专家控制在挖掘机液压系统控制中的应用与实现

1、第11卷 第2期 漳州职业技术学院学报 Vol.11 No.2 2009年4月 Journal of Zhangzhou Technical Institute Apr. 2009专家控制在挖掘机液压系统控制中的应用与实现汤剑锋（漳州职业技术学院 电子工程系，福建 漳州 363000）摘 要：挖掘机液压系统控制系统是一个大滞后、非线性系统，难于建立精确的数学模型，应用常规PID 控制不能达到理想的控制效果。专家PID 控制是智能控制技术的一类，是解决复杂非线性对象控制问题的一个有效途径。所以，在液压控制系统中采用专家PID 控制器，使系统有较好的鲁棒性、控制精度及动态性能。控制器采用8751单

2、片机的软硬件实现，运行结果证明了这种控制方案的可行性。关键词：液压系统；专家控制；PID 控制；单片机；挖掘机中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1673-1417（2009）02-0015-031 引言液压系统是挖掘机实现各种运动和进行自动控制的基础。从某种意义上来讲，液压系统的性能决定着挖掘机的质量与工作效率。现代挖掘机能够根据工作环境和作业条件，自动实现分功率的变量与全功率变量，以保证任何情况下发动机均不超载，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（Auto Slow ）和负控制系统（Negative Control，以便当其工作装置不动作时，使发动机油门自动减

3、小，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，现代挖掘机控制系统应具有下列功能：（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，江中实际工作时每个执行元件对流量的需求，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，需对每执行元件（如斗杆液压缸、铲斗液压缸等）提供不同的压力和流量。当液压系统只有一台主泵时，通过流量分配控制使各执行元件同时动作，满足不同作业的要求。（4）工作制式选择 满足不同工作方式的需要求，负括挖

4、掘作业、挖沟、平整和精细动作制式。（5）行走马达控制 设置高速、中速、低速行走自动选择系统，实现机器行走随外载荷变化自动无级调速，使行走速度与操纵手柄原位置相对应。（6）回转停车制动控制 当机器停止时，回转停车制动器用以防止上部结构因重力而回转。作业时，回转停车制动应在操纵手柄复位几秒钟后才能起作用，防止上部结构回转运动的慢性力引起零部件的损坏。（7）预热 在液压油温低于某一界线时，发动机转速自动增高，液压磁流量即随之增加，液压系统很快被加热。（8）突发增力 对主溢流阀施以背压，使系统溢流额定压力上升，短时间提高作业功率。以上功率的实现，多与对液压系统的控制有关。由于挖掘机液压系统具有大滞后、

5、非线形的特点，不能精确控制。采用常规PID 控制方法，控制效果很不理想，而且用PID 控制器来调节，要应用工程方法来整定液压控制器的参数，但在运行中需根据不同情况度调整参数。而专家控制系统或专家控制器对环境的变化有很强的自适应能力和自学习功能，具有高可靠及长期运行的连续性、在线控制的实时性等特点。所以针对以上情况，采用专家自整定PID 控制策略用于挖掘机液压阀的控制，可取得了较好的效果。2 液压系统专家自整定PID 控制器的设计2.1 液压系统专家控制原理专家智能控制是指将专家系统的理论和技术同控制理论方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制。把基于专家控制的原理所设计

6、的系统或控制器，分别称为专家控制系统或专家控制器。它对环境的变化有很强收稿日期：20090219作者简介：汤剑锋（1964），男，福建华安人，讲师16 漳州职业技术学院学报 2009年的自适应能力和自学习功能，具有高可靠及长期运行的连续性、在线控制的实时性等特点。因此，在工业控制中的应用越来越为人们所重视，它是智能控制发展中一个极有应用前途的方向。专家控制(Expert Control的实质是，基于受控对象和控制规律的各种知识，而且要以智能的方式来利用这些知识，求得受控系统尽可能地优化和实用化，它反映出智能控制的许多重要特征和功能。人工智能领域中发展起来的专家系统是一种基于知识的、智能的计算机

7、程序系统。专家系统有两个要素：（1）知识库存储有某个专门领域中经过事先总结的按某种格式表示的专家水平的知识条目。（2）推理机制按照类似专家水平的问题求解方法，调用知识库中知识条目进行推理、判断和决策。专家控制的理想目标是要实现这样一个控制器或控制系统：（1）满足复杂动态过程的控制需要，例如任何时变的、非线形的、受到各种干扰的受控过程。（2）控制系统的运行可以利用一些先验知识、而且只需要最少量的先验知识。（3）有关受控过程的知识可以不断地增加、积累，据以改进控制性能。（4）潜在的控制知识以透明的方式存放，易于修改和扩充。（5）用户可以对控制系统的性能进行定性的说明，例如“速度尽可能快”、“超调要

8、小”等。（6）能对控制性能和控制闭环中的单元进行诊断，包括传感器和执行机构的故障诊断等。（7）用户可以访问系统内部的信息，进行交互。例如受控过程的动态特性、控制性能的统计分析、限制控制性能的因素，以及对当前采用的控制作用的解释等。专家控制的上述目标可以看作是一种比较含糊的功能定义，它们覆盖了传统控制在一定程度上可以达到的功能，但又超过了传统控制技术。作一个形象的比喻，专家控制是试图在控制闭环中加入一个有经验的控制工程师，系统能为他提供一个“控制工具箱”，即可对控制、辩识、测量、监视等各种方法和算法选择方便、调用自如。因此，专家控制实质上是对一个“控制专家”的思路、经验、策略的模拟、延伸和扩展。

9、2.2 液压系统专家PID 控制器专家PID 控制器原理框图如图1所示。它是在PID 算法的基础上，由增加求误差E 与误差变化E 模块、查Fuzzy 矩阵表、查知识集、知识判断、知识调整几个软件模块组成。（1）查E 与E 模块：该模块由脉冲计数程序、软件滤波器程序及E 和E 计算程序组成。（2）查Fuzzy 矩阵表模块：该模块由二维对分查找软件及Fuzzy 矩阵表格组成，它根据输入的E 和计算的E 值，查表求出相对应的数值。（3） 查知识集模块：该模块执行对控制知识的管理、查找，还具有知识的输入、存储等人机操作功能。（4） 知识判断模块：该模块含有最佳性能指标。在指定某一种性能指标后，对于每一

10、次受控对象的过渡过程，它判断其响应曲线是否达到所指定的性能指标，并将其信息传递给知识调整模块。（5） 知识调整模块：根据知识判断模块传递来的信息，决定是否需要对修正系数q p 、q I 、q D 进行调整。若不要调整，则保持原先的q p 、q I 和q D 输出。若要调整，则先查知识集模块，决定相应的修正参数q p 、q I 和q D ，根据性能指标差距大小，对参数进行相应的修改，并记忆此次的性能指标和被调参数，以作为下一次修改参数的根据。定义K P 、K I 和K D 参数调整算式如下：K P =KP +Ei , E i ×qPK I =KI +Ei , E i ×qI

11、（1-（1-1）K D =KD +Ei , E i ×qD模块（1）、（2）用于在每一次控制过程中，按式（1-1）随时调整PID 控制器的三个参数K P 、K I 和K D ，但在一个控制过程内，PID 修正系数q p 、q I 和q D 的值变化不变。K P 、K I 和K D 的值随着Ei , E i 的值变化而改变，其中Ei , E i 由Fuzzy 参数调整矩阵表确定。模块（3）（5）用于修改q p 、q I 和q D 三个参数，它们是在每一次控制过程结束后，根据被控对象的输出响应特性与要求的性能指标进行比较，修改q p 、q I 和q D 三个参数，逐步改善液压系统的动态和

12、稳态性能。第2期 汤剑锋：专家控制在挖掘机液压系统控制中的应用与实现 17 图1 液压系统专家PID 控制器原理框图 3 单片机液压专家智能自整定PID 控制器的实现单片机液压专家智能自整定PID 控制器原理框图如图2所示。它主要由Intel8751单片机、74LS138译码器、74LS373锁存器、EPROM2764程序存储器、6264数据存储器、A/D转换电路、D/A转换电路、PWM 功放、74LS373显示锁存器、显示板、液压阀、位移传感器和负载等组成。液压控制器系统软件采用模块化结构。整个程序由主控程序模块，A/D、D/A程序模块，数据采集与滤波程序模块，PID 运算程序模块，液压专家

13、系统整定程序模块，键扫描及处理子程序模块，显示子程序模块等组成。液压专家系统整定程序模块流程图如图2所示。图2 液压单片机专家智能自整定PID 控制器原理框图专家PID 控制是智能控制技术的一类，是解决复杂及非线性受控对象控制问题的一个有效途径。它对环境的变化有很强的自适应能力和自学习功能，具有高可靠及长期运行的连续性、在线控制的实时性等特点。本项目采用MCS-8751单片机的软硬件系统，实现了液压系统专家智能自整定PID 控制。这种专家PID 控制器，能根据专家知识和经验，实时调整PID 参数，使液压控制系统具有较好的鲁棒性、控制精度及动态性能，运行结果证明了这种控制方案的可行性。参考文献:1陶永华等. 新型PID 控制及其应用M. 北京:机械工业出版社，2000. 2刘伯春. 智能PID 调节器的设计及其应用J.电气自动化，19