（机械电子工程专业论文）无线电液控制器及其应用的研究.pdf

摘要 摘要 微电子技术、无线电技术的发展和电液控制技术的紧密结合，逐步形成了无 线电液控制技术。它的出现改变了传统有线电液控制技术的使用现状，极大改善 了工程机械操作人员的工作环境，提高了工程机械的自动化程度，是电液控制技 术的一个重要发展方向。本论文围绕着无线电液控制技术这个主题，进行了以下 几个方面的研究，并得出一些相应的结论： 第一章首先阐述了电液控制技术的发展概况，然后分析了国i 勾# t - 无线电液控 制技术的发展现状及趋势，得出采用高性能的超大规模集成电路、无线数字通信 技术和纠错编码技术是无线电液控制技术的发展趋势，并由此得出本论文研究意 义和主要研究内容。 第二章首先分析了无线电液控锖4 器的工作原理，然后给出无线电液控制器的 编码模块、解码模块和射频发射接收模块这三个功能模块的硬件设计与实现，并 提出相应的硬件抗干扰设计，从而最终实现了基于超大规模集成电路和数字通信 技术的无线电液控制器的硬件设计。 第三章给出了无线电液控制器的软件设计实现，采用具有模块化和结构化程 序设计、易于实现控制算法以及移植性很好的c 5 1 编写程序：并根据系统的实 际需要和实验结果设计出控制器的无线通信协议，提出了用0 x f f 和0 x 0 0 作为数 据头，较好的解决n r f 4 0 1 随机输出信号的问题，并利用单片机多机通信的原理， 很好的解决了各个控制器之间的通信问题；根据划分的功能模块，给出了各个功 能模块的程序框图：最后从软件角度进行软件抗干扰设计，最终完成无线电液控 制器的软件设计。 第四章首先根据天线设计的相关理论以及电路原理知识，对低成本、易于在 p c b 上实现的微带天线进行数学建模和阻抗匹配设计，并得出微带天线传播距 离的计算公式；根据实际设计参数计算得到无线电液控制器遥控范围，并通过实 验测得无线电液控制器实际遥控范围。 第五章首先阐述了b s c 信道模型和g b s c 信道模型的理论；然后通过实验 的方法建立了b s c 和g b s c 信道模型，经分析得出g b s c 信道模型与无线电液 控制器信道的实际模型比较相符，为下一章纠错编码提供了理论依据。 第六章首先对第五章建立的g b s c 信道模型进行仿真和分析，得出适合无线 电液控制器的纠错编码一交织b c h 循环码；通过实验验证了交织b c h 循环码在 不增加发送数据量的同时有较好的纠错性能，提高了无线电液控制器的抗干扰能 力。 第七章首先阐述自行设计的特殊结构形式电液比例减压阀的工作原理以及 摘要 特点；然后对该阀进行数学建模，分析其稳定性；最后对该电液比例减压阀进行 实验分析。理论分析及实验结果都证明，在电液比例减压阀的进油口与负载口之 间的特设液阻，在电液比例减压阀中形成了一个特殊液压桥路，使电液比例减压 阀用正遮盖的加工精度，达到微小负遮盖或接近零遮盖的控制性能，其稳定性也 明显得到改善。 第八章对本论文所做的研究工作进行了简要总结，并得出了一些结论；然后 分析了一些有待进一步研究的内容。 关键词：无线电液控制技术无线电液控制器射频微带天线信道模型g b s c 纠错编码交织b c h 码多路阀电液比例减压阀 j a b s t r a c t a b s t r a c t t i g h t l yc o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g i e so fm i c r o e l e c t r o n i c s ， a u t o - c o n t r o la n dr a d i oe n g i n e e r i n g ，t h et e c h n o l o g yo fw i r e l e s se l e c t r o h y d r a u l i cc a l t l e i n t o b e i n g c o m p a r e t ow i r e e l e c t r o - h y d r a u l i ct e c h n o l o g y , t h e w i r e l e s s e l e c t r o - h y d r a u l i ch a v em a n ya d v a n t a g e s w i t ht h i st e c h n o l o g y , t h ew o r ke n v i r o n m e n t o fm o d e m e n g i n e e r i n ge q u i p m e n ti sg r e a t l yi m p r o v e d ，a l s od o e st h ea u t o m a t i c i t yo f m o d e m e n g i n e e r i n ge q u i p m e n t t e c h n o l o g yo f w i r e l e s se l e c t r o h y d r a u l i ci so n eo f t h e i m p o r t a n td e v e l o p m e n tt e n d e n c i e s o ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i ct e c h n o l o g y a r o u n dt h e t o p i co f w i r e l e s se l e c t r o h y d r a u l i ct e c h n o l o g y , t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sw i t l l t h er e l e v a n tc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，f i r s t l yt h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o lt e c h n o l o g yi s d i s c u s s e d ，t h e nt h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fw i r e l e s se l e c t r o - h y d r a u l i c c o n t r o lt e c h n o l o g ya td o m e s t i ca n da b r o a di sa n a l y z e d ，a n dc o m et oac o n c l u s i o nt h a t u s i n gv l s i ，t e c h n o l o g y o fw i r e l e s s d i g i t a l c o m m u n i c a t i o na n d t e c h n o l o g y o f e n - o r - c o l r e c t i o ni st h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo fw i r e l e s se l e c t r o - h y d r a u l i ct e c h n o l o g y , a l s ot h es i g n i f i c a n c ea n dt h ec o n t e n t so f t h et h e s i sa r e p u tf o r w a r d i nc h a p t e r2 ，f i r s t l yt h eb a s i cm e t h o d so fw i r e l e s se l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l l e ri s a n a l y z e d ，a n di t i sd i v i d e di n t ot h r e ef u n c t i o n a lm o d u l e s t h e nt h eh a r d w a r ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft h ef u n c t i o n a lm o d u l e sa l ed i s c u s s e di n d e t a i l l a s t l y t h e h a r d w a r em e t h o d so fa n t i d i s t u r b a n c ea r eg i v e n ，a n de n t i r e l yf i n i s h e dt h eh a r d w a r e d e s i g no fw i r e l e s se l e c t r o - h y d r a u l i c c o n t r o l l e rb a s e do nv l s ia n dt e c h n o l o g yo f d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s i n c h a p t e r3 ，t h e s o f t w a r ed e s i g no fw i r e l e s s e l e c t r o h y d r a u l i c c o n t r o l l e ri s p r o v i d e d ；t h ep r o g r a mi sc o d e dw i t ht h ec 5 1l a n g u a g et h a th a v em a n ya d v a n t a g e s s u c ha sm o d u l a r i z a t i o n , s t m c t u r i z a t i o n ，e a s i l yi m p l e m e n t a t i o nt h ec o n t r o la l g o r i t h m a n d g o o dc o m p a t i b i l i t y a c c o r d i n g t oa c t u a ls y s t e m r e q u i r e m e n t s a n de x p e r i m e n t s ，t h e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li sp r o v i d e d u s i n go x f fa n do x 0 0 a st h ed a t al l e a di sag o o d s o l u t i o nt on r f 4 0 1 sr a n d o mo u t p u t s i g r i a l ，a n d a l s o u s i n g t h em u t i - m a c h i n e c o m m t m i c a t i o nt h e o r yi sag o o ds o l u t i o nt oc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o l l e r s t h e nt h ef l o w c h a r t so ff u n c t i o n a lm o d u l e sa l eg i v e n ，l a s t l yt h es o f t w a r em e t h o d so f a n t i d i s t u r b a n c ea r ed e s c r i b e d ，a n d e n t i r e l y f i n i s h e dt h es o t h v a r e d e s i g n o ft h e w i r e l e s se l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l l e r i nc h a p t e r 4 ，a c c o r d i n g t ot h er e l a t i v et h e o r yo f t h ea n t e n n aa n dt h ec i r c u i tt h e o r y , 1 1 1 a b s t r a c t t h em o d e lo f t h el o wc o s t m i c r o s t r i pa n t e n n aw h i c h i se a s i l ym a n u f a c t u r e do np c bi s d e d u c e d ，a n dt h ei m p e d a n c em a t c h i n go f t h ea n t e n n ai sp u tf o r w a r d ；a l s ot h ef o r m u l a s o ft h em i c r o s t r i pa n t e n n a sc o m m u n i c a t i o n r a n g ea r eg i v e n w i t h t h ea c t u a lp a r a m e t e r o f m i c r o s t r i pa n t e n n a ，t h e r e m o t ec o n t r o l r a n g e o fw i r e l e s s e l e c t r o h y d r a u l i c c o n t r o l l e ri sc a l c u l a t e d ，a n dw i t he x p e r i m e n t s ，t h ea c t u a lr e m o t ec o n t r o lr a n g eo f w i r e l e s se l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o l l e ri sg i v e n i n c h a p t e r5 ，f i r s t l y t h e t h e o r yo ft h eb s ca n dg b s cc h a n n e l m o d e la r e p r e s e n t e d t h e nw i t he x p e r i m e n t s ，t h eb s ca n dg b s c m o d e lo ft h ec o n t r o l l e ra r e e s t a b l i s h e d ，a n dc o m et oac o n c l u s i o nt h a tg b s c m o d e li sm o r es u i t a b l et od e s c r i b e t h ec o n t r o l l e r sc h a n n e lm o d e l t h ee s t a b l i s h e dg b s cm o d e lg i v e sad e s i g np r i n c i p l e o f e r r o r - c o r r e c t i n gs y s t e mi n t h en e x t c h a p t e r i nc h a p t e r6 ，f i r s t l ya c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o na n da n a l y s i sr e s u l t so f t h eg b s c m o d e le s t a b l i s h e di nc h a p t e r4 ，t h ei n t e r l e a v e db c hc o d ei ss e l e c t e d e x p e r i m e n t s p r o v e dt h a ti n t e r l e a v e db c h c o d eh a sv e r yh i g hp e r f o r m a n c eo fe r r o r - c o r r e c t i o n ，b u t t h ed a t as i z eo ft l l ec o m m u n i c a t i o nm c r e a s eal i t t l e ，a n d t h ea n t i - d i s t u r b a n c e p e r f o r m a n c e o f t h ec o n t r o l l e ri sg r e a t l yi m p r o v e d i n c h a p t e r7 ，f i r s t l y t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l r e d u c i n gv a l v ew i t hs p e c i a ls t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c si sd i s c u s s e di nd e t a i l t h e n t h em o d e lo fv a l v ei se s t a b l i s h e d ；a l s oi t ss t a b i l i t yi sa n a l y z e d l a s t l y , a ne x p e r i m e n t i sm a d eo nt h ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e d u c i n gv a l v e t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dt h er e s u l to fe x p e r i m e n t sp r o v e dt h a te l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e d u c i n g v a l v ew i t hs p e c i a lf l u i dr e s i s t o rb e t w e e ni n l e ta n dl o a dp o r t sr e a c h e dt ot h ec o n t r o l p e r f o r m a n c e o ff i n en e g a t i v el a po rp r o x i m a lz e r ol a pa n da l s oi t ss t a b i l i t yi sg r e a t l y i m p r o v e d ，f o rt h e r ef o r m sas p e c i a l f l u i db r i d g ei ne l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l r e d u c i n g v a l v e i nc h a p t e r8 ，ab r i e fs u m m a r yo nt h es i xm a i nt o p i c si nt h i st h e s i si sp r o v i d e d ， a n ds o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w n ；a l s os o m er e s e a r c h e s t h a tn e e dt od ob yn e x t s t e pa r e a n a l y z e d k e y w o r d s ：w i r e l e s se l e c t r o - h y r d r a u l i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , w i r e l e s se l e c t r o - h y d r a u l i c c o n t r o l l e r , r f , m i c r o s t r i p a n t e n n a , c h a n n e lm o d e l ，g b s c ，e r r o r - c o r r e c t i o n ， i n t e r l e a v e db c h c o d e ，s e l e c t o rv a l v e ，e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e d u c i n g v a l v e v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电液控制技术发展概述【1 0 8 朋4 1 2 0 世纪是液压技术从兴起到不断发展和成熟的时代，随着现代科学技术的 飞速发展，液压技术已不仅仅是一种传动方式，而更多的是作为一种控制手段， 充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间的桥梁，成为现代控制工程中 不可缺少的重要技术手段和环节。电子技术与液压技术的结合是液压技术发展的 必然趋势。 电、液技术的结合最早可追溯n - - 战期间高炮的电液伺服装置。第二次世界 大战后期，由于喷气式飞机速度很高，因此它对控制系统的快速性、动态精度和 功率重量比都提出了更高的要求。1 9 4 0 年底，在飞机上首次应用了电液伺服系 统，其滑阀由伺服电机驱动。5 0 年代末期，出现了以喷嘴挡板阀作为先导级的 电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应最快，控制精度最高的伺服系统。经 过2 0 余年的发展，到6 0 年代，各种结构的电液伺服阀相继问世，又相继出现了 射流管式电液伺服阀以及其它采用级间反馈和各类电反馈的电液伺服阀，其性能 不断提高。电液伺服技术日臻成熟，己逐渐成为航空、航天、军事以及诸多民用 工程领域的重要手段。 但是，由于传统的电液伺服阀对流体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本 和维护费用比较高昂，系统能耗也比较大，难以为各工业用户所接受，限制了伺 服技术在工业及民用部门的进一步应用。面传统的电液开关控制( 通断控制) 又 不能满足高质量控制系统的要求。电液比例控制技术，就是要适应开发一种可靠， 廉价，控制精度和响应特性均能满足工程技术实际需求的电液控制技术的要求， 从6 0 年代末以来迅速发展起来。电液比例阀，是在对普通开关阀进行改进基础 上，采用比例电磁铁作为电机械转换器，由电磁铁将给定的电信号转化为成比 例的电磁力，实现对输出液压信号的比例控制。电液比例控制器件，对油质要求 与一般工业阀相同，价格低廉，阀内压力损失低，效率高，性能满足大部分工业 控制要求。8 0 年代，比例元件的设计原理进一步完善，采用了多种形式的内反 馈、动态反馈及电校正等手段，使阀的精度、稳定性都得到了大幅度提高，稳态 滞环减小到3 左右，工作频宽可达2 5 h z 。传感技术、微电子技术和计算机控制 技术的发展和渗透，为电液比例技术提供了性能优越、可靠性高的检测和控制技 术基础，它在工业控制领域，正越来越多的得到了广泛应用。然而，普通的电液 比例阀，存在着较大的死区和滞环，它的频响不高，因此，它除了适用于速度闭 第一章绪论 环控制以外，一般多用于开环电液控制系统，而在控制精度要求较高、响应快的 其他闭环控制系统中，它的性能显得不足。近年来，出现了一种性能与价格介于 伺服阀和普通比例阀之间的控制阀一伺服比例阀( 又称高频响比例阀，闭环比例 阀，比例伺服阀) 。它具有传统比例阀的特征，采用比例电磁铁作为电一机械转 换器，同时，它又采用伺服阀的加工工艺，零遮盖阀口，其阀芯与阀套之间配合 精度与伺服阀相当。高性能伺服比例阀，对油液的清洁度要求略低于电液伺服阀， 而它的控制性能已与普通电液伺服阀相当，以能满足绝大部分工业领域闭环控制 要求。因此，它特别适用于各种工业闭环控制。 高速发展的电子技术对电液控制技术的发展也起到了强大的推动作用。7 0 年代集成电路的问世及其后微处理机的诞生具有重要意义，它赋予机器以数学计 算研究和处理的能力。集成电路经过几十年发展已经趋于成熟，性能越来越高而 功耗越来越低。利用这些的集成电路设计的电子控制器件体积微小，但是输出功 率高，信号处理能力极强，复现性和稳定性极好而价格却很低廉。这些的电子控 制器件推动电液控制技术向新的高度迈进。 由于电液控制技术结合了电子技术和液压技术两方面的优势，具有控制精度 高、响应速度快、输出功率大、信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈等优点。 因此，在负载质量大，又要求响应速度快的场合使用最为合适，其应用已遍及国 民经济和军事工业的各个技术领域。总体来说，电液控制技术有以下一些优点： ( 1 ) 提高了作业质量和精度； ( 2 ) 节约能源，提高效率； ( 3 ) 改善了操纵性能，使操纵简单省力，可实现无人操纵、远距离操纵或无线 遥控： ( 4 ) 提高了安全性和可靠性，可进行状态自动监测和故障自动诊断； ( 5 ) 为实现自动化、智能化提供了可能。 1 。2 无线电液控制技术概述 无线电液控制技术，结合了电液控制技术和无线通信技术的优点，可以广泛 应用于工程机械等领域，不但提高工程机械的自动化程度和可操作性，还改善了 操作人员的工作环境，降低了由于视觉受限制所带来的误操作事故。工程机械在 建筑业、采矿业等等行业的成功应用，不仅加快了国家工业化的进程，促进了相 关行业的快速发展，也给企业带来了无限商机。由于无线电液控制技术在工程机 械领域占有重要地位，它也越来越受到各国的重视，都投入了很多的技术力量和 资金进行研究开发。虽然红外遥控也可以实现电液控制技术的远程遥控，但是由 于红外遥控存在对工作背景要求高、能耗高、传输距离短( 一般不会超过十米) ， 且必需在同一直线上，中间不能有任何障碍物以及易受工业热辐射影响等缺点， 笫一章绪论 使得无线电液控制技术成为当前研究的主要方向。 6 1 1 1 2 无线电液控制技术的基本工作原理：首先，无线电液控制系统将操作者或机 器的控制指令进行数字化处理( 包括对信号的滤波，a d 转化等处理) ，变为易 于处理的数字信号；其次，对数字指令信号进行编码处理；再次，指令信号在经 发射系统进行数字调制后，通过发射天线以无线电波的方式传递给远处的接收系 统。最后，接收系统通过接收天线把带控制指令的无线电波接收下来，经过解调 和解码，转换为控制指令，实现对各种类型阀的进行控制。1 7 9 1 s 1 无线电液控制技术有着很显著的优点：1 2 帕6 l ( 1 ) 节省了人力资源。以桥式起重机为例，操作、系缆，挂钩可由一个人单独 承担，无需指挥； ( 2 ) 提高了工作效率。操作人员独立判断，操作的准确性、连贯性比以往得以 显著提高； ( 3 ) 改善了操作环境。操作人员可选择最佳角度，避开能见度差、污染严重的 操作位置； ( 4 ) 提高了安全性和可靠性。由于省去中间指挥环节，从而避免了由于指挥不 当引起的误解。 1 3 无线电液控制技术发展和应用 最初，遥控电液控制系统都是采用有线遥控方式进行的。早在六十年代初期， 人们就能利用拖缆遥控装置来控制液压机械上的手动、电液多路阀，操作时通过 拖缆遥控装置上的双向单轴摇杆输出线性比例信号来控制电液比例多路阀，线控 盒摇杆的信号完全能模拟液压多路阀上手动拉杆的动作。虽然这种方式也可以使 操作人员在作业区外对机械设备进行操作控制，但是由于控制信号在电缆线中的 衰减，使得遥控的距离有限，同时由于电缆线的存在，影响了操作的灵活性，而 且数米长的电缆经常是生产事故中的主要根源。1 1 4 随着无线电技术的成熟，把无线电技术引入电液控制系统成为了可能。由于 无线电液控制技术是通过无线电波来传递控制指令，完全消除了拖缆式遥控装置 所带来的故障隐患。但是一开始的无线电液控制系统都只能发射简单的指令，如： 打开关闭等指令。进入7 0 年代后，随着大规模集成电路及专用微处理器的出现， 开发出了可靠性更高的手持式无线遥控系统。后来，随着数字处理技术的快速发 展，无线数字通信技术的日趋成熟，利用数字通信技术的抗干扰能力强、易于对 数字信号进行各种处理等等的优点【2 9 3 l 】，使得遥控系统的抗干扰性能逐步提高， 安全性能大大改善；与此同时，模拟集成电路设计的迅速发展，各种高精度的模 拟数字转换器( a d ) 和数字模拟转换器( d a ) 的研制成功，并把他们应用到 第一章绪论 无线电液控制系统中，使得无线电液控制系统不但能够传输开关信号，也能够传 输模拟控制量并且对控制指令有较高分辨能力，也就是说，无线电液控制系统不 但能够控制普通的电磁开关阀，而且能够控制比例阀。7 2 22 如 由于无线电液控制技术既有电液控制技术的优点，又有无线技术的优点，因 此它有着很广泛的应用，特别是在工程机械领域中。无线电液控制系统的典型应 用场合如下：【2 q 1 4 1 6 】 ( 1 ) 工业行车 工业用行车是无线遥控系统应用最广泛的领域之一，以德国为例，占无线遥 控系统每年产量的4 0 左右：特别是冶金、汽车制造、造纸厂、物料仓库等新增 行车几乎全部配备无线遥控系统，国内新近项目中如宝钢三期、珠江钢铁、上海 大众汽车、上海通用汽车、南平纸业、金东纸业等等项目中，行车无线遥控已是 行车标准配置。 ( 2 ) 汽车吊、随车吊 通常，大型汽车吊遥控系统还配置了数据反馈装置，反馈装置可将运行参数 ( 如：负荷、起重臂长、负荷力矩、油温、压力，角度等) 显示在发射机统显示 屏上，操作人员可根据显示数据来监控吊车。 ( 3 ) 混凝土泵( 臂架) 车 混凝土泵车操作时因控制台距浇注作业面有几十米( 甚至上百米) ，传统的 操作方式需数人配合才能完成，由于效率低，限制了混凝土泵车的性能发挥；对 于长距离、大排量的大型泵车，矛盾更为突出；采用无线电液控制系统可以最大 地发挥整机的性能，泵车司机在工作地点驾车定位后，即可用携带遥控系统依次 操作泵车的各个动作，如液压支架的升、降，泵车的水平校正，布料杆的左右回 转，多级杆的变幅升降等。之后，操作人员可携带发射系统，远离泵车控制台， 直接站在软管喷口附近，控制布料杼的动作和混凝土泵的运作。 随着无线电液控制技术的发展，在盾构掘进机的管片拼装机、装载机、建筑 回转式塔吊、调车机车、液压机械和移动车辆、港口装卸船机等设备中都有采用 了无线电液控制系统。 1 0 2 0 l j 1 4 无线电液控制技术研究趋势 随着数字通信技术和超大规模集成电路的高速发展，把数字通信技术和高性 能、高集成度的集成电路应用到无线电液控制技术中，使得无线电液控制器的性 能更加完善，可靠性更加高。它们都推动着无线电液控制技术的发展，具体表现 在以下几个方面： ( 1 ) 超大规模集成电路的飞速发展使无线电液控制器硬件电路的可靠性提高， 4 第一章绪论 同时为实现更强大的功能提供了可能性。 无线电液控制器主要应用于工程机械领域，而工程机械的工作环境普遍恶 劣，因此无线电液控制器的可靠性要求很高。早期的控制器都是采用分立元器件 搭起来的，功耗大，发热、损耗严重，而且功能单一，可靠性比较差；在超大规 模集成电路飞速发展的今天，功能越来越强大、体积小而功耗越来越低的元器件 层出不穷，为设计者带来了更多的便利和选择余地，设计者可以设计出功能更加 强大，而可靠性又高的硬件电路。 目前无线电液控制器的反馈功能相对比较简单，一般只是建立通信链路时采 用反馈功能。功能更强大的反馈系统将是无线电液控制器的一个重要发展趋势， 它可实现运动机器与发射系统之间的联络，实时反映设备所处的运行状况，并可 在发射系统的l c d 显示屏上显示，降低对操作人员的操作经验要求，操作界面 更加良好。随着高性能、价格相对低廉的高速处理器( 如d s p ，带a r m 核的处 理器) 的出现以及人工智能技术的发展和成熟，可以实现无线电液控制系统的智 能化控制，同时融入先进的传感技术和微电子技术，将可以实现控制系统故障自 动诊断和处理。 ( 2 ) 数字通信技术提高了无线电液控制器的性能。【2 9 剖8 2 】 数字通信技术的主要优点：抗干扰能力强，便于加密，易于集成化，易于对 数字信号进行各种处理。7 0 年代由于大规模集成电路和数字信号处理技术的发 展，给数字通信技术实用化创造了有利的条件。信息理论中指出的在一定的信道 条件下有效和可靠地传输信息的功能，已经能在数字通信系统上实现。 首先，调制方式从传统的模拟调制( 包括调幅a m 、调频f m 和调相p m ) 转为数字调制( 包括幅值键控a s k ，频率键控f s k ，相位键控p s k ) ，发挥数字 通信的优势。a s k 系统的结构最简单，但抗噪声性能最差，f s k 系统的频率利 用率和抗噪声性能都不及p s k ，但非相干f s k 的设备简单，适合于无线电液控 制器这种中、低速的数据传输场合。 其次，数字频率合成技术的成熟和完善，采用d d s ( 直接数字合成) 和p l l ( 锁相环回路) 频率合成技术，使得合成的频率稳定，具有较强的抗干扰能力。 频率合成的方法很多，大致可分为直接合成法和间接合成法俩种。直接合成法是 通过倍频器、分频器、混频器对频率进行加、减、乘、除运算，得到各种所需频 率。其优点是频率转换时间短，并能产生任意小的频率增量。但它也存在一些不 可克服的缺点，例如，用这种方法合成的频率范围将受到限制，更重要的是由于 大量的倍频，混频等电路，就要有不少滤波电路，使合成器的设备十分复杂，而 且输出端的谐波、噪声及寄生频率难以抑制。而间接合成法就是利用锁相环路的 窄带跟踪特性来得到不同的频率。数字锁相环频率合成器又分为直接式锁相环频 率合成器和吞食脉冲式锁相环频率合成器。图1 1 所示是一个典型的直接式锁相 第一章绪论 环频率合成器的原理图。它由参考振荡源、参考分频器、锁相环三部分组成。 1 0 0 l 图1 1 直接式锁相环频率合成器的原理图 ( 3 ) 纠错编码技术提高了无线电液控制器的抗干扰能力。 3 2 9 6 1 0 0 1 对于处于恶劣工作环境的无线电液控制器，由于其通信信道受到外界许多信 号的干扰，同时又由于无线通信自身的多径衰落等特性，使得经过无线信道传输 的信号发生畸变，不能保证遥控指令和反馈信息的可靠传输。随着纠错编码理论 的不断完善和数字电路技术的飞速发展，采用纠错编码理论对无线电液控制器通 信信道进行信道编码，提高通信信道的抗干扰能力，可以有效保证遥控指令和反 馈信息的传输。 纠错编码的基本实现方法是在发送端将被传输的信息附上一些监督码元，这 些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联( 约束) 。接收端按照 既定的规则校验信息码元与监督码元之间的关系，一旦传输发生差错，则信息码 元与监督码元的关系就受到破坏，从而接收端可以发现错误乃至纠正错误。 利用信道编码进行差错控制的系统基本上有三种：检错重发( a r q ) ，前向 纠错( f e c ) 和混合纠错( h e c ) 。a r q 系统的基本思想就是利用检错码，在接 收端一旦发现数据出错，便反馈回去相应的信号，要求重发，这种系统的效率低， 实时性差。f e c 系统的基本思想是利用纠错码，在接收端发现错误时，根据接收 到的码和编码规则，自动纠正传输中的错误，这种系统的实时性好，但是随着纠 错能力的提高，编译码设备相对复杂。h e c 系统是结合前向纠错和a r q 系统的 优点，在纠错能力范围内，自动纠正错误，超出纠错范围则要求发送端重新发送， 它是一种折衷的方案，实时性还不是很好。由于无线电液控制器的实时性要求高， 又希望设备的复杂度低，选用f e c 系统进行纠错编码控制比较合适。 综上所述，在进行现代无线电液控制器的设计中，首先，必须采用高性能的 微控制器和射频收发芯片等超大规模集成电路，以增强其控制性能。其次，为了 提高无线电液控制器的抗干扰能力，适宜采用例如f s k 数字调制和数字频率合 成技术等数字通信技术和f e c 差错控制系统。 1 5 国内外对无线电液控制技术的研究状况【3 7 - 4 3 1 由于无线电液控制技术有着广泛的应用场合，特别是在工程机械行业中的特 第一章绪论 殊地位，世界很多国家都非常重视对它的研究和推广应用。 3 3 3 6 1 8 0 年代初，美国k r a f tt e l e r o b t i c s 和约翰迪尔等公司，相继开发出无线遥 控系统，并应用于挖掘机中，成功推出遥控挖掘机。其中，比较典型的是约翰迪 尔公司的6 9 0 c r 型遥控挖掘机。i s 1 9 8 3 年，日本小松制作所研究开发了各种工作装置的微动控制和复合动作 的无线电操纵，并成功改装p c 2 0 0 - - 2 型液压挖掘机。 3 3 1 1 9 8 7 年，德国h b c 公司研制成功应用于工程机械领域的工业无线电遥控装 置。这种遥控装置采用了先进的数字化通信技术，传输的比例控制信号安全、可 靠和实用，并对发射的指令有很高的分辨率；在接收端使用模拟技术可以使执行 机构的加速、减速动作与无线电遥控装置发射器上的动作完全成比例，从而实现 对执行机构的无级控制。利用它，结合电液比例伺服驱动机构、液压比例多路阀 和电液比例减压阀及普通电磁控制开关阀，就可以实现工程机械的无线遥控。德 国h b c 无线电遥控系统采用的比例输出信号( o 一5 v 1 0 v 、4 2 0 j 1 1 a 、p w m 0 2 a ) 可与多个厂家电液多路阀信号匹配，可模拟手动操作方式达到与液压控制系统互 相间的协调。【4 5 4 6 】 目前，国际上还有加拿大n a u t i l u s t m 国际公司也生产功能相似的无线遥控 设备，其中1 2 0 s s f 系统是它的一个典型产品，该系统是一种多用途、全反馈、 丌关或比例输出的无线控制系统，可用于控制和监测采矿、建筑、冶金和运输等 领域设备。m l 德国的n b b 公司则是针对混泥土泵车，研制了一系列的专用无线遥 控设备。 台湾禹鼎电子股份有限公司具有数十年的工业遥控器研发经验，是目前全球 工业遥控器销售总量最多的制造商。他们研制的工业遥控器f 系列和s a g a 系列， 广泛应用于桥式、门式、塔式起重机和港口吊车、装卸机、输送机及工业数据传 输等各种需要进行无线遥控的场合。l 】卅 与国外对无线电液控制技术的研究应用相比较，国内则相对比较晚，技术相 对也落后一些。起初都是采用一些专用的编码解码i c 对开关信号进行编解码， 然后通过调频等模拟无线通信进行无线遥控，这种无线遥控系统功能简单，只能 进行一些开关量的控制，抗干扰能力差，发射功率较大，使用还需要进行频段申 请。其后，也出现了专用比例信号编解码模块，也实现了对比例信号的无线传输， 但其还是采用模拟无线通信的方式，没有充分利用无线数字通信技术所带来的优 势，同时也不能把差错控制编码技术应用于系统当中，以提高遥控系统的抗干扰 能力。 1 1 1 2 1 上海宝山钢铁公司于1 9 9 7 年引入h b c 无线遥控系统、意大利f a b e r c o m 的比 例液压伺服模块，对黄河工程机械厂生产的z y 6 5 型履带式装载机进行了遥控改 造，使其成为一台遥控装载机。i l 6 j 第一章绪论 浙江大学机械设计研究所是国内较早开展遥控技术研究的机构。该所在1 9 9 6 年研制成功了一种结构简单、价格低廉的液压挖掘机专用近距离无线遥控系统， 该系统遥控半径在2 0 米左右，通过视距观测挖掘机工作情况，利用无线电开关 信号控制液压挖掘机各工作油缸，完成简单作业。由此可见，这种无线遥控系统 也只能进行简单的开关控制。但是，在远程遥控的采掘机器人的研究开发，浙江 大学机械设计研究所无论是在理论和实践方面都走在比较前面。【3 2 】 1 6 论文的研究意义和主要研究内容 1 6 。1 论文的研究意义 无线电液控制技术有着广阔的应用市场和发展前景，但是纵观国内无线电液 控制技术的发展，我们和国外的还存在很大的差距，目前国内的无线电液控制设 备基本上只能简单的开关量命令控制，而很少能进行比例量的控制，功能相对比 较简单：同时也很少采用无线数字通信技术以及纠错编码技术等先进技术，使得 无线电液控制器的抗干扰能力相对比较差。现有国内的这些无线电液控制器很难 适用于环境较恶劣，干扰严重，而且要求控制器工作时间长、负荷重等需要应用 工业遥控技术的场合，同时，它们也难以和国外的同类产品进行竞争。 为了使我们设计的无线电液控制性能接近国际上主流的同类产品，在我们的 研究中，采取以下措施： 在无线电液控制的硬件设计中，我们采用高性能的微控制器、射频芯片和 d a 转化芯片等超大规模集成电路，既实现了开关量命令的控制和比例量的控制， 增加了无线电液控制器的功能，但是硬件系统的复杂性增加不大；同时，也实现 了f s k 数字调制方式、d d s 和p l l 数字频率合成技术等无线数字通信技术，提 高无线电液控制器的可靠性。 在无线电液控制器的软件设计中，我们选用f e c 系统进行纠错编码控制。 首先，通过实验建立无线电液控制器的信道模型；然后，根据建立的信道模型选 用合适的纠错编码算法实现f e c 差错控制系统，从软件的角度提高无线电液控 制器的可靠性。 考虑到目前市场上与无线电液控制器性能配套的、作为多路阀先导级的电液 比例减压阀很少，即使有又因为结构设计上的原因，对阀芯与阀套加工的精度要 求很高，阀芯、阀套的互换性也不好，相应的成本也很高。为此，我们结合自身 在液压领域的优势以及多年的设计经验，设计出可以与无线电液控制器相配套的 一种特殊结构形式的电液比例减压阀，采用通用的主级即可组成性能良好的电液 比例多路阀，打破国外液压行业在工程机械领域的垄断局面，使得我们能够在这 第一章绪论 一领域占有一席之地。 我们设计的无线电液控制器不但可以控制行走机械用的电液比例多路阀和 电磁