（载运工具运用工程专业论文）混凝土泵车泵送控制系统硬件在环仿真研究.pdf

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作为开发软件。软件采用模块化设计，包括仿真参数设置、泵送系统仿真模型、数据采集与控制输出等主要模块的设计以及登陆系统、仿真类型选择等辅助模块的设计，并介绍人机界面各部分功能。( 5 ) 硬件在环仿真系统试验研究。对所建立的泵送系统仿真模型进行离线仿真，并将其与实际运行数据进行了比较；同时，将电控单元通过采集板卡连接到p c 机上，进行了硬件在环仿真实验，对实验结果进行了分析研究，验证了仿真模型的正确性和可行性。实验结果证明了硬件在环仿真系统的实时性和精确性满足要求。综上所述，本论文主要针对采用硬件在环仿真技术的实时仿真测试系统进行了设计研究，并结合试验进行了分析，得到了若干有价值的结论。关键词：混凝土泵车，电控单元，硬件在环仿真，l a b v i e w混凝土泵车泵送控制系统硬件在环仿真i nr e c e n ty e a r s ，c o n c r e t ep u m pt r u c kh a sf o u n dw i d ea p p l i c a t i o n si nm o d e mb u i l d i n gt r a d e sb e c a u s eo fi t sh i 曲t r a n s p o r te f f i c i e n c y , l a b o r - s a v i n ga n dl o wc o s t h o w e v e r , a st h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r e s ，t h ea u t o m a t i o na n di n t e l l e c t u a l i z a t i o no fc o n c r e t ep u m pt r u c kb e c o m ev e r yi m p o r t a n tw h i c hm a k et h ed e v e l o p m e n to fi t se l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) b e c o m e sh a r d e r , t h ec y c l eb e c o m e sl o n g e r t h e r e f o r e ，i tc a l l sf o rt oa n a l y z et h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ep u m p i n gc o n t r o ls y s t e mi np u m pt r u c k ,a n di ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt op r o v i d ea l le f f e c t i v es o l u t i o nf o rf u n c t i o n a lt e s t i no r d e rt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fe c ud e v e l o p m e n ta n dc u tt h ec o s t ，t h er e a l t i m es i m u l a t i o nt e s ts y s t e ma n a l y s i sh a sb e e nc a r r i e do ni n t h i sp a p e r , w h i c ha d o p t sh a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o nt e c h n i q u e t h em a i nw o r ki ss u m m a r i z e di nt h ef o l l o w i n g s ：( 1 ) i n t r o d u c et h ec o n c r e t ep u m pt r u c kb r i e f l y , i n c l u d i n gt h es t r u c t u r ec o m p o s i t i o n ，t h ep u m p i n gt h e o r ya n dt h ec o n t r o lt e c h n i q u e m o r e o v e r , t h es t r u c t u r ef o r mo ft h eh a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o ns y s t e mi si n t r o d u c e d ，m e r i t sa n df a u l t so fs o m es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r ea n a l y z e d ；i na d d i t i o n ，t h es t r u c t u r ef o r mo ft h eh a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o ns y s t e mi sd e f i n e d ( 2 ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fp u m p i n gs y s t e mi sa n a l y z e d b a s e do nt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gt h e o r yo fp u m p i n gh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m ，a l s ot h eg r o u n d a g eo fp o w e rb o n dg r a p h ，t h ep o w e rb o n dg r a p hm o d e l i n go fp u m p i n gh y d r a u l i cs y s t e mi sb u i l t ；i t sm a t h e m a t i c a lm o d e l i n gi sg a i n e d i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so fo i le n g i n e g o v e r n o rc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fi s u z ue n g i n ei sd e r i v e d ( 3 ) t h eh a r d w a r ee s t a b l i s h m e n to fh a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o np l a t f o r mi sc a r r i e do n i nt h el i g h to ft h eh a r d w a r ec o m p o s i t i o n ，t h eh a r d w a r ee s t a b l i s h m e n ti sc a r r i e do na c c o r d i n gt ot h es e l e c t i o no fc o l l e c t i n gc a r d s ，c o n t r o l l e ra n dp c ( 4 ) t h es o f t w a r eo fh a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o np l a t f o r mi sa n a l y z e d c h o o s i n gl a b v i e wf o rd e v e l o p m e n ts o f t w a r e ，s o f t w a r ew a sd e s i g n e db yt h em e a n sm混凝土泵车泵送控制系统硬件在环仿真o fm o d u l e s i ti n c l u d ss i m u l a t i o np a r a m e t e r ss e t t i n g s ，p u m p i n gs y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l ，d a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o lt h eo u t p u te t c m a i nm o d u l e s i na d d i t i o n ，l o g i ns y s t e m ，s i m u l a t i o nt y p ec h o i c ee t c a u x i l i a r ym o d u l e s a tl a s t ，i n t r o d u c i n gt h ed e s i g no fe a c hp a r to fm a n m a c h i n ei n t e r f a c ef u n c t i o n s ( 5 ) t h eh a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o ns y s t e mt e s ti sf i n i s h e d t ot h eb u i l tp u m p i n gs y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l i n g ，a no f f - l i n es i m u l a t i o nc a r d e do n ，w h o s er e s u l t si sc o m p a r e dw i t ht h er e a ld a t a ；b e s i d e s ，m a k et h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i ta t t a c ht ot h ep cb yw a yo fc o l l e c t i n gc a r d s ，t h eh a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o nt e s ti su n d e r w a y , t h er e s u l t si sa n a l y z e d ，t h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l i n gi sm o r t i f i e d t h et e s tr e s u l t sp r o v e dt h a tt h er e a l - t i m ea n da c c u r a c yo fh a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o ns y s t e mm e e td e m a n d i ns u m m a r y , t h er e a l - t i m es i m u l a t i o nt e s ts y s t e mi sa n a l y z e dw h i c ha d o p t st h eh a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o nt e c h n i q u e ，a n dt e s tr e s e a r c hi sa c c o m p l i s h e da tl a s t ，an u m b e ro fv a l u a b l ec o n c l u s i o n sh a v eb e e ng o t k e yw o r d s ：c o n c r e t ep u m pt r u c k , e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，h a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o n ，l a b v i e wi v第1 章1 11 21 31 4第2 章2 22 32 4第3 章绪论1课题研究意义1混凝土泵车的结构及泵送原理1混凝土泵车控制技术3主要研究内容5硬件在环仿真系统及应用7硬件在环仿真系统概念及分类72 2 1 硬件在环仿真系统概念72 2 2 硬件在环仿真系统分类7硬件在环仿真系统结构及工作流程8硬件在环仿真系统应用9本研究硬件在环仿真系统构建形式。1 1泵送系统数学模型1 43 1 泵送液压系统数学模型1 43 1 1 泵车泵送系统组成及工作原理1 43 1 2 功率键合图1 63 1 3 泵送液压系统的功率键合图模型1 93 1 4 泵送液压系统的数学模型。2 03 2 柴油机调速系统建模2 13 2 1 柴油机调速特性2 23 3 2 柴油机调速特性数学建模2 2第4 章硬件在环仿真平台硬件系统设计4 1 硬件系统结构原理图及功能介绍2 54 2 硬件选型2 54 2 1 控制器2 54 2 2 数据采集卡2 64 2 3 仿真计算机2 74 3 硬件在环仿真系统硬件组建2 7v混凝土泵车泵送控制系统硬件在环仿真4 3 1 采集板卡的安装2 84 3 2 信号接口模块2 84 3 3 控制器模块。3 1第5 章硬件在环仿真平台软件开发3 25 1 软件开发平台l a b v i e w 简介一3 25 2 软件系统开发及功能介绍3 35 3 系统软件开发。3 45 3 1 登陆系统3 45 3 2 仿真类型选择3 55 3 3 仿真参数设置3 65 3 4 泵送液压系统仿真模型3 85 3 5 发动机调速特性仿真模型3 95 3 6 数据采集与控制输出4 05 4 人机界面4 4第6 章硬件在环仿真实验研究。4 86 1 泵送系统离线仿真及分析4 86 2 泵送系统硬件在环仿真实验5 0第7 章总结与展望。5 67 1 总结。5 67 2 展望。5 7参考文献致谢发表论文v i5 86 l6 2江苏大学硕士学位论文1 1 课题研究意义第1 章绪论随着人们对混凝土泵车性能的要求不断提高，混凝土泵车控制系统的开发工作也变得更加复杂和困难，面对电控系统功能不断增强、开发周期却不断缩短的要求，软件开发工程师的压力也越来越大。具有节能、减排、高效、智能等功能的混凝土泵车控制系统的研究与设计被广大的混凝土泵车生产企业所高度重视。现代的混凝土泵车控制器开发流程是采用计算机辅助工具来进行的，可以支持从需求定义直到最终产品的全过程。硬件在环仿真系统( m l ) 是能够实时传输数据的开发平台，它综合计算机仿真和仪器测量技术的优势，为电子控制系统的开发和测试提供了更加灵活方便的途径i 。该系统可把需要在泵车上所进行的控制算法验证用高速计算机上实时运行的仿真模型和电控单元所组成的硬件在环仿真平台来代替，从而实现以下的作用及意义 2 1 【3 j ：1 ) 降低实验风险；2 ) 缩短试验时间，降低试验费用，从而缩短混凝土泵车控制系统的开发周期；3 ) 试验的可重复性强，可以用来研究控制参数对控制性能的影响，对单个被控对象，以及被控对象之间的动态性能有更深入的理解，有助于更好的了解测试对象；4 ) 可以用于研究不同的控制策略和算法对控制性能的影响，通过反复仿真试验可以调整特定算法下的控制参数，为进一步进行混凝土泵车控制器实车试验奠定基础：5 ) 可以对混凝土泵车实际工作中不可能或是不容易实现的工况进行试验研究。1 2 混凝土泵车的结构及泵送原理当今，在整个建筑行业中使用经济型的带有折叠式布料杆系统的混凝土泵车输送混凝土已经成为全世界的标准。混凝土泵车的主要结构如图1 1 所示。它分为汽车底盘、分动装置和液压系统、泵车底架和支腿、料斗和泵送机构、折叠式臂架、电控系统和遥控装置等几大部分 4 1 。汽车底盘完成泵车的牵引和提供动力，分动装置和液压马达是核心的部件，它被放置在底架上。底架和支腿确保系统的稳定性。料斗和泵送机构是泵车的泵送混凝土的主要机构，臂架将混凝土泵车泵送控制系统硬件在环仿真i 曼堡苎兰墨l 翌! ! ! 曼：。薹堡墨塑：i 辩斗l图1 1 混凝土泵车主要结构原理图f i 9 1 1m a i nc o m p o n e n t so fac o n c r e t ep u m pt r u c k混凝土输送到指定浇筑点。通常，泵车的操作人员是通过一个无线遥控装置来控制整个机器的。这不仅应用于多节臂布料杆的所有节臂的运动而且用于浇筑混凝土的体积的控制。混凝土泵车是集机械、液压传动以及电子控制为一体的高科技产品，涉及多学科交叉的领域。泵送原理：图1 2 泵送机构，混凝土活塞( 7 、8 ) 分别与主油缸( 1 、2 ) 活塞杆连接，在主油缸液压油作用下，作往复运动，一缸前进，则另一缸后退；混凝土缸出口与料斗连通，分配阀一端接出料口，另一端通过花键轴与摆臂连接，在摆动油缸作用下，可以左右摆动【5 1 。图1 2 泵送机构f i 9 1 2p u m p i n gi n s t i t u t i o n s1 、2 油缸：3 一邮箱：4 换向装置；5 、6 - 混凝土缸；7 、8 混凝十活塞：9 料斗；1 0 - 分配阀；1 1 摆臂；1 2 、1 3 摆动油缸；1 4 _ 出料口泵送混凝土料时，在主油缸作用下，混凝土活塞7 前进，混凝土活塞8 后退，同时在摆动油缸作用下，分配阀1 0 与混凝土缸5 连通，混凝土缸6 与料斗连通。这样混凝土活塞8 后退，便将料斗内的混凝土吸入混凝土缸，混凝土活塞7 前进，将混凝土缸内混凝土料送入分配阀泵出。2江苏大学硕士学位论文当混凝土活塞8 后退至行程终端时，触发水箱3 中的换向装置4 ，主油缸1 、2 换向，同时摆动油缸1 2 、1 3 换向，使分配阀1 0 与混凝土缸6 连通，混凝土缸5 与料斗连通，这时活塞7 后退，8 前进。依次循环，从而实现连续泵送【6 】。反泵时，通过反泵操作，使处在吸入行程的混凝土缸与分配阀连通，处在推送行程的混凝土缸与料斗连通，从而将管路中的混凝土抽回料斗，如图1 3 所示。图1 3 正反泵a ) 正泵状态；b ) 反泵状态f i 9 1 3a r ep u m pa n da n t ip u m p泵送系统通过分配阀的转换完成混凝土的吸入与排出动作，因此分配阀是混凝土泵中的关键部件，其型式会直接影响到混凝土泵的性能。1 3 混凝土泵车控制技术混凝土泵车是机电液的高度集成的产品，由于结构复杂等原因，整机的自动化和智能化非常重要。目前生产的混凝土泵车，其控制系统己从初期的分立元件的继电器控制方式，到使用可编程序控制器控制方式的转换，充分利用了数字控制技术、智能传感技术，实现泵送、臂架和发动机控制及故障检测等，主要包括以下几方面用：( 1 ) 泵送排量无级调速通过调节无线遥控器或控制面板电位计，产生连续变化的电信号输入到控制器，控制器输出p w m 信号驱动排量控制比例阀，调节比例阀开度，使泵送速度实现无级调速，改变泵送量。( 2 ) 全自动高低压切换泵车在泵送过程中有低压大排量和高压小排量两种工作模式，常规的做法是3混凝土泵车泵送控制系统硬件在环仿真对液压管路进行手工切换。自动方式足在达到预先设定的系统工作压力时，压力传感器控制电磁换向阀工作，自动实现高低压切换，提高了效率。( 3 ) 砼活塞自动退回简单地按一下按钮，使泵送活塞头自动退回到水槽中，缩短检查和更换活塞的时间，防堵管技术控制堵管，采用压力传感器实时监测管路压力，当发生堵塞时，压力传感器会将管路内过高的压力异常讯号传到控制系统，发出警示，同时自动采取反泵或停机等疏通措施。( 4 ) 发动机转速闭环控制安装传感器检测发动机转速，当负载增大引起发动机转速下降时，控制系统立刻发出指令增大油门。反之，控制系统发出指令减小油门。通过控制系统的闭环控制，可以使发动机始终维持在设定的最佳转速。( 5 ) 燃油优化控制应用优化控制理论，结合燃油电喷系统和转速自动控制技术，降低发动机油耗，达到节能的目的。( 6 ) 无线遥控系统由发射机和接收器组成，遥控距离l o o m 以上，实现各节臂控制( 臂架快慢速等) 、正泵、反泵、泵送排量调节、发动机转速控制和紧急停止等。具有自动转换搜频功能，避免多台车同时作业和其它无线电信号的干扰。在无线电干扰强烈的地区施工时，可使用有线控制方式。( 7 ) 单侧作业系统在狭小的场地施工时，设定控制系统自动锁定回转范围，使泵车只能在单侧施工，此时只需一侧的支腿全部展开，降低了对工作场地的要求。( 8 ) 防倾翻保护混凝土泵车的支腿展开后能自动对地面、支腿位置及整机水平等进行一系列检测，一旦发现有问题将会报警并锁住臂架使其不能动作。臂架在运动时，系统会时刻监控整车的稳定性，在发现四条支腿受力不均、泵车不稳定时，臂架将会自动停止向危险方向的运动，同时发出警示，最大限度保障安全。( 9 ) 智能臂架控制技术目前大多数泵车的臂架只能由泵工直接控制每一节臂的展收，使臂架运动到4江苏大学硕士学位论文目标位置。而智能臂架的每一节臂和回转中心都装有检测位置的角度传感器，通过控制系统实现闭环控制。操作时，只需要给出泵车臂架末端出料口位置，就能实现多节臂的协调动作，使臂架自动的以最佳方式移动到目标位置。也可以通过示教学习方式预先设定臂架末端出料口的移动路线，然后臂架自动回到记忆的初始位置，按照记忆的过程运动到终点位置，实现自动连续布料。如存在障碍物，通过输入一定的数据，限制整个上装的工作范围，自动避开障碍物。( 1 0 ) 智能诊断技术在泵车容易出现故障的部位装上检测传感器，采集设备的技术状态信息并送入控制系统，应用神经网络、专家系统等软件进行智能诊断，并通过人机界面与操作员进行交流，明确显示故障的部位及类型，指导维修。( 1 1 ) 作业记录控制系统能显示并记录累计的工作时间、泵送次数和泵送混凝土方量，以及本次作业的工作时间、泵送次数和泵送混凝土方量，为保养维护和租赁业务提供参考依据。1 4 主要研究内容本研究以某型号混凝土泵车为实物原型，在实验室搭建该泵车泵送控制系统的硬件在环仿真平台，以期实现实验室泵送控制系统仿真的目的，本文主要研究内容包括以下几个方面：( 1 ) 概括本文的研究目的和意义，介绍混凝土泵车结构组成、泵送原理及混凝土泵车控制技术等相关背景知识。( 2 ) 综合分析硬件在环仿真系统的结构形式和几种软硬件的优缺点，确定硬件在环仿真系统采用以p c 机为核心的“电控单元输入输出接口设备p c机”的结构形式。( 3 ) 泵送系统数学建模。分析泵送液压系统工作过程和原理，根据功率键合图原理，建立泵送液压系统数学模型；根据柴油机调速特性的特点，数学推导柴油机调速特性数学模型。( 4 ) 泵送控制系统硬件在环仿真平台的硬件系统设计。根据泵送系统仿真模型和控制器之间传输信号的特点，选择合适的采集板卡；根据泵车控制系统的5混凝土泵车泵送控制系统硬件在环仿真入输出信号特点和数量，确定p l c 控制器的型号以及扩展模块的型号，并介各硬件接口的组建。( 5 ) 泵送控制系统硬件在环仿真平台软件开发。软件分模块设计，包括登系统、仿真类型选择、仿真参数设置、泵送系统仿真模型、数据采集与控制输等模块。详细介绍各模块具体程序的实现以及人机界面各部分功能。( 6 ) 硬件在环仿真。首先对前面所建立的泵送系统仿真模型进行离线仿真，实际运行数据相比较。然后将电控单元通过采集板卡连接到p c 机上，进行硬在环仿真实验，给出实验结果及分析。6硬件在环仿真作为种先进的仿真技术，它的出现改变了控制系统的传统开发手段，通过硬件在环仿真系统模拟泵车泵送系统的各种工况，可以对泵送控制系统的性能进行测试和评估，为泵车控制器的开发提供了方便快捷的途径【刚。2 1 硬件在环仿真系统概念及分类2 2 i 硬件在环仿真系统概念硬件在环仿真技术就是指将部分实际被控对象或系统部件用高速运行的实时仿真模型来代替，而控制系统则用实物( 即硬件) 与系统实时仿真模型连接成为一个硬件在环仿真系统，通过仿真试验对控制系统的控制策略、控制功能及系统可靠性等进行测试和评估1 9 【1 0 1 。即就是将实际的电子控制单元 e c u ) 放在一个虚拟的环境中进行试验，这个虚拟的仿真环境将尽可能模仿实际的运行状态，向e c u 输入必要的信号，并将e c u 的输出信号送到虚拟环境中，通过实时或非实时仿真对e c u 进行测试并记录各种试验结果【1 1 l 。2 2 2 硬件在环仿真系统分类对于控制单元的e c u 硬件在环仿真系统，根据仿真程度的不同一般可以分为以下几种类型【1 2 1 ( 图2 1 ) 。a 、虚拟发动机、车辆的e c u 测试。被控制的对象通常由在环的仿真模型来模拟它们的行为，测试系统中唯一的真实部分是电子控制单元e c u ，其他设备都是由系统通过模型仿真模拟出结果。b 、e c u 或是被控部件的测试。一部分的被控对象有时也存在于仿真测试系统中，从而不必对这些对象进行精确的建模，或是可以对这些被控对象进行测试。c 、被控部件的测试。有时甚至可以没有e c u ，而只有一些被控部件存在于仿真系统中，得到测试。d 、结合e c u 控制软件开发工具的测试。在b 类型的基础上，直接把控制软7混凝土泵车泵送控制系统硬件在环仿真件开发工具接入仿真系统中，对控制软件进行校准和开发。本文研究的泵车泵送控制系统硬件在环仿真是基于b 类的一种研究模型。对泵送系统建立仿真模型，系统中真实的部分是控制器e c u ，目的是实现对e c u控制器和控制策略的验证和测试。 堕多 眨至归( 黼)( a )( 实时仿真模型) = 文信号接口) # = = 爿罨篱i、- 、- 一，t d 巫至焙文互亘净文圃图2 1 控制单元硬件在环仿真分类f i 9 2 1c l a s s i f i c a t i o no fe c uh a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o n2 2 硬件在环仿真系统结构及工作流程硬件在环仿真系统主要由三部分组成，包括系统实时仿真模型、高速接口模块和p c 机监控系统( 如图2 2 硬件在环仿真系统结构) p 3 1 。系统实时仿真模型是整个硬件在环仿真系统的核心，其主要功能是实现系统模型的实时仿真计算；高速接口模块充分利用其高速计算能力，可以在系统实时仿真模型和控制系统实物之间进行各种信号的传递；p c 机监控系统作为人机交互平台，既可以方便地修改系统仿真模型的参数，又能及时地监控系统实时仿真模型在控制系统实物作用下运行状态的变化情况【1 4 1 。硬件在环仿真系统的工作过程如下：首先系统实时仿真模型按照用户设定的初始参数运行，同时把仿真模型的计算结果通过高速接口模块送往控制系统实8江苏大学硕士学位论文物，并在p c 机监控系统中显示计算结果；控制系统实物根据接收到的系统实时仿真模型的计算结果，按照一定的控制策略计算出控制参数，然后将控制参数通过高速接口模块反馈给系统实时仿真模型，系统实时仿真模型根据控制参数改变其运行状态；用户可以根据需要在p c 机监控系统的图形用户界面上改变仿真模型的系统参数，从而实现对仿真系统状态的控制。通讯总线图2 2 硬件在环仿真系统结构f i 9 2 2s t r u c t u r eo fh a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o ns y s t e m2 3 硬件在环仿真系统应用1 发动机电子控制系统德国勃朗施威格工业大学威施明v a r c h m i n ) 开发的汽车信号发生器m o s i g 是早期硬件在环仿真的代表作。此外a d i 公司也进行了发动机e c u 硬件在环仿真系统的研究。国内的北京理工大学成功研制出柴油机e c u 硬件在环仿真系统，将以f j e c u 开发阶段需要在发动机试验台上所做的大量工作转换到计算机室，通过e c u 硬件在环仿真来完成。该系统足以p c 机作为主计算机的多处理器并行系统，整个系统包括发动机模型实时计算系统、接口管理系统和监控系统。系统完成后进行了e c u 硬件在环仿真、执行器硬件在环仿真等实验。2 a b s 电子控制系统汽车防抱死制动系统( a n t i 1 0 c kb r a k es y s t e m ，a b s ) 是一个与汽车系统、轮胎9混凝土泵车泵送控制系统硬件在环仿真力学特性、液压系统、行车环境等因素都紧密相关的非线性系统。仿真技术是研究a b s 的重要手段。由于汽车系统和行车环境的复杂性，单纯依靠计算机仿真很难准确地反映实际情况；仅依靠汽车试验则造价高、周期长。硬件在环仿真为a b s 系统的开发和测试带来了两全其美的解决方案。吉林大学郭孔辉院士等人开发的多功能a b s 混合仿真试验台就是将a b s 的硬件与汽车动力学模型以及a b s 控制逻辑紧密结合起来的一套硬件在环仿真系统。该系统包括软件系统、接口系统及真实的a b s 执行器和传感器。其中接口系统包含的硬件设备有轮速传感器信号模拟设备、轮速信号测量设备、电磁阀驱动、压力信号采集电路等，而实际的a b s 部件则是包含了真实防抱死系统的所有硬件。该硬件在环仿真系统可以用于a b s 控制逻辑的研究、a b s 液压系统动态特性的研究、a b s 传感部件的研究、a b s 性能评价等方面【1 5 】。3 汽车电动助力转向控制系统汽车电动助力转向是影响汽车驾驶员操纵稳定性、舒适性和安全性的关键，相对于传统液压动力转向系统，它具有节约燃料、有利于环保和可控转向感觉等诸多优点，并适应了新一代电动汽车和智能汽车电子化、智能化的要求。硬件在环仿真技术在电动助力转向控制系统硬件和软件的试验、测试方面有大量的应用。汽车电动助力转向硬件在环仿真系统主要是为了实现人一转向系统一汽车一路面环境之间的仿真。仿真系统包括实际系统和虚拟现实系统，实际系统主要包括驾驶员和转向系统，虚拟现实系统则包括汽车操纵动力学系统和路面环境。电动助力转向硬件在环仿真系统有试验台架、电气系统和微机等硬件设备。试验台架由方向盘、转向柱、助力机构、转向小齿轮和转向横拉杆等组成。电气系统包含的硬件有单片机控制器、数字信号处理器、传感测试系统、控制电路、功率驱动电路、故障诊断保护电路和执行机构等。该系统能够作为助力转向控制单元的开发调试平台，可以方便地模拟各种需要的汽车转向情况，并对电控系统的控制效果进行迅速直观的判断分析。4 混合动力车动力总成控制系统在混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i c f u e lv e h i c l e ，h e y ) 的开发中，总体设计、整体性能分析以及动力总成控制器的控制策略优化，通常需要大量的时间、人力1 0上配置完整的输入输出硬件接口、模型运行载体( 即微处理器) 、监控设备以及通信设备，就可以为动力总成控制器提供一个较为理想的硬件在环仿真测试平台【1 6 1 。从以上列举的应用实例可以看出，硬件在环仿真技术在车用e c u 开发测试中的应用方兴未艾。该技术向着高准确度、高实时性、高集成度的方向发展，并加入网络技术、嵌入式系统开发技术等，现已成为集汽车动力学、计算机技术、电子信息技术、自动控制技术为一体的多学科交叉应用技术。但是该项技术在工程机械中应用相对较少，在国内还没有很多的应用实例。鉴于硬件在环仿真技术的诸多优点，本研究将其应用在混凝土泵车控制技术的研究方面，开发混凝土泵车泵送控制系统硬件在环仿真系统，这将给工程机械控制技术的研究提供一种高效、便捷的方法和手段。2 4 本研究硬件在环仿真系统构建形式经过近二三十年的发展，硬件在环仿真系统主要有以下几种实现形式【1 6 1 【1 7 1 ：1 、自主开发或购买商品化的处理器模板组成多处理器系统，自主设计专用接口模板。软件开发采用通用软件开发工具，如c 语言编译器、汇编语言编译器等，各处理器的任务由设计者分配。2 、采用a d i 公司专门为实时动态仿真设计的实时动态工作站( a d r t s ) 。a d r t s 是一个基于v m e 总线分布式处理器的仿真系统，它由高速计算机和高速i o 系统组成，可以连接成局域网。通信处理器在运行中像v m e 总线的主模板一样，为总线上所有处理器之间的通讯服务，其主要任务是数据扩散和收集。3 、以普通的微机作为处理器，构成x p c t a r g e t 系统。m a t l a b s i m u l i n k 对x p c t a r g e t 的支持是非常强大的，在s i m u l i n k 中有常用的x p c 基本模块。x p c - t a r g e t为硬件在环仿真提供了一些有利的工具，可以实现多数硬件在环仿真所需要的功能，但是x p c t a r g e t 形式的部分硬件和实验软件都需要自己来选型和开发。4 、采用d s p a c e 公司生产的面向实时仿真和高速i 0 处理的软硬件系统。混凝土泵车泵送控制系统硬件在环仿真d s p a c e 系统是一套基于m 觚a b s i m u l i n k 的控制系统开发及测试工作平台，实现了和m a t l a b s i m u l i n k 的完全无缝连接。d s p a c e 实时系统拥有具有高速计算能力的硬件系统，包括处理器、i o 等，还拥有方便易用的实时代码生成下载以及试验调试的软件环境。采用通用性的实时仿真系统一般能够较好的满足实时性要求并可以免除硬件的开发，减少系统的开发时间，但成本较高且灵活性和扩展性受到一定的限制。自主研发的硬件系统可以根据实际需求进行设计，灵活性好，但为保证系统的实时性和稳定性需要进行反复验证和调试，开发难度较大且周期较长。另外，从仿真模型处理器上区分，有两种硬件设备形式：1 、数字信号处理器( d s p ) 或微处理器“啦m 、p o w e r p c ) 作为仿真模型处理器。仿真模型程序下载到仿真处理器，处理器实时计算仿真模型并负责与电控单元的数据通信。基于d s p 或微处理的仿真模型处理器实现特定的功能，具有实时性好、功能扩展性强、软件抗干扰能力强和下载方便的优势。其缺点是为满足仿真系统特定要求，仿真模型处理器系统需要自己开发研制；为实现人机交互，需要通过总线接入上位机设备，仿真系统变得复杂。2 、p c 机作为仿真模型处理器。电控单元通过p c 机兼容的数据采集板卡设备连接p c 机，p c 机利用多线程优势实现模型的实时计算处理、数据的交互和上位机控制功能。采用p c 机作为仿真模型处理器，实现了系统硬件设备的高度集成；采用标准的i s a 、p c i 和p c 1 0 4 等硬件设备，即购即得，从而大幅节约开发成本和时间，可维护性强。通过以上的比较，结合实验室已有条件和环境，本研究采用以下的仿真平台构建方案：以普通p c 机作为仿真模型处理器，集仿真计算和数据通信处理于一体，借助p c 机高速的数据处理功能实现泵送系统仿真模型的实时性仿真和仿真模型和控制器之间的信号通讯。利用m 公司数据采集板卡连接控制器和p c 机组建硬件在环仿真系统。采用l a b v i e w 建立泵送液压系统仿真模型和柴油机调速特性仿真模型并开发监控软件。本系统采用离线仿真和硬件在环仿真相结合的方式。离线仿真是仿真模型不与控制器通讯，对泵送系统进行的模拟仿真，通过仿真验证所建模型是否正确；硬件在环仿真是指泵送仿真模型与控制器通讯，仿真模型首先按照设定的初始参江苏大学硕士学位论文数运行，同时这些参数值通过i o 接口送给p l c 控制器，当改变泵送系统工作状态时，控制器按照接受到的信号运行，并把运行结果即控制软件计算出的控制参数输出，由i o 接口送到p c 机上的仿真模型，模型又根据接收到的控制参数计算出运行参数，从而构成一个闭环系统。混凝土泵车泵送控制系统硬件在环仿真第3 章泵送系统数学模型3 1 泵送液压系统数学模型目前国内对泵车液压系统的数学建模主要采用功率键合图的方法。比如重庆大学建立了h b t 6 0 型号的泵车换向系统的键合图模型，并在s i m u l i n k 里进行了仿真。吉林大学以h b t 8 0 混凝土输送泵为研究对象，对泵送系统进行了科学的简化及假设，利用功率键合图建立了泵送系统模型。武汉理工大学采用功率键合图的建模方法，建立泵送回路和分配回路的数学模型，并运用仿真软件s i m u l i n k对所建模型进行仿真。另外，也有利用a m e s i m 等液压软件直接对混凝土泵进行建模仿真的。本文所建的泵送系统模型是用于控制系统硬件在环仿真研究的，采用功率键合图方法对泵送液压系统进行数学建模。3 1 1 泵车泵送系统组成及工作原理1 ) 泵送系统组成【1 8 1图3 1 为某型号泵车液压系统原理图。泵送系统由主泵1 、溢流阀1 0 、换向阀组1 1 1 3 、插装阀1 5 2 0 、主缸2 3 。2 4 、缓冲机构2 1 2 2 、高低压切换阀3 0 等组成。主油泵2 为带压力切断的恒功率变量泵，具有电控变量和恒功率控制两种方式。泵的输出流量随负载的大小而变化，若输送距离小，系统压力低，输出的流量就高；反之若输送距离远，系统压力高，输出的流量就会自动下降。由于系统的流量q 根据负载压力p 能自动调节，故能保证系统具有恒功率性能( 功率：尸口) ，因而能防止系统过载。电磁溢流阀1 0 设定的系统压力为3 4m p a 。当系统压力超过3 4m p a 时，电磁溢流阀1 0 自动溢流，以保护液压系统不受损坏。1 4江苏大学硕士学位论文图3 1 某型号泵车液压系统原理图f i 9 3 1h y d r a u l i cs y s t e md i a g r a mo fp u m pt r u c k2 ) 泵送系统工作原理【1 9 1该泵送系统的结构特点是：双泵双回路开式系统( 泵送回路和分配回路) ，各回路中换向阀的动作是由对方回路的液压油控制的，即液动顺序互控。现将其控制过程说明如下。电磁换向阀d t l 、d t 2 、d t 3 、d t 4 ，用来控制正泵和反泵，当d t l ，d t 2得电时为正泵，当d t l 、d t 3 、d t 4 得电时为反泵。当主油缸运动到接近行程终点时，主油缸上的触发机构发出控制油信号，控制液动换向阀2 6 换向，2 6 换向后使摆动油缸换向，摆动油缸摆动到位后，其进回油路压差发出控制油信号，控制主液动换向阀1 2 换向，1 2 换向后使主油缸换向，从而完成一个循环换向动作。正泵是泵送混凝土的工作循环。正泵时，当d t l 、d t 2 得电，电磁换向阀1 3 工作在左位，此时液动换向阀1 2 工作在右位，从变量泵2 ( 为恒压控制，设定的压力为1 6 m p a ) 引出的压力油经电磁阀1 3 、液动阀1 2 到换向阀1 1 的右端，混凝土泵车泵送控制系统硬件在环仿真推动阀芯向左移动，使换向阀1 1 工作在右位。此时，主泵1 出口的高压油，经换向阀1 1 ，到插装阀1 8 ( 由于d t 6 低压电磁铁得电，电磁阀3 0 工作在右位，则插装阀2 0 关闭) ，插装阀1 8 导通，高压油进入泵送油缸2 4 的有杆腔，无杆腔的液压油被压向插装阀1 9 ( 此时插装阀1 7 没有导通) ，高压油再经插装阀1 9 到泵送油缸2 3 的无杆腔，推动活塞前进，完成右缸的泵送任务。当活塞接近泵送油缸2 3 的行程终点时，从t r 缓冲机构引来的高压油，作用在分配回路液动阀2 6 的左端，使从变量泵2 引来的压力油经电磁阀2 7 、液动阀2 6 到达换向阀2 5的右位，推动其阀芯向左，使换向阀2 5 工作在右位。此时，变量泵2 和蓄能器3 5 向摆动油缸4 2 提供大流量，使分配阀快速切换，完成关闭泵送油缸2 3 的泵送口，打开泵送油缸2 4 的泵送口的动作。当摆动油缸4 2 完成摆动动作后，换向阀2 5 仍工作在右位，此时变量泵2 对蓄能器3 5 补充流量，使分配回路系统的压力恒定在1 6 m p a 。待分配回路的系统压力稳定后，从分配回路中a 点引入的压力油( 设定压力为1 6 m p a ) 和从b 点引出的压力油( 设定压力为1 a ) 分别作用在液动阀1 2 的左、右两端，其压差使得液动阀1 2 换向，工作在左位，此时从变量泵2 所引入的压力油经电磁阀1 3 、液动阀1 2 作用在换向阀1 1 的左端，主泵1 的高压油经换向阀1 1 ，插装阀1 5 到泵送油缸2 3 的有杆腔，无杆腔的高压油经插装阀1 9 到泵送油缸2 4 的无杆腔，推动活塞前进，完成左缸的泵