（计算机应用技术专业论文）基于plc的全液压推土机行驶控制器研究.pdf

摘要 静压传动系统以变量泵和变量马达为主要元件组成闭式液压回路 将机械 液压 电子和先进测控技术应用到驱动系统中 能够对工程机械左右轮独立驱动 可以实现车 辆的无级调速和原地转向 从而使机器的结构和性能发生了根本性变化 本文分析了全液压推土机行驶系统的组成和工作原理以及发动机 变量泵和变量马 达的工作特性和控制原理 提出了行驶系统控制方案 确定模糊控制算法为系统的核心 控制算法 利用m a t l a b 的f u z z yc o n 廿o l i 具箱完成主控器件的模糊控制算法设计 建 立了相应的模糊控制查询表 采用p l c 作为主控器 完成了控制系统硬件设计 利用 s 肼a t i cm a n a g e r i 具进行控制器硬件系统组态 设计出模糊控制算法的p l c 实现方案 完成了模糊控制功能块和控制系统主要功能模块的梯形图程序编制 利用工程机械底盘模拟实验台 完成控制器软件调试 并对部分功能块进行了联机 实验 证实了此系统的可行性 提出了进一步的改进方案和措施 关键字 全液压推土机 行驶系统 p l c 控制器 模糊控制 a b s t r a c t h y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mi sac l o s e dp u m p m o t o rh y d r a u l i cd r i v ec i r c u i t w h i c h a p p l i e sm e c h a n i s m h y d r a u l i c e l e c t r o n i ca n da d v a n c e dm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y t ot h ed r i v i n gs y s t e m i tc a nd r i v et h el e f ta n dr i g h tw h e e l so ft h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y i n d e p e n d e n t l y a c h i e v es t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i o na n ds p i n n i n gt u m a r o u n d c h a n g et h e s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h em a c h i n e r ye s s e n t i a l l y t h i sp a p e ra n a l y s e st h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ed r i v i n gs y s t e mo ft h ef u l l h y d r o s t a t i cb u l l d o z e r t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n t r o l l i n gp r i n c i p l eo ft h ee n g i n ea n d t h ev a r i a b l ed i s p l a c e m e n th y d r o s t a t i cp u m pa n dm o t o r p r e s e n t st h ec o n t r o l l i n gs c h e m eo ft h e d r i v i n gs y s t e m i ts e l e c t st h ef u z z yc o n t r o la st h ec o r ec o n t r o la r i t h m e t i c u s e st h ef u z z y c o n t r o lt o o l b o xo fm a t l a bt oa c h i e v et h ed e s i g nc a l c u l a t i o no ft h em a i nc o n t r o lu n i t a n d e s t a b l i s h e st h ef u z z yc o n t r o lc h e c k i n gf o r m i tc h o o s e st h ep l ca st h em a i nc o n t r o lu n i t c o m p l e t e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m u s e ss i m a t i cm a n a g e rt o o lt od e s i g n t h eh a r d w a r ec o n f i g u r i n g w o r k so u tt h er e a l i z a b l eb l u ep r i n to ft h ef u z z yc o n t r o la r i t h m e t i c b yp l c a n dt h el a d d e rl o g i cp r o g r a m so ft h ef u z z yc o n t r o lb l o c ka n dm a i nf u n c t i o nb l o c k s b yt h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yu n d e r p a ne x p e r i m e n tp l a t f o r m i td e b u g st h es o f t w a r eo f t h ec o n t r o l l e r t e s t st h em a i nf u n c t i o nb l o c ko n l i n e v a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss y s t e m p u t sf o r w a r dt h ef a t h e ri m p r o v i n gs c h e m e sa n dm e a s u r e s k e yw o r d s f u l lh y d r a u l i cb u l l d o z e r s t r a v e l i n gs y s t e m p l cc o n t r o l l e r f u z z yc o n t r o l 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行研究工 作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 二勿论 生声7 年6 月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属学 校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权 利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 力匀 f 芝生 导师签名 就另降 抄7 年6 月7 日 年月日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 全液压推土机行驶控制器研究的背景 推土机是以履带式或轮胎式拖拉机牵引车专用底盘为主机 配以悬式铲y j 有的还 配有松土装置 的一种自行式铲土运输机械 推土机在作业时 将铲刀切入土中 依靠 行走驱动系统提供前进动力 完成土的切削 推运工作 有时还可用作填土 平地 松 土等工作 推土机的使用能解除繁重的体力劳动 加快施工进度 保证施工质量 因而 它是一种被广泛应用于建筑 筑路 采矿 农业 林业 国防建设等领域的基本工程机 械 推土机在整个工程机械领域 应该说是一个发展较为成熟的品种 国内推土机的发 展完全是在独立自主 自力更生基础上成长起来的 走过的是一条自主发展的道路 改 革开放后 山推率先引进了国际知名品牌日本小松的产品与技术 八十年代中期与美国 卡特彼勒公司签订了引进项目 由此 迈入与世界先进技术接轨的发展之路 专家指出 我国工程机械行业在高新技术领域与国外同行存在1 0 1 5 年左右的差 距 在近十年来 由于国内行业忽视了技术创新工作 为抢占市场而出现了产量高 产 品粗放的现象 使差距进一步拉大了 因此 行业要想在未来的国际竞争中取得优势地 位 就必须在技术创新上有所突破 我国工程机械行业 十一五 规划的核心就是要以 提升原始自主创新能力为出发点 促进产业升级和技术创新 用信息化带动工业化 用 高新技术改造传统产业 开发出具有自主知识产权的核心技术 增强企业和整个行业的 核心竞争力 在国内外两个市场上占有更多的份额 近年来随着机电液一体化技术的长足发展 传统的机械式 液力机械式推土机的操 作繁琐 劳动强度大 生产效率低 系统故障多等缺点使其不能很好的满足生产作业的 要求 发展智能型工程机械已是大势所趋 随着科学技术的不断发展 液压传动愈来愈 显现出强大的生命力 国外的液压传动技术日趋成熟 在推土机的应用愈来愈多 大有 取代传统传动形式的趋势 国外的推土机液压传动理论和技术处于保密状态 而我国在 作为推土机智能化基础的液压传动方面的研究刚刚起步 理论研究基本处于空白状态 国内个别厂家生产的全液压推土机基本上模仿国外产品 但由于缺乏理论支持 牵引性 能远远不能满足推土机作业工况的要求 其动力性和经济性与国外差距甚远 对于推土机这类牵引型机械一般无作业质量的要求 也不要求工作的稳定性 但追 求速度与负荷之间的自适应协调能力 目的是为了充分利用发动机的功率 提高作业生 第一章绪论 产率 降低油耗比 即追求动力性 经济性 作业生产率 推土机的作业方式属典型的 循环牵引方式 其作业工况十分复杂 载荷变化频繁且范围较宽 它一般分为铲掘工况 运土工况 卸土工况以及倒退工况 操作人员在作业中要操作的机构较多 无瑕根据负 载的大小来调节发动机油门的大小 往往使发动机油门处于固定位置 因而造成大量的 能量损失和机械损耗 铲掘工况时 推土阻力很大 发动机往往在最大扭矩附近工作 造成发动机功率的损失 运土和卸土工况时推土阻力比铲掘工况略小一些 但也会造成 发动机功率的损失 倒退工况时 推土阻力很小 往往要求机器具有较高的速度和较低 的油耗 虽然发动机功率损失很小 但比油耗较大 所以 推土机行驶驱动系统及行驶 控制系统的性能是影响推土机作业性能发挥的重要因素 决定着作业生产率的高低 而 行驶控制器作为全液压推土机的核心部件 可以减轻操作人员的劳动强度以及改善推土 机作业的经济性和动力性 因此 全液压推土机行驶系统控制器的研究具有重要的现实 意义 2 4 1 5 1 i f 1 2 全液压推土机行驶控制器的发展及研究现状 从上世纪八十年代起 由于液压传动理论的深入研究以及先进制造技术和测控技术 及电子技术在工程机械领域的广泛应用 使工程机械驱动系统发生了翻天覆地的变化 推土机的行驶驱动系统也由传统的机械式 液力机械式发展到现在的静压驱动技术 伴 随着先进的控制理论和控制手段的出现 其行驶控制系统的发展也经历了以下三个阶 段 第一阶段 2 0 世纪 8 0 年代以前 行驶控制的操作主要以手动操作为主 由于手动 操作主要凭驾驶员的经验和感觉 所以控制精度差 驾驶员的劳动强度大 第二阶段 2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代 行驶控制的操作主要是模拟式电子控制器 进入8 0 年代以 来 随着电子技术的发展 电子控制的可靠性逐渐提高 而价格逐渐降低 电子控制进 入其实质应用阶段 与单一的机械控制和液压控制相比电子控制精度高 灵敏度好 但 这种控制器机构简单 灵活性差 其控制方式属于开环控制 不便于校准和进行通讯 现在慢慢被数字控制器所淘汰 第三阶段 2 0 世纪9 0 年代后 行驶控制的操作主要是 数字式控制器 9 0 年代以来随着电子计算机技术的不断发展 出现了以数字电路为主的 控制系统 这种控制器机构复杂 但控制精度高 运算速度快 操作方便 工作稳定可 靠 不易受外界环境影响 数字控制器由硬件和软件两部分组成 硬件主要指微处理器 及其外围设备 软件主要指它的控制算法 由于其灵活的逻辑判断能力和极强的信息处 理能力 致使许多过去难以解决和实现的电液控制问题 如p i d 控制 时变控制 非线 2 长安人学硕十学位论文 性控制 多变量控制 模糊控制以及自适应控制等 只要改变其控制算法都可以借助数 字控制器实现 目前 不论是机械传动式推土机 液力机械传动式推土机以及最新的全液压推土机 普遍采用了数字控制器 国内非全液压履带式推土机已初步形成一定生产研制水平 且 有了长足的进步 但在全液压推土机研究上 国内还处于研发起步阶段 与世界先进水 平相比还有较大差距 国内有鞍山第一工程机械股份有限公司技术中心正在从事静液压 推土机电液控制系统和静液压推土机大流量 高压力变量泵 变量马达研制工作 宣化 工程机械厂在研究静液传动技术在履带推土机上的应用 黄河工程机械集团技术中心和 三一重工业集团有限公司也正在从事静液传动技术研究与应用 在这几家中又以鞍山第 一工程机械股份有限公司技术中心取得的技术最完善 其在1 9 9 6 年与德国利勃海尔合 作开发全液压推土机 并引进了三个系列多种规格利勃海尔推土机制造技术 1 9 9 7 年7 月出p r 7 5 1 样机 1 2 月出p r 7 4 2 样机 1 9 9 8 年5 月出p r 7 3 2 样机 且p r 7 5 1 推土机 在1 9 9 7 年实现国产率达6 0 鞍山第一工程机械股份有限公司是国内最早生产 研发 全液压推土机的工程机械厂家 也是目前国内唯一能生产全液压推土机的厂家 国内的推土机上有很多采用r e x r o t h 公司的m c 6 m c 7 控制器 其微处理器由m 位逐渐向3 2 位微处理器过渡 在推土机行驶液压控制系统的研究上 国外处于领先地 位 j o h nd e e r e 公司开发了h 系列静液压推土机 采用液压变速装置 用单手柄完成操 纵和转向控制 可实现无级变速 电子智能装置对整个系统和液压装置进行自动控制 9 0 年代末 日本小松首次在d 1 5 5 a x 3 推土机上使用h m t h y d r o m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n 液力机械传动 可实现在很大转速范围内无级变速 电子控制系统由信号输入传感器 电子控制器和执行元件三部分组成 可实现发动机恒速控制 结合元件换挡控制 进入 本世纪 基于p l c d s p 及工控机等核心硬件的控制器开发局面正逐步形成 1 8 3 6 1 1 3 全液压推土机行驶控制器研究的意义 纵观我国工程机械行业的发展历程 自 七五 八五 以来 通过引进技术 消 化吸收和自主开发 建立了一批具有一定生产和研发能力的工程机械制造企业 工程机 械国产化率逐年提高 可以说是有了一个长足的进步 打开了我国工程机械发展的新局 面 但是我国的工程机械制造业起步较晚 起点低 在技术水平 品种数量 产品质量 专业化生产程度 生产规模 用户服务 施工技术等方面与国外大型企业之间仍存在着 巨大的差距 仍然不能满足我国社会主义建设的需要 也不足以和国外同类产品相抗衡 十一五 期间 国民经济发展继续贯彻宏观调控政策 坚持科学发展观 提高投 3 第一章绪论 资效益 全国固定资产投资总额增长幅度下调 工程机械市场需求增长将从数量型向质 量效益型发展 十一五 期间 我国继续加快基础设施建设 铁路建设 公路建设 水利建设 能源矿山建设 三农 水源建设 水电建设和建筑业的大规模发展将会给 国内工程机械行业带来空前的发展机遇 但是随着国际工程机械行业的竞争日益加剧 国外一些高质量 高效率的工程机械 尤其是机电液一体化的工程机械纷纷挤入国内市 场 推进我国民族工业发展的同时也形成了严重的威胁 为了适应我国现代化建设的需要 积极迎接国外行业的挑战 发展民族品牌 增强 国内企业在国际市场上的竞争能力 q 6 年制定了工程机械行业 十一五 发展规划 规 划总结了我国工程机械在 十五 期间取得的丰硕成果 同时分析了国内外发展环境 制定了我国工程机械行业 十一五 发展战略和指导思想 发展战略为 上质量 上水 平 创品牌 扩大出口 把中国工程机械推向国际化发展轨道 指导思想是 以改革 为动力 市场为导向 科学发展为主线 集中力量打造具有自主知识产权的名牌产品 继续巩固和提高我国优势产品的市场地位 由此可见 关键技术的研究 核心产品的 开发将成为我国工程机械行业 十一五 期间发展的重头戏 当今电子技术 计算机技术 智能传感技术和先进控制理论的高速发展 使得微型 计算机的实时控制技术已涉及到我国现代化建设的各个领域 并发挥着巨大的推动作 用 工程机械行业也不例外 高精度液压产品的生产及其在工程机械上的应用 先进的 电液控制技术和计算机程序控制技术在工程机械上的应用充分显示了它们的优越性 大 大提高了工程机械产品的性能 目前国外工程机械产品的控制系统大都采用先进的微型 计算机控制器 并且一些大的公司有了其成型产品 例如萨奥公司和力士乐公司等 而 在国内 尽管一些大的工程机械厂家为了提高其产品的性能 增加其市场竞争力 在许 多工程机械产品上也采用了微机控制技术 但其控制器件主要依靠进口 没有自己成型 的产品 此种情况在推土机控制系统的应用上体现得尤为突出 因此 为了发展民族工 业 缓解和扭转这种在关键技术上受制于人 国内生产厂家完全依赖进口的局面 对液 压推土机行驶控制器的研究具有特另i j 重要的现实意义 1 4 课题的提出 目前国内工程机械正处在一个前所未有的大发展阶段 对关键技术的研究和高性能 产品的开发是我国工程机械行业 十一五 发展阶段的重要战略目标 其成败将直接决 定未来我国工程机械行业在国际市场上的竞争力和地位 国外全液压推土机行驶控制器技术被少数公司所垄断 各个厂家都使用自己独立的 4 长安大学硕士学位论文 硬件控制器 其技术高度保密及控制系统硬件控制器的选择上较为单一 通用性不强 严重的阻碍了该技术在国际市场上的广泛应用及发展 不符合当前知识和技术国际一体 化的发展趋势 在控制算法的选择上 大多数企业都以p i d 算法作为控制系统的核心算 法 不可否认 p i d 算法在系统控制中的作用和目前所取得的成果 但其缺乏智能决策 和自学习能力 而目前工程机械的发展出现了智能化的趋势 目前许多智能化控制技术 如模糊控制 神经控制和专家控制技术等已经成熟 其在智能控制领域的应用和成果越 来越多 随着现代电子技术和智能化控制理论的发展 许多先进的数字控制器 诸如p l c 工控机等在现代生产和生活各个领域的应用日益广泛 p l c 硬件控制器运算能力越来越 强大 许多专用模块的开发以及其编程语言的国际标准化 提高了其技术共享和技术更 新的步伐 大大提高了其在现代自动化控制领域所占的份额 在工程机械行业有关p l c 和工控机的相关研发和应用却较少 这与它们日益广泛的应用是不协调的 同时为了满 足摊铺机行驶系统日益增长的高性能要求 改变国内在控制系统方面长期依赖国外技术 的被动局面 研究开发以p l c 和工控机为主 功能更为强大的控制系统 弥补国内外 这一领域的空白 具有较强的现实意义 本课题正是在此前提下 结合国内外全液压推土机行驶控制器的研究应用和先进智 能控制技术的发展和应用 开展对p l c 应用于全液压推土机行驶控制系统的研究 初 步开发出能够满足推土机静压驱动系统功能要求的p l c 行驶控制系统 1 5 研究的主要内容 1 对国内外静压驱动推土机及其行驶驱动控制系统的技术水平 现状 发展前景 以及相关专利技术进行调研与检索 2 分析静压驱动系统组成和传动方案 分析全液压推土机伺服系统控制原理及控 制装置的实现方法 了解电液比例伺服系统控制原理和闭式液压系统调速特性 确定系 统控制方案 3 了解全液压推土机驱动系统主要被控对象的工作特性 分析推土机典型工况下 被控对象的工作状态 对相应工况的控制算法进行设计 4 利用m a t l a b 提供的f u z z y 工具箱 研究典型被控对象的模糊控制算法 并分 析控制参数的选择原则 5 利用s i m a t i cm a n a g e r 完成p l c 控制器的硬件组态 编制相应功能模块控制程 序 完成模糊控制算法在p l c 硬件系统中的实现 5 第一章绪论 6 在长安大学工程机械液压底盘模拟实验台上对控制器相关功能进行调试 提出 问题和改进方案 6 长安大学硕士学位论文 第二章行驶静压驱动系统分析及控制方案选择 全液压传动 也称静压传动 推土机是利用两套独立的闭式液压系统 泵 阀 马 达 减速机构 驱动左右行走机构 将最新的液压 电子控制技术应用在推土机上 从 而使传统推土机的结构和性能发生了根本性变化 2 1 全液压推土机行驶系统分析 2 1 1 全液压推土机传动系统 对于行驶系统采用静压驱动方式的推土机来说 其动力传递方式为分置式结构 即 发动机带动左 右变量泵 经左 右液压马达后传递至轮边减速装置 再经减速后驱动 左 右履带使机器行走 其整个动力传递路线如图2 1 所示 1 红义啦承广 1 位 义里习怂暑丑 士i lt 赋沛盐署i 盟城 丕蔽且广 1 红抛训干匕 h 电艮 发分 动动 机箱 l 杰昌石i 亡柚6 县丑 卜士础 占壮粤 l 订酊 h 七艮 r 1 佃义里永r 叫徊 义照勺 徊喊胜粳且r 叫徊抛列托l 图2 1全液压推土机驱动系统结构图 2 1 2 静压驱动系统工作原理及组成 现代工程机械 由于对机器正 反方向行走及制动等的要求 行走机械液压传动装 置的泵 马达大多采用闭式回路方式 而作为典型牵引型机械的推土机来说 其行驶驱 动系统全部承受来自工作装置的变化剧烈 波动较大的非平稳随机负荷 为了适应推土 机这种载荷特点 使推土机各部分性能得以充分发挥 从而使整个系统达到匹配 所以 履带式全液压推土机常采用由变量泵一变量马达组成的闭式变量液压系统 且为双泵一 双马达组成的左右独立驱动回路 6 通过泵和马达不同工作状态的组合 可以使机械获得不同的牵引特性 同时也能很 方便地实现车辆的无级调速及微动行驶 使车辆柔和起步 并能进行快速变速和无冲击 变换行驶方向 且能使发动机在低转速下有良好的负荷特性 即车辆在发动机低转速时 也能发挥出最大牵引力 液压传动易实现车辆左右履带独立驱动 可进行复合动力转向 和原地转向 从而使车辆能适应各种作业的需要 如图2 2 所示 全液压推土机行驶驱动系统由变量泵及其调整机构1 变量马达及 其调整机构2 安全阀3 单向阀4 补油溢流阀5 梭阀6 溢流阀7 滤油器8 补油 泵9 和油箱等组成 在这个系统中 变量泵既是液压能源又是主要的控制组件 通过调 整泵的排量改变泵流量的大小和方向 就可以改变液压马达输出速度的大小和方向 通 7 第二二章行驶静压驱动系统分析与控制方案研究 图2 2 全液压推土机单边驱动回路 过改变马达的排量 使系统在外负荷有较大变化时 液压系统的压力能在较小的范围内 变化 系统的最大工作压力由安全阀3 所限定 因为是闭式系统 在工作中油路的高低 压要互换 因此设置了两个安全阀 补油泵9 向系统的低压管道补油 其作用主要有以 下几个 一是通过单向阀4 向系统的低压管道补油 以补充系统的泄漏量 并可在低压 管道中建立起一定的低压 改善泵的吸入性能 防止气蚀现象和空气渗入系统 二是通 过补油路中油液的循环 使系统温度下降 三是提供变量控制机构的控传i j 压力油路 保 证控制系统正常工作 梭阀6 用于系统适度泄漏 以利于换热 2 2 全液压推土机控制原理分析 如同机械传动和液力机械传动方式一样 当发动机与液压泵 马达组成一个传动系 统后 该系统的综合性能不仅受发动机 液压泵 液压马达各元件性能的影响 而且还 要受到各部件性能参数之间是否合理匹配的制约 作为不同于传统传动方式的具有可控 性的液压传动系统 其性能还特别受到控制方式的制约 2 2 1 控制目的及理论 传统的机械传动方式中 存在着下列问题 1 工程机械使用的全程调速式发动机的特点为 不论负荷扭矩如何变化 都维持 在一定的转速 因此 随着所需功率的减小 燃料消耗急剧增加 某一给定转速下的功 率利用率也显著降低 2 一般的机械变速传动系统 为使发动机的特性与负荷所要求的性能协调一致 可以根据负荷的变化来适当调节发动机供油量和选择合适的档位来满足 但是这种有级 的速度比调节往往会使负荷所要求的功率和转速得不到满足 激起常常处于不合理的运 转状态 液压控制的目的就在于改进上述两点不足他 同时 努力提高液压装置的传动效率 8 长安大学硕十学位论文 根据各种外界负荷的变化 使发动机和传动系统的各项性能指标最佳化 发动机的控制目标为低油耗 较高的功率利用率 液压传动系统的控制目标为高效 率 且使发动机满负荷率 各控制目标的核心最终归结为选定合适的发动机负荷率 然 而 发动机和液压传动系统的控制目标之间存在着一定的差异 因此当发动机和液压传 动装置组成一个负荷动力装置时 就要充分考虑各自的特点 确定合理的控制目标值 使负荷动力装置有最高的综合性能 由此确定的目标值为 在发动机怠转速 l 廊至最大 扭矩转速n m m a x 之间取目标值负荷率为9 0 或更低一些 按此负荷率工作 既满足了复 合动力装置高效率 高动力性的要求 又使发动机有一定的动力储备 利于提高加速性 能 并且在遇到突发载荷而控制装置因惯性滞后调节时 可以防止发动机熄火 但在最 大扭矩至额定功率之间的高转速范围内 由于液压系统的特性一般都是粘性摩擦扭矩随 转速上升而增加 从而传动装置的各效率显著降低 所以应使目标值负荷率增加使泵排 量增加 即由最大扭矩点的9 0 至额定功率点的1 0 0 目前使用的带有控制装置的液压泵在低转 速范围内形成的负荷扭矩普遍较低 大致相当涟 于图2 3 中1 2 段曲线所示 达不到目标值负 荷率1 2 由于低转速范围为工程机械起步及辅 助工作的区间 并非正常作业范围 因而在该 范围内不必过分追求理想目标值 中高转速范 r 1 6 0 0 0 0 1 l 矿 l n 瞰 力肘懈一刀o p 刀 刀 甩 l 肘m 2 1 刀j i i m x 最大可扩展到4 m 2 位操作指令执行时间最小o 1 o 2 坤 浮点数加法指令执行时间最小1 5 u s 3 集成2 4 点d i 和1 6 点d o 5 点a i 和2 点a o 4 最大数字量i o 总数1 0 2 4 最多支持模拟量i o 总数2 5 6 5 f b f c 仍b 最大块数分别为1 2 8 1 2 8 2 3 7 6 内置2 0 4 8 b 的位存储器 2 5 6 个定时器和2 5 6 个计数器 7 全部i o 地址区1 0 2 4 b 1 0 2 4 b 过程i o 映像1 2 8 b 1 2 8 b 最大数字量i o 总 数9 9 2 9 9 2 最大模拟量i o 总数2 4 8 1 2 4 8 最大机架数为4 最多可支持3 1 个模块 9 系统工点电压额定值2 4 v d c 允许范围2 0 4 2 8 8 v 电流输入6 0 m a 冲击 电流2 5a 功耗2 5 w 1 0 3 个高速计数通道 可完成最高3 0 k h z 的计数和频率测量 脉宽调制频率最 高为2 5 k h z 模拟量输入模块s m 3 31 技术参数 1 8 路1 2 位模拟量输入通道 4 7 第四章p l c 控制器设计 2 额定输入电压d c 2 4 v 3 电压输入量程 阻抗有 8 0 m v 1 0 mq 2 5 0 m v 1 0 mq 5 0 0 m v 1 0 mq 1 v 1 0 m f 2 2 5 v 1 0 0 k f 2 5 v 1 0 0 k f 2 1 5 v 1 0 0 k q 1 0 v 1 0 0 k f 2 等可选 4 电流输入量程 阻抗有 1 0 m a 2 5q 3 2 m a 2 5q 2 0 m a 2 5q 0 2 0 m a 2 5f 2 0 4 0 m a 2 5q 等可选 5 电阻输入量程 阻抗有1 5 0 1 0 m q 3 0 0 1 0 m c 2 6 0 0 1 0 m q 三种可选 6 转换时间 通道为2 5 1 6 7 2 0 1 0 0 m s 7 单极性分辨率9 1 2 1 2 1 4 位 双极性分辨率9 1 2 1 2 1 4 位 符号位 模拟量输出模块s m 3 3 2 技术参数 1 输出通道数4 2 输出范围o 1 0 v 1 0 v1 5 v 0 2 0 m a 4 一2 0 m a 2 0 m a 3 分辨率 1 0 v 2 0 m a 时为1 1 位加符号位 其余为1 2 位 电源模块p s3 0 71 0 a 技术参数如下 1 输入电压1 2 0 2 3 0 a c 2 输出范围2 4 c 1 0 a 4 1 4p k 0 控制器硬件组态及端口定义 组态 一词是来自英文单词 c o n f i g u r i n g 的翻译 在自动化工程设计中 常用 硬件组态工具对控制系统中使用的硬件进行配置和参数设置 硬件组态一般包括下面几 个方面 1 系统组态 从目录中选择硬件机架 并将所选模块分配给机架中希望的插槽 分布式i o 与集中式i o 的配置方式相同 2 c p u 的参数设置 可以设置c p u 模块的多种属性 例如启动特性 扫描时间 等 输入的数据存储在c p u 的系统数据块中 3 模块的参数设置 可以用组态软件定义所有硬件模块的可调整参数 包括更 能模块 f m 和通信处理器 c p 不必通过d i p 开关来设置 在s i m a t i cm a n a g e r 中 建立新项目 t t j 然后进入 h wc o n f i g 界面 根据上 节所选定各个模块的型号 选择各个模块插入相应的槽中 最后完成的系统组态如图4 3 所示 长安大学硕 学位论文 图4 3 全液压推土机p l c 控制器硬件组态田 完成了系统组态后 还需要对各个硬件模块进行参数设置 1 c p u 参数的设置 双击c p u 模块所在的行 在弹出的 p j o p e r t i e 属性 窗口中 完成c p u 主要参 数的设置 如图4 4 所示 圈4 4c p u 主要参数设置 本系统主要完成启动特性参数 时钟存储器 系统诊断参数 运行方式 循环中断 参数的设置 第四章p l c 控制罂设计 2 系统集成i o 参数的设置 c p u 3 1 3 c 集成了 点的数字量输入 d i 和1 6 点的数字量输出 d 0 5 路模拟 量输入通道 a i 和2 路模拟量输出通道 a 0 双击硬件组态图左边窗口的 d 1 2 4 d o l 6 和 a i s a 0 2 可以对集成的数字量输 j 禽出点和模拟量输入 输出通道进行设置 一t 山 i l 叫田田口田固田田 嚣翟 皿回田回回田田 曰 m d 口了口了 e 圊口 口二 口回 妻i i i 纛算o r t ic t l i u l i q u t oi2 j n r rr f i h g tf i it i i i 一i ov y r 1 i i m 十 h t 陆一t t 长安大学硕士学位论文 i 兰竺 止止止扭l l l l l 三一 上 三 j l 譬 二 田匝 i l 咖 呲t e 工 工 l h 呻tl m f 一r 一 一f r 一l l 咖le 呻 i 一 百i 一 百百一 i i l h 蝴厨 一霹r 一赶r 厨广一l 4 2p l c 控制器软件系统设计 4 2 1p l c 的循环处理过程 p l c 中的程序分为操作系统和用户程序 操作系统用来处理p l c 的启动 刷新输 入 输出过程映像区 调用用户程序 处理中断和错误 管理存储区和通信等任务 第阴章p l c 控制器设计 用户程序由用户生成 用来实现用户要求的自动化任务 s t e p 7 将用户编写的程序 和程序所需的数据放置在块中 功能块f b 和功能f c 相当于用户编写的子程序 系统 功能块s f b 是操作系统提供给用户使用的标准子程序 这些块统称为逻辑块 p l c 采用循环执行用户程序的方式 这种方式也称扫描工作方式 o b l 是用于循环 处理的组织块 相当于用户程序中的主程序 它可以调用别的逻辑块 或被中断程序 组 织块 中断 p l c 得电或由s t o p 模式切换到r u n 模式时 c p u 执行启动操作 清除没有保持 功能的位存储器 定时器和计数器 清除中断堆栈和块堆栈的内容 复位保存的硬件中 断等 此外还要执行一次用户编写的系统启动组织块o b l 0 0 完成用户指定的初始化操 作 以后进入周期性的循环运行 下面是循环处理各个 阶段的任务 见图4 9 1 操作系统启动循环时间监控 2 c p u 将输出过程映像区的数据写到输出模块 3 c p u 读取输入模块的输入状态 并存入输入过 程映像区 4 c p u 处理用户程序 执行用户程序中的指令 5 在循环结束时 操作系统执行所有挂起的任务 例如下载和删除块 接收和发送全局数据等 6 c p u 返回第一阶段 重新启动循环时间监控 执行o b l 0 0 图4 9 扫描过程 4 2 2 模糊控制算法的p l c 实现 在上一章的设计中 已经完成了发动机转速 变量泵和变量马达排量的模糊控制算 法设计 并最终得到了一张模糊控制表 模糊控制表是我们在离线状态下计算出来的 在实时控制的过程中 我们只需计算出输入变量模糊化后的误差值和误差变化率 然后 直接查询模糊控制表 就可以获得控制量的变化值 再乘以比例因子 便可以作为输出 去控制被控对象了 由上面的分析 可以得知 要在p l c 中实现系统的模糊控制 p l c 程序必须具备下 面3 个功能 1 输入变量的模糊化处理 本系统中的模糊控制器均为二维模糊控制器 都以误差值和误差变化率作为控制器 的输入 误差值可以通过计算实测值和设定值的差值得出 误差变化率则需要通过计算 5 2 控一块一据一 一 监一模一数一序一务问一出一块一程一任时一输一模一户一他环一入一入一用一其循一写一输一行一行 动一据一取一执一执 启一数一读一 一 长安大学硕上学位论文 两次采样的实测值之差对采样周期的导数求得 求出误差值和误差值变化率之后 还需 对其进行模糊化处理 将其转换为模糊论域内的离散量 这一步通过量化因子来实现 2 查询模糊控制表 确定了输入变量的精确值后 通过查询模糊控制表 就可得模糊控制器的输出值 3 输出变量的反模糊化处理 通过模糊控制表查询出来的输出值还不能直接用作p l c 控制器的输出 必须通过 比例因子对其进行反模糊化处理 得出实际的控制量 然后通过p l c 进行输出 对被 控对象进行相应控制 根据上面的分析结果 需要建立3 个功能分别完成输入变量模糊化 f c l 查询控 制表 f c 2 和输出变量模糊化 f c 3 3 个控制过程 发动机转速控制功能块f b l 通 过对3 个功能f c l f c 2 f c 3 的调用就可以完成对发动机转速的模糊控制 功能f c l f c 2 f c 3 实现程序如图4 1 0 4 1 2 所示 f l ub 1 f l u s l jo n 1 日瑚n哪日聃 i t l u t t m 一m 哪 t 啦 t t t m l 一ma 盯4 t a p d l t 岬蕾一珥l 优盯 l t p z e n t h 2卅l t 一n 陀 和 t i m 一d 陀 d n ld i y j h聃聃舶 t 砷e 一mo 盯 l e t 口甲旺一mo 口r 捌h i 2 c 一碍2 图4 1 0 输入变量模糊化功能f c l d d 1m u l l 日嘲日啪 量一m 哪4 1 1 p i i 加1 1 1 1 1o 叮 6 一埘22 8 一h 2 d df n u u 肼聃髓聃 瑾一mo u t 1 p 2 酊娜2 口札哪 日一碍2 2 卫膏2 5 3 第阴章p l c 控制器设计 d d d d 日聃 疆e 舯 稍 圈呼1 一珥la 叮4 t t e l l p 3 t e m p s 一i no 叮 嗣圃盱2 珥2却i 您 l t e n p 3 l a r l l d b w a r l p 0 0 t掌u 图4 1 l 模糊控制表查询功能f c 2 m o u i e 瑚 u 一mo 叮 一 吼 u j h i 船 图4 1 2 输出变量反模糊化功能f c 3 功能块f b l 的梯形图程序如图4 1 3 所示 其中n c t w o r k l 3 分别调用了功能f c l f c 2 和f c 3 n e t w o r k1 输入变量模糊化 n e t w o r k2 模糊控制表查询 长安大学硕士学位论文 n e t w o r k3 控制量反模糊化 图4 1 3 发动机转速模糊控制功能块f b l 4 2 3 控制系统程序结构设计 r 开始 上 初始化 e 堕 匣 一了 垂 墨一c 蒌习 爹眵怔匾口 爹 圈 n y 渺一t 野 n 图4 1 4 控制系统主流程图 图4 1 4 为行驶控制器程序流程图 为了体现程序的设计思路 流程图中只给出了关 键功能块 f b 的逻辑关系 这些功能块一般都包括其在控制过程中所调用的功能 f c 5 5 第四章p l c 控制器设计 和背景数据块 d b 以及与之相关的中断功能块 4 2 4 主要功能模块设计 1 变量泵排量模糊控制功能块f b 2 与发动机转速模糊控制功能块 f b l 的结构一样 变量泵模糊控制功能f b 2 也需 调用f c l f c 2 和f c 3 与f b l 不同的是 f b l 只对发动机油门控制器发送控制信号 而f b 2 需要根据实际工况分别对 左泵正转比例板 左泵反转比例板 右泵正转比 例板 右泵反转比例板 输出调节信号 图4 1 5 为对左变量泵进行控制时调用f b 2 的 梯形图程序 d b 2 为f b 2 的背景数据块 存放着f b 2 中所有局域变量的定义和参数设 詈 图4 1 5 变量泵排量模糊控制功能块f b 2 2 变量马达模糊控制功能块f b 3 变量马达的控制功能块f b 3 在系统控制过程中 需要进行两次调用 分别输入左 右马达运行参数从而实现对左 右马达的分别控制 图4 1 6 为对左马达进行控制时调用 f b 3 的功能块图 d b 3 为f b 3 的背景数据块 f b 3 程序中所有局域变量的定义及初始化操 作都存放在d b 3 中 图4 1 6 变量马达排量控制功能块f b 3 5 6 长安大学硕士学位论文 3 原地转向控制功能块f b 4 当操作员按下 原地转向按钮 时 就已经调用了原地转向功能f b 4 f b 4 根据行 驶操纵手柄横向电位计的采样信号进行判断 从而确定原地转向的方向为 左转 还是 右转 进一步分别对 左泵正转比例板 左泵反转比例板 右泵正转比例 板 右泵反转比例板 输出控制信号 操纵左 右变量泵泵一个正向旋转 一个反向 旋转 完成机器的原地转向操作 图4 1 7 原地转向功能块f b 4 4 转向控制功能块f b 5 机器在行进的过程中 操作员可以通过控制操作手柄横向移动改变机器原有的行驶 轨迹 实现机器在行驶过程中的转向操作 控制器对操作手柄横向电位计采样信号进行 分析 确定转向方向和转向角度的大小 对左 右变量马达发送控制信号 通过改变左 右马达的排量从而改变两侧驱动马达的转速 实现左 右履带的差速行驶 进行转向控 制 图4 1 8 转向控制功能块f b 5 5 行驶纠偏控制功能块f b 6 当机器在直线行驶过程中 控制器采样左 右变量马达的转速信号 当左 右马达 的转速差超过设定值时 系统就会自动调用f b 6 对相应的变量马达排量进行控制 从而 使机器回到直线行驶的过程中 5 7 第四章p l c 控制器设计 图4 1 9 行驶纠偏功能块f b 6 4 2 5 模块化程序结构及共享数据块 在发动机转速模糊控制算法中 定义了3 个功能f c l f c 2 和f c 3 发动机转速控 制功能块f b 2 通过对f c l f c 2 f c 3 的调用 完成模糊控制算法的实现 p l c 程序中 的这种块调用方式跟高级程序语言中的函数调用或子程序调用是一个道理 这种块调用 有许多优点 首先 程序按功能模块化划分 易于几个人同时对一项目编程 提高了系 统开发的效率 其次 将复杂的自动化控制过程 分解成许多具有独立功能的小任务 这些任务由相应的逻辑块来表示 逻辑块运行时所需的大量数据和变量存储在数据块 中 某些逻辑块可以实现相同或近似的功能 提高了代码使用效率 p l c 本身为用户提 供了许多系统功能 s f c 和系统功能块 s f b 用户在系统开发的过程中 可以直接 进行调用s f c 和s f b 从而简化了开发过程 在p l c 的块调用过程中 调用者可以是各种逻辑块 包括用户编写的组织块 o b f b f c 和系统提供的系统功能块 s f b 和系统功能 s f c 被调用的块可以是初 了o b 之外的所有逻辑块 在调用功能块的时候要为它指定一个背景数据块 d i 用 来存放功能块运行时的数据和变量 d i 在调用功能块时自动打开 在调用结束时自动 关闭 在调用系统功能s f c 和用户功 能f c 时不需要d 1 支持 在功能块编辑时需要设定该功能 块使用的 形参 在调用它时需要将 实参 赋值给形参 在一个项目中 可以多次调用同一个块 将不同的实参 赋给形参 就可以实现对类似的被控对 象的控制 块调用就是自程序调用 块 可以嵌套调用 即被调用的块又可以调 刀 始 t 一 一 操r il 作 0 d l i i d l 2 匿i i b 3 系 一 斗 凡6 统 5 8 图4 2 0 块调用嵌套结构 长安大学硕士学位论文 用别的块 允许嵌套调用的层数 嵌套深度 与c p u 的型号有关 块调用的层数还受 到局域数据堆栈 l 大小的限制 每个o b 需要至少2 0 b 的l 内存 背景数据块中的数据是自动生成的 它们是功能块的变量声明表中的数据 不包括 临时变量t e m p 背景数据块用来传递参数 f b 的实参和静态数据存储在背景数据块 中 调用功能块时 需同时指定背景数据块的编号或符号 背景数据块只能被指定的功 能块访问 用户不能在背景数据块中的变量 只可以在数据显示方式修改其实际