- 卜 - 上 接 第 5页 度 ， 从 而实现手动控制液偶的转速输 出 3 _ 2 液偶 转 速 自动控 制 自动控制时 ． 控制装置将根据远程或本地给定的 转速和液偶反馈 回来的实际转速以及 阀位开度大小 ． 进行 比较分析 ． 按液偶特性专设 的控制算法输 出导管 开度值 ， 即调节阀位的开度 。 使得液偶输出转速和给定 转速一致 。从而对液偶实现线性无级调速 3 ． 3 自动控 制各 辅助 泵 电机 3 ． 4保 护和 报警 该装置的智能控制器可将采集到的液力偶合器的 油温油压轴承温度等进行监控 ．发现某个参数超标则 及时报警 ， 同时根据工艺要求作相应处理报警 。 3 ． 5 集 中显示和记录运行参数 该装置设有液晶屏 ． 可集中显示和记录的运行参数 输入输 出转速 导管控制和实际开度 给定转速 液油各点温度 液油各点压力 轴承各点温度 轴承各点振动值 电机 电流 系统当前的各种工作状态 可用液晶触摸屏很方便修改系统参数 ． 具有 1 2条 实时报警记录 ， 保 留 l 2条历史报警记录等 3 ． 6 通 讯联 网 该装置内带有工业联 网串口 R S 一 4 8 5 ． 可支持工业 领域使用最广泛的 Mo d b u s 通讯协议 ． 同时可提供用户 选择计算机远程操控装置 8 土机等大型工程机械液压系统的检测。实验结果表明， 该 系统具有加载精度 高 、 速度快 、 软件简洁易操作 、 不 受场地限制 、 耗油量少等特点 。为工程机械作业效率 、 性能状况的检测提供了新 的思路。 参 考 文 献 【 1 ] 王 占林． 近代 电气液压伺服控 制【 M】 ． 北京 北京航空航天 大学 出版 社 ． 2 0 0 5 ． 『 2 1 张洪 涛 ， 王新 晴 ， 朱会杰 ， 等． 液压模拟 加载与测试 系统 的设 计与实验研究[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 1 ， 1 2 3 8 4 0 ． 『 3 1 黄江 民． 一种基于无线通信 的外用施工升 降机监控 系统 的研 究与开发[ J 】 ． 建设机械技术与管理 ， 2 0 1 1 ， 1 0 1 0 7 1 0 9 ． 『 4 1 舒 怀林 ， 郭 秀才． 多 变量 强耦合时 变系统 的 P I D神经 网络控 制[ J 1 ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 3 ， 5 1 6 1 8 ． 以上功能通过液晶触摸屏实现和参数显示 ． 如图 2 所示。 一 图 2控 制装 置液 晶 显 示 屏 4 结论 1 该装置现代计算机技术和传统 的液力偶合器有 机地结合起来 ．从而满足大功率设备启动和调速更高 的使用需求 ． 如大功率风机调速 ． 大功率破碎机软启动 调节等。在一些大功率重负荷的驱动场合 ， 还可以很方 便组合成 多机同步驱动系统 ．如带式运输机多机驱动 装置等 2 该控制装置核心是采用智能控制器。采用 C语 言编程 ． 专 门针对液力偶合器 的特性 ． 将人工智能和一 般 P I D算法结合起来 ， 采用模糊 的处理方法 ． 作 出一套 特殊的控制算法。 实现了对液力偶合器 的有效控制。 将 调速型液偶所有辅助 电机 ．监控参数以及就地或远程 控制功能全部整合在该通用箱里 ． 结构简洁 ． 操作一 目 了然 ， 非常实用 。对于一些 自动化要求较高的场合 ， 可 以很方便实现联 网． 远程监控等。 参 考 文 献 【 1 】 马文星． 液力传动理论与设计[ M】 ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 2 】 陆肇 达． 液力传 动原 理与液力 传动 工程[ M 】 ． 哈尔 滨 哈尔 滨 工业大学 出版社 ． 1 9 9 4 ． [ 3 】 李有义 ， 杨乃乔． 液力偶合器应用与节能技术【 M】 ． 北京 化学 工业 出版社 ． 2 0 0 6 ．