工程机械专业导论课吕广明PPT课件

1 工程机械模块 专业导论课 陆念力 吕广明 2 国家2000年修改后的专业目录一级学科机械工程 机械制造及其自动化 工业设计 工业工程 宇航制造工程 机械制造及其自动化二级学科分五个模块1 机械制造及其自动化2 机械电子工程 计时模块 3 机械设计与理论4 液压流体传动5 工程机械与物流技术系课程设置 前三年半是一样 不同 120学时模块课 课程设计2和毕业设计 3 工程机械与物流技术模块 工程机械本体技术工程机械金属结构分析技术工程机械机电液一体化及智能化技术物流与设备技术国家新的专业目录 工程机械属于机械工程 4 工程机械模块 专业导论课 课程 工程机械模块 专业导论课 是工程机械模块设立的一门关于专业知识及其他和专业方面相关内容简介的课程 通过本课程的学习 使同学们对工程机械国内内外的发展现状 有个全面的了解 初步了解工程机械的本体设计技术 工程机械结构分析技术 工程机械机电液一体化技术 物流设备技术 了解国内外工程机械技术的最新发展方向以及国家重大科技计划在工程机械方面的规划情况 了解国内外大型工程机械企业的发展现状及其人才需求 5 工程机械模块 专业导论课 课程主要内容 第1章工程机械与物流技术方向概况 发展沿革 2h 1 1高校程机械与物流技术专业设置的变化1 2工程机械行业分类的变化1 3 起重运输 及 物流工程 概念与内涵的历史沿革与发展 6 第2章我校工程机械现状 1h 2 1我校工程机械与物流技术教学及科研队伍2 2我校工程机械与物流技术学科在国内的地位2 3我校工程机械与物流技术学科标志性成果展示第3章国内外工程机械发展现状 1h 3 1国内外工程机械发展现状3 2国内外的知名企业简介 7 第4章工程机械本体与结构分析技术 4h 4 1工程机械本体技术 2h 4 2工程机械结构分析技术 2h 1 有限元分析自动建模技术 2 起重机结构全面校核技术3 起重机结构混合建模 非线性和稳定性复杂问题4 起重机动力学分析5 先进设计分析方法 虚拟样机技术 8 第5章工程机械机电液一体化技术 5h 5 1工程机械机电液一化技术的发展趋势 2h 1 工程机械机电液一体化的概念2 工程机械机电液系统组成3 工程机械机电液一体化的发展历史4 工程机械机电液一体化技术的主要特征5 工程机械机电液系统智能化概念 9 5 2工程机械机电液系统简介 3h 1 起重机变频调速技术 1h 2 挖掘机工装轨迹机电液系控制技术 1h 3 摊铺机调平机构机电液系的自动控制技术 1h 第6章物流设备技术 3h 6 1 物流 概念与现代物流的重要性6 2我国各个时期物流业发展的背景6 3主要物流设备简介6 4物流设备技术国内外发展现状 10 第7章工程机械感性认识参观 4h 1参观地点 工程机械结构分析综合实验室 工程机械机电液技术综合实验室 2参观内容1 参观工程机械结构分析综合实验室 主要目的是使同学了解工程机械金属结构设计和分析的最新技术 2 参观工程机械机电液技术综合实验室 主要目的使同学了解起重机 液压挖掘机 摊铺机等工程机械机构原理 机电液系统组成及自动控制技术 11 第5章工程机械机电液一体化技术 1h 5 1工程机械机电液一化的发展趋势 1 工程机械机电液一体化的概念工程机电一体化技术是机电一体化技术在工程机械中的具体应用 在此引用了机电一体化的概念 机电一体化 源于 Mechatronics 该词的构成有两种提法 一种认为由Mechanism的前半部分和Electronics的后半部分合成 应理解为 机械的电子化 另一种认为是Mechanics的前半部分和Electronics的后半部分合成 应理解为 机械电子学 12 本课程将机电一体化定义为 以电子技术特别是微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉 融合而成的综合性高技术 从定义可知 一体化技术是以机械技术为本体 和其它技术融合 高技术的特点 高投入 高风险 高回报机电一体化包含机电一体化产品与机电一体化技术 机电一体化产品 是指机械系统与微电子系统相互置换和有机结合 从而赋予新的功能和性能的新一代产品 机电一体化技术 包括技术原理和使机电一体化产品得以实现 使用和发展的技术 13 机电一体化在不同的行业称呼不同 机电一体化 机电液一体化 机电光一体化 其他新兴行业 机电信一体化 机电仪一体化 工程机电一体化通常称为机电液一体化 近些年来又出现了一些新方向 机电技术与医学 生物学的结合 14 2 工程机械机电液系统组成 机械本体 控制和信息处理设备 检测传感部分 动力系统 执行部分 驱动部件 15 1 机械本体 包括工程机械设备的壳体 机身 支架等支撑结构 2 检测传感部分 用于检测系统运行中的一些关键参量或状态 可以把非电量 应变 应力 位移 流量等 转变成电信号 然后送人控制处理设备 3 驱动部件 它把输入的控制 电信号 放大 变换 匹配 然后推动执行机构 是连接强电设备和弱电设备的纽带 驱动部件中广泛采用电力电子器件 如晶闸管 双极型功率晶体管 GTR 功率晶体管 P MOSFET 绝缘栅极电力晶体管 GBT 等 16 4 控制和信息处理设备 这是整个装置的指挥中枢 是核心 由计算机实现 可作为工程机电一体化系统实时控制器的微计算机种类越来越多 如 单片机 单板机 台式机 PLC 嵌入式计算机 DSP等 设计和实现工程机电一体化系统 需要从以下几个指标来选择微型机 速度 字长 指令系统 输入 输出控制方式及容量等等 在实际应用中 还要考虑高可靠性 可维护性 微型化 价格要求等等 17 5 执行部分 它根据信息处理部分的指令 来完成规定的机械动作 包括电动执行机构 气动执行机构 液动执行机构 各种伺服电机 步进电机 电磁阀 继电器 气动执行机构如气缸 气阀 气动马达等 液动执行机构如油缸 液压马达 摆动油缸等 6 动力系统 是为产品提供能量与动力功能 去驱动执行机构 使系统正常运行 来源于电动 液动 气动的动力装置 18 19 可以把机电一体化系统与人比较 看作一个 人 机械本体人的躯体 支撑结构 传感器人的五官 能感知各种信号和信息 控制器人的大脑和神经系统 执行器同人的四肢 驱动系统人体的肌肉 动力系统人要靠食物供给能量 机械电子装置则主要靠电能 液压 气动 如图1 1所示 20 21 3 工程机械机电液一体化的发展历史 在技术上大致可以分为三个时期 第一代产品 柴油机的出现 使工程机械有了较理想的动力装置 执行驱动部分为柴油机是第一代产品的标志 第二代产品 液压技术在工程机械的应用 使工程机械能满足复杂的作业要求 具有传动平稳性 过载性 可控性 易实现无级变速 操纵简单轻便 全面液压化为第二代产品的标志 22 第三代产品 电力电子技术及计算机技术在工程机械上的广泛应用 使工程机械向着高性能 自动化和智能化方向发展 为了减轻驾驶员劳动强度和改善操纵性能 需要实现工程机械自动化 智能化 为了提高安全性 需要安全控制 进行运行状态监视 故障自动报警 为了避免人员无法及不易接近的场所和作业十分恶劣的环境 需要采用远距离操纵和无人驾驶技术 如摊铺机自动找平控制 挖掘机节能控制 全功率控制 轨迹控制 自动掘削控制等 自动化 智能化为第三代产品的标志 23 4 工程机械机电液一体化技术的主要特征 主要特征 综合性和系统性 多层次 覆盖面广 智能化 大型化 机械电子化 高可靠性 高精度 24 1 具有综合性和系统性 工程机械机电一体化技术是由微电子技术 计算机技术 信息技术与机械技术结合而成的综合性高技术 多种技术综合成一个完整的系统中 相互要求 取长补短 不断向系统化 复合集成化的方向发展 使机电一体化技术及产品更具有系统性 完整性和科学性 2 多层次 覆盖面广 从简单的单台工程机械机电一体化产品 到现代作业中的群塔协调作业 从简单的单参数显示 到复杂的多参数 多级控制 从机械零部件自动生产线 到各种现代高速重型机械自动化生产线等 工程机械机电一体化技术都有不同层次 覆盖面很广的应用领域 25 3 机械电子化 1 增加微电子控制实现机械产品的多功能和高性能 2 机械式机构被电子装置所取代 3 充分考虑机电接口 互相融合形成新一代高性能产品 机电一体化的发展过程 4 高可靠性 高稳定性 高寿命 高精度产品中的机械部件减少 使磨损以及配合间隙等所引起的误差减小 采用了计算机及控制技术 使得控制精度及处理速度提高 通过自行诊断 校正 补偿实现高工作精度 因此 装置的寿命提高 故障率降低 提高了产品的可靠性 性能上向高精度 高效率 智能化的方向发展 功能上向巨型化 轻型化 多功能方向发展 26 智能 智能控制的研究对象 智能控制系统的特征 智能控制系统的结构 智能控制是自动控制发展的趋势 智能控制 5 工程机械机电液系统智能化概念 27 机械化 自动化 智能化手工搬运 建筑机械化 工程机械自动化 工程机械智能化人工的劳动工具 机械化 自动化 智能化国家 十二五 规划 智能化高端制造业 智能化交通规划 智能化物联网 28 控制理论从形成发展到至今 经历了近七十多年的历程 分三个阶段 第一阶段是以20世纪40年代兴起的调节原理为标志 成为经典控制理论阶段 第二阶段以20世纪60年代兴起的状态空间法为标志 称为现代控制理论阶段 第三阶段则是20世纪80年代兴起的智能控制理论阶段 经典控制方法 现代控制方法 智能化控制方法 适用于单变量线性定常系统 对非线性系统无能为力 适于多输入 输出线性系统和非线性系统 但受到数学建模的限制 系统无需数学建模 用函数逼近的方式建立非线性映射 并行处理 运行速度快 可实现在线控制 数学基础 复变函数和拉氏变换 Z变换 传递函数 数学基础 矩阵代数和微分方程 状态空间法 数学基础 模糊数学 神经网络 遗传算法 混沌理论等 机电液系统的控制方法 29 单变量线性定常系统多输入 输出线性系统 传递函数表示 更多的是状态方程描述 30 1 智能概念 什么是 智能 虽然有些研究者也曾经给出定义 但是各种定义都是研究者在各自的研究领域进行探讨的结果 因此各有侧重 从信息的角度来看 所谓智能 可具体地定义为 能有效地获取 传递 处理 再生和利用信息 从而在任意给定的环境下成功的达到预定目的的能力 可以看出 智能的特性是一种思维的活动 研究智能理论与技术的目的 是要设计制造出具有高度智能水平的人工智能系统 以便在那些必要的场合能够用人工系统替代人去执行各种任务 就智能问题也取得了一些共识 认为智能应具有感知环境能力 记忆联想能力 思维能力 推理能力 智能的特点 31 2 智能控制 智能控制实际只是对自动控制理论与技术发展到一个新阶段的概括 智能控制就是在常规控制理论基础上 吸收人工智能 运筹学 计算机科学 数学方法 实验心理学 生理学等其他科学中的新思想 新方法 对更广阔的对象 过程 实现期望控制 其核心是如何设计和开发能够模拟人类智能的机器 使控制系统达到更高的目标 智能控制并不排斥传统控制理论 而是其继承和发扬 3 智能控制的研究对象 智能控制的研究对象具备以下一些特点 系统模型不确定 32 对于传统控制通常认为模型已知 高中时期的数学物理 而智能控制的对象通常存在严重的不确定性 这里所说的模型不确定性包含两层意思 一是模型未知或知之甚少 辨识 二是模型的结构和参数可能在很大范围内变化 自适应 无论哪种情况 传统的方法都难于对它进行控制 系统具有高度非线性 在传统的控制理论中 线性系统理论比较成熟 对于具有高度非线性的控制对象 虽然也有一些非线性控制方法 小偏差线性化 但 非线性控制理论还很不成熟 而且方法比较复杂 不具有通用性 采用智能控制的方法可以较好的解决非线性系统的控制问题 系统任务的复杂性 33 在传统的控制系统中 控制的任务要求输出量为定值 或者是要求输出量跟随期望的运动轨迹 控制任务的要求比较单一 对于智能控制系统 给出控制的是任务 任务的要求往往比较复杂 实例 针对上面分析 智能控制是针对系统的复杂性 非线性 不确定性而提出来的 目前智能控制设计的途径有 基于专家系统的专家智能控制 基于模糊推理和计算的模糊控制器 基于人工神经网络的神经网络控制器 基于信息论 遗传算法和以上三种方法的集成型智能控制 4 智能控制系统的结构 智能控制系统是实现某种控制任务的一种智能系统 是一种多层次结构的系统 主要有感知 认知 规划 控制及执行机构等部分 感知信息处理部分将传感器递送的分级的和不完全的信息加以处理 并要在学习过程中不断加以辨识 整理和更新 以获得有用的信息 34 认知部分主要接受和存储知识 经验和数据 并对他们进行分析推理 做出行动的决策并送至规划和控制部分 规划和控制部分是整个系统的核心 它根据给定的任务要求 反馈信息及经验知识 进行推理决策 动作规划 最终产生具体的控制作用 通过执行机构作用于控制对象 5 智能控制系统的特征 智能控制的概念主要是针对被控系统的高度复杂性 高度不确定性及人们要求越来越高的控制性能提出来的 一个理想的智能控制系统应具备如下特征 容错性 系统对各类故障应具有自诊断 屏蔽和自动恢复故障的功能 具有故障硬软件容错功能 硬件容错可以通过冗余技术实现 冗余主要有工作冗余 后备冗余 工作冗余 是两个或两个以上的单元并行工作的模型 特点是两个单元同时工作 后备冗余 平时只是一个单元工作 另一个单元是储备的 出现问题后 更换到储备单元 35 学习能力 智能控制系统对一个未知环境提供的信息进行识别 记忆 学习 并利用积累的经验进一步改善自身性能的能力 即在经历某种变化后 变化后的系统性能应优于变化前的系统性能 这种功能类似于人的学习过程 适应性 智能控制系统应具有适应受控对象特性参数变化 环境变化和运行条件变化的能力 这种智能行为实际上是一种从输入到输出之间的映射关系 可看成是不依赖模型的自适应估计 较传统的自适应控制 具有更广泛的意义 36 组织功能 对于复杂任务和分散的传感信息具有自组织和协调功能 使系统具有主动性和灵活性 即智能控制器在任务要求的范围内 可以自行判断 决策 当出现多目标冲突时 在一定限制下 各控制器可在一定范围内自行解决 使系统能满足多目标 高标准的要求 实时性及人 机协作性 智能控制系统应具有在线实时响应能力 以满足系统的动态性能 同时 系统应具有好友的人 机界面 以保证人 机通信 人 机互助和人 机协同工作 目前 在机械工程控制领域中 比较广泛使用的智能化控制方法主要有 模糊控制 神经网络控制 遗传算法 混沌理论以及它们之间相互结合的方法 37 1965年扎德教授提出了 隶属度函数 的概念 这一开创性的工作 标志着模糊数学的诞生 以模糊集合 fuzzysets 为中心发展起来的整个理论体系称为模糊理论 fuzzysystemstheory 模糊理论包括基于模糊集合理论的模糊演算法 扩展概率论的模糊测度论 作为多值逻辑扩展的模糊逻辑和模糊推理等 人类语言能够在一定程度上 知道人类的思考 判断的程度 因此 使用语言模型 面向评价 意识决定 诊断 心理及各种专家系统的应用取得了进展 着眼于所用语言含有的模糊性问题 将其模型化 以期达到开发出智能系统 实现智能控制的目的 1 模糊理论 模糊理论概念 模糊逻辑 推理与人类语言的关系 38 人工神经元模型 NerualNetwork 简称NN 神经网络的结构是由基本的神经处理单元和各单元间相互连接方式决定的 生物神经元与人工神经元模型 生物神经元是构成神经系统的基本功能单元 虽其形态有很大的差异 但基本结构相似 从信息处理和生物控制角度 简述其结构和功能 人工神经元模型是构成神经网络系统的基本功能单元 依据 生物神经元的结构和功能 模拟 生物神经元的基本特征 建立的多种神经元模型 39 生物神经元结构 1 细胞体 由细胞核 细胞质和细胞膜等组成 2 树突 胞体上短而多分枝的突起 相当于神经元的输入端 接收传入的神经冲动 3 轴突 胞体上最长枝的突起 也称神经纤维 端部有很多神经末稍传出神经冲动 4 突触 神经元间的连接接口 每个神经元约有1万 10万个突触 神经元通过其轴突的神经末稍 经突触与另一神经元的树突联接 实现信息的传递 由于突触的信息传递特性是可变的 形成了神经元间联接的柔性 称为结构的可塑性 5 细胞膜电位 神经细胞在受到电的 化学的 机械的刺激后 能产生兴奋 此时 细胞膜内外有电位差 称膜电位 电位膜内为正 膜外为负 40 生物神经元功能 1 兴奋与抑制 当传入神经元的冲动 经整和 使细胞膜电位升高 超过动作电位的阈值时 为兴奋状态 产生神经冲动 由轴突经神经末稍传出 当传入神经元的冲动 经整和 使细胞膜电位降低 低于阈值时 为抑制状态 不产生神经冲动 2 学习与遗忘 由于神经元结构的可塑性 突触的传递作用可增强与减弱 因此 神经元具有学习与遗忘的功能 41 人工神经网络 简称神经网络 是并行 分布处理结构 从微观结构与功能上模拟人脑神经系统而建立的一类模型 具有模拟人的部分形象思维的能力 反映了人脑功能的若干基本特征 主要是非线性特性 并行信息处理 学习能力和自适应性 是模拟人的智能的一条途径 信息处理由人工神经元间的相互作用来实现 由联接权来传递 神经网络控制作为现代控制理论的延伸 为解决复杂的非线性 不确定 不确知系统的控制问题开辟了一条新的途径 神经网络最为突出的优点就是无需建立数学模型 只须知道输入空间和输出空间 就可以建立输入空间到输出空间的某种映射关系 适于多输入 多输出系统 能自适应学习 2 神经网络理论 神经元理论 神经网络是模拟人脑神经系统的数学模型 神经网络控制的特点 42 3 混沌理论 Chaos 混沌 是作为 秩序 order 的反义词使用的 为了解明物理 生物 经济 社会中的各种复杂问题 期望混沌理论能够发挥作用 混沌 Chaos 这一概念是19世纪末提出 1963开始将其公式化 此后 其研究盛行起来 20世纪40 60年代是神经网络的发展初期 70年代的研究低潮80年代 神经网络的理论研究取得了突破性进展 神经网络在活用学习机能 完善模糊理论 面向控制和专家系统的应用方面发挥了重要作用 神经网络发展的三个阶段 43 遗传算法 GA 是模拟生物的遗传和长期进化过程发展起来的一种搜索和优化算法 它模拟了生物界 生存竞争 优胜劣汰 适者生存 的机制 用逐次迭代法搜索寻优 这种方法给出了生物细胞核中染色体增殖 选择或自然淘汰 交叉 染色体的部分替代重组 突然变异的程序 遗传算法早在1940年Cybernetics 控制论 中就被提出 具体地形式化是在1960年由J Holland完成的 此后在理论和应用两方面进行了研究 逐步拓展向人工生命及智能控制领域的研究 4 遗传算法 GeneticAlgorithm 遗传算法概念 遗传算法的发展 44 5 各种方法 理论的融合 神经网络与模糊 Neuron Fuzzy 1974年 S C Lee和E T Lee开始将神经网络的学习能力与模糊推理能力有机地组合起来 发挥各自的长处 拟补各自的短处 融合起来 进行研究和应用 GA在很多领域得到了应用 在优化神经网络控制器与辨识器的结构权系和学习规则 系统故障诊断等方面的研究 取得了广泛应用 同时 GA为许多困难的全局优化问题的解决 开辟了一条新的途径 遗传算法是智能控制的一个分支 45 神经网络与模糊的融合中 许多方法被提出 并且得到了应用 用神经网络确定模糊控制目标 隶属函数等等 或者通过模糊控制确定神经网络各节点间结合强度等 遗传算法与模糊 GA Fuzzy 是将GA所具有的解的搜索能力和模糊的推理能力相互组合 发挥各自的长处 拟补各自的短处的方法 可由GA确定模糊推理的if then 如果 则 规则的输入变量的数 隶属函数 阶层构造等等 反过来 可由模糊规则调整GA的参数 遗传算法与神经网络 GA Neuron 可利用GA的构造确定能力 确定神经网络的层 单元数 连接强度的最优值 以改善神经网络的性能 46 研究表明脑神经系统有Chaos现象 因此 通过将混沌模型导入神经网络模型中 可以构筑近似度高的神经网络 作为其应用实例有 动态联想记忆 组合式最优化问题 自组织化等 混沌与神经网络 Chaos Neuron 工程机械机电液智能化控制系统 电力电子化技术在工程机械方面的广泛应用 尤其是计算机技术的广泛应用 使工程机械向着高性能 自动化和智能化方向发展 智能控制是一门新兴的前沿交叉学科 其广泛的应用于智能机器人控制 智能过程控制 智能专家系统 智能故障诊断 智能化仪器等诸多领域 在工程机械领域的应用 具有广阔的应用前景 47 对象或过程的数学建模与分析 摊铺机自动调平系统 液压挖掘机轨迹控制系统 塔机工作机构变频调速系统 工程机械机电液系统控制器的设计 PID 神经网络控制器 工程机械控制系统的仿真及静动态特性分析 2 工程机械机电液系统分析过程 工程机械主要以液压和电机驱动 是典型的机电液伺服控制系统 存在着非线性 时变性 外干扰及交叉耦合现象 难以精确建模 目前 现有的系统模型都是在一定假设和近似的基础上求得的 在应用传统控制理论进行控制时遇到了很多困难 控制效果不好 利用智能网络的学习能力和非线性映射能力 设计智能网络控制器 使被控对象既能满足系统快速跟踪控制的需要 又能提高系统对非线性和不确定性特性的处理能力 1 工程机械机电液系统的特点 48 典型工程机械反馈控制系统硬件组成 49 1工程机电系统的一般设计过程 工程机电系统设计中 要了解系统的组成 工作原理 建模方法 特性分析及设计方法 还需要合理选择零 部元件 或根据要求设计和制造其中部分元件 并分析 计算和测试由这些零 部件组成系统的静态和动态性能指标 如果不满足要求还需提出进一步的改进方案 工程机电系统设计技术 50 系统设计的原则 1 机 电 液互补原则 既然是工程机液电系统 就要打破传统设计的思维方式 综合考虑机械技术 液压传动技术和电子技术各自的特点 达到优势互补 2 功能优化原则 主要指在系统设计时 要抓住用户最关心的技术指标 特别是系统的可靠性 实用性 经济性等 3 自动化 智能化原则 高精度 高效率 高可靠性是机电液一体化系统的重要指标 因此要求系统在运行过程中能实现自动控制 自动检测 自动调节 自动记录及自动显示 在出现故障时能进行自动诊断 自动采取应急措施 实现自动保护等 51 4 效益最大原则 要在满足用户的目标功能和适当的使用寿命的前提下 最大限度地降低成本 要合理选用材质和零件 正确进行结构设计 简化制造工艺 降低生产成本 5 开放性原则 开放性 是指以一组标准 规范或约定的原则来统一系统的接口 通信和与外部的连接 使系统能容纳不同厂家制造的设备及软件产品 同时又能适应未来新技术的发展 要使系统具有开放性 在工程机电系统设计时必须选择并贯彻一系列的工程机械设计规范 液压及电子技术标准 这样 才能较容易地实现硬件设备及软件技术的可移植性和可操作性 52 系统设计的类型 1 开发性设计 它是在既没有参考样板又没有具体设计方案的情形下 仅根据抽象的设计原理和对新系统的性能要求进行设计 具有很强的突破性和创新性 2 适应性设计 它是指在总的方案原理基本保持不变的情况下 对现有系统进行局部更改 例如用电子装置代替原有的机械结构 或者为了实现电子化控制 对机械结构进行的局部适应性变动 3 变异性设计 是指在设计方案和功能结构不变的情况下 仅改变现有系统的规格尺寸 使之适应某种量值变化的要求 53 系统设计的方法工程机电系统设计方法通常有机电互补法 结合法和组合法 1 互补法 互补法也称为取代法 用适当的通用或专用电子部件替代原工程机械中的复杂零部件 2 结合法 结合法也称为融合法 这类产品的功能部件是专用的 各要素之间的接口条件已得到从份考虑 甚至可能融为一体 3 组合法 将用互补法 结合法制成的功能部件子像积木一样组合成各种机电系统 54 工程机电系统的设计步骤 在了解系统负载 系统控制性能要求 系统性能要求 系统使用要求几个问题之后 按下面步骤进行设计 1可行性论证明确设计任务 设计思想及其技术指标 完成系统的总体设计 并论证其可行性 2初步设计初步设计包括方案设计和静态设计 方案设计如选择机电控制系统 传动机构的具体形式 静态设计主要是指以满足拖动能力 强度要求为主的设计 解决执行元件和功率转换与放大元件的选择和主参数选择问题 55 3数学模型 建立各元件的数学模型 求取整个系统的数学模型 并画出方块图 4动态设计 进行动态性能分析 确定控制规律及其实现方法 5初选控制器对系统进行数字仿真 依据仿真结果决定对方案设计及控制规律是否修改 6研制样机首先分单元模块进行模拟调试 联机调试通过后 研制样机 并实践应用 依据实践应用情况决定是否修改 7定型生产经过实践验证之后 组织批量生产 56 机电系统的各类模型模型的分类实体模型图式模型模拟 仿真 模型物理模型数学模型物理模型 用物理参数对现实系统加以抽象 概括 与描述的形式 57 实体模型 实体模型是一般实际系统放大或缩小的表现形式 其可以表明系统的主要特征和各组成部分之间的关系 如地球仪 原子模型 挖掘机模型 摊铺机模型 模拟模型 仿真模型 是指通过计算机仿真或者用一种模型代替另一种物理模型的表现形式 如MATLAIB里的仿真模型 用电系统模拟机械系统 模拟现实系统的性能能和行为 58 图示模型 是以图表 图形 曲线 符号对现实系统加以抽象 概括与描述的表现形式 如设计图 流程图 电路图等 59 机电系统物理模型 装配图简化为结构原理图 然后再概括抽象为用物理参数表示的物理模型 物理模型的描述质量 m 或转动惯量 J 弹性系数 K 粘滞阻尼系数 f 60 机电系统数学模型 数学模型建立的依据是物理模型 根据各参数的相互关系 通过有关的定律 定理和规律等建立数学表达式 该表达式正确地反映了系统的本质 在数学模型的建立中要保证数学模型的简化性和准确性 61 机电系统控制器的类型通用计算机 台式机 软 硬件通用 多种软 硬件支持 配套设备完善 但作为数字控制器整体的实时处理速度不是很快 决定于所有部件的速度 单片机 仍在不断发展 如Intel9000的运算速度就非常可观 接口性能良好 但乘法运算速度慢 不适于运算量大的实时控制系统 PLC可编程控制器 适用于工业自动化控制 安全可靠 比较完善 但价格较贵 体积较大 62 嵌入式计算机 体积小 重量轻 可靠性高 针对特殊环境设计的部件可做到防振 抗高低温等特点 模块化设计 可按需要选择功能模块 DSP芯片 专门的可编程数字信号处理芯片 具有独立的程序和数据存储空间 有着各自独立的程序总线和数据总线 结构复杂 但数据处理能力大大提高 有可以实现特处用途 如FFT FIR滤波 卷积 的DSP芯片 多用于需高速实时数据处理的场合 如图形处理 大规模数据实时运算 63 单片机 国内由于各种的历史原因 在1990年以前 几乎只有Intel公司的单片机在国内销售 开发与应用 当时国内的单片机就是指Intel的MCS 51系列单片机 这样51系列单片机在中国有其传统的地位 很多大专院校及工程技术人员熟悉它 在现阶段由于MCS 51的实用性和性价比 51系列单片机仍是工业控制 家电产品等各类产品的主要机种 当然现在如98系列 Intel9000 AVR单片机等种类多多 64 DSP芯片 专门的可编程数字信号处理芯片 DSP的发展 更高的运行速度和信号处理速度 多DSP协同工作 更方便的开发环境 大量专用DSP的出现 更高的性能 价格比 更广泛的应用 更低的功耗 65 PLC可编程序控制器 66 嵌入式计算机 PC 104标准提供与PC总线在体系结构 硬件和软件上的完全兼容 采用CMOS器件 功耗低 已有的PC 104模块为构造嵌入式系统提供了种类繁多的各种构件 它的高集成性和可模块化的结构适用于多种应用 67 5 2挖掘机工装轨迹机电液系控制技术1 挖掘机机器人化的发展现状 液压挖掘机是一种应用十分广泛的工程机械 在矿业 建筑业等领域占有着重要的地位 特别在基础设施建设中所起到的作用越来越明显 68 在日本 建设一座年产300 500万吨的炼钢厂只需28个月 在美国建一座长达38 4公里的预应力钢筋混凝土大桥只需27个月 可见 建筑施工的现代化 也就是自动化 智能化 将直接影响到国家基本建设的速度 对国民经济的发展起着重要的作用 随着人们对工作环境要求的不断提高 不仅在一些对人生命构成危险的场合 如放射性矿石开采 井下粉尘作业 爆破现场施工 核工程和水下施工等 要求无人驾驶和远距离控制挖掘机机电液技术的发展趋势 1 遥操作技术 实现无人驾驶 无线控制和网络视频 2 自动化与智能化 摊铺机自动找平控制 挖掘机节能控制 全功率控制 轨迹控制 自动掘削控制等 69 研究的目的和意义 液压挖掘机作为一种工程行业大量应用的土方机械 它的性能的好坏直接影响到整个工程的进度与质量 70 工程难度增大 作业强度增大 71 施工时造成塌方 水下作业 太空开发 72 现有液压挖掘机的操纵主要还是人工操纵 操纵者劳动强度大 有些液压挖掘机工作在工作条件相当恶劣的环境下 在这种情况下靠人工控制很难保证其精度 甚至有些工作环境不允许人的进入 液压挖掘的操纵者要经过很长时间的培训和长时间的实践操作以后才能熟练的进行操纵 73 日本十分重视工程机械自动控制方面的研究 他们起步也较早 不论是私营企业还是国立研究机构都在此领域投入了大量的人力 物力 财力 获得了丰硕的研究成果 74 韩国的研究人员开发出一种延时控制 TDC 算法 用一台装有该控制器的13吨的液压挖掘机进行了挖直线的轨迹控制实际实验 实验过程中铲斗末端速度为0 5m s 在进行各种坡度挖掘实验时精度都维持在30mm之内 在此基础之上研究人员又开发出一种TDCSA控制算法 并成功的将其应用到21吨液压挖掘机的控制实验中 轨迹控制精度控制在 40mm以内 75 燕山大学研究人员对液压挖掘机建立拉格朗日动力学方程 对其分别添加了模糊PID控制算法和滑模变结构控制算法 从仿真分析的角度论证了上述两种控制算法的可行性 东北大学的研究人员对小松小型挖掘机进行了液压 机器人化改造 对改造后的工作装置模型建立了运动学模型 将径向基函数神经网络运用到运动学的逆向求解中 并对此进行仿真分析 中南大学的研究人员建立了挖掘机工作装置的运动学 运力学模型 相关液压元件的数学模型 针对液压元件存在的响应滞后的问题 采用PID算法以及自适应控制算法来进行校正 浙江大学研究人员以自主研制的小型挖掘机为研究对象 提出了基于规则的智能PID控制策略 同时提出了一种新颖的 对非线性系统有很强适应性的时间延时控制方法 并对上述两种控制算法进行了仿真 76 国内研究面临问题 77 以后的研究方向 旨在研究液压挖掘机工作装置轨迹自动控制系统 探讨一种行之有效的自动控制方法 对液压挖掘机的挖掘轨迹进行控制 并对此进行实物实验研究 提高控制精度 增强环境适应能力 减轻操作者的劳动强度 无线操作 78 轨迹控制系统设计与建模 79 挖掘机铲斗轨迹控制的不同阶段 目前自动化挖掘技术可分为挖掘机的简单自动化 半自动化挖掘和全自动化挖掘3种形式 虽然在每个阶段中所要实现的功能不同 但是都需要对挖掘机铲斗的轨迹进行控制 可见挖掘机铲斗的控制是实现挖掘机自动化的关键工作之一 挖掘机的简单自动化在此阶段的研究中 只是利用反映机器自身状态的内部传感器信息 而无反映环境状况的外部传感器信息 只能执行操作者设定的路径 没有自主决定路径的能力 缺乏适应环境的柔性 80 挖掘机的半自主化这类机器人化作业挖掘机主要是实现机器的局部自主性 如直线挖掘 自动装载等局部自主化功能 该类挖掘机运用了外部传感器 因此对外部环境有一定的适应能力 以离线的方式进行轨迹规划 并把规划好的数据输入控制系统 实现无人操纵的自动控制 这是一种计算机2级控制结构 也是目前最典型的挖掘机器人控制结构 挖掘机的全自主化这一阶段是挖掘机机器人化发展的最终方向 控制结构同样也分为2级 高级控制中的控制器进行在线规划 而低级控制器执行高级控制器输出的动作 即在挖掘机进行工作前 只需输入挖掘任务 也就是只要告诉挖掘机需要完成什么任务 而怎样完成及具体的操作步骤均由挖掘机自主完成 整个过程无需操作手的任何干涉 81 模型的电液控制系统原理图如下图所示 82 挖掘轨迹的计算 齐次变换 83 齐次变换 用齐次变换来描述机构各构件坐标系之间的相对位置和方向 不但具有直观的几何意义 而且能描述构件之间的关系并求解运动学问题 有利于机构运动学分析和对其进行实时的有效控制 平移变换就是用于两个向量的相加 根据齐次坐标向量求和运算 可得平移变换为Trans a b c 84 根据直角坐标系的旋转变换 可得绕齐次坐标系的X Y Z轴旋转一个角度 相应的旋转变换为 Rot x Rot y Rot z 85 液压挖掘机试验机 见图所示 图中的坐标值单位mm 86 挖掘轨迹图 87 电液比例阀放大器 88 传感器控制卡 PCI 8333 89 1 完成基于DSP的控制系统的硬件设计 角度传感器 电液转换装置和高性能DSP数字信号处理器等硬件连接起来构成控制系统 2 DSP控制系统的程序开发 使用CCS3 3开发软件 对DSP进行程序开发 设计挖了掘机轨迹自动控制的实验程序 3 完成对挖掘机模型轨迹自动控制的实验研究 调试系统硬件电路 修改完善控制程序 调整PID各项参数 基于DSP的挖掘机轨迹控制主要完成的任务 90 挖掘机控制系统硬件设计的总体方案 91 ICETEK F2812 A评估板 此系统采用了北京瑞泰的ICETEK F2812 A评估板 此评估板是以TMS320F2812DSP为主处理芯片 它每秒可执行1 5亿条指令 能实现单周期32位与32位乘和累加功能 其运算能力和运算速度能够满足挖掘机控制系统对于动态性能和稳态性能的要求 92 电液转换装置 系统所采用的电液转换装置采用华德液压工业集团生产的2FRE6 A 20B 10QM型号二通比例阀 并配有与之配套的放大器VT 5010 从放大器的26A和26C端输入0 10V模拟电压量即可控制电磁铁的位移值 改变出口流量 当差动电压为10V时 对应阀芯的最大位置 a 电液比例调速阀b 比例放大器 93 a 连接前b 连接后辅助接口电路 94 挖掘机轨迹控制系统硬件连接总图 95 挖掘机轨迹控制实验研究将挖掘机轨迹控制系统连接入实验室的挖掘机模型中进行实验研究 实验按照以下几方面进行 1 对硬件各部分进行测试 以确定他们之间性能和规格的匹配 2 进行挖掘机轨迹控制的研究 以在线调试模式整定PID参数 获取轨迹效果最佳的PID参数 并将确定好的程序固化到FLASH中 实现系统脱离PC机运行 3 比较不同控制方式下的挖掘轨迹并对挖掘机轨迹实验误差分析 96 a DSP评估板与PC连接b 仿真器在线仿真调试模式 控制系统的测试调整 挖掘机轨迹控制系统的建立过程中 编写了辅助程序以在线仿真模式对各部分硬件进行测试 以确保他们的性能以及之间的连接是否匹配 为挖掘机轨迹控制系统的后续实验做好准备 97 挖掘机系统轨迹控制实验先通过在线仿真模式对挖掘机控制系统PID参数进行调节 预定挖掘轨迹为一条水平直线 实验时先通过试凑法暂定Kp Ki Kd三个参数 挖掘机控制系统PID参数整定 98 对于不同的动臂和斗杆的Kp Ki Kd三个参数 轨迹跟踪效果各有不同 其实验结果如下各图所示 a 动臂 Kp 8Ki 0 01Kd 0 08斗杆 Kp 12Ki 0 01Kd 0 05 b 动臂 Kp 5Ki 0 01Kd 0 06斗杆 Kp 12Ki 0 02Kd 0 06 c 动臂 Kp 3Ki 0 01Kd 0 01斗杆 Kp 6Ki 0 01Kd 0 01 d 动臂 Kp 3Ki 0 01Kd 0 01斗杆 Kp 9Ki 0 01Kd 0 01 99 实验通过三种方式 来控制系统达到轨迹控制的目的 并进行比较 方式1 动臂和斗杆的动作都由各自的电液比例阀控制 方式2 斗杆以固定速度动作 动臂跟随 方式3 动臂以固定速度动作 斗杆跟随 实验结果如图所示 不同控制方式下的挖掘轨迹实验 从实验结论可以看出 与理论直线比较 方式1的误差均小于方式2和方式3 因为方式1能更好的保证动臂和斗杆两者预定角度之间的对应关系 实验录像 100 根据实验室已有的挖掘机模型 进行实验研究 其主要研究内容如下所示 1 将角度传感器 电液转换装置和DSP主控制器等硬件连接起来构成了挖掘机轨迹控制系统 并且完成了对DSP主控制器的程序开发 实现了对挖掘机模型铲斗斗尖轨迹的自动控制 2 系统采用PID控制方法 实验通过试凑法 确定了轨迹效果最好的Kp Ki Kd三个参数 并将程序固化到DSP的FLASH存储器中 实现了挖掘机控制系统脱离PC机运行 3 在不同的控制方式下 对挖掘机轨迹进行了跟踪控制 并对挖掘机轨迹实验中遇到的问题和误差进行分析 结论 101 基于个人电脑的信号采集系统设计 在动臂以及斗杆上都装有光电编码器 每一个光电编码器均输出两路脉冲信号 脉冲信号的采集选用北京中泰PCI 8333数据采集卡 每张数据采集卡内置3路计数器 102 轨迹控制系统软件设计 控制软件负责将液压系统 信号采集系统 控制系统链接成一个整体 控制软件为PCI 8333数据采集卡提供驱动 为液压系统提供控制指令 是控制系统的实现自动控制的主体 103 轨迹控制系统软件设计 104 PID轨迹控制器设计 积分比例系数的值为零时系统的阶跃响应会存在稳态误差 但当其值较大时积分作用反而被削弱 不能达到减小静态误差的效果 因此只需给赋一个较小的值便能实现消除静态误差的目标 微分比例系数起着改善系统动态性能的作用 当值较小时 系统的超调量较大 当值较大时 系统又会产生发散性震荡 比例系数能调节系统响应的速度 值过大会使得系统震荡次数增多 超调量增大 三个参数需要相互配合调节才能达到最优效果 105 BP神经网络轨迹控制器设计 液压挖掘机轨迹控制涉及到电信号的采集与控制 液压系统控制 机械本体的控制是典型的机电液一体化控制系统 常规控制算法难以满足要求 BP神经网络凭借其无可比拟的非线性映射能力 良好的数据泛化能力以及强大的容错能力 已经成为使用最多的人工神经网络模型之一 106 轨迹控制系统实验研究 鉴向 防干扰电路板接线 电液比例控制器接线 107 轨迹控制系统实验研究 108 定点控制 109 PID控制实验 110 BP神经网络控制实验 111 BP神经网络控制实验 在初始阶段误差较大 主要原因在于 各构件之间润滑性不好 摩擦力大 所需启动力大 设计油压为6MPa 实际为2MPa影响较大 后半段实验效果十分理想 112 结论 113 5 2起重机的变频调速技术国内外变频调速技术的发展现状 交流变频调速国外发展现状随着电力电子元件技术的不断发展 使得耐高压 大电流 高性能的电力电子元件已经应用于电气传动系统 目前 在发达工业国家 变频调速技术以其显著的节电效果 优良的调速性能以及广泛的适用性而成为电气传动发展的主流方向 在交流电机的调速系统的应用中所占比重已60 70 其技术已经相当完善 114 交流变频调速国内发展现状 从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平有一定差距 在大功率交 交变频 无换向器电机等变频技术方面 国内只有少数科研单位有能力制造 在中小功率变频技术方面 早在上个世纪80年代 已成功引入矢量控制的理论 采用了线性解耦和非线性解耦的方法 探讨交流电机变频调速的策略控制 进入90年代 采用了高次谐波注入SPWM和空间矢量控制 SVPWM 等方法 控制算法采用模糊控制 神经网络理论对感应电机转子电阻 磁链和转矩进行在线观测 在交流变频调速系统的研究上作了大量的基础研究 115 变频调速的基本知识 1变频调速原理简介由电机学知识可知 异步电动机转速公式为 式中 电动机转速 r min 为定子频率 Hz 为电动机磁极对数 为转差率 由式可见 通过改变电动机供电频率 可以实现电动机转速的调节 鼠笼式电机改变磁极对数实现有级调速 绕线式电机通过接入电阻改变转差率来实现调速 对异步电动机进行调速控制时 希望电动机的主磁通保持额定值不变 116 塔机起升机构变频调速实验 实验平台 塔式起重机模型 117 康沃CVF G2 4T0007变频器 118 1 改变电动机极对数调速2 转子电路串电阻调速3 涡流制动器调速4 串级调速5 直流调速 传统的起重机调速方案 前三种方案均属于有级调速 调速范围小 无法高速运行 只能在额定的速度下进行调速 并且在低速时就位性能差 串级调速最大的缺点是可靠性较差 直流调速虽然具有很好的调速性能和起制动性能 但直流电动机的制造工艺复杂 使用维护要求高 故障率较高 119 塔机起升机构的变频调速原理 光电编码器 制动器 变速箱 起升卷筒 起重机变频器调速系统 变频器 保护装置 120 塔式起重机是建筑施工中不可缺少的物料运输机械 其应用越来越广泛 人们对塔机的要求也越来越高 塔机运行的安全性能是否达标已经成为威胁建筑工地工作人员的生命安全的重要元素 塔机安全性成为一个必须有效解决的问题 因此 对塔机运行状态的监视显得尤为重要 基于齐次变换的群塔防碰撞技术研究 121 国内外发展现状 随着建筑施工的规模化 全球的多家研究机构和生产厂商开展了建筑塔吊安全智能监测系统的开发与研究 产品主要有法国SMIE