液压式挖掘机单杆操作系统的设计.pdf

2 0 1 4年 1 0月 第 4 2卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI CS Oc t ． 2 01 4 Vo l _ 4 2 No ． 2 0 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 0 ． 0 3 6 液压式挖掘机单杆操作系统的设计 王鹏飞，刁修慧 河南机 电高等专科学校 ，河南新 乡4 5 3 0 0 0 摘要从简化液压式挖掘机操作的角度出发，以液压式挖掘机单杆操作系统为研究对象，分析了系统的组成，确定了 系统的硬件结构，完成了系统的软件设计 ，合理地选择了采样周期 ，确定主控制模块中角度控制算法，编制了操作系统的 控制图和程序流程图，并采用了一系列抗干扰措施，为简化液压式挖掘机的操作提供了一种新的可能性。 关键词 液压式挖掘机；单杆操作系统；P I D控制 中图分类号T D 4 2 2 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 42 01 1 7 3 De s i g n o f t h e S i ng l e - po l e Ope r a t i n g Sy s t e m o f t h e Hy dr a u l i c Ex c a v a t o r W ANG Pe n g f e i ，DI AO Xi u h u i H e n a n Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e ri n g C o l l e g e ， X i n x i a n g H e n a n 4 5 3 0 0 0， C h i n a A b s t r a c t T a k i n g t h e s i n g l e p o l e o p e r a t i n g s y s t e m o f t h e h y d r a u l i c e x c a v a t o r a s t h e s t u d y o b j e c t ， f r o m t h e p o i n t o f s i m p l i f y i n g t h e e x c a va t o r o p e r a t i o n．t h e s ys t e m c o mp on e n t s we r e a na l y z e d t o d e t e r mi ne t h e s y s t e m ’ S ha r d wa r e a r c h i t e c t ur e＆ s o f t ware d e s i g n，a nd t he s a mp l i n g p e r i o d w a s c h o s e n r e a s o n a b l y，t h e ma i n c o n t r o l me t h o d w a s d e t e r mi n e d，t h e c o n t r o l c h a r t fl o w c h a r t o f t h e o p e r a t i n g s y s t e m w e r e p r e p a r e d ， a n d a s e r i e s o f a n t i - j a m mi n g m e a s u r e s w e r e a d o p t e d ．I t p r o v i d e s a n e w p o s s i b i l i t y f o r s i m p l i f y i n g t h e o p e r a t i o n o f t h e h y d r a u l i c e x c a v a t o r ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c e x c a v a t o r ；S i n g l e p o l e o p e r a t i n g s y s t e m ；P I D c o n t r o l 液压式挖掘机是一种多功能的工程机械，它被广 泛用于水利工程、电力工程、矿山采掘、道路施工等 多种行业 中，对加快国民经济建设和提高劳动生产率 起着至关重要的作用。而操纵传统液压式挖掘机要求 驾驶员有较高的操作技巧和丰富的经验 。作者从简 化液压 式挖掘机 的操作角度 出发 ，设计了液压式挖掘 机单杆操作系统。 1 系统的组成 液压式挖掘机工作装置单杆操作系统 由液压系 统 、传 感部分 、控制部分 三部分组成 。， 1 ． 1 液 压 系统 液压系统是利用液压泵将机械能转化为压力能， 再通过控制阀和管路的传递，借助液压缸和马达将压 力能转化为机械能，进而驱动工作机构。 该系统 的控制 阀 控制斗杆 仍采用液压 阀。 为了对液压系统进行更精准和快速的控制 ，系统采用 了电磁 阀对铲 斗和动臂进行控制 。通过控制 器输出 的 电信号产生的压力来控制电磁阀的流量和各电磁换向 阀的接通、断开和切换，实现了对斗杆、动臂和铲斗 液压缸的压力油的流向和流量的控制 ，进而实现了仅 需要操纵斗杆操作杆便可以进行挖掘作业 。 1 ． 2 传 感部 分 传感器部分由检测斗杆、动臂和铲斗动作位置的 角度传感器和压力传感器组成。该部分的主要功能是 采集系统所需的各种信息参数 ，然后对其进行放大 和整形处理，将其转换为标准方波再输入到系统控制 器处理。传感器为系统提供必要的原始信息 ，是系统 至关重要 的一个组成部分 。 1 ． 3 控制部分 微电子技术已经被广泛应用于工业控制以及其他 领域。该系统采用了低功耗、适应于恶劣环境的工业 级微 控 制 器 MS P 4 3 0 F 1 4 9 ，其 内置 看 门狗 定 时器 和 E S D保护 E l e c t r o - S t a t i c d i s c h a r g e ，抗干扰能力 较 强 ；另外 ，其 自身具有采样保持功能，有利于简化外 围电路设计。 控制器部分是利用单片机将传感器检测出的信号 进行 A ／ D转换、处理和 D ／ A转换 ，再利用模拟信号 来实现对铲斗与地的夹角及动臂运动轨迹的控制。 2单杆操作系统的硬件设计 该控制系统主要包含 3 个硬件实物部分 系统控 制器、信号采集输入元器件和执行元器件。其操作控 制 图如图 1 所示 。 收稿日期2 0 1 3 0 9 0 9 作者简介王鹏 飞 1 9 7 9 一 ，男，硕士，讲师，主要从事机械设计及计算机通信方面的研究。Ema i l m u y e y u n f e i 1 6 3． c o n 。 1 1 8- 机床与液压 第 4 2卷 l 兰 堑 篁卜 叫兰 堑l 丽丽 佰 系 统 控 制 器 电液控制阀1 铲斗油缸 电液控制阀2 H 动臂油缸 图 1 单杆操作系统控制图 在该控制系统中，角度传感器 1 采集铲斗的位 置信息经系统控制器处理后输给电液控制阀 1 ，进而 控制铲斗油缸实现铲斗的运动，如果铲斗接触到地 面，那么压力传感器会发出信号。角度传感器 2采集 动臂 的数据 经过 系 统控 制器 处理 后 输 给 电液 控 制 阀 2 ，进而控制动臂能够按照规定的曲线做等角速度运 动。斗杆操纵杆通过斗杆油缸来控制斗杆。将控制电 液控制阀3 控制回转马达的电源线接人斗杆操纵 杆处 ，实现 了通过斗杆操纵杆控制斗 的回转 。 该控制系统实现了仅需要操纵斗杆操纵杆就可以 对铲斗的倾角和动臂的运动进行控制 ，进而完成整个 挖掘工 作 。 3 单杆操作系统的软件设计 3 ． 1 采样周期的选取 依据香农采样定理与采样周期的选择原则 ，采样 周期 越小越好，即采样频率 越高，截获得到的 信息就越多 ，控制效果就会更好。但是采样周期过 短 ，会额外增加不必要的计算量 ，没有实际意义。此 系统选 用片内置 A ／ D转换 A n a l o g t o D i g i t a l C o n v e r t ． e r 为 1 2位 ，采 样周 期 过小 会 造 成量 化 误差 加 大 ， 控制效果得不 到保证 。 综合考虑 ，按照下面经验公式选取 T I ／ I O t 或 T 1 ／ 4 0 t 。 式 中 t 为单位阶跃响应 上升时间 ；t 为调节时 间。 3 ． 2主控 制模块 要工作装置按照控制意图进行动作 ，就需要依据 工作装置的某种工作参数来判断挖掘机的工况 ，只要 能实现这一点 ，便可以实现单杆控制挖掘作业。要想 更好地控制工作装置的动作 ，准确得到并控制铲斗与 机体 的角度非 常重要。为 此，该 系统 采用 了 P I D P r o p o r t i o n a l比例 一I n t e g r a l 积分 一D e r i v a t i v e微分 控制法。 模拟 P I D控制器的控制规律为 『 e ￡ [ e ￡ d f T D 1 』 I J u U 式中 t 为调节器输出信号 ；e t 为调节器的偏差 信号 ；K 为 比例 系数 ；T I 为积分 时 间；T D 为微 分时 间；K ／ 为积分系数 ；K ／ T 。 为微分系数。 单片机控制 是一种采样控制 ，它只能依据采样 偏差计算控制量，不能连续输出控制量 ，也就是不能 连续控制。因此，式中的积分和微分不能直接使用 ， 须进行离散化处理。处理方法 k作为采样 序号 ；以 作为采样周期；以增量形式替代微分；以求和形式 替代积分。作如下近似变换 M k u n一1 { e k 一e k一1 K I e k 。 [ e k 一2 e k一1 e k一2 ] } U 一1 P PP I P D 式中积分系数 K 。 K ／ ；微分系数 K 。 K p ／ ’ D 。 在调试 的时候， 、 和 要综合考虑。首 先，让 和 设置为 0 ，调好 ，这样做是为了找 到合适的响应速度和误差；其次 ，加上 ，使误差 为 0 ，然后 加入 ，反复 调试 ，以求 达 到最 好 的效 果，以期望达到最好的控制。 3 ． 3软 件 的编 制 采用 J A R公司的集成开发环境，采用 I A R E m ． b e d d e d Wo r k b e n c h来组织程序，采用 C S P Y ． J A R E m ． b e d d e d Wo r k b e n c h进行调试。主程 序流程 图如图 2所 示 。 l 关 闭 看 门 狗I ★ ～l ⋯ 1 J” ⋯l 设置采样时间 ★ 设 置采 样 通道 中 断使 用 ● 数据写入缓存区 读入 数据 N ＼ 二 Yl 铲 斗 角 度 控 制 程 序l l 动 臂 控 制 程 序 图2 程序流程图 初始化通过一个源程序完成对所有端口的初始 化 。 看门狗定时器完成定时控制器的初始化，完成 中断定时器功能 。 A ／ D转换 采样 开 始 后 判 断 中断 ，并 将 采 样数 据写入逻辑空间。 一 一一一～一～ _ 一 杆 ．．．．． ．．． ． L 一 第 2 0期 王鹏飞 等液压式挖掘机单杆操作系统的设计 1 1 9 数据计算 计算角度和控制中间值，并对数据 进行软件滤波处理。 主程序完成全局变量的初始化后 ，连接子程序以 保证控制 系统 正常运行 。铲斗角度控制程序 和动臂控 制程序分别完成相应的任务。铲斗角度控制流程如图 3所示 。 图3 铲斗角度控制流程图 另外，由于挖掘机工作环境恶劣，受外界干扰较 多，比如振动、噪声、温度和湿度变化等，这些因素 会导致采集到的数据的精度和可靠度得不到保证，所 以为该系统设计了辅助程序滤波模块，主要采用了程 序判断滤波、去极值平均滤波和一阶惯性滤波的方 式 。 4抗干扰设计 该系统采用接 地 、屏蔽和程序抗干扰等抗 干扰措 施，一方面将电子设备的外壳接地 ，另外在空间中插 入一块金属 隔板 ，这样 就可 以形成一个屏 蔽体 ，有效 地控制一个区域的电场和磁场向另外一个区域传播。 在程序抗 干扰方 面 ，采取 了设 置运 行监 视 系统 、 指令冗余技术以及软件陷阱技术等措施。看门狗定时 器能够实现软件的定时复位 ，当程序运行不正常、看 门狗定时器计数溢出时 ，系统 自动复位 ，这样就可以 避免在强干扰情况下微控制器死机。指令冗余可以使 “ 乱飞 ”程序 纳入正轨 ，因此 ，对于 程序 中的重要 指 令的关键位置采用指令冗余技术，能够使系统错误动 作减 少。而当 “ 乱 飞”程 序进入 到未使 用的空 间时 ， 冗余指令便无法使程序纳入正轨，此时，设定软件陷 阱，有效拦截 “ 乱飞”程序，并将其引导到一个指 定位置 。 5 结 论 以液压式挖掘机为研究对象 ，以简化液压式挖掘 机的操作为 目的，对系统的组成进行了分析 ，完成了 系统的硬件和软件设计。该操作系统综合应用了液压 技术、传感器技术以及计算机技术 ，简化了液压控制 机构 ，对减轻驾驶员劳动强度有积极 的作用 ；提高 了 作业效率 ，也在一定程度上减少 了驾驶员操作技术差 异导致的不良影响，为简化液压式挖掘机的操作提供 了一种新的可能性。 参考文献 [ 1 ]张宏 ， 张箭． 国内外小型挖掘机发展漫谈 [ J ] ． 建筑机械 化 ， 2 0 0 6 9 1 01 3 ． [ 2 ]吉林工大． 液压与压力传动 [ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 1 9 8 8 ． [ 3 ]张铁． 液压挖掘机结构、 原理及使用[ M] ． 东营 石油大 学出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 4 ]高晓蓉． 传感器技术[ M] ． 成都 西南交通大学出版社， 2 0 03． ． [ 5 ]何希才， 刘洪梅． 传感器应用接 口电路 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 6 ]陈晓琳． 小型液压挖掘机单杆操作系统的研究[ D] ． 西 安 西北农林科技 大学 ， 2 0 0 8 ． [ 7 ]胡汉才． 单片机原理及系统设计[ M] ． 北京 清华大学出 版社 ， 2 0 0 2 ． [ 8 ]O T I H e n r y W． 电子 系统 中噪声 的抑制与衰减 技术 [ M] ． 王培清 ， 李迪 ， 译． 2版． 北京 电子工业 出版社， 2 00 3． 上接第 1 0 7页 参考文献 [ 1 ]廖常初， P L C编程及应用 [ M] ． 3版． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ]张剑慈， 吴忠， 周兆忠， 等． 流量阀液压试验系统的测试 与应用[ J ] ． 机械研究与应用， 2 0 0 3 ， 1 6 1 5 0 5 1 ． [ 3 ]蔡亦钢， 流体传输管道动力学[ M] ． 杭州 浙江大学出版 社 ， 1 9 9 0 ． [ 4 ]盛敬超 ， 液压流体力学 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 5 ]王东浩， 曲君乐， 祁国梁， 等． 热水器 内胆压力试验装置 [ J ] ． 家电科技， 2 0 0 7 1 1 4 4 ． [ 6 ]全国家用电器标准化技术委员会． G B ／ T 2 0 2 8 9 - 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