（电力电子与电力传动专业论文）智能装载机作业控制系统的设计及仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n i q u e p e o p l ea r ep u t t i n gf o r w a r d h i g h e rr e q u i r e m e n tf o rc o n s t r u c t i o nm a c h i n eg r a d u a l l y m e a n w h i l e ，f o l l o w i n gu p t h eg a i ng r o u n da n da p p l i c a t i o no fm i c r o e l e c t r o n i c s ，i n f o r m a t i o nt e c h n i q u ea n d c o m p u t e r , t h e r ei sab r e a k t h r o u g hi m p r o v e m e n ti nt h i sf i e l d h o w e v e r , t h ew o r ko f s h o v e l i n gm a t e r i a li sm a n i p u l a t e db ym a n i p u l a t o rc o n t r o l li n gt h eh a n d l eo ft h e s h a k i n ga l m so rt h eb u c k e ta tp r e s e n ti nd o m e s t i cl o a d e rf i e l d ，a n dt h e r ei s r a n d o m i c i t ya tt h ep o s i t i o no fu n l o a d i n ga n ds h o v e l i n gd u r i n gt h ep r o c e s so ft h e m a n u a lc o n t r o l l i n g a tt h em e a nw h i l e ，t h em a n i p u l a t o rh a st oa d j u s tt h es h o v e l i n g a n g l ea st h eb u c k e tc a nn o tf l a ta u t o m a t i c a l l y m o r e o v e r , t h el o a d e ra l s oh a st o v a r yi t sp o s i t i o nb e c a u s et h eo b je c t so ft h ew o r ka r ec o m p l i c a t e da n dc h a n g i n g f r o mt i m et ot i m e t h e r e f o r e ，t h ee f f i c i e n c yo ft h es h o v e l i n gi sm o s t l yd e t e r m i n e d b yt h ee x p e r i e n c e s ，s k i l l sa n dd e s i r e so ft h em a n i p u l a t o r s i no r d e rt or e f o r mt h em a n e u v e r a b i l i t yo ft h el o a d e rw o r k i n gd e v i c ea n dt o i m p r o v et h el e v e lo fa u t o m a t i o n ，t h et h e s i sd ot h er e s e a r c h e sb yf o c u s i n go nt h e a u t o c o n t r o lo ft h em a n i p u l a t o r so nt h el o a d e r t h ed e t a i l e de l a b o r a t i o n sa r e 硒 f o l l o w i n g ： 1 a c c o r d i n gw i t ht h es t r u c t u r ec h a r a c t e ro ft h el o a d e r , t h et h e s i sa n a l y z e st h e c o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e o ft h eo p e r a t i n gc o n t r o l s y s t e m ，d e s i g n s e l e c t r o n i cc o n t r o lp a r to ft h eo v e r a l lb l o c kd i a g r a m ，a n di n t r o d u c e ss e v e r a ll o a d e r m o d e s 2 b a s e do nt h e h y d r a u l i c p r e s s u r es y s t e mp r i n c i p l e o ft h el o a d e r s m a n i p u l a t o r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep l u r a lc h a n n e lv a l v e p i s t o np o s i t i o n c o n t r o l l i n gs y s t e mi s s e tu p 。t h e n ，t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h e c y l i n d e r d i s p l a c e m e n ta n dt h e w i d t ho ft h ep w m p u l s es i g n a la r eo b t a i n e d ，a n dt h e s t a b i l i z a t i o no ft h ep o s i t i o nc o n t r o l l i n gs y s t e mi sa n a l y z e d 3 t h ep o s i t i o nc o n t r o l l e ro ft h em a n i p u l a t o r si s d e s i g n e db yu s i n gt h e s e l f - a d a p t a t i o nf u z z yp i dm e t h o d ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h el o a d e r h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mh a sb e e ns i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h et h e m eu n d e rt h e m a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t 4 。t h em o d e lo ft h el o a d e ro p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mw h i c hi n c l u d e ss i g n a l i n p u tm o d u l e ，f a u l td e t e c t i o nm o d u l e ，d e t e r m i n et h el o g i cm o d u l e s ，m e m o r y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 m o d u l e sa n do p e r a t i n gm o d u l e si sc o m p l e t e d f i n a l l yt h em o d e lg e n e r a t e scc o d e t h r o u g ht h er t wi nt h em a t l a bw h i c hr e d u c e st h ew o r k l o a do fw r i t i n gc o d e g r e a t l y , m a k e st h em o d i f i e de a s i l ya n ds h o r t st h ed e v e l o p m e n tp e r i o d k e yw o r d s ：l o a d e r ；d i g i t a le 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 lc o n t r o l ；f u z z yp i d ； m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名： 日期： 协| 艿 l 叫考指导老师虢盔彬 ，7 日期： 明| 釜) | 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 学位论文作者签名：耋1 7 涛 日期：纠夕移 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 装载机是一种用途广泛的工程机械，它可以用于铲装、搬运、卸载、平 整散状物料；也可以对岩石、硬土等作轻度铲掘工作，如果换装相应的工作 装置，还可以进行推土、起重、装卸木料及钢管等作业。由于装载机具有作 业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土 石方施工的主要机种之一，被广泛应用于建筑、公路、铁路、水电、港口、 矿山及国防工程建设中，对加快工程建设速度、减轻劳动强度、提高工程质 量、降低工程成本都发挥着重要的作用川。 近几年，国内对装载机的需求量逐渐加大。国民经济的发展与国家基建 规模及资金投入的增大，促进了我国装载机行业的迅速发展。生产企业由1 9 8 0 年的2 0 家增至现在的1 0 0 余家，初步形成了规格为0 8 1 8 t 约2 8 个型号的 系列产品，并成为工程机械主力机种。进入2 1 世纪，装载机呈井喷式超高速 发展，2 0 0 2 年产销量突破了5 万台，已占据了世界装载机市场的半壁江山。 到2 0 0 4 年中国装载机产销量突破了1 0 万台，2 0 0 5 年突破了1 1 万台，2 0 0 6 年突破了1 2 万台，几乎占据了世界装载机市场2 3 以上的市场份额幢，。 随着装载机的应用规模越来越大，人们对它的性能指标也要求越来越高， 高效、低耗、舒适性、智能化是装载机发展的必然趋势。一台装载机节约一 点能源，整个装载机行业合在一起就会为国家节约很多能源。传统的装载机 越来越不能满足人们对它的要求，以美国卡特比勒公司为首的西方各大装载 机生产商不断的对其进行改进，推出很多新产品。国内各装载机生产商想要 生存，就必须加快技术进步、坚持自主研发，跟随世界的发展潮流。 1 2 装载机国内外发展概况及趋势 1 2 1 国外发展概况 在经历了五六十年的发展后，到2 0 世纪9 0 年代中末期国外轮式装载机 技术已达到相当高的水平【3 】。自2 0 世纪9 0 年代以来，各生产厂商在广泛采用 新技术、新结构的同时，经过不懈地努力，相继研制出许多超强功能的系统。 信息技术的飞速发展又给装载机技术的发展插上了飞跃的翅膀，基于微电子 技术和信息技术的计算机管理系统、司机辅助操作系统、柴油机电脑控制装 置、电子计算机监控系统、电子自动换挡变速控制系统以及网络技术的智能 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 系统已广泛应用于装载机的设计、计算操作控制、检测监控、生产经营和维 修服务等各个方面，使国外装载机在原来的基础上更加“精制”；其自动化程 度也得以提高，从而进一步提高了生产效率；改善了司机的作业环境，提高 了作业舒适性；降低了噪声、振动和排污量，保护自然环境；最大限度地简 化维修、降低作业成本，使其性能、安全性、可靠性、使用寿命和操作性能 都更上了一层楼。 国外先进发达国家十分重视工程机械机电一体化技术的研究和应用，并开 发了适用于各类工程机械使用的机电一体化系统。目前，国外装载机的电子 技术水平己从最初的电子监控逐步发展到系统的电子控制，并已得到了较为 广泛的应用。比如柴油机的电子喷射燃烧系统、变速操纵的电脑集成控制系 统等。到目前为止，已经发展到利用体积很小的大规模集成电路、微处理器 为核心，对装载机主要操作控制系统如传动、转向、作业操纵等进行集成电 子控制。 从九十年代到现在，美国卡特彼勒、日本小松等全球最知名的工程机械企 业已经将机电一体化及微电子技术广泛应用到装载机上，实现了操纵的自动 或半自动，这些公司生产的装载机则代表了现今装载机行业最先进的发展水 平。，。下面简单介绍美国卡特彼勒、日本小松装载机的发展状况。 卡特比勒公司新近推出的g 一代装载机，可实现转向、变速及作业操纵 的微电脑集成控制，例如s t i c 系统就是一个可将方向盘驾驶和换挡操纵集成 起来控制的系统；g 一代装载机还可实现指令操作转向，用拇指操纵摇杆开 关自动变速及采用电液技术用指尖操纵工作装置操纵杆；并对整机需要监控 的部位装有电子监测系统，对各种关键功能进行全作业时间的监控，使装载 机的动力消耗、作业效率、驾驶员的舒适性都达到最佳状态。另外，卡特比 勒公司的变速器采用了电子离合器压力控制，使换档和变速回中位平滑，方 便驾驶员根据具体条件进行调整，使装载机在任何作业条件下都处于最佳牵 引状态，以实现节能的目的。日本小松公司开发的装载机的工装系统也具有 自动放平，远程定位控制等功能。 此外，目前世界上已出现了装载机卫星定位电子控制系统，使作业装置定 位快速、稳定、精确，极大地提高了多机联合作业的工作效率。在装载机上 还可安装先进的卫星通讯与控制装置，对装载机进行全方位的信息管理。此 外，在地下矿井恶劣的施工条件下已出现了无人驾驶的遥控装载机。 随着机电一体化技术的迅速发展和广泛应用，逐渐实现了工程机械的机 器人化。即将机器人技术应用到工程机械中，并结合信息技术、计算机技术、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 控制技术等高新技术，以提高工程机械的操纵性、平稳性、舒适性，提高工 作效率，并向智能化方向发展。 国外先进发达国家从八十年代起就开始工程机械机器人化方面的研究，经 过近十年的研制和改进，在九十年代初其产品进入市场。新产品良好的操纵 性、可靠性、舒适性和维护性，大大地提高了作业效率，减少了作业成本阳，。 1 2 2 国内发展概况 我国装载机制造始于1 9 6 0 年末，发展至今经历了三个发展阶段，即上个 世纪6 0 年代仿制摸索阶段：7 0 年代自力更生研制阶段；8 0 年代至今技术引 进、合资合作发展阶段。我国装载机行业的主导产品，基本上都是以柳工7 0 年代开发的z l 5 0 为基础发展起来的，属国际6 0 年代技术水平。进入8 0 年代 消化吸收了美国c a t e r p i l l a r 、日本小松等先进技术，逐步开发成功了我国第二 代装载机产品。它与第一代显著不同之处，主要是增设了空调系统、紧急制 动系统、防滚翻及落物保护装置等。采用了全液压流量放大转向系统，单摇 臂“z ”型连杆机构作业装置，密封、减振、降噪的驾驶室，密封式销套结构 等。还少量出现了液压先导操纵及电子监控系统。另外，第二代产品在掘起 力、作业循环时间等影响作业性能的主要技术参数比第一代也有较大提高。 我国的第二代产品与国际先进水平相比，在机电一体化、操纵舒适性、作业 效率等方面有较大差距，差距最大的是产品可靠性- 。 国内装载机企业近几年确实在技术方面有了长足进步，但是还没有达到 可以与外国优势企业一较长短的程度。国内装载机企业目前普遍缺乏核心技 术，研究开发费用投入比重偏低，产品竞争力不强。研发费用的增幅跟不上 企业规模扩张的速度。 大企业没有核心技术就借鉴、模仿国际先进品牌产品；而为数众多的小 企业则是跟着大企业跑，在装载机行业就流传着“全国制造企业共用一张图 纸 的说法。各生产厂家没有自己的拳头产品，没有自身的关键技术及强有 力的技术创新队伍，主导产品档次低，企业负担重，生产成本高n 2 刊。 机器人化工程机械的研究与开发工作，开始于上世纪9 0 年代，由浙江大 学一位博士生在试验室内进行了挖掘机的挖掘臂( 原理模型) 计算机控制技 术的基础研究。1 9 9 1 年底中科院沈阳自动化所与抚顺挖掘机厂合作，共同研 制w y - 1 0 0 挖掘机挖掘臂的电液比例控制技术，1 9 9 3 年又开展了w y i o o c 挖 掘机的发动机载荷模态节能控制技术的研制。1 9 9 4 年中科院沈阳自动化所与 鞍山第一工程机械股份有限公司合作，重点研制推土机推土铲的电液比例控 制并且联合申请了8 6 3 项目机器人化推土机的研究，完成了作业现场的可靠 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 性试验。在该项研究中，利用机器人技术完成了推土铲水平作业时的运动分 析和仿真，对推土铲进行了电液比例位置闭环控制，分析和设计了推土铲与 复合力的控制n ”。 此外，浙江大学在“基于知识的采掘机器人规划级控制 的研究中，在 挖掘机的路径规划和轨迹规划问题上取得了较好的进展，他们还研究了挖掘 机器人如何探测和处置力与几何障碍，阐述了挖掘机器人的避障方法n ”。南京 工程兵学院就推土机工装系统的电液控制技术进行了研究，对工程机械的工 况参数监测系统的设计思想进行了阐述，将该系统分为在线的数据采集机、 离线的分析处理机和传递数据的中继机三部分n “。机械部天津工程机械研究所 就推土机的电子监控系统的组成、设计特点和功能要求进行了详细阐述n ”。山 东水利机械总厂设计的装载机行驶电气控制系统采用继电器逻辑电路对电控 换档进行了试验，具有断电自动回档、停车制动行驶闭锁等功能n ”。 1 2 3 装载机的发展趋势 广泛应用微电子技术与信息技术，完善计算机辅助驾驶系统、信息管理 系统及故障诊断系统；采用单一吸声材料、噪声抑制方法等消除或降低机器 噪音；通过不断改进电喷装置，进一步降低柴油发动机的尾气排放量；研制无 污染、经济型、环保型的动力装置；提高液压元件、传感元件和控制元件的 可靠性与灵敏性，提高整机的机一电一液一体化水平；在控制系统方面，将广 泛采用电子监控和自动报警系统、自动换挡变速装置；用于物料精确挖( 铲) 、 装、载、运作业的工程机械将安装g p s 定位与重量自动称量装置；开发特种 用途的“机器人式”装载机u 。 1 、系列化、特大型化 系列化是工程机械发展的重要趋势。国外著名大公司逐步实现其产品系 列化进程，形成了从微型到特大型不同规格的产品。与此同时，产品更新换代 的周期明显缩短。 2 、多用途、微型化 为了全方位地满足不同用户的需求，国外工程机械在朝着系列化、特大 型化方向发展的同时，已进入多用途、微型化发展阶段。推动这一发展的因 素首先源于液压技术的发展通过对液压系统的合理设计，使得工作装置 能够完成多种作业功能；其次，快速可更换联接装置的诞生安装在工作 装置上的液压快速可更换联接器，能在作业现场完成各种附属作业装置的快 速装卸及液压软管的自动联接，使得更换附属作业装置的工作在司机通过操 纵手柄即可快速完成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 3 、电子化与信息化互动 在微电子、互联网为重要标志的信息时代，不断研制出集液压、微电子及 信息技术于一体的智能系统，并广泛应用于工程机械的产品设计之中，进一 步提高了产品的性能及高科技含量。通过显示机载计算机屏幕的出错信息，提 示司机出错原因，并采用报警灯光信号表示发动机、液压系统、电气和电子 系统的各种状态。 4 、安全、舒适、可靠 驾驶室配装冷暖空调。全密封及降噪处理的“安全环保型”驾驶室，采 用人机工程学设计的司机座椅可全方位调节，以及功能集成的操纵手柄、全 自动换挡装置及电子监控与故障自诊断系统，以改善司机的工作环境，提高 作业效率。大型工程机械安装有闭路监视系统以及超声波后障碍探测系统， 为司机安全作业提供音频和视频信号。微机监控和自动报警的集中润滑系统， 大大简化了机器的维修程序，缩短了维修时间。 5 、节能与环保 为提高产品的节能效果和满足日益苛刻的环保要求，国外工程机械公司 主要从降低发动机排放、提高液压系统效率和减振、降噪等方面入手。目前， 个别厂家生产的工程机械产品噪声已降至7 2 d b 。 1 3 课题的来源、研究目的和意义 1 3 1 课题的来源 本文选题来自于贵州詹阳动力重工有限公司对于现有装载机电控系统项 目的改造，即“高速轮式多用途工程车g d g l 3 0 电子控制系统项目”，本项目 开发的智能装载机电控系统，可用于各种地形，多种作业用途的高速工程机 械。具有在各种道路上的高机动性能，最高速度为1 0 0 k m h ，长途行驶平均速 度不小于8 0 k m h ，采用非独立空气弹簧悬架系统，使得该机具有杰出的越野 性能及行驶稳定性、舒适性。还可以应用于高温作业、抢险救护作业、核废 料清理作业、地下开采作业等危险作业环境，降低了操作人员的劳动强度和 工作的危险性，有着非常重大的社会效益。 1 3 2 研究目的和意义 轮式装载机是用途广泛的土方施工机械，其铲装作业过程的工作效率及 机械磨损率取决于装载机驾驶员( 以下简称为人) 的实时操作技术水准。如人以 最佳技术水准操作机械作业，则可使发动机功率得到有效利用，作业效率高 而机械磨损率低。但是由于在铲装过程中物料或土体对铲斗形成的阻力及作 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 业环境是随机变化的，人只能根据实时观察判断及工作经验进行铲装作业， 因而实际与理想作业效率的差距是很大的。寻求具有人工智能的装载机工作 装置控制技术，辅助人进行铲装作业对提高装载机生产与经济效率是必要而 迫切的。对目前装载机作业控制系统改造的目的和意义有以下几个方面： 1 、原装载机作业功能简单，对驾驶员的操作水平要求较高，改进后采用 先进的电控液压系统，流量可进行精确控制，装载操作性能平稳顺畅，无论 微动作或高速作业都能准确完成，装载作业可实现自动平衡，回复至记忆位 置等功能。 2 、原装载机作业控制系统为詹阳动力与澳大利亚a d i 公司合作生产，其 核心技术为国外所掌握，不利于国内在这方面的长久发展，因此开发自己的 控制系统也是迫在眉睫的，填补了国内工程机械在高速装载领域的空白。 3 、汶川特大地震中用于救灾的装载机械主要以卡特彼勒、小松、日立的 产品为主，国内的柳工、徐工占少部分化”。国产装载机技术水平较低，受国外 品牌的冲击大。因此，采用智能控制技术提高装载机的技术水平，既可满足 国内市场需要，也可增加出口，为我国工程机械行业做出贡献。 1 4 本课题的主要研究内容 为了改善装载机的工作装置的操纵性能，提高其操作的自动化程度，本 文围绕装载机工作装置智能作业控制问题，进行了以下几个方面的研究： l 、研究了电液比例位置控制系统的原理，阐述了作业控制系统的主要功 能和设计了电控部分的整体框图，并介绍了装载机的几种工作模式。 2 、研究了高速开关阀的控制原理，分别介绍高速开关阀、多路换向阀及 油缸的传递函数，在此基础上得出了液压控制系统的传递函数模型，为控制 器的设计奠定了基础。 3 、在给定系统数学模型的基础上，设计了液压控制系统的p i d 控制器和 参数自适应模糊p i d 控制器，并分别研究它们对系统变化的适应性，最后对 仿真波形进行分析和比较。 4 、本文建立了装载机作业控制系统的模型，主要包括信号输入模块、故 障检测模块、逻辑判断模块、记忆模块及作业操作模块等，并对模型进行仿 真，验证了模型的正确性。最后通过m a t l a b 自带的r t w 将作业系统模型生 成c 代码，这样大大地减少了编写代码的工作量，修改方便且缩短开发期。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章装载机作业控制系统设计 2 1 装载机工作装置操纵系统描述 图2l 装载机g d g l 3 0 装载机是一种具有较高作业效率的工程机械，它不仅可以用来对松散的堆 积物进行铲、装、运、挖等多种作业，还可以用来对整理、刮平场地以及进 行牵引作业。装载机一般由柴油机系统、传动系统、防滚翻与落物保护装置、 驾驶室、空调系统、转向系统、液压系统、车架、工作装置、制动系统组成。 由发动机传来的动力经变矩器传给变速箱，再由变速箱把动力经前后传动 轴分别传给前后驱动桥，以驱动车轮前进。同时，发动机还将一部分动力传 给液压油泵，为传动系统、转向系统和工装液压系统提供动力。 工作装置由动臂、铲斗、摇臂和拉杆等零部件组成，如图21 所示。动臂 的后端与车架相连，前端安装铲斗，中部与动臂油缸连接。当动臂油缸伸缩 时，动臂绕其后端铰接点转动，实现铲斗提升或下降。摇臂的中部和动臂连 接，两端分别与拉杆和转斗缸连接。当转斗油缸伸缩时，使摇臂绕其中间支 撑点转动，通过拉杆使铲斗前翻或后翻。 装载机工作装置的功用是对物料进行铲掘、装载作业。工作装置最主要的 两个运动部件是动臂和铲斗。动臂和铲斗分别在油缸的驱动下，各自绕其铰 接点回转两者的联合运动，完成铲掘、装载、提升、卸载、下降等动作。 工作装置操纵系统由工作装置机构、操作系统、液压系统和控制系统组成， 在装载作业时，驾驶员操纵动臂手杆和铲斗手杆，它们发出模拟电压信号， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 经控制系统处理后，驱动电液比例先导阀，推动油缸，油缸运动经工作装置 机构传给动臂和铲斗，使动臂和铲斗按照指令的方向和速度运动。 2 2 电液比例控制技术 2 2 1 电液比例技术发展概况 广义上说，电液1 ：1 二n 控制也是伺服控制的一种技术。这样，比例控制就可 以认为从伺服阀的出现就产生了。上世纪4 0 年代因军事上的需要而产生了伺 服阀。伺服阀的输出量( 压力或流量) 正比于输入的控制电流或电压，它是 电器和液压的接口元件。伺服技术被认为在上世纪5 0 年代已日趋完善。伺服 阀的快速响应和高的控制精度，以其明显的技术优势，迅速在高精度、快速 响应的领域中，如航天、航空、轧钢等领域广泛地应用。但是由于电液伺服 器件的价格过于昂贵，对油质要求十分严格，控制损失( 阀压降) 较大，使 伺服技术难以被广泛的工业应用所接受。 在很多的工业应用场合，要求有一般的高质量的控制手段，却并不要求较 高的控制精度和响应特性，随着现代工业的迅猛发展，要求发展一种廉价、 节能、维护方便、适应大功率控制且有一定控制精度的电液比例控制技术， 而现代电子技术和测试技术的发展为工程界提供了可靠而廉价的监测、校正 技术。这些为电液比例技术的发展提供了有利的条件。 在此条件下，自上世纪6 0 年代以来，现代意义下的比例技术从两方面发 展起来。一方面是在高性能的伺服阀的基础上发展了工业伺服技术。其特点 是适应简化伺服阀的结构，降低它的制造精度，增大电一机械转换器的输出 功率水平和改善阀的抗污染性能。但其结构复杂，价格仍十分可观，使其在 应用上仍受到限制。另一方面在普通的液压阀的基础上，采用廉价而可靠的 比例电磁铁作为电一机械转换元件，取代原来阀内的手动调节器或普通开关 式电磁铁，并相应地改进阀的设计和引入各种内反馈控制，从而出现一种廉 价的，耐污染的，与一般工业阀相同的，性能却能满足大部分工业控制要求 的比例元件。 比例阀自上世纪6 0 年代后期问世以来，也经历了几个发展阶段。初期只 是用电磁铁取代手轮调节，其它结构没有变化，频宽仅2 - 3 h z 。自上世纪8 0 年代以来，比例元件由于引入受控参数更完善的反馈、校正和优化设计，除 了为降低成本所限，仍保留中位死区，其它性能可以与工业伺服阀相比拟， 频率达2 0 0 h z ，滞环0 。3 ，其性能与伺服阀无异幢”。 2 2 2 电液比例控制的特点及应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 电液比例阀是介于开关型的减压阀与伺服阀之间的一种液压元件，与电液 伺服阀相比，其优点是价廉，抗污染能力强，除了在控制精度及相应快速性 方面不如伺服阀外，其它方面的性能和控制水平与伺服阀相当，启动静态性 能足以满足大多数工业应用的要求。在高精度、快速响应等高技术领域传统 上是伺服阀的市场，但现在闭环比例技术也是一种新的选择。与传统的液压 控制阀相比较，虽然价格较贵，但由于其良好的控制水平而得到补偿。因此 在控制要求比较高的地方，传统的开关阀就逐渐由比例阀来取代。比例控制 阀还可以具有流量、压力与方向三者之间的多种复合控制功能。这使的比例 控制系统较开关阀控制系统不但控制性能得以提高，而且系统更简化。 电液比例控制系统的主要优点是乜2 】 1 、操作方便，容易实现遥控： 2 、自动化程度高，容易实现编程控制； 3 、工作平稳，控制精度高： 4 、结构简单，使用元件少，对污染不敏感； 5 、系统的节能效果好； 其主要缺点是：成本高，技术复杂。 2 2 3 电液比例位置控制系统特点及原理 1 、电液比例位置控制系统的特点 电液闭环比例位置控制系统是控制系统中最常见的一种形式。过去，在 控制系统中，大多采用电液伺服控制，电液伺服控制系统虽然精度很高，但 伺服阀本身价格很贵，抗污染能力又低，对系统的清洁度要求很苛刻，系统 过滤精度很高，需单独设置伺服液压站，并采用不锈钢油箱及管路等。这样 又使得伺服系统本身造价提高。此外，电液伺服控制系统对维护的要求很高， 维护费用相应增加。这些因素都阻碍了电液伺服控制系统的大面积推广应用。 电液比例闭环位置控制系统，在控制精度不是特别高的场合，正逐渐显示出 它的优点和潜在的巨大市场。电液比例闭环位置控制系统的特点如下： ( 1 ) 比例阀的性能不断改善，已经能够满足大部分工业控制的稳定性、 准确性和快速性要求。 由于比例元件引入受控参数能够更加完善的反馈、校正和优化设计，除 保留有中位死区外，其它性能可以与工业伺服阀相比拟，频宽达1 0 2 5 h z ，稳 定性也提高了。由于采用了高响应直流比例电磁铁和相应的比例放大器、含 内置位置检测的电子装置和反馈闭环，以及采用零开口四边滑阀，使闭环比 例阀输出稳态特性中无中位死区，滞环仅o 3 ，频宽达到2 0 0 h z ，其性能与 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 伺服阀差别不大。 ( 2 ) 价格比较低廉，抗污染能力强，易于被广大工业用户接受。由于比 例阀是在普通液压阀基础上，采用低廉而可靠的比例电磁铁作为机一电转换 元件，并相应地改进了阀内的设计和引入了各种内反馈控制，从而比例阀具 有一般工业开关阀的特点，即价格比较低、抗污染能力强、不需要专门的系 统和易于使用、维护。 ( 3 ) 现在有些比例阀把传感器、测量放大器、控制放大器和阀集成在一 起成为机电一体化的元件，结构更紧凑，性能进一步提高。由于电子装置直 接装于阀体上，减小了插件和导线，从整体看阀更简洁和便于操作。只要接 受简单的指令，阀就能完成一系列的动作。 2 、电液比例位置控制系统的原理 电液比例位置控制系统控制量是位移和转角，。工程实际应用中，位置和 转角控制装置通常由带位置反馈的节流阀、方向比例阀、比例流量阀等组成。 电液比例位置控制系统的构成可以简化为图2 2 。 图2 2 电液比例位置控制系统 电液比例位置控制系统一般由液压动力源、控制机构、控制对象和位置 控制器组成。控制机构由电液比例阀、液压缸( 液压马达) 和负载三部分组成。 位置传感器由计算机或单片机、信号整形、位移反馈、校正装置和抗干扰回 路五部分组成。其中，位移反馈由位移传感器组成。计算机或单片机中存储 有给定位移曲线，通过函数发生器发生指令；信号整形用于提高系统的静、 动态特性。校正装置用于提高系统的静、动态品质。抗干扰回路用来消除外 来干扰。电液比例位置控制系统可分为定位控制、跟踪控制和保持控制三类。 定位控制是使执行元件定位于预定位置的控制，其目标位置恒定。跟踪控制 是使执行元件定位于预定位置的控制，其目标位置是随着输入指令信号连续 变化的。位置保持控制是把执行元件移到所需要的位置后将其固定在该位置 的控制类型。电液比例位置控制系统的动态指标与伺服系统相似，为稳定裕 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 度、位置误差系数、响应时间和穿越频率等。 2 3 作业控制系统的工作原理及组成 2 3 1 液压系统工作原理 本系统主要是通过操作控制手柄产生数字式电信号，通过动臂和铲斗的角 度传感器的位置反馈，控制电液比例先导阀的输出压力，从而控制主换向阀 阀芯的位置，实现控制工作液压缸的位置。工作装置电液比例控制系统的基 本构成如图2 3 所示幢“。 图2 3 系统的构成 该系统的主要组成元件有：电控操作手柄、计算机控制模块、动臂角度传 感器、铲斗角度传感器、电液比例电磁阀、液压缸等。 工作装置电液比例控制系统由两个液压泵供油，主泵用于控制动臂和铲斗 液压缸的运动；先导泵用于控制电液比例先导阀，进而控制主换向阀芯的位 移。先导泵的油液首先通过减压阀减至先导控制系统所需的控制压力，然后 进入控制油路安全锁定阀。安全锁定阀是为了防止误操作而设置的，它是一 个二位二通电磁换向阀，当操作者将控制开关置于“关闭 位置时，电磁铁 处于断电状态，此时对操作手柄的任何操作都不会使工作装置动作。当将控 制开关置于“开启 位置时，控制油液进入电液比例先导阀，通过作业操作 手柄控制电液比例先导阀完成工作装置的动作汹，。作业操作手柄操作方向图如 图2 4 所示： 1 、作业操作手柄 作业操作手柄是系统中的输入信号，随着手柄位置的变化，输出相应的电 信号，由控制器控制模块将信号放大并驱动相应的比例电磁阀，从而控制电 液比例减压阀输出相应的控制压力，控制主换向阀阀芯的位移，从而通过流 量控制动臂运动。操作手柄上有3 个模拟信号，用于控制液压阀的流量：4 合1 电位计位置信号、装载铲斗位置信号、装载动臂位置信号。操作手柄上 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 + 一斗装载 5 u 上 图2 4 操作手柄方向图 还有两个高电平有效按钮输入，用于执行固定操作，执行记忆操作。 2 、动臂上升 装载作业手柄向后拉动，此时手柄的位置传感器输出的电信号进入电液 比例先导减压阀的比例电磁铁，先导减压阀输出的压力信号与输入电信号成 比例，即手柄的角度越大，输出的电信号越大。电液比例先导减压阀的输出 压力越大，控制主换向阀阀芯的位移越大，主换向阀通过的流量越大，动臂 上升的速度越快。动臂上升，当操作手柄拉至指定位置时，手柄中的限位电 磁铁通电，手柄在指定位置被吸合，当升至手柄指定位置时，计算机控制模 块控制操作手柄限位电磁铁断电，手柄自动恢复到中位，动臂就可保持在所 限定的位置上。 3 、动臂下降 装载作业手柄向前推动，此时操作手柄中位置传感器发出与动臂上升时 相反的控制信号，控制动臂下降的比例电磁铁工作，电液比例减压阀输出相 应的控制压力，控制主换向阀阀芯向下运动，动臂下降。当操作手柄拉到下 降指定位置时，手柄中的限位电磁铁通电，手柄在指定位置被吸合，动臂下 降。当动臂下降到手柄指定的位置时，控制器模块控制手柄电磁铁断电，此 时动臂在限定位置停止。 4 、铲斗装载 装载作业手柄向左运动，手柄中位置传感器输出电信号通过控制模块控 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 制电液比例先导阀输出与之成正比的电信号，从而控制主换向阀中的铲斗控 制阀，使铲斗液压缸运动，完成装载动作。当手柄拉至最大位置时，手柄中 限位电磁铁通电，手柄在极限位置时被吸合，铲斗以最大速度向上翻转。当 转至指定位置时，限位传感器发出信号，计算机控制模块控制手柄限位电磁 铁断电，此时铲斗在指定位置停止。 5 、铲斗卸载 装载作业手柄向右运动，手柄中位置传感器输出电信号通过控制模块控 制电液比例先导阀输出与之成正比的电信号，从而控制主换向阀中的铲斗控 制阀，使铲斗液压缸运动，完成卸载动作。当手柄拉至指定位置时，手柄中 限位电磁铁通电，手柄在指定位置时被吸合，铲斗以最大速度向下翻转。当 转至与手柄对应位置时，限位传感器发出信号，计算机控制模块控制手柄限 位电磁铁断电，此时铲斗在指定位置停止。 2 3 2 液压阀的操作 系统控制一系列液压阀的操作，控制方式如下： 作业控制器提供电磁阀的供电和控制信号，电磁阀的故障反馈信号连接 到控制器的数字输入端。电磁阀的接地通过急停开关与控制器的某个接地端 连接，操作方式如图2 5 所示。 图2 5 液压阀的操作 若电磁阀不加电，无论信号线上是否有控制信号，电磁阀应位于中心位 置，并且流量为零。由控制器输出p 1 】i m 调制的电压信号控制电磁阀的操作。 液压阀工作不正常时，会产生故障反馈信号，当液压阀有故障信号时， 系统将记录故障并报警，并且关闭液压系统的供电。如果检测到液压阀组供 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 电输出开路或短路时，系统将记录故障并报警，并且关闭有故障的供电输出。 如果检测到液压阀信号线开路或短路时，系统将记录故障并报警，并且关闭 液压系统的供电。 液压系统加电时，液压阀应采用如下的供电过程，使其置于中心位置。 首先，输出占宽比为5 0 的调制信号，然后液压阀加电。关闭液压阀的供电 即可关闭液压系统。 液压急停开关用于切断所有的液压系统供电，当液压急停开关闭合时， 液压阀接地导通，所有的液压操作使能。当液压急停开关断开时，所有的液 压系统供电被切断。 2 3 3 装载作业电控系统主要功能 装载作业电控系统由操作手柄、装载臂位置传感器、装载斗位置传感器、 记忆设定开关、装载准备模式开关、控制器、闭锁电磁阀、装载铲斗电磁阀、 。吐 装载臂角度信号 ：臂 一电位计电压 7 电压1 2 v 。 r 一 r ：i , i l地。 过载信号 闭锁电磁阀 装载斗角度信号 l 斗广l 1 电位计电压7 ! 计 。“ 地 。 电乐1 2 v 。 r 控制铲斗信旷 ，- 谢、记忆模式设置。 错误反馈7铲斗电磁阀 f 关 j 电压 ： 地 装载模式1 电压1 2 v 。 萎黼 ； 控制抖动信号 - l 4 合l 电磁阀 r 地 手柄电压 控制器i f i 1 每柄中位输入信号 士r 广 17 r t nj v 装 地。 控制浮动信弓- 载 4 合1 位置信号。 r 浮动电磁阀 操 手柄前后位置信号。 地 作 手柄左右位置信号。 由i r1 、， 记忆操作信号。 屯m v 手 越野模式、 控制机臂信弓二 柄 传动中止信号 错误反馈机臂电磁阀 ： 地 图2 6 装载作业控制关系图 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 4 合1 电磁阀、浮动电磁阀、装载臂电磁阀组成、装载作业电控系统的控制关 系如图2 6 所示。 装载作业电控系统的主要功能是： l 、设定装载作业的装载准备模式，共有三个模式：模式1 为装载斗停在 离地4 0 0 m m ，装载斗保持水平，准备装载；模式2 为装载斗直接停在装料位 置，铲斗与地面贴平；模式3 为斗杆降到低位，直止贴近地面，铲斗仍保持 原来状态。在模式1 、模式2 和模式3 中，铲斗在下降过程中如遇到障碍物时 动臂会处于浮动状态。 2 、根据作业环境确定装载过程中的临时记忆点，按住记忆开关设置临时 记忆点，按下记忆操作按钮，装载装置将自动运动到刚才记忆的位置。 3 、接收、控制手柄输入的电信号，用于控制动臂及铲斗的动作；操作手 柄前后推拉，则装载机臂将抬升或下降。操作手柄的左右扳动，则装载铲斗 进行装或卸作业。比例控制按钮将控制铲斗的开合。 2 4 装载机的工作模式 2 4 1 手动操作模式 手动操作模式时，装载操作只按照操作员的指令工作，自己不进行任何 动作。操作手柄模拟输入被映射为相应调制宽度的输出，控制液压阀的流量。 当模拟信号位于中心位置时，流经阀的流量为零。表2 1 说明了每个信号的映 射。 控制器将读取的模拟输入信号映射为脉宽调制的占宽比，控制相应的输 出端1 2 1 。当操作手柄的中位信号有效时，则铲斗和机臂液压阀控制的占宽比 应为5 0 。 2 4 2 固定操作模式 3 位摇臂开关向控制器提供下面的模式选择输入：准备模式、浮动模式， 垂直模式，模式选择方式如表2 2 所示。 表2 2 模式选择 准备浮动模式 o f fo f f垂直模式 o f f0 n浮动模式 o no f f 准备模式 o no n 故障 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 表2 1 手柄信号的映射 装载铲斗操作手柄信号 装载动臂操作手柄信号装载4 合1 手柄信号 操作手柄铲斗液压阀操作手柄动臂液压阀操作手柄4 合1 液压阀 电压 输出占宽比电压输出占宽比电压输出占宽比 1 0 0 1 0 0 l o 0 l5 15 1 5 1 5 1 5 15 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 4 0 4