液壓挖掘機(jī)工作裝置自動控制系統(tǒng)

韋贊洲

【摘 要】分析了液壓挖掘機(jī)組成、工作原理及液壓驅(qū)動系統(tǒng)。采用基于DSP芯片的控制系統(tǒng)和模糊自整定PID算法，實現(xiàn)了挖掘機(jī)工作裝置自動控制。該控制系統(tǒng)具有較高的控制精度和良好的操縱性，提高了作業(yè)效率和施工精度，減輕了駕駛員的勞動強(qiáng)度。

【Abstract】The paper analyzes the composition， working principle and hydraulic driving system of hydraulic excavator. The automatic control of the excavator working device is realized by using the control system based on DSP chip and the fuzzy self-tuning PID algorithm， which has higher stability and accuracy. The operation efficiency and construction precision are improved， and the operation intensity of the driver is reduced.

【關(guān)鍵詞】挖掘機(jī)工作裝置；自動控制；電控單元；模糊自整定PID

【Keywords】 excavator working device； automatic control； electronic control unit； fuzzy self-tuning PID

【中圖分類號】TU621 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）03-0161-02

1 引言

傳統(tǒng)的液壓挖掘機(jī)不能滿足人們對地下資源、海底宇宙空間等場合下的開發(fā)利用，也不能滿足人們對環(huán)境使用性作業(yè)，以及對不斷提高生產(chǎn)率的要求。這就要求實現(xiàn)挖掘機(jī)的智能化控制，代替駕駛員的人工操作，使人們擺脫簡單、繁重的勞動。

近些年，單純液壓控制已不能滿足整機(jī)性能的要求，智能技術(shù)正越來越多的應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)傳動系統(tǒng)控制。智能控制就是在常規(guī)控制理論基礎(chǔ)上，吸收人工智能、模糊數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、運(yùn)籌學(xué)等其他學(xué)科中的新思想和新方法，對被控對象實現(xiàn)期望的控制。電液比例數(shù)字控制技術(shù)可以有效地提了整機(jī)控制效果和自動化程度。人工智能等先進(jìn)的控制方法的運(yùn)用，解決了挖掘機(jī)軌跡控制問題，提高整機(jī)控制技術(shù)的水平，促進(jìn)智能控制技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了液壓挖掘機(jī)機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展[1]。

本文介紹的挖掘機(jī)工作裝置控制系統(tǒng)采用DSP芯片，實現(xiàn)了挖掘機(jī)工作裝置的自動控制。系統(tǒng)具有較高的控制精度和良好的操縱性[2]。

2 挖掘機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)及工作原理

2.1 液壓挖掘機(jī)組成及工作原理

液壓挖掘機(jī)由發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、工作裝置、行走裝置、覆蓋件、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及駕駛室等部件組成，如圖1所示。

1、發(fā)動機(jī)2、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3、電氣系統(tǒng)4、覆蓋件5、駕駛室

根據(jù)杠桿原理，由液壓缸推動動臂、斗桿和鏟斗各構(gòu)件之間相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而實現(xiàn)人為控制液壓挖掘機(jī)實現(xiàn)挖掘和卸料動作。

2.2 液壓驅(qū)動系統(tǒng)

挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)是按照挖掘機(jī)工作裝置和傳動機(jī)構(gòu)的要求，把各種液壓元件用管路連接起來組成的。目前國內(nèi)大多采用負(fù)流量控制、全功率調(diào)節(jié)。液壓系統(tǒng)包括電磁比例閥、換向閥、液壓馬達(dá)、泵、連接管路等。主控閥為中位開式六位三通式，主泵為雙聯(lián)軸向變量柱塞泵，排量為108cc。主液壓回路溢流閥壓力設(shè)定為31.8MPa。工作裝置控制閥是八個閥芯的片式閥。另外還有液壓馬達(dá)、油缸等液壓元件。

電磁比例先導(dǎo)閥在電控系統(tǒng)作用下動作，使主控閥動作，推動液壓缸伸出或者縮進(jìn)，實現(xiàn)對挖掘機(jī)工作裝置的電控操縱。采用電磁比例先導(dǎo)閥代替手動先導(dǎo)閥，控制多路換向閥中閥芯的移動，實現(xiàn)先導(dǎo)操縱。電磁比例閥工作口的最高壓力為4.2MPa，流量為20l/min，電磁比例閥的最低壓力通過設(shè)定閥的背壓來調(diào)節(jié)。

3 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計

該電控系統(tǒng)以 DSP數(shù)字信號處理器作為核心控制單元。該芯片是目前市場上最強(qiáng)大的32位定點芯片。具有強(qiáng)大的事件管理和嵌入式控制功能。DSP的型號為TMS320LF2407A。片內(nèi)具有2組×8路16位PWM輸出，可以滿足挖掘機(jī)電磁比例閥驅(qū)動控制的要求。32K×16的FLASH EEPROM，作為程序存儲器，可以實現(xiàn)各種信號的記錄和存儲；2組×8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)主泵的壓力、液壓油溫等模擬信號的采集和處理；具有控制器局部網(wǎng)通信接口（簡稱CAN總線），支持SAE J1939通信協(xié)議，支持發(fā)動機(jī)、控制器以及顯示器之間的數(shù)據(jù)通信。挖掘機(jī)電控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 軟件設(shè)計及算法

由于挖掘機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜，挖掘機(jī)特征參數(shù)結(jié)構(gòu)隨著負(fù)載變化而發(fā)生變化[3]，普通的控制方法很難取得理想的控制效果。為了實現(xiàn)挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)行軌跡的準(zhǔn)確控制，本文采用了模糊自整定PID控制算法。在常規(guī)PID算法的基礎(chǔ)上，計算當(dāng)前的誤差e和誤差變化率ec，利用模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表，對PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。

將挖掘機(jī)工作裝置軌跡控制系統(tǒng)中角度傳感器測量的實際轉(zhuǎn)角與給定的轉(zhuǎn)角值相比較，獲得角度誤差e和誤差變化率ec，將變化范圍定義為模糊集上的論域。模糊集合為e，ec={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大分別表示集合中的元素。可以假設(shè)KP、Kd、Ki和e，ec服從正態(tài)分布，由此得到各模糊子集的隸屬度。根據(jù)專家知識和實際操作經(jīng)驗，修正KP、Kd、Ki三個參數(shù)。應(yīng)用各模糊子集的隸屬度賦值和各參數(shù)模糊控制模型，設(shè)計PID修正參數(shù)的模糊矩陣表，通過模糊推理，查表獲得修正參數(shù)，代入下列表達(dá)式中。

KP=KP0+ΔKPKi=Ki0+ΔKiKd=Kd0+ΔKd

根據(jù)經(jīng)驗，獲得PID的初始整定參數(shù)。在線運(yùn)行過程中，通過對模糊邏輯規(guī)則結(jié)果的處理、查表和運(yùn)算，在線自校正PID參數(shù)。

5 工作裝置自動控制試驗研究

在實際斜坡修整作業(yè)操作過程中，為了能達(dá)到較好的效果，需要操作機(jī)手具有豐富的實際操作經(jīng)驗。利用開發(fā)的挖掘機(jī)電控系統(tǒng)，對斜坡修整作業(yè)軌跡進(jìn)行自動控制試驗研究，試驗過程中斜坡修整作業(yè)3m。試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖中可以看出，采用挖掘機(jī)工作裝置自動控制系統(tǒng)，斜坡修整作業(yè)曲線軌跡比較平滑。試驗結(jié)果表明，開發(fā)的挖掘機(jī)工作裝置自動控制系統(tǒng)能夠滿足實際作業(yè)的要求。

6 結(jié)論

本文分析了液壓挖掘機(jī)組成、工作原理及液壓驅(qū)動系統(tǒng)，采用DSP芯片作為核心電控單元的控制系統(tǒng)以及模糊自整定PID算法，實現(xiàn)了挖掘機(jī)工作裝置控制的智能化、自動化，精度高、穩(wěn)定性好，整機(jī)控制效果良好，提高了作業(yè)效率和施工精度，減輕了駕駛員的作業(yè)強(qiáng)度。

【參考文獻(xiàn)】

【1】劉征.新型正鏟挖掘裝置動力學(xué)分析與控制器設(shè)計[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2015.

【2】曹宇.新型正鏟挖掘機(jī)構(gòu)的構(gòu)型和設(shè)計方法[D].秦皇島：燕山大學(xué)， 2014.

【3】王飛.新型正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].秦皇島： 燕山大學(xué)，2014.