工程机械电液控制技术1

1、工程机械电液控制技术机电工程学院机械(jxi)电子教研室共六十八页一、绪论(xln) 1、机电一体化技术 液压技术在工程机械技术构成(guchng)中的比重大 2、工程机械机电液一体化技术 主要组成（系统、技术） 3、机电液一体化技术的主要研究方向2共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(1) 定义机电一体化技术是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程的基础上有机地加以综合，实现(shxin)整个机械系统最佳化而建立起来的一门新的学科。3共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(1) 定义(dngy)通过定义，需要强调以下几点：a.并非机械与电子的简

2、单叠加，是有着自身体系的新学科；b.各种技术相互融合，相互渗透，是新一代的生产技术；c.随着机电一体化技术的发展，各种新兴技术不断融入其中。4共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(1) 定义机电一体化意义： 将机械技术与电子技术（信息技术）融合(rngh)在一起机械技术电子技术1+1=2机械技术电子技术1+12反馈机制5共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(2) 产生与发展(fzhn)20世纪60年代末以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，微电子技术得到较大的发展，特别是出现了世界上第一台电子多用途计算机“ENIAC”。6共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术

3、30个操作台17468根真空管7200根水晶(shujng)二极管1500 个中转70000个电阻器10000个电容器1500个继电器6000多个开关长30.48米，宽6米，高2.4米重达30吨，耗电量150千瓦每秒执行5000次加法或400次乘法是继电器计算机的1000倍手工计算的20万倍。7共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(2) 产生与发展20世纪60年代末以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，微电子技术得到(d do)较大的发展，特别是出现了世界上第一台电子多用途计算机“ENIAC”。阿塔纳索夫-贝瑞8共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(2) 产生与发展

4、20世纪60年代末以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，微电子技术得到较大的发展，特别是出现了世界(shji)上第一台电子多用途计算机“ENIAC”；第二次世界大战后，西方国家开始了将机械技术与微电子技术相结合武器系统（火炮和雷达的伺服系统、导弹和卫星的导航系统）研究，这些机电结合的军用技术，为机电一体化技术出现打下了坚实的基础。9共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(2) 产生与发展20世纪70-80年代(nindi)为第二阶段，这一阶段称之为发展阶段。 Mechatronics10共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(2) 产生与发展(fzhn)20世纪70-8

5、0年代为第二阶段，这一阶段称之为发展阶段。 MechanicsElectronicsMechatronics11共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(2) 产生(chnshng)与发展20世纪70-80年代为第二阶段，这一阶段称之为发展阶段。 MechanicsElectronicsMechatronics12共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(2) 产生与发展20世纪70-80年代为第二阶段，这一阶段称之为发展阶段。Mechatronics一词到80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认，标志着机电(jdin)一体化技术作为一门新兴学科正式确立；在这一时期，计算机技术（in

6、tel 4004, IBM-PC等)、控制技术（智能控制技术等）、通信技术（网络，工业总线等）等的长足发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。13共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(2) 产生与发展20世纪90年代至今为第三阶段，是机电一体化技术深入发展阶段。 现代化的机械将电子技术、自动化技术、计算机技术等等技术融为一体，在各行各业（机械制造、汽车、工程机械等等）得到了广泛的应用(yngyng)，带来了巨大的经济效益和社会效益；对机电一体化系统的建模设计、分析和集成进行了深入研究，机电一体化技术逐渐形成完整的学科体系。14共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(3) 应用领域

7、a.机械制造(j xi zh zo)的工艺设备 数控机床具有程序控制系统能有逻辑地处理加工程序15共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(3) 应用领域a.机械制造(j xi zh zo)的工艺设备装配机器人自动执行工作可接受人类指挥可运动预设程序16共六十八页(3) 应用领域b.交通运输设备(shbi) 汽车电子燃油喷射(pnsh)系统（EFI）汽车自动变速器防锁死刹车系统利用传感器检测发动机状态，在不同工况下获得合适的可燃混合气根据油门和车速的变化，自动变速，使发动机发挥最佳性能。既能制动，又能防止车轮锁死，使车轮在制动状态下仍然转动。1.1 机电一体化技术17共六十八页1.1 机电

8、(jdin)一体化技术(3) 应用领域b.交通运输设备(shbi) 汽车安全气囊碰撞事故会产生两次碰撞：第一次：车与障碍物第二次：人与车内部件组成：传感器，电控单元，气体发生器，气囊等碰撞发生传送信号信号处理气体发生器点火18共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(3) 应用领域d.现代化武器装备无人(w rn)侦察机战争机器人等 19共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(3) 应用领域e.工程机械装载机挖掘机 自动(zdng)怠速系统电子功率优化系统电子监控20共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(3) 应用领域e.工程机械摊铺机自动(zdng)调平系统激光（或其它介质

9、）发射出多束不可见光到路面，再被反射回扫描器。扫描器内的电子装置根据光波时间差，算出距离变化，并做出调整，保证摊铺平整度。21共六十八页1.1 机电(jdin)一体化技术(3) 应用领域工程机械 工程机械机电(jdin)液一体化技术机电一体化技术机械液压电子信息22共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(1)工程机械的发展工程机械技术的进步都与现代化工业技术的发展息息相关的。工程机械发展阶段主要包括三个阶段。第一个阶段，19世纪后期，汽油机（奥托,1876）和柴油机（鲁道夫狄塞尔，1892）出现；第一次世界大战后，他们(t men)被先后应用于工程机械，极大的改善了工程机械的动

10、力性能。23共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(1)工程机械的发展第二个阶段，20世纪50年代中期，液压传动技术(jsh)得到了迅速发展，并被应用于工程机械，使得工程机械找到理想的传动形式，推动了工程机械的飞速发展。传动形式的液压化是工程机械由传统结构形式向现代结构发展的一次重大飞跃。24共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(1)工程机械的发展第三个阶段，20世纪的后期至今(zhjn)，机电一体化技术开始与工程机械的液压和液力传动技术相结合，称之为机电液一体化技术。25共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(2) 主要组成要素(yo s)机

11、电液一体化技术分为五大系统：a. 控制系统b. 检测系统c. 动力系统d. 执行系统e. 机械本体控制系统动力系统检测系统执行系统机械本体26共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(2) 主要组成要素五大要素与人身体的部位的类比控制系统大脑检测系统各种感觉、神经系统等动力系统心脏执行(zhxng)系统手、脚等机械本体骨架27共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术28共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术29共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(2) 主要组成要素a.控制系统控制系统是机电液一体化系统的核心部分，包括了硬件部分和软

12、件部分。 硬件：由计算机、可编程序控制器、数控装置(zhungzh)以及计算机外部设备等组成。软件：将来自传感器的检测信号和外部输入命令进行储存、加工、分析，根据处理结果，按照一定的控制程序发出相应的指令控制整个系统的运行。30共六十八页(2) 主要组成实例：挖掘机SWE85E控制系统(kn zh x tn)：EPEC2023控制器自适应控制程序运动学正解/反解程序电液比例换向阀控制手柄1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术挖掘机SWE85E31共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(2) 主要组成要素b.检测系统检测系统的功能主要是在设备运行过程中对设备自身和外界环境的

13、各种参数及状态信号进行检测，变成可识别(shbi)信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。检测系统通常由专门的传感器、仪器仪表以及接口电路构成。32共六十八页(2) 主要组成实例：挖掘机SWE85E检测系统：压力传感器流量传感器倾角传感器转速传感器CAN总线总线转换(zhunhun)接口1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术挖掘机SWE85E33共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(2) 主要组成要素c. 动力系统根据一定的要求，为系统提供能量和动力，使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得(hud)尽可能大的功能输出，是机电液一体化产品的显著特征

14、之一。34共六十八页(2) 主要组成实例：挖掘机SWE85E动力系统：柴油发动机液压泵（带LUDV系统(xtng)、双柱塞泵合一）1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术挖掘机SWE85E35共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(2) 主要组成要素d. 执行系统执行系统的功能应是根据控制信息和指令完成所要求(yoqi)的动作。执行机构是运动部件，它将输入的各种形式的能量转换为机械能。36共六十八页(2) 主要组成实例：挖掘机SWE85E执行系统：液压缸（分别驱动动臂、斗杆、铲斗、推土铲）液压马达(md)（分别驱动行走、回转）等1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术挖

15、掘机SWE85E37共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(2) 主要组成(z chn)要素e. 机械本体机械本体包括机械传动装置和机械结构装置，其主要功能是使系统零部件按照一定的空间和时间关系装配在一定的位置上，并保持特定的关系。为了充分发挥机电液一体化的优点，必须使机械本体部分具有较高的强度、轻量化和高可靠性。38共六十八页(2) 主要组成实例(shl)：挖掘机SWE85E机械本体：车架驾驶室底盘工作装置等1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术挖掘机SWE85E39共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(2) 主要组成要素实例：挖掘机SWE85E控制系

16、统：EPEC2023控制器，自适应控制程序，运动学正解/反解程序，电液比例换向阀，控制手柄等检测系统：压力传感器、流量传感器、倾角传感器、转速传感器等；CAN总线，RS-485总线，总线转换电路等动力系统：发动机，液压泵等执行系统：液压缸，液压马达等机械本体(bnt)：车架，驾驶室、底盘等40共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(2) 主要组成(z chn)要素五大元素或系统的划分方法只是为了更好的理解机电液一体化技术，之间的界限并不是清晰明确的，可能存在相互重叠的区域41共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(3) 主要(zhyo)相关技术从技术构成来看机电

17、液一体化技术，主要包括如下几种核心技术：a. 传感技术b. 信息处理技术c. 液压传动技术d. 接口技术e. 自动控制技术42共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(3) 主要(zhyo)相关技术a. 传感技术传感技术是机电液一体化的关键性技术之一，它是工程机械施工作业过程中的视觉与感觉系统。传感器技术自身就是一门多学科、知识密集的应用技术。作为一个独立器件，传感器的发展正进入集成化、智能化研究阶段。43共六十八页44共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(3) 主要相关技术b. 信息处理技术信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储和输出等技术。对于机

18、电液一体化系统(xtng)，信息的处理需要实时、准确。信息处理的硬件设备主要包括计算机、可编程序控制器，键盘，显示器等。45共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(3) 主要相关技术c. 液压传动技术液压传动技术是用液体作为工作介质来传递能量(nngling)和进行控制的传动方式。尤其是电液比例控制技术和伺服控制技术出现以后，进一步提升了液压系统的性能、精度、响应速度，这些对机电液一体化产品的性能与效率具有至关重要的影响。例：电液比例阀、电液伺服阀46共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(3) 主要相关技术d. 接口技术机电液一体化系统是机械(jxi)、电子、

19、信息等性能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子系统之间的接口极其重要。接口(Interface)是各子系统或要素之间的分界面。子系统之间进行数据交换或传输，必须通过这个分界面。接口性能是决定系统综合性能好坏的重要因素。例：CANBUS接口，RS-232接口等47共六十八页1.2 工程机械机电(jdin)液一体化技术(3) 主要相关技术e. 自动控制技术在机电液一体化技术中，自动控制主要是解决如何提高产品(chnpn)的精度、提高施工效率、提高设备的有效利用率等几个主要方面的问题。其主要技术关键，在于现代控制理论在机电一体化技术中的工程化与实用化、优化控制模型的建立。48共六十八页1.2

20、 工程机械机电(jdin)液一体化技术(3) 主要相关(xinggun)技术a.传感技术b.信息处理技术c.液压传动技术d.接口技术e.自动控制技术49共六十八页1.3 机电(jdin)液一体化技术主要研究方向 现代工程机械上机电液一体化技术的研究方向非常多样，主要的研究方向包括如下几个方面：(1) 电子监控、检测及诊断(2) 节能环保(3) 智能控制(kngzh)(4) 嵌入式系统(5) 无线控制和无人驾驶(6) 虚拟现实技术50共六十八页1.3 机电液一体化技术主要研究(ynji)方向 (1) 电子监控、检测及诊断 研究和应用主要集中于机载系统和远程系统两个部分。机载系统：电子检测与监控技

21、术可以通过一些基本的传感器信号对工程机械的动力、传动、工作装置(zhungzh)等的运行状态进行检测和显示，通过人工或车载计算机对异常状态进行分析、诊断。51共六十八页1.3 机电液一体化技术主要研究(ynji)方向(1) 电子监控、检测及诊断应用实例：卡特彼勒的装载机：三级报警系统、电子检测系统、发动机自动控制装置；小松的挖掘机：电子检测装置包括11个自动(zdng)报警检测项目，发动机、液压系统、电气系统等工况的瞬时状态检测；52共六十八页1.3 机电液一体化技术主要研究(ynji)方向 (1) 电子监控、检测及诊断 远程系统：通过远程传输系统(GPRS，WLAN等）将采集的各类车载信号数

22、据传输到远程服务器，对数据进行保存、分析，实现工程机械设备的集中监控、管理及远程诊断，并能通过远程传输系统（比如短信）将故障(gzhng)或维护信息发送机主。53共六十八页1.3 机电液一体化技术主要研究(ynji)方向 (1) 电子监控、检测及诊断 远程(yunchng)系统：54共六十八页1.3 机电液一体化技术主要(zhyo)研究方向(1) 电子检测、监控以及诊断(zhndun) 应用实例：小松的挖掘机：通过WLAN并结合中继站实现远程数据传输，进行状态监控，控制挖掘机的动作；三一的机群智能化：结合WLAN和GPRS实现机群GPS数据、状态数据的传输；山河智能的SWE型挖掘机：通过短信和

23、GPRS实现GPS信息、压力信息、油料信息，实现状态监控。55共六十八页1.3 机电液一体化技术(jsh)主要研究方向(2) 节能环保(hunbo)以挖掘机上研究应用最为广泛，主要内容包括负荷敏感控制、泵发动机功率匹配控制、负流量控制、正流量控制等等 56共六十八页1.3 机电液一体化技术主要(zhyo)研究方向(2) 节能环保负荷敏感(Load-Sensing, LS)控制(kngzh)方式可以使泵的输出压力和流量自动适应负载的要求，大幅度提高液压系统效率；在大中型挖掘机上，采用负荷敏感工作的液压系统日趋成为主流。 负荷敏感系统仅提供所需求的流量和压力的液压回路。负荷敏感控制系统的功率损耗较

24、低，效率远高于常规液压系统。57共六十八页1.3 机电液一体化技术(jsh)主要研究方向(2) 节能(ji nn)环保应用实例：日立的EX系列挖掘机：最早采用负荷敏感系统的挖掘机之一，实现了无冲击作业，提高了作业效率；小松挖掘机：采用了封闭式中央负荷敏感系统，能够提供平稳、精确的控制操作，达到最佳作业效率；山河智能SWE系列挖掘机：采用了负荷敏感系统，提高了挖掘机动作的协调性，提高了作业效率。58共六十八页1.3 机电液一体化技术主要研究(ynji)方向 (3) 智能控制智能控制技术是机电液一体化技术的关键技术，应用前景(qinjng)非常广泛。主要包括模糊PID控制、自适应控制、滑模控制、神

25、经网络控制等等。59共六十八页1.3 机电液一体化技术主要(zhyo)研究方向(3) 智能控制(kngzh)ABG的7820型智能摊铺机、三一的LTU90A智能摊铺机具备自动找平、直线行走等等功能，其控制系统采用了模糊PID控制算法；60共六十八页1.3 机电液一体化技术(jsh)主要研究方向(3) 智能控制小松的PC型电控挖掘机采用了滑模控制，具备实用毛笔写字(xi z)的功能；山河智能的SWE85E型电控挖掘机采用了自适应预测控制，可以实现直线挖掘。 61共六十八页1.3 机电液一体化技术(jsh)主要研究方向(4) 嵌入式系统嵌入式系统（Embedded System）：以应用为中心，以计算机技术为基础(jch)，软件和硬件均可根据需要进行裁剪，以适应系统的功能、实时性、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统可分为软件系统和硬件系统两个方面。62共六十八页1.3 机电液一体化技术主要(zhyo)研究方向(4) 嵌入式系统嵌入式软件系统：一般都是实时操作系统，常用的有VxWorks、Linux、Windows CE、uCos、QNX等等VxWorks：实时性最好的一款嵌入式软件系统，属于(shy)高端的嵌入式系统，体积小，功能强，但价格较贵； 应用：战略导弹、火星探测器63共六十八页1.3 机电液一体化