机电一体化的液压冲击器控制系统研究分析 机械制造自动化专业

题目：机电一体化的液压冲击器控制系统研究英文并列题目：RESEARCHONTHECONTROLSYSTEMOFHYDRAULICIMPACTORBASEONMECHATRONICS机电一体化的液压冲击器控制系统研究中文摘要本文在传统纯液压控制液压冲击器的工作原理和输出特性基础上，分析了其在调能和调频方面存在的不足和有待发展的地方，并结合氮气压力反馈原理，将机电一体化控制引入到本文研究的气液联合式液压冲击器控制系统当中，称之为机电控制液压冲击器。在文章中并详细介绍了机电控制液压冲击器的结构方式、工作原理和控制方法。基于此控制的液压冲击器一方面可以手动调节其冲击能和冲击频率，另一方面也可以根据工作对象的物理性质的不同，机电控制液压冲击器自动调节其单次冲击能和冲击频率，这取决于控制系统的控制方式。为了便于计算机控制，机电控制液压冲击器取消了传统纯液压控制系统中的换向阀，取而代之的是以高速开关阀作为先导阀、二通插装阀作为控制阀组成的配流换向系统，文章详细介绍了配流换向系统的设计思路和受控方式，而且配流换向系统的设计，综合考虑了简便冲击器的工作原理和便于实现冲击能、冲击频率的调节。为了进一步了解机电控制液压冲击器液压控制系统的工作特性和输出特性，文章中建立液压回路的数学模型、分析了液压控制系统的工作效率、针对性介绍了机电控制的气液联合式液压冲击器工作时的动力学模型。在计算机控制系统中，首先阐述了本文控制系统硬件的组成；接着软件设计时以活塞冲击后反弹时引起的氮气室压力变化并将压力变化转化为活塞反弹速度作为输入信号，引用模糊控制策略，实现机电控制液压冲击器的工作频率和冲击能的无级调节。基于本文理论设计思想，搭建了机电控制系统的实验平台，制作出了机电控制液压冲击器样机原型机，且实验时分为两步进行，首先将液液压冲击器由传统纯液压控制转变为机电控制，实现手动的冲击能和冲击频率在一定范围的有级调节；然后在第一步的基础上实现机电控制液压冲击器根据工作对象物理性质的不同而自适应调节其冲击能和冲击频率。本文在上述基础上进行了大量实验，试验效果和采集到的数据表明完全可以实现液压冲击器冲击能和冲击频率的无级调节；同时也证明了本文理论研究的正确性。对于目前冲击器的智能化研究和液压冲击器产业的发展具有重要的意义。关键词：液压冲击器，机电控制，氮气压力反馈，数学模型，配流换向系统，冲击能，冲击频率，模糊控制RESEARCHONTHECONTROLSYSTEMOFHYDRAULICIMPACTORBASEONMECHATRONICSABSTRACTThearticleanalyzesinsufficientofenergyandfrequency’sadjustmentfortraditionalhydraulicimpactorwhichiscontrolledonlybyhydraulicpressurebaseonitsprincipleofworkandoperatingperformance,Pointesoutplacesthatneeddeveloped.Andusethemethodofnitrogenpressurefeedback,introducesmechatromicscontrolstrategyintothecontrolsystemofgas-hydraulicimpactorresearchedinthewhichcalledmechanical-electricalcontrolimpactor.Thepaperintroducesdetaillythemechanical-electricalcontrolimpactor'sstructure、principleofworkandcontrolmethod.Ontheonehand,theimpactor’sworkfrequencyandsingleimpactenergycouldbeadjustedbyoperator;Ontheotherhand,italsocouldadjustautomaticallyhydraulicimpactor′sworkfrequencyandsingleimpactenergyaccordingtothedifferentphysicalpropertyofworktarget,whichmainlydependoncontrolmodeofcomputersystem.Foreaseofcomputercontrol,theimpactoruseflatvalvewhichiscomposedbyhighspeedswitchvalveforfirstpilotvalveandtwocartridgeinsertedvalvesforsecondpilotvalve,insteadofconventionalhydrauliccrossvalve,thepaperilluminatestheflatvalve’sdesignthoughtandcontrolledmethod,thesimplificationofwork’sprincipleandthefacilityofworkfrequencyandsingleimpactenergy’sadjustmentareconsideredfullyduringtheprocessofdesign.Inordertofurtherunderstandtheoperationalcharacteristic、outputparameterandworkingefficiencyoftheimpactor’shydrauliccontrolsystem,Mathematicalmodelabouthydrauliccircle、dynamicsmodelthataimattheimpactorarefoundedseparativelyinthearticle.Asforthecomputercontrolsystem,thedesignofhardwareisintroducedatfrist,thenwhendesigningthesoftware,itadoptespiston’smaximumbouncevelocitywhichcomputatedthroughnitrogenchamber’spressurechangequantityresuledfrombounceafterafterpistonimpactchiselasinputsingal,andcoordinatesfuzzycontrolstrategy,makingthehydraulicimpactor′sindependentsteplesscontrolforworkfrequencyandimpactenergycometrue.Basedonthetheoreticaldesignthoughtasabove,theexperimentalplatformforcontrolsystemaboutmechanical-electricalimpactorhasbeenbuiltandthenewprototypeimpactorhasbeenmanufactured.Theexperimentiscarriedonthroughtwesetp,Firstly,transformstraditionalpurehydrauliccontroltomechanical-electricalimpactor,achievingtheworkfrequencyandimpactenergy’sadjustmentinacertainscopebyoperator;Secondly,makingthehydraulicimpactor′sintellectualizedworkcometrueaccordingtoworktarget.Makingfulluseoftheoreticalknowledgeandexperimentalplatform,thepaperhascarriedonmuchexperiment,experimentprocessandcollectedresultindicatethesystemcouldadjusthydraulicimpactor′sworkfrequencyandsingleimpactwhichhasimprotantsignificancetoimpactor'sintellectualizedresearchandthehydraulicimpactorindustry'sdevelopmentpresently.PressureFeedback，FlatSystem，MathematicalModel，ImpactEnergy，ImpactFrequency，FuzzyControl目 录中文摘要 IABSTRACT III第一章 绪 论 1液压冲击器概况 1液压冲击器基本结构 1液压冲击器发展概况 2国内外液压冲击器调频调能技术现状及趋势 2调频调能技术现状 2液压冲击器技术的研究趋势 3液压冲击器研究方法 4数学线性模型解析法 4数学非线性模型仿真法 5本文工作及研究内容 6研究目的和意义 6本文工作 7论文结构 7第二章机电控制液压冲击器控制总体方案研究 9传统液压冲击器调节方法和工作特性 9行程反馈调节法 9供油流量调节法 9机电控制液压冲击器工作原理 10机电控制液压冲击器的优势 13本章小节 15第三章机电控制液压冲击器液压控制系统理论研究 16液压冲击器参数特点研究 16有关参数与符号 冲击器各运动学参数间关系 冲击器主要结构参数与运动学参数关系 系统流量、能耗及效率 19输入流量能量损失与效率 冲击器动力学模型研究 22本章小节 24第四章配流换向系统研究 25配流换向系统结构、工作原理 25高速开关阀结构、工作原理及特点 26高速开关阀结构和工作原理 高速开关阀特点 本文使用高速开关阀 脉宽调制技术 28脉宽调制技法概念 脉宽调制信号产生方式 二通插装阀结构及其工作原理 30二通插装阀结构 两通插装阀工作原理及参数 本章小节 33第五章液压冲击器模糊控制策略研究 34冲击系统活塞回弹现象分析 34冲击系统活塞回弹现象 冲击入射波 35破碎条件 35反射波特点 35回弹速度计算 36液压冲击器模糊控制策略 39模糊控制器结构 输入量、输出量及其模糊化 模糊控制规则 43反模糊化 43模糊控制算法的实现 本章小节 44第六章计算机控制系统研究 46控制系统形式及控制要求 46控制系统硬件组成及工作原理 47单片机控制芯片 47A/D模数转换器 49显示模块的接口设计 51键盘输入模式接口设计 52电流/电压转换电路设计 52驱动电路设计 控制系统硬件工作原理 控制系统软件组成 56软件设计基本思想与算法研究 有级调节软件设计 智能化工作软件设计 本章小节 61第七章机电控制液压冲击器实验研究 62实验研究内容 62实验原理与方案 62实验系统组成 信号处理及抗干扰措施 实验结果分析 66液压冲击器冲击能的无级调节性能 66液压冲击器冲击频率的无级调节性能 68本章小节 71第八章 结 论 72参考文献 74第一章 绪 论液压冲击器概况器主要用于对大块岩石的二次破碎作业、混泥土构建的拆毁等工程建设中。液压冲击器基本结构1、冲击机构2、换向机构3、蓄能稳压机构4、其它结构等多种形状，以适应不同工作对象的要求。大块冲击对象。减震机构：以缓解挖掘机大臂与液压缸受到冲击动载荷。防空打机构：避免在空打时冲击活塞撞击缸体。液压冲击器发展概况1963Kropp冲击器已有几十年的发展历史，归纳起来主要可以分为以下几个阶段：1、凿岩机型。借鉴液压冲击凿岩机的特性，冲击器的操作压力和其冲击能直接与油的流量有关。2,降低了过大冲击能,增加了冲击频率,输入功率得到较高的冲击频率。3、恒定冲击能型。应用内部结构保证了恒定操作压力,能在很大的流量范围内进行作业；同时又具有恒定冲击能，提高效率,并能方便地安装在不同的主机上。4、有级调节型。冲击器的冲击能和冲击频率可根据被破碎材料不同硬度进行有级调节。5、可自由无级调节型 冲击器的冲击能和冲击频率可根据被破碎材料不同硬度进行无级调节。或者操作人员可遥控操作自由调节冲击器的操作压力。耗大、使用寿命短、特别是易损件寿命短，制造成本高等方面。国内外液压冲击器调频调能技术现状及趋势调频调能技术现状到目前为止国内外针对这项技术已经作了不少工作，概括起来可以分为以下三个方面：1、在液压冲击器锤体上手动调节[27][34]这种方式是通过手动调节液压冲击器缸体或者阀体上的二通插装阀开度大小来2、驾驶室内手动调节[7][21]HM270HM960液压冲击器都有这种调频装置。其基本原理是缩短F系列大中型系列液压冲击器配有这种调频装置。3、自适工况的自动调节频率和冲击能，无需人工干预。并增加频率，它自动调频系统由稳压阀和换向阀组成，但是自动调频系统只能实现2～3级的有级调频。意大利英德科公司的部分液压冲击器和英格兰蒙塔贝特公司的冲击器，也能根据岩石的硬度自动调节冲击能和冲击频率。中南大学液压机械工程研究所对独立无级调节冲击能和冲击频率的液压冲击器一体化液压冲击器工作原理并成功研制出基于此原理并由单片机控制的液压液压冲DBS500，并在此基础上对新型液压冲击器的设计理论、运动规律、控制方式和各个子系统进行了系统而且深入的研究。PC机电智能控制研究奠定了基础。液压冲击器技术的研究趋势经过几十年的研究和发展，液压冲击器技术可以说是取得巨大的成就，但现代随着施工要求的不断提高和工作对象环境的扩大，对冲击器的各方面要求也越来越高，结合国内外生产的冲击器的各种优势，综合起来，其发展趋势主要表现在以下几个方面：1、机电一体化的智能控制。根据工作对象的阻力大小自动控制冲击能和冲击频2、功能多样化、结构柔性化。现在的冲击器为了适用现代施工要求，已经从功能单一的破碎设备发展到具有多种附加功能的多功能破碎设备。除了具备破碎功能样化、柔性化的附加功能。3、高工作效率，低能量损耗。4、易于现场安装，维修以及更换零部件等。5、安全性好、寿命长、环保效果好。液压冲击器研究方法在研究液压冲击器的过程中，当所作的基本假设不同和采用的数学模型不同时，所得的基本表达式也有所不同，到目前为止的研究方法，归纳起来基本可以分为两大类：线性模型研究和非线性模型研究。数学线性模型解析法条地描述了液压冲击器的运动规律。恒定不变。杨襄璧教授以冲程时间比：冲程时间（tC)周期时间（T)值，如：最大峰值流量最小

0.3330.382蓄能器隔膜振动次数最小

0.333中南大学胡均平、朱建新老师以液压冲击器内部压力损失能耗最小为优化目标，得出0.29[5]。北京科技大学的王政老师以活塞回程加速段时间th作为设计变量，进行参数综合分析得到：蓄能器容积变化最小时：th0.406T液压冲击最小时：

th0.406T中南大学何清华教授的专著《液压冲击机构研究·数学非线性模型仿真法数值仿真方法首先建立液压冲击器工作过程的数学模型，综合考虑影响液压冲击器工作的因素，全面分析液压冲击器的受力状态以及各个容腔、管道的压力、流量，可获得比解析法解更加接近实际情况的结果，更加有利于揭示液压冲击器工作的内在规律及其参数的优化。1976真计算的精度。1987年，北京科技大学陈孝忠、陈定远教授发表的《液压碎石冲击机构计算机以上的非线性的研究为机电联合控制液压冲击器的数学模型研究奠定了基础。本文工作及研究内容研究目的和意义2～3挡的有级调速。另据相关资料表明，基于行程反馈原理的液都使得液压冲击器得工作范围很难扩大，工作效率很难提高。本文工作本文要做的工作主要表现在以下方面：1、基于机电一体化控制的液压冲击器总体方案研究。包括系统工作原理、结构设计，系统控制方式设计，建立系统工作数学模型。2、机电控制液压冲击器控制系统具体研究设计。包括液压控制系统设计，计算机控制系统硬、软件设计，控制系统控制策略研究。3、实验系统研究。机电控制系统样机的制作，实验平台的设计，数据采集系统设计，实验系统接线原理和进行实验等4、数据采集，整理，分析。检验新型压力反馈气液联合式机电一体化冲击器原理机设计理论的正确性。论文结构论文结构安排如下：第一章、绪论第二章、液压冲击器机电一体化控制总体方案研究第三章、机电控制液压冲击器数学理论研究1、冲击器机构、结构、工作原理及参数特点研究2、系统流量、能耗及效率3、机电控制液压冲击器数学动力学模型的研究第四章、配流换向系统研究1、配流换向系统的工作原理、结构2、主要研究高速开关阀的工作原理及结构、特性及控制方式。3、二通插装阀结构原理、配流特性及其对冲击系统性能的影响第五章、液压冲击器反弹现象、模糊控制理论研究（包括建立由液压；进行试验并得出实验结果并分析最后，作全文总结第二章机电控制液压冲击器控制总体方案研究传统液压冲击器调节方法和工作特性行程反馈调节法,供油流量调节法这种工作参数调节方式主要适用于全液压驱动型液压冲击器在与手动伺服变量22km(12a)q2 q2P gk

（2-1）g a2(1a)2A3s 1s2E2mq2a2A2 g

kq2

（2-2）2gf(12a)qg2g(1a)2s

qgk3s

（2-3）q q32g3NEf2g3

kq2k

gk s 4s

（2-4）gE与液压冲击器理论供油量q2成正比，冲gg f与qN与q3g 机电控制液压冲击器工作原理EEf则都可以较大范围内无级调节，这种原理称为氮气压力反馈式工作原理[6]。2-1图2-1 机电控制液压冲击器基本机构1钢钎2活塞3前腔4中缸体5后腔 6氮气室7压力变送器8进油二通插装阀9、进油高速开关阀10、A/D转换器11、高压蓄能器12、CPU13、功率信号放大器14、安全阀15、液压泵16、回油滤清器17、回油高速开关阀18、回油二通插装阀机电控制液压冲击冲击能的调节是通过改变活塞行程来实现的，在系统供油量和系统工作原理如下：1、回程加速阶段2-17检测出活塞冲9179881718的控制腔182在前腔高压518185的回油路，回程加速结束。2、回程减速与冲程阶段回程减速与冲程阶段系统油路接通与断开一致，工作状态见图2-2。在二通插装图2-2 冲程时工作状态1钢钎2活塞3前腔4中缸体5后腔 6氮气室7压力变送器8进油二通插装阀9、进油高速开关阀10、A/D转换器11、高压蓄能器12、CPU13、功率信号放大器14、安全阀15、液压泵16、回油滤清器17、回油高速开关阀18、回油二通插装阀阀18关闭的同时，计算机发出低电平指令控制高速开关9，使二通插装阀8的控制腔85接通高压油活塞在氮气室氮气压力3中的高51以上液压控制系统方案取消了传统液压冲击器的机械式换向系统，采用由计算机控制的具有柔性特点的换向系统，这样可以根据实际工况来调节冲击器的输出特性，实现液压冲击器的最优化工作。机电控制液压冲击器的优势1、对工况的适应性2、实现液压冲击器冲击能和冲击频率的无级调节3、配流换向系统有较高的工作可靠性和柔性高速开关阀二通插装阀能量损失也大，有关资料表明，通径为32mm的二通插装阀在流量为200L/min时，其压力损失仅为0.5MPa。说明二通插装阀流动阻力小，通油能力大，具有适用于大4、实现了液压冲击器的计算机控制相对传统纯液压控制的冲击器，机电控制液压冲击器将液压控制和计算机控制有MSC51系列芯片作本章小节第三章机电控制液压冲击器液压控制系统理论研究液压冲击器参数特点研究有关参数与符号机电控制液压冲击器的各种参数分为三大类，其相应的符号如下:1、与冲击器结构有关的结构参数。m)，蓄能器充气容积(VN)。2、性能参数：直接反映冲击机构性能指标的有关参数。冲击频率(f)，冲击能(E)，总效率()，容积效率(V)，机械效率(p)，压力效率(q)。其中压力效率反映液压冲击器内部阻碍形成的压力损失的大小。3、工作参数：描述冲击器工作状态的参数。PQQXuc)uh)Sp)Sh)Sj)，活塞运动周期T)，回程加速时间th)，回程减速时间tj)，冲程时间tc)，回程加速段加速度ah)，回程减速段加速度aj)，冲程加速度ac)。此外还有蓄能器的充气压力(px)，其回程加速阶段的充油体积(Vh)、排油体积(Vp

)，回程减速与冲击阶段的充油体积(Vc)。另外，为分析方便，这里引人两个无因次变量：回程加速阶段与冲程阶段的加速ww1度比和冲程阶段加速度与回程减速阶段(数值)比ww1c

(分别简称为回冲加速比与冲减加速比)。冲击器各运动学参数间关系fE；在选定适当的冲击末速度ucP，和比值u2m2Eu2c

（3-1）忽略冲击停顿时间，则有：周期时间

T1fTtcthtj

（3-2）（3-3）其中: 冲程时

t2SPc u

（3-4）回程加速时间

chtuhhwh

uh1wj

（3-5）回程加速行程

wt2Shh

（3-6）回程减速行程

h 2wt2wtjjSj2jju2

（3-7）总行程

SSSc

（3-8）联立上式可以解得：

p h

2wc回程减速行程与总行程关系回程加速行程与总行程关系

SjSj

1 Sp11pp1 Sp11

（3-9）（3-10）tj22 2 Sp 11uc

Sp Sp11uc (1 (11)]Sp uc令：

（3-14）12

(11)]

（3-15）111Sp1ucT

（3-16）S2S2uTj 12 p

12 1

（3-17）SuTh 2 1ccw ucc

（3-18）21T

（3-19）r wr

uc21T

（3-20）wj

uc2T1 11uh2uctctj212T

（3-21）12ht21T12h

（3-25）在11（忽略回油背压阻力）的理想情况时，(1)(1)1

（3-26）2

（3-27）上述表达式(3-16)~(3-27)式表明，机电控制气液联合式液压冲击器活塞有关运动(频率)冲击器主要结构参数与运动学参数关系这里主要考虑活塞前腔承压面积Aq，后腔承压面积Ah，氮气室端活塞作用面积AN及其当量面积Ad。为便于分析，引人回油阻力系数k0，氮气压力系数kN。1、回油阻力系数k0将回油压Ph，用供油油压P来表示：Phk0P

（3-28）一般取k00.06~0.122、氮气压力系数kNP来表示：PhkNP

（3-29）3、氮气室承压当量面积AdANPNSPAdPSPAdkNAN4、结构参数与运动学参数的关系根据活塞的受力情况可以得到各状态下的加速度表达式：(k0kN)P/mwj(kN)P/m(kN)P/mk0kNkN

（3-30）（3-31）（3-32）（3-33）（3-34）（3-35）AqAhkNAN1 AAkAq h NN

（3-36）系统流量、能耗及效率输入流量1、有效油量VeVeAqShAhSj(AhAq)Sj(AhAq)SpAhSp2、泄漏流量Vl

（3-37）kql和后腔的泄漏计算系数khl，再根据前腔在不同阶段的压力和泄漏时间，便可求出在一周期中因泄漏损失的压力油。VlkqlthP(kqlkhl)tjP(kqlkhl)tiP2kql

TP

qlkhl

)12TP

qlkhl

)1TP122[(1)k12

k

k)

]TP=1TP

ql12

hl 1

ql hl 1

（3-38）其中泄漏系数2[(1)k

k

k)]13、输入流量Qs

ql12

hl 1

ql hl 1根据上述分析可知。实际输入的流量表达式为：Qs(VeVl)/T(AhSp1TP)/T(Ah1ucT1TP)/T1P

（3-39）能量损失与效率在这里导出气液联合式液压冲击器能量损失及效率的表达式。1、局部压力损失产生的能耗EsAj、总的局部损失系数为j，则可采用如下简化方法进行计算：以冲击阶段为例，速度为u的活塞在时间tc内造成的局部损失能量为：Etc[(AA)u/A]2QdtQ[(AA)/A]2tc(wt)2dtc 0 j h q j s j s h q j 0 cQ[(A)/A]2c(c

Q(AA)2u2tjj s h q c)2dtj s h q j 0)2dt

6A2c j照此方法可求得一个周期内的局部损失能量为：

（3-40）回程加速：t

QA2uth 0 j qh j

6A2E h(A

/A)2Qdt

j sq hhj

（3-41）回程减速：t

Q(AA)2u2tj 0 j h q j j s

6A2E j[(AA)u/A)2Qdt

j s h q jjj

（3-42）整个周期的压力损失等于：Q(AA)2u2t

QA2ut

Q(AA)2u2tEs

j s h q cc6A2

j sq hh6A2

j s h q jj6A2j j jjQs[(

A)2u

A2u

(

A)2u2t]j6A2j

h q cc q hh h q jj

（3-43）2、回油阻力产生的能耗E0回油阻力系数反映的回油阻力，产生于活塞回油的那一腔，根据实际工作情况，只有在回程加速阶段有后腔通往回油箱，由此产生的能耗可表示为：3

E0k0pShAh

（3-44）EVPTP2l l 1 （3-45）4、容积效率v、机械效率m、压力效率p、与总效率通过分析一个周期中的几种主要能量的损失，可以求得液压冲击器的容积效率、机械效率、压力效率、与总效率。

AhSpv

Sp

1TP （3-46）EinEElE0Es考虑回油阻力产生的能耗E0的机械效率为：m1E0/Ein考虑局部阻力损失产生的能耗Es的压力效率为：p1Es/Ein总效率为：E/EinE/(EElE0Es)综合以上分析，还可以得出本文研究机电控制液压冲击器总效率的表达式：E/EElE0EsE/{ETP2kPSA

jQs[(

A)2u2

A2u

(

A)2u2t]}

（3-47）j1 0 hj

6A2

h q cc qhh h q jj冲击器动力学模型研究3-1，根据上述假设条件及物理运动所必需遵守的图3-1机电控制液压冲击器结构原理图1、动力平衡方程：活塞：.. . .mX1(X1,,,)Ff1(X1,,)Fp1,)mgcosFN1)

（3-48）.粘性摩擦阻力：Fs1{B1[B2(PqP0)B3(PhP0)]}X1.密封圈摩擦阻力：Ff1(f1P0f2PN)X1油压力：Fp1PqAq∓PhAh气压力：FN1PNAN为活塞中心线与竖直方向的夹角X1为活塞位移为阻尼系数,、f2为摩擦系数2、进油二通插装阀：.. .X22(X2,)2(X2,)Fp2,,

（3-49）. .粘性摩擦阻力：

Fs2B4X2B5(P2P3)X2液动力：Fy2c1(P2-P4)X2液压及弹簧力：Fp3AA2P4AB2P2AC2P3k2(X2X20)m2为进油二通插装阀阀芯质量,

X2为阀芯位移

为阻尼系数k2为弹簧刚度系数,

c1为系数.. .X3(X3,)Fy3(X3,)Fp3,,

（3-50）. .X3X3y3c(56X3液压及弹簧力：Fp3AB3P6AA3P5AC3P7k3(X3X30)为回油二通插装阀阀芯质量,

X3为阀芯位移

为阻尼系数k3为弹簧刚度系数,

c2为系数4、油管油液动力方程.. .F(X0)(X0)F(,..

（3-51）mXK(X)2A(PP)

（3-52）0 0 0 0 1 05、气体状态方程

A0－油管截面积氮气室：PV

1.4PV

1.4c

常数） （3-53）N0N0 NN N高压蓄能器：PV

1.4PV

1.4c

常数） （3-54）H0H06、流量平衡方程[13]高压油管

HH H回程加速阶段：. . . .VHqpqxv2(ΔP24,X2)qh1(X1)qK2(X2)qxv1(ΔP)回程制动和冲程阶段. . . . .VHqpqxv2,X2)qxv3,X3)qc1(X1)qk2(X2)qxv1

（3-55）（3-56）. dh3 2 . dh .二通插装阀泄漏量：qxv2,X2)22(11.5212l2

)(X2) 22X22. dh3 2 . dh .qxv2,X2)22(11.5212l2

)(X2) 22X22dh3 . dh .q 33(11.52)(PP)(X

) 22X3xv3 12l3.

3 6 7 3 2qK2AA2X2.qh1X1.qc1(AhAq)X1dh3 2 . dh.活塞泄漏流量：qxv111(11.51)(X1) 11X112l1 2l1、l2、l3为活塞、锥阀的密封长度，h1、h2、h3为活塞、锥阀的密封面间隙，1、2、3为各油道压力损失系数，为油液动力粘性系数。7、气体体积平衡方程.NN0Nt..

（3-57）高压蓄能器：HH0Ht3.4本章小节

（3-58）第四章配流换向系统研究压控制系统中引入高速开关阀、二通逻辑插装阀共同组成液压冲击器的配流换向系配流换向系统结构、工作原理室的气压达到设定的换向压力值时通过计算机控制系统控制配流换向阀动作以切换出了配流换向系统的工作原理，其基本结构和工作原理见图4-1，整个系统由两位三25mm，低压油道油孔为18mm，而高速开关阀油道均为4mm4-2AB口的油压口处为低油压，活塞在前腔高压油作用下作回程加速运动；反之，B口为高压状态，活塞作回程减速和冲程运动，从而控制液压冲击器活塞的往复运动。图4-1配流换向系统工作原理 图4-2配流换向系统阀实物1、进油高速开关阀2、进油插装阀3、回油高速开关阀4、回油插装阀高速开关阀结构、工作原理及特点液压控制系统中组成配流换向系统的先导阀是高速开关阀，理解并掌握高速开关阀的结构和特性是本文研究的基础，本节详细介绍了高速开关阀的结构和工作原理，以及脉宽调制方法在高速开关阀中的应用。为后面的理论和实验研究奠定基础。高速开关阀结构和工作原理电产生电磁力和弹簧力克服高压油压力以驱动阀芯往复运动以达到改变油液流向的本文使用的是贵州航空工业总公司红林机械厂与美国BKM公司联合研制的HSV4-34-416使回油球阀7电时，没有电磁力作用，供油球阀7在供油口和回油阀座的密封座面上，使供油口和5图4-3高速开关阀结构原理图 图4-4高速开关阀实物图1、衔铁2、线圈3、极靴4、阀体5、回油球阀6、分离销7、供油球阀高速开关阀特点1、结构简单紧凑2、响应速度快(1)(2)(3)增加线圈的安匝数。3、重复性好4、抗污染能力强，寿命长。与比例阀和伺服阀的性能对比，高速开关阀对工作介质清洁度无特殊要求。工作寿命高于一亿次。本文使用高速开关阀HSV系列高速开关阀是贵州航空工业总公司红林机械厂与BKM公司联合研制生产的高速螺线管式电磁阀，是一种用于机电一体化领域中电子电路与液压机构间的一种理想接口元件。HSV系列高速开关阀的工作方式可采用连续加载、脉冲宽度调制、频率调制或脉宽-频率混合调制。其工作参数如表4-1示。表4-1

HSV3203S1高速开关阀的技术参数高速开关阀的技术参数序号项目名称性能指标单位1额定压力20Mpa2额定流量9L/min3内泄量0L/min4脉宽范围20%~80%5最高开关频率200Hz6线圈最大功率50W7线圈平均功率15W8开阀时间脉宽调制≤3.5ms连续通电≤59关阀时间脉宽调制≤2.5ms连续通电≤3.510重复精度±0.05ms11寿命1×e9次12温度范围-40～135℃脉宽调制技术（即PFMPCMPWM脉宽控制等，其中脉宽控制方式比较常用。脉宽调制技法概念脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常ON)，要么完全无OFF)。电压或电流源是以一种通ON)或断OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候周期为T，正脉冲宽度为、占空比为的脉冲宽度信号，其中：ThT

（4-1）4-5。图4-5 锯齿波PWM控制原理4-5（数字信号或电压T内有量Q通过，其余时间没有流量通过。时间与T之比称之为变调率，也称占空比。：PDiCi（4-2P式中：D—变调率；C—流量系数 A—阀的开口面积；ΔP—压差。脉宽调制信号产生方式目前广泛使用的微机或微处理器中都有定时/I/O通道，可以利用/计数器来进行编程，I/O4-6是其产生脉宽调制信号的原/计数器和/计数器的数字寄存器的值由所要产生的脉宽调制信号的宽度Tp/T/计数器的数字寄存器的值由CPU计算所得的脉冲周期T决4-6定时器编程产生脉冲宽调制信号4-7单片机产生脉宽控制的工作原理A/D板、传感器、基极驱动I/O输出，4-7，用单片机控制电磁阀时，灵活使用定时/计数器、输入输出控制口很重要。二通插装阀结构及其工作原理二通插装阀结构63mm以下，公称通径大于80mm的场合通常用圆形盖板。盖板可以）控制先导阀的启闭，从而组成各种功能的回路。两通插装阀工作原理及参数4-8ABX腔，阀芯所受合力可以用下式表示：F∓Ff式中：PA、PB、PX分别为A、B、X腔液压力；AA、AB、AX分别为A、B、X腔液压力作用面积；

（4-3）FK为弹簧作用力；FH为阀口（稳态）液动力；FG为阀芯重力；Ff为摩擦力。通常，FG、Ff与液压力比较相对较小，可以忽略不计。X就可以控制F当F0时，阀芯下压，阀口关闭；当F0时，阀芯上抬，阀口开启。FK、FG、Ff与发的开启压力有关，通过调整弹簧就可以调节二通插装阀的开启压力。图4-8两通插装阀工作受力图AX之比aA/XB腔ABX腔与回油腔相通ABAB为了保证阀芯启闭的可靠性，方向控制用的插装组件大多采用A1:1.5或者A1:2的阀芯。4-2。表4-2：本文使用二通插装阀参数公称通径NG参考额定流量工作额定压力P压力损失ΔP工作最大频率f16（mm）80（L/min）20(MPa)ΔP0.1MPaf10（Hz）换向阀的耗油量，虽然阀芯运动所消耗的压力油对于液压冲击器的工作是必不可少本章小节第五章液压冲击器模糊控制策略研究1、无需预先知道被控对象的精确数学模型，可以对数学模型难以求取或无法求取的对象进行有效的控制。2、模糊控制规则是以人的经验总结出来的条件语句来表示，对于控制理论不熟悉的一般工程技术人员来说，也很容易学懂和掌握模糊控制的方法。3、由于表示控制知识是是以人的语言形式，因而有利于人机对话和系统知识的处理，系统处理具有灵活性和机动性。基于以上的分析，本文认为模糊控制方式为机电控制液压冲击器的最佳控制方式，并在此对其进行较深人的研究。击器活塞冲击后的回弹速度作为输入信号，模糊控制策略作为本研究系统的控制策略。冲击系统活塞回弹现象分析冲击系统活塞回弹现象lg/c（lg为钎杆材料的纵波速度)时间后达到冲击界lg/c时冲击入射波⎨⎧1mv,0t⎨P⎪⎩

z0t

（5-1）式中：P—入射波力值(N)，以压力为正；mz—活塞和钎杆的波阻(N·s/m)；v0—活塞冲击速度(m/s)t—时间(s)；—持续时间

lg/c，其中lg为活塞长度（。破碎条件5-1所示：作用力与位移的关系可用函数形式表示为：⎨F⎧⎨F

KxK'(x

(加载)x) (减载）⎩式中：

max max

（5-2）

图5-1作用力与位移关系图F—作用力(N)：

x

xmax—其最大值；K、K'—岩石加载刚度和卸载刚度(N/m)；K、K'取决于岩石种类和钎具类型，若令K'K（,)，其中称为卸载系数。反射波特点撞击产生的矩形波作为第一个入射波传递到冲击界面时，作用力和位移在满足了破碎端条件式(5-2)时，还必须满足如下关系:PQF.PQmzx

（5-3）（5-4）式中：P、Q分别为入射波和反射波值(N)，均以压力为正。这样，就可得到下面两个方程组：⎧ FKx⎪⎪PQF⎪⎨

（5-5）

⎧FF K'(x⎪max ⎪ PQ⎪max ⎨ .

（5-6）⎪PQmzx ⎪ PQmzx⎪t0,F

⎪t,F

Kx⎩ ⎩ max max将人射波函数式(5-1)代入上述（5-55-6）两方程组，可解得反射波的波形函数为:⎨⎧1mv(12et) 0t⎨Q⎪2 z0

（5-7）⎪mv(1e2/)e

t⎩ z0z K/mm2/mKm为活塞质量z 入射波波形和相应的反射波波形如图5-2、5-3所示。从图可见，反射波由拉伸波和压缩波两部分构成[6]。图5-2入射波波形 图5-3反射波波形回弹速度计算对于一定质量的气体从某一状态)变化到另一状态，V2)叫气PVkC式中：k—绝热系数， C—常数

（5-8）在机电控制液压冲击器中，活塞在密闭的气腔中高速往复运动，氮气中的热量来不及与外界进行热交换(散热或吸热)，这一过程可以看作是绝热过程。如图5-4所示：图5-4氮气室氮气工作状态图在tAXX1、体积为XX2、体积为。由绝热方程可知：PVkPVkP(XX)PΔXi11 22 21 2 1 21由（5-9）式可知：

（5-9）ΔX

]kk

（5-10）由于活塞在Δtt2，时间内位移为ΔXX1X2点间距离平均速度为：kΔkVΔt

]AiΔt

（5-11）可通过压力传感器对氮气室压力定时采样而获得。当采样间隔较小时，而反映冲击器性能的另一个重要参数——冲击频率则可通过以下方法得到：对计算后得到的一系列活塞运动速度数值进行比较，找到两个相邻速度峰值所处的时间，其差值的绝对值即为活塞周期，而冲击频率即为周期的倒数。其数学表示如下：TtVmax1tXmax2f1T

（5-12）5-5。ABCABBCS2。活塞通过S2所需时间均为采样间隔tVAAB，C点的速度，a表示AC段内的加速度。 图5-5三点法位移状态 图5-6 三点法原理根据公式：VBVAatVCVBat

（5-14）解得：

S(VAVB)it1 2S(VBVC)it2 2

（5-15）（5-16）a2(S2S1)itS2S12t3 t2V3S2S1C 2t

（5-17）（5-18）adVCC dt

S13S22t2

（5-19）上述各式中采样间隔可预先设定，测得距离S1、S2，即可用上式计算出活塞的5-6VB。可见采用两点法会比采用三点法产生的测试变化量要0.12~0.32另外，通过对以上活塞回弹现象及活塞回弹速度的分析及有关研究表明：1、活塞的回弹状态、回弹速度与活塞、钎杆和工作介质的特性有关，且它们的影响不是独立的，而是相互关联的。2、工作介质的加载和卸载特性都影响着活塞的回弹状态和回弹速度。c3、为了获得较理想的系统效率，一般要求在设计冲击器时，将系统匹配系数控制在120～0.28，这也就是说，活塞的回弹速度将在0~0.28v的范围内[6]。c液压冲击器模糊控制策略机电控制液压冲击器在工作过程中，活塞的回弹速度峰值还可以表示为回弹系vc关(由回弹系数体现)，同时与冲击器本身的性能与结构参数有关(由最大冲击速度体这特点决定了本研究中对冲击器的控制不能采取需要建立受控对象精确数学模型的控制方式，转而采用模糊控制策略。模糊控制器结构模糊控制器实质上是反映输入语言变量与输出语言变量及语言控制规则的模糊定量关系及其算法结构。其功能的实现是要先把观测到的精确量转化为模糊输入信量，输出变量、模糊化模糊推理、决策算法和模糊判决等部分构成，如图5-7。图5-7 模糊控制器基本结构输入量、输出量及其模糊化本文所研究的机电液压冲击器，选取活塞回弹速度最大速度峰值的变化量及其变化率d/dtΔpn为模糊控制器的输出量。在控制系统中，模糊控制器的输入、输出量的测量值、d/dt、Δpn)围即称为变量的基本论城。它们以集合的形式表示：峰值变化量的基本论域为[e, e]变化率的变化基本论域为[e/dt e/dt]氮气反馈压力变化量的基本论域为[Δpe Δpe]为了能在模糊控制器中进行模糊推理，需要将输入变量、输出变量进行模糊化。首先应将其表示为以大、中、小等以语言方式表达的模糊等级概念。这一过程符合操作者对输入输出量的直接判断。对同类事物划分等级的所有语言描述称语言变量论域，在模糊控制中与之相对映的是模糊子集论域。也以集合的形式表示：变化量的模糊子集论域为n,n+1,…,-1.0,1n-ln}变化率的模糊子集论域为m,m+1,-1，0,1m-lm}输出量的模糊子集论域为l，l+1，-1，0,1,…l-1l)ke子kc、输出量变化量的比例因子ku，分别由下面的算式确定：ke

（5-20）kndtc dku l

（5-21）（5-22）Δpnikuili

（5-23）式中：li为输出量模糊集论域中的任一元素或为控制量的模糊集所判决得到的确切输出量；Δpni为输出量基本论域中的一个精确量；ku为比例因子。模糊子集论域中nml的大小表示用于对象描述等级的多少。选用较多的描PB)PS)ZE)（NS)NB)论域为d/Δpn，它具有如下的表示形式：2 0 2 d/dt2 0 2 Δpn{4

2 0 2 数即可。在实际中，一般采用正态分布、等腰三角形和梯形这几种形状。2xu(x)1b

（abxab） （5-24）2 2式中参数可分别取论域中各元素的值，参数b取大于零的正数。确定语言变量的模糊子集的隶属函数时，应注意以下几点：1、隶属函数的形状对控制效果影响很大。当隶属函数曲线形状较尖时，模糊子2~3倍。3、各模糊子集间的相互影响，可用模糊子集当中任意两个相邻子集的交集中的最大隶属度值来衡量。0.4~0.7值不能取得过大，否则对相邻的语言变量值很难加以区分[47]。本研究中机电控制液压冲击器的模糊控制器根据在单片机中实现模糊控制的特5级。各变量的隶属函数表达式为：NB

⎧⎨)⎨⎪⎩

1120

4242

（5-25）⎧⎪d ⎪

11d

d4dtd

（5-26）⎨ d⎨

( )⎪

2)

2 4NBdt dt

⎪ 2dt dt⎪ 0 d⎩ dt

2⎧ 1 Δpn4 (Δp)

1

2

4NBΔpn

n⎨ n ⎪ 2

（5-27）模糊控制规则

⎪ 0

Δpn2AB则C"(即ifAandB，thenC)对于压力反馈气液联合式液压冲击器系统的模糊控制器定义：输入变量有：活塞冲击回弹速度变化量、活塞冲击回弹速度变化率的变化量d/dt。输出变量有：活塞回程反馈控制气压增量Δpn。控制规则有如下形式:PBPB)，则活塞回程反馈控制气压增量为正大PB)；PSPS)，则活塞回程反馈控制气压增量为正小PS)；NBNB)，则活塞回程反馈控制气压增量为负大NB)；……。5-1所示：表5-1机电控制液压冲击器模糊控制规则d dtPBPSZENSNBPB△PnPBPBPSNSNSPS△PnPBPSZENSNBZE△PnPBPSZENSNBNS△PnPBPSZENSNBNB△PnPBPSNSNBNB反模糊化加权平均法针对论域中每个元素xi(i=1，2,⋯，n)，以它作为待判决输出模糊集i合Ui的隶属度uU(x)iini

的加权系数，即取乘积xiiuU(x)

(i=1，2,⋯，n)，再计算乘积和Ui(xi1

，即：

nniUi(x)ni1 nUi(x)i1

（5-28）即是应用加权平均法为模糊集合Ui是隶属函数曲x（5-28）所示的加权平均法有时也称重心法。模糊控制算法的实现(5-85-9所示[13]。本章小节了模糊控制策略的工作原理和特点，在分析了本文气液联合式液压冲击器的特点之开始开始按隶属范围选d/dt并计算控制量对N条规则的子关系求和得R有N条规则否？根据合成运算计算R规则对应的输入量、输出量隶属范围读入控制规则反模糊化开始设置基本论域及初值采样输入？计算和d开始设置基本论域及初值采样输入？计算和d/dtmax？Y N min？YNd/dt(d/dt)maxYNd/dt(d/dt)minYN对和d/dt作模糊量化处理并查询控制表(d/dt)maxd/dt(d/dt)maxmaxmax输出比例因子加权图5-9控制表查询程序原理图第六章计算机控制系统研究控制系统形式及控制要求(单片机)和可编程控制器PLC)功能都是按工业控制要求设计的，又叫单片微控制器。单片机中包含有微处理器CPU)(RAMROM)I/O)及其它功能部件如定时计数器、中断系统等等。它们通过数据总线DB)AB)和控制总线CB)CPU中配置有指令系统。图6-1单片机结构原理现对一定频率和功率范围的高速开关阀的控制，控制器在系统中所要实现的功能如下：1、一路数字输入，输入的数字信号为系统氮气室压力的实时采样信号。2、二路数字输出，分别输出对机电控制液压冲击器的两个二位三通高速开关电磁阀进行控制的开关信号。3、对系统的输出进行数据采集、转换、计算与分析。4、通过键盘实现对系统参数的调定和运行管理等，可以通过显示器帮助操作人员了解单片机系统的运行状况与参数设定情况。5、存储和运行系统的实时控制程序。控制系统硬件组成及工作原理单片机控制芯片1、SST89E564RD单片机介绍SST89E564RDSST公司推出的一款内嵌89C52核的单片机，除具有89C52768XRAM；增加了64KBlack0Flash，SST89E564RDKeilSoftICEFirmware与Keil一起可将CBlack0中，且可在线调试，CPUBlack1的前4KBlack0的后Flash2。SST89E564RD系列单片机具有高的可靠性，独特的超级Flash技术和小扇区结构在设计和使用MCU方面具有较大的优势，是教学首选单片机，代表着单片机的发展方向。2、SST89E564RD单片机的内部结构本单片机应用系统的CPU芯片采用MCS51系列单片机中的SST89E564RD芯SST89E564RDCPURAM)、程序存储器ROM/EPROM)I/O口P0P2P3、串行/SFRCPU加上外围芯片的结构模式。内部结构见图6-2。3、SST89E564RD的技术特点SST89E564RD单片机的主要特性如下：8位8051兼容MCU(2)单片机晶振频率最高可达40MHz。(3)1KByte的内部RAM。 (4)内置的Flash存贮器分为两个Block0和Block1支持外部扩展程序存储器和数据存储器的地址范围均为64K。内置3个16/计数器。(7)一个全双工增强的UART。(8)最多可以有8个中断源，并可以设定为4个优先级。(9)4个8I/O口。(10)可编程的看门狗。SPI(13)兼容TTL和CMOS逻辑电平。(14)掉电检测。(15)DPTR寄存器。(16)低功耗模式。4、SST89E564RD引脚分析SST89E564RD单片机双列直插引脚排列图如下：SST89E564RD40引脚双列直插封装DIP)6-3所示，其引脚功能可分为以下几个部分： 图6-2

SST89E564RD内部结构 图

SST89E564RD双列直插引脚图主电源引脚VCC：接5V电源；GND：接地。时钟电路引脚:XTAL2：振荡器反向放大器输入端。控制信号引脚EA/VPP：访问外部程序存储器允许端。为了能够从外部程序存储器的0000H至FFFFH单元中取命令，EA必须接地。ALE：当访问外部存储器时，该脚是一个用于锁存地址的低八位字节的输出脉ALE以振荡频率1/6RESET：复位控制。接上电源时.PSEN：外部程序存储器读选通信号。I/O口线P0，P1，P2，P3共四个八位口线。其中：P0口：为一个八位漏极开路的双向I/O口。与地址总线(低八位)及数据总线分时复用。本系统将P0脚作为专用功能用于系统信息的显示以及信号的输入。I/O对系统运行状况进行控制。P2I/O(高八位)P2.0P2.1两脚作为专用功能用于输出两路控制信号。P3口：为八位准双向I/O，多用途端口，可做第一功能用，也可定义为第二功能。A/D模数转换器目前A/D接口芯片的型号很多，在精度、速度和价格方面千差万别，较为常见A/D芯片，在转换速度上同前两种芯片相比要快得多，精度亦可达到较高的水平。对于本文所研究的机电控制液压冲击器来说，冲击频率最高达18Hz，转换速度本研究中采用的器件是模数转换器TLV个输入端的1212位开关电容逐次逼近方式进行模数转换。1、TLV2543C的技术特点12位分辨率A/D转换器在 0℃～70℃的工作范围内转换时间为10us个模拟输入通道 3路内且自测试方式固有的采样与保持 线性变化量土1LSBmax片内系统时钟 转换结束输出单极性或双极性输出 可编程的MSB或LSB前导2、TLV引脚分析VCC：电源正端。GND：电源地，是内部电路的地回路端，所有电压测量都相对于此脚。基准电压引脚REF：正基准电压端。基准电压的正端(通常为VCC)被加到此脚。REF：负基准电压端。基准电压的低端(通常为地)被加到此脚。

TLV2543C引脚图AIN0~AIN10个模拟信号输入由内部多路器选择。DATAINPUT：串行数据物人端，一个4位的串行地址选择下一个即将被转换的所需的模拟输入或测试电压，在时钟I/OCLOCK的上升沿，该端的数据被移入输入寄存器。DATAOUTPUT：用于A/D转换结果输出的3态串行输出端。在CS为高电平时处于高阻抗状态而CS为低电平在时钟I/O CLOCK的下降沿上次转换结果的相应位输出到该端，处于激活状态。控制信号引脚CS：片选端。此引脚一个由高向低的变化将复位内部计数器并控制和使能DATAOUTPUT，DATAINPUTI/OCLOCKDATAINPUTI/OCLOCK。EOCI/OCLOCK下降沿之后，EOC从高电平变为低A/DEOC才又上升为高电平。该端信号可以作为转换结束的中断或者信号查询。I/OCLOCK：串行输;人输出时钟端，最高频率4.1MHz。此引脚接收串行输入并完成以下四功能：①、前8个上升沿，将CLK输入数据位键入输入数据寄存器，前4个上升沿之后移入通道地址在选定的多路器的输入端上的模拟输入电压开始向电容器充电并继续到I/O CLOCK的最后一个下降沿；③、将前一次转换的数据的其余位移出DATA OUTPUT端在I/O CLOCK的下降沿时数据变化、在最后一个CLK下降沿将转换的控制信号传送到内部的状态控制位。3、TLV2543C与单片机的接口设计TLV2543C与单片机SST89E564RD的接口设计见图6-5，通过单片机的P0口作为数据传送接口。图6-5显示模块的接口设计

TLV2543C与单片机的接口原理显示器的种类很多，单片机常用的显示器有：发光二极管显示器和液晶显示器，HD44780，它是字符型液晶显示器的代表。HD44780是集驱动器与控制器于一体，专门用于字符显示的液晶显示控制驱动1、HD44780液晶显示模块的管脚定义HD447801416个端子两种，16个端子中多了两个端子用于提供背光16端口液晶显示模块接口如图所示。各端口的具体定义如下：VSS：接地VDD：电路电源电压，VDD5VVLC：LCD驱动电压，对比度调节电压，通常情况下直接与GND相连即可，在特殊情况下须提供负电压。RS：寄存器选择信号，H表示数据，L表示指令R/W：读/写信号，H表示读，L表示写。E：片使能信号，下降沿触发。DB0~DB3：844位数据总线方式下无用DB4~DB7：844位数据总线方式下使用VLED、VLEDG：为显示屏提供背光。ER/WRSHD44780的控制线，通过不同的组合，实现各种控制功能。2、HD44780与单片机的接口设计8P0口作为数据口，负责接收和发送数据。P3.0E(片使能信号)、P3.2R/W(读/写信号)、P3.3用作RS(寄存器选择信号)[53]。键盘输入模式接口设计对于非编码键盘单片机对它的控制主要有三种方式：1、程序扫描方式。这种方式只有当单片机空闲时才调用键盘扫描子程序，响应键盘的输入诸求。2、定时扫描10ms的CPU响应定时器溢出中断请求，对键盘进行扫描，以响应键盘输入请求。3、中断扫描方式。虽然定时扫描方式使CPU能即时响应键人的命令和数据，但在很多CPU的效率，CPU响应中断，执行中断服务程序，判断键盘的键号，并作相应处理。4×4SST89E564RD0完成键盘命令操作。电流/电压转换电路设计IC元件处理，而有的传感器其输出信号的标准为4~20mADCIC元件应用系统信号输出只/6-6为采用TL431设计的4~20mA/0~电流/电压转换电路。TL431是精密电压调节器，等效电路见图6-7，VREF端的电压常态下应为，因此也称基准端。转换电路设计思路如下： 图6-6420mA/0电流/电压转换电路 图

TL431的等效电路图首先420mAy，得到输出电压U0[40xyV。因为4A电流对应输出电压V，20A应输出电，所以：4xy0 20xy5解出上述两个方程，得到x5/16KΩ，y1.25V于是输出电压U0(4~20)5/161.25V图6-6中：U0(4~20)R(1Rf/R1)(Rf/R1)VREF1.5(4~20)R1.25V式中R208.33Ω，R可以采用200Ω固定电阻和10Ω微调电阻串联[65]。驱动电路设计在单片机控制系统设计中，大电流、大功率驱动电路的设计是不可缺少的环节，这部分的工作性能的好坏将直接影响到现场控制的质量。目前常用的驱动电子器件有晶闸管、功率晶体管、功率集成电子开关、固态继电器以及各种集成驱动电路。6-8给出了目前可使用以三极管作为放大电路驱动高速开关阀动作的驱动原理图，用电压作为驱动高速开关阀动作的开关电源。图6-8高速开关阀驱动电路图6-9直流固态继电器继驱动原理大工作电流为3A2~内即可完成，而且自身具有散热功能，不需在外加散热设备。控制系统硬件工作原理A/D转换电路、人机交换电路、光电隔离传输电路、A/D转换电路将模拟信号转换成计算机能处理的数字信号；人4~20mADC，而一般单片机应用系统信号输出A/DA/D/计数器T0和T1通过中断方式输出两路脉宽控制放大电路将、5mA信号放大到、2.6A后驱动高速开关阀工作。图6-10单片机控制系统硬件原理图控制系统软件组成本控制软件系统对液压冲击器施行的实时控制程序采用MCS51系列单片机指令TKS系列单片机开发系统来进行软件的调试工作。软件设计基本思想与算法研究对于本文所研究的基于压力反馈原理的机电控制气液联合式液压冲击器控制系统的软件设计，其控制目标是实现对冲击能控制和冲击频率控制。为了将本文实现液压冲击器根据工况条件实现自适应调节输出特性的思想简单化，本文在控制系统软件设计中分两个阶段进行：PIDPID控制能满足相当多工业对象的控制要PIDPID将连续PID控制离散化后的PID算式为uk[eTied(e

)]

（6-1）TTi i jTTij0

i i1 0式中：k—比例系数；u0—偏差为零的控制作用；T—采样周期；T—积分时间；Td—微分时间；ei—设定值与实际输出值构成的控制偏差。以上公式称为位置式算法。由它可推出增量式算法：Δuk[ee

T

eTd(e2ej j

e

（6-2）i i i1

j0

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i2iPIDuiui1Δuiui1Δui的和即是u的输出，这样将有利于减小变化量[5]。i有级调节软件设计1、键盘功能本阶段单片机控制系统中，参数的初始值已经设定，键盘的的主要功能包括：2、软件结构及流程图档位调用用外部中断来实现，而回程时间和冲程时间控制通过定时器中断来完成。6-均打开，当确定有运行键按下时，先确定调用工作时间组，然后开定时器，进油器定时中断结开始开进油锥阀开回油锥阀开始系统初始化结束冲击控制子程序开放外部中断显示监控状态清存储单元停运开始开进油锥阀开回油锥阀开始系统初始化结束冲击控制子程序开放外部中断显示监控状态清存储单元停运档止行位命命键令令处处处理理理Y关定时器1开进油锥阀关回油锥阀01中断入口Y关定时器1开进油锥阀关回油锥阀01中断入口停止键按下？Y结束关进油锥阀开回油锥阀开定时器0工作时间组确定NN有键闭合否？延时12ms消抖动Y判断闭合键键号判断闭合键键号根据键号散转根据键号散转图6-13有级控制冲击子程序中断返回中断返回图6-12有级控制键盘中断处理程序智能化工作软件设计1、键盘功能③PID参数；2、软件结构及流程图对控制模块软件设计是为了达到对冲击频率和单次冲击能的自适应调节两个目A/D采样子程序、键盘中断处理程序和显示子程序等；冲击控制子程序主要通过定时器/计数器中断方式完成。/计数器0，置单片机相应信号输出引脚分别为高/低电平，关闭进油插装阀，开启回油插装阀，/D时，定时器/计数器关闭，启动定时器/计数器，信号输出引脚电压置反，开放进并记录下最大反弹速度且以最大反弹速度变化量和变化率为依据代入控制规则并查6-146-156-16开始设置A/D转换通道地址设置采样通道片选开始设置A/D转换通道地址设置采样通道片选选择通道AIN0中断入口12ms消抖动有键闭合否？NY判断闭合键键号根据键号散转NN转换结束否？延时启动A/D转换Y中断返回参数设置减量设定参数设置增量设定冲程时量设定回程反馈压力设定停止命令处理运行命令处理中断返回送结果至采样地址图6-14智能控制键盘中断处理程序 图6-15中断返回参数设置减量设定参数设置增量设定冲程时量设定回程反馈压力设定停止命令处理运行命令处理中断返回送结果至采样地址开始开始开进油锥阀开回油锥阀PnPn＞Pnc？NY定时结束代入控制规则，查表确定Pnc计算反弹速度V，记录最大反弹速度变化量和变化率采集Pn，直到Pn最小值出现开进油锥阀关回油锥阀采集氮气室压力Pn关进油锥阀开回油锥阀图6-16控制子程序流程图本章小节第七章机电控制液压冲击器实验研究实验研究内容实验系统主要进行以下两个方面的测试研究:1、液压冲击器冲击能的无级调节性能。2、液压冲击器冲击频率的无级调节性能。以上几方面的测试研究将对液压冲击器智能化的进一步设计提供实验依据，同时对本文的理论结果加以证实和修正。实验原理与方案实验系统组成7-1。图7-1实验系统原理图1、液压控制系统方案原理压冲击器是上海东空国际贸易有限公司的TNB6E型气液联合式液压碎石冲击器改图7-2液压冲击器实物工作图图7-3配流换向系统实物工作图为适应本文的实验要求，将原有的液控换向阀改换成由两个高速开关阀控制两HSV3203S17047-27-3。2、计算机控制系统硬件。4~20mA/0~电流/A/D电23~5倍，由于高速开关阀的最大工作电流为2.6A15A的SSR1527-4。图7-4计算机控制系统硬件实物图 图7-5 正在运行的软件界面3、程序调试系统KeilTKSBHOOKS仿真技术，硬件上支持多种8051和80C51TKStudio/Keil中KeilKeilSoftwareKeil7-5。4、微机测试系统和信号采集系统PCHMG2020多功能型液压测试仪以及压力HDA4400型HDA4700HDA4400型HDA4700型压力变送器用于前腔、后腔液压油油压信号的采集。综上所述，控制系统的接线原理图见7-6。图7-6 控制系统的接线原理信号处理及抗干扰措施用于实时控制的微型计算机系统在运行过程