（电力电子与电力传动专业论文）基于iec611313标准的液压挖掘机智能控制器的研究.pdf

t h er e s e a r c ho fh y d r a u l i ce x c a v a t o r i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rb a s e do ni e c 6 11 3 1 3 s t a n d a r d a b s t r a c t h y d r a u l i ce x c a v a t o r i sa n i m p o r t a n te n g i n e e r i n gm a c h i n e r y ，p l a y a n i m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r i a la n dc i v i lc o n s t r u c t i o n ，m i n ef i e l d se t c b a s e do nt h e s t a n d a r di e c 61131 - 3 p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，t h i sp r o j e c t i s g e n e r a l i z e d ， i n t e l l i g e n t ，m o d u l a ra n dp o r t a b l e u s i n gt m s 3 2 0 f 2 8 1 2a st h ec o r ep r o c e s s o r h a st h ea d v a n t a g e so fp o w e r f u lc a p a b i l i t yi nd a t ap r o c e s s i n ga n dh i g hs p e e d t m s 3 2 0 f 2 81 2h a sa b u n d a n to n - c h i pp e r i p h e r a le q u i p m e n t s ，s om a k e si te a s yt o t h ei n t e r f a c ec o m m u n i c a t e i o na n dm o d u l a rd e s i g n ，i tc a na l s oa c h i e v ec o m p l e x c o n t r o la l g o r i t h m s t h ee x p l o i t a t i o nw h i c hb a s e do nt h es t a n d a r di e c 61131 - 3 h y d r a u l i ce x c a v a t o rc o n t r o l l e rc a nn o to n l yi m p r o v i n gt h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t o fe x c a v a t o r ，e n l a r g i n ge x c a v a t o r sf u n c t i o n s ，s a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gn o i s e e t c ，b u ta l s ow i d e l ya p p l yi nt h ef i e l do fe n g i n e e r i n gm a c h i n e r y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i ce x c a v a t o r s ，t h ec o n t r o l l e ro t t h eh y d r a u l i ce x c a v a t o ri sd e v e l o p e db a s e do nc h o o s i n gt m s 3 2 0 f 2 812a st h e c o r ep r o c e s s o r t h ei n p u ta n do u t p u tc o m p o n e n t so ft h ec o n t r o l l e ra r es e l e c t e d ， t h ec i r c u i t so ft h e p o w e rm o d u l e ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，m e m o r y m o d u l e ，c a nm o d u l ea n dd am o d u l ef o rt h ec o n t r o l l e ra r ed e s i g n e di nt h i s t h e s i s t h et h e s i sd e s c r i b e st h et r a n s f e rf u n c t i o no fp r o p o r t i o no fe l e c t r o - h y d r a u l i c c o n t r o ls y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h et r a d i t i o n a lp i da n dt h eb pn e u r a l n e t w o r kp i da r eg i v e n ，w h i c hi n d i c a t et h eb pn e u r a ln e t w o r kp i dm e t h o d sg e t s b e t t e ri ns t e a d ys t a t ee r r o rc o n t r o l l i n g ，o v e r s h o o tc o n t r o l l i n g t h es o f t w a r eo fp w m m o d u l e s s t e p p e rm o t o rc o n t r o l l e rm o d u l ea n dp i d m o d u l ei sp r o g r a m m e db yt h ei e c 61131 - 3s t a n d a r dl a n g u a g e i ta c h i e v e s g e n e r a t i n g p w mw a v e f o r m ，d r i v i n g s t e p p e r m o t o ra n d c o n t r o l l i n g t h e t h r e e t a n kl i q u i dl e v e l t h ec o n t r o lo ft h eh y d r a u l i ce x c a v a t o rw i l lb er e a l i z e db y t h i st e c h n o l o g y k e yw o r d s ：t m s 3 2 0 f 2 8 12 ；i e c61131 - 3 ；c o n t r o l l e r ；h y d r a u l i ce x c a v a t o r 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均己在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：彭敷 了。9 尸年7 月尹日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囤卸时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 敝储躲参乡复新龇物当加。产7 月f 日 l r - - 于i e c 6 11 3 1 - 3 标准的液压挖掘机智冀艺控制器的研究 1 1 研究背景与国内外现状 第一章绪论 挖掘机是一种重要的工程机械，是工程机械行业的排头兵，由于自身机动灵 活的特点，在工业与民用建筑、交通运输、矿山开采、水利电力建设等领域起着 极为重要的作用【lj 。据统计，一般工程施工中约有6 0 的土方量，露天矿山中8 0 的剥离量和采掘量是由挖掘机完成的。液压挖掘机具有调速范围大、可实现无级 调速、低转速时也较为稳定、快速作用时液压元件的运动惯量小、可作高速反转、 传动平稳、结构简单、能吸收振动和冲击、操作省力、易实现自动化控制等特点， 因而液压挖掘机成为挖掘机行业的主流。随着我国国民经济的飞速发展，基础建 设项目的增多，对液压挖掘机的需求量也在不断的增加。伴随着人类活动领域不 断的拓宽，传统液压挖掘机存在的问题越来越不容忽视：作业时劳动强度较大， 在进行挖掘操作时，操作者需要在视觉和听觉的基础上，依靠经验知识进行推理 以对挖掘过程进行控制和监视，体力和脑力消耗极大；工作环境恶劣，常常伴随 有强烈的震动、噪音和尘埃，机器对操作者的技术依赖较大，缺乏训练和经验的 操作者难以完成高质量作业，例如平整作业要保证作业精度，需要操作者具有足 够的经验和判断力，目测并同时操纵几个手柄。随着人们对环保节能的日益重视， 对液压挖掘机也提出了节能环保要求。节能控制在液压挖掘机领域的目的不仅仅 是提高燃油利用率，更重要的意义在于能够取得一系列降低使用成本的效果【2 】【3 1 。 采用节能技术后，可以提高发动机功率的利用率，减少液压系统功率损失、降低 了发动机和液压元件的工作强度。目前液压挖掘机的研究和发展主要致力于解决 以下两个问题：改善操作者的劳动条件和提高机器的生产率和降低工作损耗。 基于i e c 6 11 3 1 - 3 标准的液压挖掘机智能控制器，由符合i e c 6 11 3 1 3 标准的编程系统 和嵌入式系统构成，实现挖掘机的各种控制功能。基于i e c 6 11 3 1 3 标准的编程语言，具 有通用性、模块化、可移植、智能化的特点。此课题的研究对于提高我国液压挖掘机控 制系统技术含量，增强挖掘机的国家竞争力具有重要的作用。还可以应用于其它工程机 械电液控制系统、城市轨道交通、军工、市政车辆、加工制造业等领域。 1 1 2 国内外挖掘机控制器研究现状 自上世纪9 0 年代以来，国外工程机械控制器的发展进入了一个新的发展时期，随 着计算机技术、电子技术、传感器技术、机电一体化技术的发展，在计算机故障诊断与 广西大学硕士学位论文基于i e c 6 11 3 1 3 标准的液压挖掘机智能控制器的研究 监控、精确定位与作业、发动机燃料燃烧控制和人机工程学等方面，进行了大量的研究 【4 】【5 1 。开发出与各种工程机械相匹配的软、硬件系统，使工程机械向信息化、智能化方 向大步前进，提高了工程机械的科技含量，完善了产品的标准化、系列化和通用化，改 善驾驶人员的工作条件，向节能、环保方向发展。目前高可靠性工程机械控制器的市场 几乎全部被德国的力士乐和西门子、芬兰的e p e c 、日本的日立、三菱等公司占据。工 程机械控制器大体上可以分为以下三种： ( 1 ) 以可编程逻辑控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 为核心的控制器。 p l c 作为一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计的。它采用可编 程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操 作，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。p l c 有以 下优点： 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。 2 ) 配套齐全，功能完善，适用性强。 3 ) 易学易用，深受工程技术人员欢迎。p l c 的编程语言易于为工程技术人员接受， 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用p l c 的少量开关量 逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。 4 ) 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造【6 l 【5 ”。 但是p l c 的软硬件体系结构是封闭的，绝大多数的p l c 使用专业总线，专用通信 网络及协议，各个公司的组态、寻址、结构不一致，使各种p l c 互不兼容，当用户选 择了一种p l c 产品后，必须选择与其相应的控制规程，并且学习特定的变成语言。另 外p l c 价格比较昂贵，采用循环扫描方式工作，难以满足工程机械复杂的作业环境及 各项功能的要求，因此正在逐步退出工程机械市场，被专业运动控制器取而代之。 ( 2 ) 以微控制器m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) 为核心的控制器。嵌入式控制器的典型代 表是单片机。单片机芯片内部集成r o m e p r o m ，r a m ，总线逻辑，定时器计算器， 看门狗，i o 口，串行口，脉冲调制输出a d 转换，f l a s h 存储器等各种功能和外设。嵌 入式微控制器的特点是单片化，体积小，片外外设比较丰富，适合于控制。比较典型的 代表有8 0 5 1 ，m c s 2 5 1 ，m c s 9 6 等。缺点有些控制器内部没有实时操作系统，这一缺 点限制了其控制能力。同时，单片机容易受外界强电、磁场、电脉冲的影响。 ( 3 ) 以嵌入式d s p 为核心的控制器。数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ) 技术及设备具有灵活、精确、设备尺寸小、性能稳定等优点。广泛应用于电动机及运动 控制、测量与数字控制测量与数字媒体技术、机器人控制等各个领域，成为目前最有发 展潜力的技术、产品。成为控制器的主流和发展方向。d s p 芯片普遍采用数据总线和程 序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，采用流水线技术，在不提高时钟频率的条件 下减少每条指令的执行时间。地址、数据总线分开，数据输入、输出能力很强【7 】【4 9 1 。进 2 基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准的液压挖掘机智能控制器的研究 行数字信号处理时不仅速度快，精度也高。 数字信号处理器( d s p ) 的出现，改变以往单片机只能处理逻辑和简单数学计算的状 况，使得控制器可以进行复杂的数字运算。d s p 具有强大、高速的数字处理能力，可以 进行实时信号处理，易实现智能算法。通过以上分析，我们选择了数字信号处理器( d s p ) 作为液压挖掘机行驶系统的主控制器。 在主流控制器中，比较典型的代表有：西门子s 7 2 0 0 系列p l c 在各种场合的检测、 监测及控制自动化领域均有较多的应用；德国力士乐公司的m c 系列微控制器在工程机 碱领域中应用较多，m c 微控制器采用西门子1 6 位微控制器c 1 6 7 ，以输入输出点数、 内部存储器容量的不同为标准，可以分为m c 6 、m c 7 、m c 8 三大类。通过不同的控制 软件，可以应用于摊铺机、铣刨机、挖掘机等各类工程机械；芬兰e p e c 公司提供的 e p e c 2 0 0 0 系列模块，适应恶劣环境，能够做到防震、防水、防尘。工作温度范围宽， 多点p w m 输出，输出点具有短路和过载保护功能；驱动能力强；具有控制器局域网络 ( c a n ，c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 通信接口及抗电磁干扰功能，对于电液控制系统特别适 用。e p e c 2 0 0 0 系列模块控制单元程序编写简单，通过开放式p l c 应用程序，利用在普 通w i n d o w s 环境下运行的c o d e s y s 编程工具可进行开发和调试，然后通过c a n 总线下 载到控制单元中。 近年来，i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准已成为工业自动化的基础性国际标准。不仅各类可编程控 制器( p l c ) 产品，而且集散控制系统( d c s ) 、人机界面( h m i ) 和现场总线等，这些产品的 制造商都提供基于国际标准i e c 6 11 3 1 3 的编程体系。i e c 6 11 3 1 3 标准将信息技术领域 一些先进的思想和技术( 如软件工程，结构化编程，模块化编程，面向对象的思想和网 络通信技术等) 弓i a i k 控制领域，弥补克服传统了p l c 和d c s 等控制系统的弱点( 开 发性差，兼容性差等) 【8 】。使用符合这一标准的控制器，即使它们由不同制造商生产，其 编程语言也是相同的，使用方法也是类似的。可以做到“一次学习，各处使用。是工 业控制系统编程语言的第一个国际标准。该标准适应了当今世界软件、工业控制系统的 发展方向。为了推广i e c 6 11 3 1 3 标准，世界上许多公司开发出各种符合该标准的开发 软件平台，加拿大i c s t r i p l e x 公司的i s a g r a f , 德国i n f o t e a m 的o p e n p c s 、德国3 s 公司 的c o d e s y s 。这些软件不依赖与特定的p l c 硬件产品。许多p l c 和d c s 生产厂商都在 这些开发平台上进行二次开发，并据此再将其高附加值的功能和控制算法嵌入其中 1 1 1 6 3 1 1 6 4 】。采用基于i e c 6 11 3 1 3 标准的编程语言对用户来说具有以下优点： ( 1 ) i e c 6 11 3 1 3 合理吸收和借鉴了各个可编程控制器厂家的技术而形成的一套新的 国际编程语言标准。极大的改进了工业控制系统编程软件的质量，提高了软件的开发效 率。它规定5 种编程语言，为控制器生产厂商，系统集成工程师的编程带来很大的方便。 自i e c 6 1 1 3 1 3 标准正式公布后，经过长期的推广应用和不断完善，它获得了广泛的接 受和支持，在工业控制领域产生了重要的影响，为全球越来越多制造商和客户所接受， 广西大学硕士学位论文基于i e 6 11 3 1 3 标准的液压挖掘机智冀皂控制器的研究 并且成为d c s 、p l c 、i p c 、p a c 、运动控制以及s c a d a 的编程系统事实上的标准。 ( 2 ) 现代工程机械控制器对系统“开放性 的要求越来越高，i e c 6 11 3 1 3 标准正是 适应了这种要求。它具有良好的开放性，可以嵌入用户的特定功能和先进控制算法，其 运行内核可以移植到不同的硬件平台。 ( 3 ) i e c 6 11 3 1 3 标准编程简单，具有良好的开放性：可以嵌入复杂的控制算法，如 模糊控制、专家控制算法等。运行内核可以移植到不同的硬件平台。普通的工程技术人 员易于掌握。与工业控制编程语言通用，能够与不同厂家，不同项目的软、硬件集成运 行。有利于工程应用的推广采用，减少了人力资源( 如培训、调试、维护和咨询等) 的浪 费【8 】【9 】【10 1 。 得利于我国经济的快速发展和大规模基础设施的建设，我国液压挖掘机行业得到了 较快的发展。国内比较著名的液压挖掘机生产厂商主要是三一重工、柳工、徐工、厦工 等工程机械制造企业。其中三一重工s y m c ( s a n ym o t i o nc o n t r o l l e r ) 是三一重工于2 0 0 6 成功推出的具有完全自主知识产权的工程机械专业运动控制器。该产品实现的单机i o 热备用，浮地p w m 电源反馈、智能功率单元等多项技术均为业界首创，其输入输出点 数、驱动带载能力、通信能力等控制器关键性能指标居业界第一、而且功能设置方面更 加适合国内控制器的应用现状。s y m c 被广泛应用于泵车、起重机、摊铺机。由于国内 众多的生产厂家至今没有掌握工程机械制造领域核心技术，绝大部分产品在国际市场上 处于二、三流的地位【3 j 。我国液压挖掘机主要存在的问题是： ( 1 ) 国内发动机以及液压系统、控制系统中的关键部件基本上都从国外进口，生产 成本高，制约了国产机的竞争力。控制器多采用德国的力士乐、芬兰的e p e c 等2 0 世 纪9 0 年代技术成熟的硬件平台，大多采用英飞凌的1 6 位单片机为核心构造系统，控制 组态编程环境均o e m 或定制德国3 s 公司的c o d e s y s 系统。近几年来，国内的大多数 企业才逐渐认识到要提高工程机械产品的市场竞争力，必须掌握先进的控制技术和开发 出具有自主知识产权的产品。 ( 2 ) 自己研究的控制器通用化较差。尽管国内不少单位也在进行工程机械控制器的 研究，实现了机群智能化的工程机械，但是所开发出来的工程机械控制器没有统一的编 程标准，不同控制器的编程语言和编程方法不一致，导致编程能力较差，二次开发比较 困难【8 j 。造成人力资源的浪费。因而亟待需要标准化的工程机械控制平台来解决控制器 不通用，互换性差的问题。所以应大力推广国际电工委员会( i e c ) $ j j 定的工业控制编程语 言6 11 3 1 - 3 的应用。我国在这方面的研究起步较晚，目前基于i e c 6 11 3 1 3 标准的控制 系统仅在工业生产过程控制领域有一定的应用，如电梯控制、注塑机控制等方面。一些 高校也在这方面作了一些研究工作，并取得了一定的研究成果，如浙江大学设计了基于 i e c 6 1 1 3 1 - 3 的可视化虚拟仪表平台，柳工组织的“机群智能化工程机械 课题，就是以 工程机械集成化操作与智能控制研究为基础。 4 基于i e c 6 1 1 3 卜3 标准的液压挖掘机智能控制器的研究 ( 3 ) 人机工程学尚未普遍应用。驾驶室与操作界面不协调，造成操作不舒适。控制 系统可靠性需进一步加强。 1 2 课题的意义 我国自主研发的基于i e c 6 11 3 1 3 标准的控制器在液压挖掘机上的应用尚未完全普 及，该技术的应用不仅有利于液压挖掘机控制控制器的升级，提供更加精确的控制操作 和更加人性化的人机操作界面，减轻操作者的工作压力，提高施工精度。其基于 i e c 6 11 3 1 3 标准的控制平台符合开放性，标准化的要求。可移植性高，符合当今工程机 械控制技术发展的趋势，亦可以使用在其它工程机械上。因此此课题的成功开发对于提 高我国工程机械控制器的科技水平和技术含量，提高市场竞争力具有一定的意义。 广西大学硕士学位论文 基于i e c 6 11 3 1 3 标准的液压挖掘机智能控制器的研究 第二章液压挖掘机液压系统组成 2 1 液压挖掘机工作装置 2 1 1 液压挖掘机的组成 液压挖掘机主要由发动机、液压系统、工作装置、回转和行走装置和电气控 制等部分组成。发动机是液压挖掘机的动力源，一般采用柴油机。液压系统由液压 泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。工作装置是直接完成挖掘 任务的装置。它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。动臂起落、斗杆伸缩和铲 斗转动都用往复式双作用液压缸控制。为了适应各种不同施工作业的需要，液压 挖掘机可以配装多种工作装置，如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤 等多种作业机具。回转与行走装置是液压挖掘机的机体，转台上部设有动力装置 和传动系统。电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传 感器、电磁阀等j 。 2 1 2 液压挖掘机的作业过程 液压挖掘机的作业过程是以铲斗的切削刃切削土壤并将土装入斗内，铲斗装满后提 升、回转到卸土位置进行卸土。铲斗是液压挖掘机的主要工作装置，它由斗杆油缸、斗 杆、动臂、铲斗油缸、动臂油缸、摇杆、连杆、铲斗等组成，各部件通过铰接联系。动 臂下铰点铰接在转台上，利用动臂油缸的伸缩，使动臂绕动臂下铰点转动，依靠斗杆油 缸使斗杆绕动臂的上铰点摆动。而铲斗铰接于斗杆前端，并通过铲斗油缸和连杆使铲斗 绕斗杆前铰点转动。为增大铲斗转角，通常以连杆机构与铲斗连接。从而通过油缸的伸 缩来实现挖掘过程中的各种动作。根据油缸运动的不同，挖掘可分为以下几种情况： ( 1 ) 动臂挖掘：当采用动臂油缸工作来进行挖掘时( 斗杆和铲斗油缸不工作) ，可 以得到最大的挖掘半径和最长的挖掘行程。 ( 2 ) 斗杆挖掘：当仅用斗杆油缸进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹为圆弧线，弧线的长 度与包角决定于斗杆油缸的行程。 ( 3 ) 铲斗挖掘：当仅以铲斗油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹也为圆弧线，弧 线的包角及弧长决定于铲斗油缸的行程。 在实际挖掘作业时，常采用个油缸联合工作。当挖掘深度较大时，需采用动臂与斗 杆两种油缸同时工作；当挖掘过程需要改变铲斗切削角时，则要求斗杆和铲斗油缸同时 t 作1 1 2 1 1 3 1 1 4 l _ rd 6 广西大掌硕士掌位论文基于i e c 6 11 3 1 3 标准的液压挖掘机智能控制器的研究 2 2 液压挖掘机液压系统 2 2 i 液压挖掘机液压系统功能 液压系统是挖掘机实现各种运动和进行自动控制的基础。现代液压挖掘机能够根据 工作环境和作业条件，自动实现分功率变量以保证在任何情况下发动机均不超载。为了 使发动机运行平稳且功率得到充分利用，还应设置减速系统( a u t os l o w ) 和负控制系统 ( n e g a t i v ec o n t r 0 1 ) ，以便当其工作装置不动作时，使发动机油门自动减少，并使液压泵 排量减至最小以节省能量。根据挖掘机工况变化大而快这一特点，为有效利用发动机功 率，且保证安全，正常作业，液压挖掘机控制系统应具有下列功能【4 6 】【4 7 】： ( 1 ) 速度传感：检查发动机转速是否在输出范围内，并控制液压泵驱动扭矩使二者 匹配及防止发动机熄火。 ( 2 ) 负荷传感：调节液压泵排量，根据实际工作时每个执行元件对流量的需求，已 达到节省能量并获得精确操纵机器的效果。 ( 3 ) 流量分配控制。为实现工作装置的联合动作，需控制每个执行元件( 如斗杆液 压缸、铲斗液压缸等) 不同的压力和流量。当液压系统只有一台主泵时，流量分配控制 使各执行元件同时动作，满足不同的要求。 ( 4 ) 行走马达控制。设置高速、中速、低速行走选择系统，实现机器行走随外载荷 变化自动变速，使行走速度与操纵手柄位置相对应【1 】【1 1 1 1 1 5 1 1 4 引。 2 2 2 液压挖掘机液压系统的组成 液压系统是以液体为工作介质，并利用液体压力传递能量的一种传动方式。 具有输出功率大、传动平稳、动作灵敏、易于控制等优点。在各种工程机械中得 到了广泛的应用。液压系统的组成示意如图2 1 。一个完整的液压系统一般由以下 五个部分组成1 5 0 j ： ( 1 ) 动力装置：指液压泵，是液压系统的动力元件，其作用是将原动机( 柴油 机) 的机械能转换成为液体的液压能，并向系统提供具有一定压力和流量的液流。 包括为适应闭环反馈自动控制的电液比例变量泵、电液伺服变量泵、负载敏感泵 在筮 手o ( 2 ) 控制装置：由液压系统和电控系统组合而成，利用各种传感器及电磁阀来监视 控制各种操作数据。这些数据变换为电信号传送给m c u ，经m c u 处理后发出并控制 各个促动器在最适当的状态下工作。其中液压系统主要指各类液压阀，主要指方向控制 阀、压力控制阀和流量控制阀，用于控制和调节液压系统中液压油的流动方向、流量和 压力，从而控制执行元件的运动方向、运动速度、作用力和动作顺序等，以满足各类执 行元件不同的动作要求u6 。按用途一般可由以下三种组成： 羞t - t - i e c 6 11 3 1 3 标准的液压挖掘机智能控制器的研究 1 ) 方向阀：用来控制液压油的通断或切换液压油流动的方向，以满足执行元件的 启停和运动方向。 2 ) 换向阀：利用阀芯与阀体之间的相对运动来改变阀体上各油口的连通情况，从 而改变油液的流动方向和油路的通断。 3 ) 压力阀：用来控制和调节液压系统的压力，达到控制其他元件动作的目的。 ( 3 ) 执行装置：指液动机，包括作直线运动的液压缸和做旋转运动的液压马达，前 者实现直线往复运动，后者实现连续的旋转运动，作用是将液体的液压能转换为工作装 置需要的机械能，以实现预定的工作目的。一般采用带陶瓷镀层的液压缸，能防腐蚀、 耐磨损，便于在污染环境中工作。 ( 4 ) 辅助装置：包括油箱、滤油器、管道、压力表、油位油温表等元件，作用是保 证液压系统持久、稳定、可靠的工作。 ( 5 ) 工作介质：指液压油，是液压系统中传递能量的工作介质。目前采用的主要是 矿物油、乳化液、高水基液压油和合成型液压油等f l7 1 。 液压系统的功能是：以油液为工作介质，利用液压泵将发动机的机械能转变为液体 的压力能，通过液压压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路传递，借助于液 压执行元件( 缸和马达) 把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现液压挖掘 机的各种动作。 图2 - 1 液压系统的组成不惫图 f i g 2 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fh y d r a u l i cs y s t e m 液压传动系统与其他形式的传动系统相比，具有以下优点： ( 1 ) 功率密度大，结构紧凑，质量轻； ( 2 ) 可实现无级调速，且调速范围大； ( 3 ) 运动平稳，冲击小，工作可靠； ( 4 ) 易于实现过载保护和自动控制； r 动 j 西大掌硕士学位论文基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准的液压挖掘机智冀皂控制器的研究 ( 5 ) 工作介质采用矿物油，自润性好。散热能力强，元件寿命长； ( 6 ) 中间省去了动力减速器，消除了齿轮间隙和磨损； ( 7 ) 液压缸和液压马达结构简单，价格低廉； 2 2 3 液压挖掘机对液压系统的要求 由于液压挖掘机的动作复杂，机构经常启动、制动、换向，负载变化大，冲击和振 动频繁，而且经常野外施工作业，温度变化和地理条件差别大。液压系统设计的合理如 否，对挖掘机的性能起着决定性的作用。根据液压挖掘机的工作特点，液压系统应该满 足以下要求： ( 1 ) 工作可靠，寿命长。必须保证系统设计合理，有安全保护措施，液压元件工作 可靠，不出故障以减少停车维修时间，提高效率。能承受大负载和剧烈振动冲击。 ( 2 ) 液压系统应具有较高效率，以发挥发动机的动力性和燃油经济性。还应该有良 好的工作性能，保证工作装置工作平稳，操作灵活，轻便。 ( 3 ) 液压挖掘机工作环境较为恶劣，尘土多，液压油易被污染，对液压系统的密封 性要求较高。 ( 4 ) 尽量采用先进的控制技术，以提高液压挖掘机的技术性能指标，提升液压挖掘 机操作的舒适性，减轻操作人员的劳动强度【1 8 】。 2 3 液压挖掘机控制系统 2 3 1 液压挖掘机控制系统简介 目前，机电液一体化是液压挖掘机的发展方向，目的是实现液压挖掘机的全自动化， 对机电液一体化的研究，主要集中在液压挖掘机控制系统上。液压挖掘机控制系统是指 对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件( 液压缸、液压马达) 等动力系统进行控制的 系统。按控制元件来分，可以分为发动机控制系统、液压泵控制系统、阀控制系统、执 行元件控制系统。液压挖掘机控制系统已发展到复合控制系统。 2 3 2 发动机控制系统 液压挖掘机使用的柴油机的输出扭矩基本不变，功率的变化表现为转速的变化。油 门开度的增减决定柴油机输出功率的大小，即不同的油门开度对应着不同的柴油机转 速。对柴油机的控制是通过对油门开度的控制，实现柴油机柴油机转速的调节。对发动 机油门的控制是通过步进电机控制调速器杆实现的。 液压挖掘机能量的利用率仅为2 0 左右，液压挖掘机柴油机采用电力功率优化系统 ( e p o s ) 可以明显达到充分利用柴油机的功率、提高挖掘机的作业效率的效果。电子功率 9 广西大掌硕士学位论文 基于i e c 6 11 3 1 3 标准的液压讨宅掘机智能控制器的研究 优化系统根据发动机负荷的变化自动调节液压泵所吸收的功率，使柴油机转速始终保持 在额定转速附近，该系统由以下几部分组成：柱塞泵斜角度调节装置、电磁比例减压阀、 e p o s 控制阀、发动机转速传感器及发动机油门位置传感器。发动机转速传感器为电磁 感应式，用来检测柴油机的实际转速，固定在飞轮壳的上方。发动机油门位置传感器由 行程开关和微动开关组成，两开关并联，以提高工作可靠性。前者与喷油泵供油拉杆相 连，后者安装在柴油机喷油泵调速器上。它工作过程如下：e p o s 控制器通过转速传感 器检测柴油机的实际转速，并与控制器内所存储的柴油机额定转速值相比较。柴油机实 际转速若低于设定的额定转速，e p o s 控制器便增大驱动电磁比例减压阀的电流，使其 输出压力增大，继而通过油泵斜盘角度调节装置减少斜盘角度，降低油泵的排量，重复 上述过程，直到实测柴油机转速与设定的转速相符合为止。若实测柴油机转速高于设定 转速，e p o s 控制器便减小驱动电流，增大油泵的排量【1j 【l l j 【5 4 】。 2 3 3 液压泵控系统 泵控制系统以液压伺服器( 变量泵) 为功率放大元件的系统，通过改变泵的排量来控 制进入执行元件的流量，从而达到控制输出速度的效果。泵控制系统主要有： ( 1 ) 负荷传感控制：该系统的作用在于节省能源及提高微动作操作性，按负荷的轻 重调节主泵的流量，使两个控制阀之间的压差保持一定。负荷传感系统由可变柱塞泵、 控制阀及卸载阀构成。该系统使筷子阀两边一定，调节泵流量使泵输出压力经常维持在 操作中的促动器输出压之上。按每个触动器操作的需要，得到适当的泵流量，既节省了 能源，又进一步改进了挖掘机的微动控制性。来自操作油箱的油由泵输出后，流至控制 阀和压力传感器。然后一方面经过可变压力补偿阀流至各个主阀槽内，另一方面则流至 卸载阀。 ( 2 ) 速度传感控制：该系统的作用在于提高生产能力及在高地上的操作性能，根据 发动机转速变化调节主泵流量、改变泵输入扭矩来提高发动机的效率。速度传感系统控 制发动机速度和液压泵驱动扭矩，以达到有效利用发动机输出的扭矩或避免发动机失速 1 l 11 1 1 5 6 5 7 。 2 3 4 阀控系统 阀控系统又称节流式系统，是以伺服阀( 电液伺服阀、电液比例阀) 为功率放大元件 的系统，由伺服阀来控制进入执行元件的流量，从而改变输出速度。阀控制系统主要有： ( 1 ) 分流控制系统：该系统可改进复合性操作、作业量及微动操作性，按负荷的多 少适当调节可变压力补偿阀。分流控制系统能以一台泵的液压油同时有效地使各个触动 器在不同的负荷油压下发挥功能。系统内泵的动作和可变压力补偿由v v c ( 泵阀控制器) 控制。例如：通过动臂汽缸启动之前压差的大小确定小臂汽缸的液压油供油量。动臂汽 1 0 广西大掌硕士掌位论文基于i e c 6 11 3 1 3 标准的液压挖掘机智冀岂控制器的研究 缸启动时，动臂油压通过动作阀引进差压传感器内。压力传感器把压差信号传送至p v c ， p v c 信号传送至高速电磁阀去变换泵的斜盘倾角，控制油量。 ( 2 ) 作业选择控制系统：该系统用来控制可变压力补偿阀，使触动器速度在最适当 情况下实施各种作业上需要的动作。工作方式选择器可以使机器配合工作的需求来发挥 能力。工作方式选择器通过可变压力补偿阀来控制每个油缸的油流量或马达速度。作业 选择系统主要由一下4 种方式组成： 1 ) 标准方式：所有的触动器均能满足普通载荷及卸载工作的需求。 2 ) 挖沟方式：同时进行旋转及动臂提升动作时，旋转动作优先。工作选择器把指 令信号输入p v c ，p v c 将此控制信号送至比例电磁阀来控制主泵流量，限制动臂提升 回路上的液压油量，使旋转回路占得优先。 3 ) 调平方式：选调平方式时，小臂缩回，动臂提升及铲斗控制的速度减慢。p v c 调节小臂、动臂及铲斗的各个可变压力补偿阀，目的是控制主泵流至油缸的液压油流量， 使之能以适当的速度完成调平工作。小臂缩回操作一停止，动臂、小臂及铲斗的操作速 度也恢复正常。 4 ) 微动作方式：选择微动作时，除了动臂下降动作之外，全部触动器的操作速度 都变缓慢，行走速度则由行走提升、小臂、铲斗及行走等的各个可变压力补偿器全由 p v c ，由此限制主泵汽缸的油流量，操作速度控制在低速，以便完成微细的工作。 ( 3 ) 行走马达控制系统：有高速、中速、低速3 种行走速度，可以配合作业情况选 择最适当的行走速度。行走速度由组合行走马达驱动转角的变化及可变压力补偿阀的调 节来控制。减少液压系统的能力损失，改善操作性能，使液压挖掘机能够适应多种工况 的复杂负载条件，提高作业效率。 电液比例控制系统是典型的阀控系统，电液比例控制是介于普通开关控制和伺服控 制之间的一种新的控制方式。电液比例阀是阀内比例电磁铁根据输入的电压信号产生相 应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压 力、流量输出的元件。阀芯位移也可以以机械、液压或电的形式进行反馈。由于电液比 例阀具有形式种类多样，容易组成使用电气及计算机控制的各种电液系统，具有控制精 度高、安装使用灵活以及抗污染能力强等多方面优点，因此应用领域日益拓宽。近年研 发生产的插装式比例阀和比例多路阀充分考虑到工程机械的使用特点，具有先导控制、 负载传感和压力补偿等功能。它的出现对移动式液压机械整体技术水平的提升具有重要 意义。特别是在电控先导操作、无线遥控和有线遥控操作等方面展现了其良好的应用前 景【3 】【1 1 】【6 0 】【6 l 】。电液比例控制框图如图2 - 2 所示。 广西大学硕士学位论文基于i e c 6 11 3 1 3 标准的液压挖掘机智能控制器的研究 电液比例调速阀 h 比例放大器卜 1l 丰iz 璇牡i- l 国沽阔i1 给诎漓匿打1i 拓播 一叫缴玟l 1 啊述阅广 缅进假座乱广1 贝飘 位移传感器 _ 压力传感器 图2 - 2电液比例控制系统结构图 f i g 2 2t h eb l o c ko 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 lc o n t r o ls y s t e m 泵控液压系统虽然传动效率高，但动态特性差，阀控液压系统结构紧凑，动态特性 好，传动效率低。液压挖掘机液压泵的控制系统大多采用将泵控和阀控结合起来的负荷 传感系统【1 9 1 1 6 0 。 广西大学硕士学位论文基于i e 6 11 3 1 3 标准的液压挖掘机智能控制器的研究 第三章液压挖掘机控制器的硬件设计 3 1 液压挖掘机数字控制器的主要输入输出元件 液压挖掘机控制器一般由硬件和软件两部分组成。控制器主要针对发动机的转速、 泵的排量以及马达的输出转速进行控制。其中对电机的启动、制动、正转、反转和顺序 控制可以通过继电器和开关元件实现。液压挖掘机在工作时需对电动机的转速、转角、 转矩、电压、电流和功率等物理量进行采集和分析，并通过软件不断进行校准，并把对 应的信息作为状态指示，经采集处理后将数据输入到显示模块【2 0 】【5 2 】【5 3 】。 根据液压挖掘机对控制系统的要求，控制系统应具有以下输入输出元件。液压挖掘 机控制器的主要输入输出元件如图3 1 所剥3 1 【1 1 】。 2 5 - 微动控制电磁阀l 7 保险 2 每l 丌i 转优先电磁阀l 丝盒 8 一畜咀狍l l 2 7 - 彳了走速度电磁阀 _ 一 l 2 8 - 报警器卜一 4 发动机 l 2 9 行走报警器卜一 l ， 4 两 机转速 i ：+ g l1 1 监控器l带轮b i 一4 传感器 l l “发动机油r j 旋扭l 控 1 7 - 行走压力开关卜 1 1 电位器 制 l8 - j 二作装置m 转压力开关卜 器 1 3 调速器 l 3 7 - 动臂升起压力开关i _ 一 io ；罾；占骣盟田耳芏i 1 9 一发动机冷却液温度温度传感器卜一 i1 2 发动机转速变换开关 2 0 一液j 盘油温度传感器l i1 4 主泵备用开关h1 5 - 比例减 i2 i - 燃油油位传感器l 压阀 3 6 - 备用电阻 2 2 - 交流发电机l _ 一 i3 0 继电器盒ii3 1 刮水器 i 2 3 一发动机机油压力开关 _ 一 i3 0 继电器盒ll3 2 清洗器 i 2 4 低速开关 - 一 3 0 - 继电器盒ll3 4 一动臂灯l i3 0 - 继电器盒i i3 5 电气系统l 图3 - 1 控制器输入输出元件 f i g 3 - 1 c o m p o n e n t sc o n t r o l l e ri n p u ta n do u t p u t 液压挖掘机控制器输入元件主要包括以下几种： 广西大学硕士学位论文 基于i e c 61 13 卜3 标准的液压挖掘机智能控制器的研究 ( 1 ) 发动机转速传感器：发动机转速传感器10 装在发动机飞轮壳上，当飞轮上的齿 轮通过发动机转速传感器时，发动机转速传感器便产生电流脉冲信号，传送给控制器。 控制器对得到的脉冲信号进行处理后，便可计算出发动机转速。 ( 2 ) 电位器：电位器ll 与调速器1 3 是一个整体。当调速器工作时，皮带轮5 转动， 并移动调速器杆。当调速器杆的位置移动到与发动机油门旋钮1 6 所致的位置一致时， 电位器l1 向控制器发出调速器杆的位置信号。 ( 3 ) 监控器：控制器将来自各种开关的信号处理后发出指令。控制器根据这些开关 信号选择不同的功能，选择各种工作模式和动力模式，并且对控制系统进行故障诊断， 显示各种故障码，以便排除故障。 ( 4 ) 发动机油门按钮：向控制器发出多种速度信号。 ( 5 ) 行走压力开关和工作装置回转压力开关：当行走操纵杆不动作、不要求液压泵 供油时，行走压力开关1 7 断开；当工作装置和回转控制阀不动作，不要求液压泵供油 时，工作装置和回转压力开关1 8 断开，控制器回自动控制发动机转速自动控制系统 ( a e c ) ，自动降低发动机转速。 ( 6 ) 发动机冷却液温度传感器、液压油温传感器和燃油油位传感器：发动机冷却温