冷銑刨機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究.pdf

1、本文結(jié)合陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“連續(xù)行走作業(yè)機(jī)械功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)模型研究”(2007E221)，針對(duì)目前一些冷銑刨機(jī)行走作業(yè)功率控制主要憑司機(jī)經(jīng)驗(yàn)人工控制造成了銑刨機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率低、生產(chǎn)率不高及能耗比較大的使用情況，提出了“冷銑刨機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究”的課題。本文所研究的功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要由三個(gè)子系統(tǒng)組成，一是最大功率或者最大生產(chǎn)率自適應(yīng)控制子系統(tǒng)，該功能主要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)油門固定在最大位置，當(dāng)外負(fù)荷的干擾超過控制器的設(shè)

2、定值時(shí)對(duì)機(jī)器的作業(yè)速度進(jìn)行控制，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)并保持額定功率輸出或者使機(jī)器能在最大生產(chǎn)率下工作；二是行走機(jī)構(gòu)滑轉(zhuǎn)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)器在大負(fù)荷的工況下作業(yè)時(shí)其行走機(jī)構(gòu)的阻力非常大，此時(shí)一味的追求高生產(chǎn)率可能會(huì)使機(jī)器的滑轉(zhuǎn)率迅速增加，雖然此時(shí)能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)在額定工況下工作，但是這時(shí)機(jī)器的輪胎磨損嚴(yán)重，滑轉(zhuǎn)功率損失增加，并且其作業(yè)速度并沒有明顯的增加，在此種工況下通過滑轉(zhuǎn)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)將銑刨機(jī)行走機(jī)構(gòu)的滑轉(zhuǎn)率控制在最佳滑轉(zhuǎn)率上，

3、以提高機(jī)器的生產(chǎn)率，降低機(jī)器的功率損失；三是發(fā)動(dòng)機(jī)變功率自適應(yīng)控制子系統(tǒng)，當(dāng)冷銑刨機(jī)在小負(fù)荷下工作時(shí)，面臨著即使把行走變量泵的排量加到最大，其發(fā)動(dòng)機(jī)的功率仍然得不到充分利用的工況。此時(shí)還把發(fā)動(dòng)機(jī)油門固定在最大位置勢(shì)必會(huì)增加燃油的消耗，此種工況下由發(fā)動(dòng)機(jī)變功率控制子系統(tǒng)完成發(fā)動(dòng)機(jī)的油門開度控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與機(jī)器實(shí)際消耗的功率相匹配，以減小油耗。由上述內(nèi)容可以看出，“冷銑刨機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究”課題旨在采用自適應(yīng)控制的理論、方法和

4、技術(shù)對(duì)銑刨機(jī)消耗的功率進(jìn)行自動(dòng)控制，充分發(fā)揮機(jī)器的裝機(jī)功率，提高功率利用率，降低功率消耗和功率損失，充分發(fā)揮機(jī)器能力和提高生產(chǎn)率以及作業(yè)效率，提高機(jī)器的可靠性和壽命，降低機(jī)器的燃油消耗。本文以冷銑刨機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真和樣機(jī)試驗(yàn)等研究工作，主要研究工作如下： 1.通過查閱大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)，總結(jié)了冷銑刨機(jī)的技術(shù)發(fā)展和機(jī)電一體化過程，分析了機(jī)器功率自適應(yīng)的發(fā)展歷程，介紹了

5、目前國內(nèi)外冷銑刨機(jī)的控制方式和相關(guān)產(chǎn)品，分析了國產(chǎn)小型冷銑刨機(jī)的功率控制技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。進(jìn)而提出了在冷銑刨機(jī)功率自適應(yīng)控制的過程中，不僅要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的控制，同時(shí)也要考慮機(jī)器作業(yè)過程中行走機(jī)構(gòu)滑轉(zhuǎn)率和發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度控制的研究方案。 2.對(duì)冷銑刨機(jī)功率自適應(yīng)控制理論及原理進(jìn)行了系統(tǒng)地分析。詳細(xì)闡述了本文所研究功率自適應(yīng)的控制原理及理論依據(jù)，分析了冷銑刨機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、作業(yè)裝置及行走機(jī)構(gòu)所消耗功率的影響因素，提出了以銑刨機(jī)作業(yè)速

6、度作為主控參數(shù)的結(jié)論；并分析了功率自適應(yīng)控制對(duì)已有冷銑刨機(jī)功率使用的影響。在回顧傳統(tǒng)性能參數(shù)匹配的基礎(chǔ)上，對(duì)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)對(duì)冷銑刨機(jī)傳統(tǒng)性能參數(shù)匹配的影響進(jìn)行闡述和理論證明。 3.冷銑刨機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行必須以一定的系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，論文利用理論分析和參考相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，推導(dǎo)、建立了冷銑刨機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)的模型、行走機(jī)構(gòu)的模型、作業(yè)裝置的模型、油門執(zhí)行器模型等。根據(jù)對(duì)模型的仿

7、真表明該模型有著良好的動(dòng)靜態(tài)性能，能夠?qū)︺娕贆C(jī)的作業(yè)過程進(jìn)行相關(guān)仿真研究。 4.系統(tǒng)研究了冷銑刨機(jī)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊，文中根據(jù)銑刨機(jī)的作業(yè)特性，分別闡述了各個(gè)功能模塊的工作原理，重點(diǎn)闡述了功率控制、油門開度控制及行走機(jī)構(gòu)滑轉(zhuǎn)率控制的電路工作原理。并對(duì)相應(yīng)功能模塊的控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)各電路中的電器元件選擇進(jìn)行了介紹。室內(nèi)調(diào)試的結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能夠滿足功率自適應(yīng)的功能要求。 5.結(jié)合所建立的冷銑刨機(jī)整機(jī)數(shù)學(xué)模

8、型，對(duì)傳統(tǒng)的PID控制及其控制效果進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)近年來流行的幾種人工智能控制算法進(jìn)行了比較，重點(diǎn)對(duì)模型參考模糊自適應(yīng)控制與單神經(jīng)元自適應(yīng)控制進(jìn)行了研究，并給出了這幾種控制算法應(yīng)用于本系統(tǒng)的仿真結(jié)果。根據(jù)對(duì)各種控制算法優(yōu)缺點(diǎn)的比較及冷銑刨機(jī)控制的需要，選擇了模型參考單神經(jīng)元自適應(yīng)控制算法。在研究控制算法的基礎(chǔ)上，對(duì)冷銑刨機(jī)功率自適應(yīng)控制主要模塊的控制策略進(jìn)行了研究，并給出了軟件設(shè)計(jì)的流程圖，提出了冷銑刨機(jī)工作過程中發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度、滑轉(zhuǎn)

9、率及功率自適應(yīng)三者的聯(lián)合控制策略。 6.基于冷銑刨機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)配置，利用本文研究的控制策略及控制算法，設(shè)計(jì)開發(fā)了具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)。 7.對(duì)功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：全功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠滿足作業(yè)的需要，并對(duì)機(jī)器的生產(chǎn)率產(chǎn)生顯著影響，試驗(yàn)結(jié)果與銑刨機(jī)功率自適應(yīng)控制的原理相吻合。使用功率自適應(yīng)控制前發(fā)動(dòng)機(jī)要么出現(xiàn)輕載要么會(huì)出現(xiàn)過載的情況，這使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率很難充分發(fā)揮；使用功率