裝載機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　裝載機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　【摘要】通過(guò)對(duì)裝載機(jī)鏟掘過(guò)程的分析，利用作業(yè)阻力決定鏟斗的動(dòng)作，并且采用控制技術(shù)，控制電液比例方向閥的開口，來(lái)調(diào)節(jié)鏟斗的提升速度與角度，使裝載機(jī)按照一定的鏟掘軌跡進(jìn)行工作。利用單片機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)裝載機(jī)工作裝置工作過(guò)程的控制系統(tǒng)，達(dá)到減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高裝載機(jī)工作效率的目的。 </p><

2、p>　　【關(guān)鍵詞】 裝載機(jī) 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) </p><p>　　中圖分類號(hào)：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p><b>　　一、引言 </b></p><p>　　裝載機(jī)通常處于環(huán)境溫度高、溫度變化大、灰塵多、光照度強(qiáng)弱懸殊以及振動(dòng)大的惡劣環(huán)境下作業(yè)，操作員在進(jìn)行鏟掘作業(yè)時(shí)，一邊要進(jìn)行駕駛，一邊還要觀察前方的工作裝置

3、，作出實(shí)時(shí)判斷，頻繁地調(diào)節(jié)動(dòng)臂和鏟斗的位置。本文將運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)、傳感器和單片機(jī)構(gòu)成的裝載機(jī)工作裝置控制系統(tǒng)，輔助操作者完成鏟掘作業(yè)。這不僅能提高作業(yè)效率和作業(yè)水平、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也降低了對(duì)操作者的技巧要求，使一般人也能完成高精度、高標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)。 </p><p>　　二、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　　裝載機(jī)工作裝置控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊、液壓系統(tǒng)和裝載機(jī)工作裝置等部

4、分組成。其中，裝載機(jī)工作裝置是由鏟斗1、動(dòng)臂2、連桿3、搖臂4、轉(zhuǎn)斗油缸5和動(dòng)臂舉升油缸6等主要部件通過(guò)鉸接點(diǎn)相互連接而組成的2個(gè)自由度機(jī)構(gòu)，是裝載機(jī)作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 </p><p>　　圖1 裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　操作者首先將裝載機(jī)行駛到料堆附近，隨著裝載機(jī)鏟斗插入料堆的同時(shí)，動(dòng)臂油缸、轉(zhuǎn)斗油缸上的壓力傳感器隨時(shí)檢測(cè)兩缸大小腔的壓力，然后計(jì)算出油缸的作用力；兩個(gè)角

5、位移傳感器隨時(shí)檢測(cè)角度信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)放大、采用、A/D轉(zhuǎn)換等一系列處理后，輸送到單片機(jī)中。單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到工作過(guò)程中的水平插入阻力和豎直掘起阻力，并分別與設(shè)定的最大值進(jìn)行比較，插入力或掘起力達(dá)到最大值后則提臂或收斗。提臂或收斗的選擇由電磁換向閥控制。 </p><p>　　將動(dòng)臂或鏟斗每次提升時(shí)刻的角度設(shè)定為給定值，控制器將檢測(cè)的角度與給定的角度進(jìn)行比較，得到各個(gè)位置的角度誤差，并根據(jù)誤差的大小

6、按照一定的控制規(guī)律輸出控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換、比例放大后傳送給電液比例閥，電液比例閥根據(jù)控制信號(hào)控制動(dòng)臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的進(jìn)出油量，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂或鏟斗的運(yùn)動(dòng)角度和速度的控制。當(dāng)角度達(dá)到要求值時(shí)，提升動(dòng)臂或翻轉(zhuǎn)鏟斗，裝載機(jī)繼續(xù)插入，重復(fù)此過(guò)程，使鏟斗按照一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。 </p><p>　　三、工作裝置的模糊控制算法 </p><p>　　由于裝載機(jī)作業(yè)循環(huán)的多工況，以及外負(fù)載的多變化

7、等因素，給系統(tǒng)辨識(shí)帶來(lái)很大的困難，從而難以得到精確的數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)有的控制理論都是建立在被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，而模糊控制不需要了解系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，只依據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和專家的知識(shí)，經(jīng)一定的數(shù)據(jù)處理后，形成若干條規(guī)則，作為模糊控制規(guī)則，然后仿照人腦的推理過(guò)程，確定推理法則，最后做出模糊決策，去執(zhí)行具體的動(dòng)作。 </p><p>　?。ㄒ唬┠：刂破鞯恼Z(yǔ)言變量 </p><p>　　

8、模糊控制器的語(yǔ)言變量是以自然語(yǔ)言形式，而不是以數(shù)值形式給出的變量。裝載機(jī)工作裝置工作過(guò)程的自動(dòng)控制可歸結(jié)為動(dòng)臂和鏟斗的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制。因此本文所設(shè)計(jì)的工作裝置模糊控制系統(tǒng)的輸入語(yǔ)言變量誤差E和誤差變化率EC可分別取為角度誤差。而輸出語(yǔ)言變量U則是控制電液比例閥的電壓信號(hào)u。 </p><p>　?。ǘ┹斎刖_量的模糊化 </p><p>　　裝載機(jī)工作裝置鏟裝物料過(guò)程中，動(dòng)臂和鏟斗均向上

9、提升或翻轉(zhuǎn)，規(guī)定每次角度變化為15°。設(shè)角度誤差E的基本論域?yàn)閇0，α]，（對(duì)于本系統(tǒng)，α取為15），若選定E的論域X=[-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]，則得誤差e的量化因子為。為語(yǔ)言變量E選取7個(gè)語(yǔ)言值：ES、VS、S、M、L、VL、EL，分別表示極小、很小、小、中、大、很大、極大，形成7個(gè)模糊子集，用來(lái)反映誤差的大小。 </p><p>　　同理

10、，設(shè)角度誤差變化率è的基本論域?yàn)閇-β，+β]（本系統(tǒng)中β取為10），若選定語(yǔ)言變量EC的論域Y=[-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]，則得誤差變化率è的量化因子為。為語(yǔ)言變量EC選取NL、NM、NS、O、PS、PM、PL，分別表示為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大共7個(gè)模糊子集，用來(lái)反映誤差變化率的大小。 </p><p>　　設(shè)控制量變化u的

11、基本論域?yàn)閇0，γ]（本系統(tǒng)中γ取為9），若選定U的論域?yàn)閆=[-6， </p><p>　　圖4 語(yǔ)言變量E的隸屬函數(shù)曲線圖 </p><p>　　-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4， </p><p>　　+5，+6]，則得控制變化量u的比例因子為。同樣，為語(yǔ)言變量U選取O、VS、 </p><p>　　S、M、L、

12、VL、EL，分別表示零、很小、小、中、大、很大、極大共7個(gè)模糊子集，用來(lái)反映控制量的大小。 </p><p>　　通過(guò)操作者地實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可確定出在 </p><p>　　圖5語(yǔ)言變量EC的隸屬函數(shù)曲線 </p><p>　　論域X、Y、Z上用以描述模糊子集的隸屬函數(shù) </p><p>　　μ（x）的形狀如圖4、5、6所示。 </p&

13、gt;<p>　?。ㄈ┠：刂埔?guī)則的確定 </p><p>　　根據(jù)對(duì)裝載機(jī)整機(jī)作業(yè)過(guò)程的觀察和操作者的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，按“if E and EC then U”的邏輯推理，即可求出總的模糊關(guān)系R： </p><p><b>　　R=E×EC×U </b></p><p>　　圖6語(yǔ)言變量U的隸屬函數(shù)曲線 &l

14、t;/p><p>　　有了模糊關(guān)系R，對(duì)于已知的角度誤差和其變化率，則輸出量可由下式求得： </p><p>　?。ㄋ模┠：敵隽康木_化 </p><p>　　由誤差和誤差變化率通過(guò)模糊控制算法所求得的是模糊量，要進(jìn)行控制必須把模糊量轉(zhuǎn)換為精確量。一般應(yīng)用加權(quán)平均法為模糊集合U求得判決結(jié)果。執(zhí)行量的值u可由下式求得： </p><p>　　這樣

15、得到的U即是非模糊化后得到的實(shí)際控制中所需要的精確值。 </p><p><b>　　（五）模糊控制表 </b></p><p>　　對(duì)論域X，Y中的全部元素的所有組合計(jì)算出相應(yīng)的以論域Z元素表示的控制量變化值，并寫成矩陣形式。由該矩陣構(gòu)成如表1的總控制表。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮單片機(jī)的特點(diǎn)，力求使其存儲(chǔ)、變換和處理過(guò)程簡(jiǎn)單、快捷、節(jié)省內(nèi)存，單片機(jī)的模糊一般采用直接查表法

16、，將此表存儲(chǔ)在單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，建立一個(gè)查詢表，此查詢表即為模糊控制算法的最終結(jié)果，在過(guò)程控制中，單片機(jī)將變換得到的實(shí)際角度誤差e和角度誤差變化率é分別乘以量化因子12/α和6/β,得到以相應(yīng)論域元素表征的查找查詢法所需的e和é，直接與表對(duì)比，通過(guò)查表程序即可馬上得到所需的控制變化量u，再乘以比例因子12/γ,便得到實(shí)際的控制工作裝置的控制變化量。 </p><p><b>　　【參

17、考文獻(xiàn)】 </b></p><p>　　[1] 余永權(quán)，曾碧.單片機(jī)邏輯控制.北京航空航天出版社，1995.7 </p><p>　　[2] 余永權(quán)，曾碧.單片機(jī)邏輯控制.北京航空航天出版社，1995.7 </p><p>　　[3] 張?jiān)?模糊數(shù)學(xué)在自動(dòng)化技術(shù)中的應(yīng)用.清華大學(xué)出版社，1997.7 </p><p>　　[4]