裝載機控制系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　裝載機控制系統(tǒng)設計</b></p><p>　　【摘要】通過對裝載機鏟掘過程的分析，利用作業(yè)阻力決定鏟斗的動作，并且采用控制技術，控制電液比例方向閥的開口，來調節(jié)鏟斗的提升速度與角度，使裝載機按照一定的鏟掘軌跡進行工作。利用單片機控制技術，設計裝載機工作裝置工作過程的控制系統(tǒng)，達到減輕操作者的勞動強度，提高裝載機工作效率的目的。 </p><

2、p>　　【關鍵詞】 裝載機 控制系統(tǒng) 設計 </p><p>　　中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　一、引言 </b></p><p>　　裝載機通常處于環(huán)境溫度高、溫度變化大、灰塵多、光照度強弱懸殊以及振動大的惡劣環(huán)境下作業(yè)，操作員在進行鏟掘作業(yè)時，一邊要進行駕駛，一邊還要觀察前方的工作裝置

3、，作出實時判斷，頻繁地調節(jié)動臂和鏟斗的位置。本文將運用機電一體化技術、傳感器和單片機構成的裝載機工作裝置控制系統(tǒng)，輔助操作者完成鏟掘作業(yè)。這不僅能提高作業(yè)效率和作業(yè)水平、降低勞動強度，同時也降低了對操作者的技巧要求，使一般人也能完成高精度、高標準的作業(yè)。 </p><p>　　二、控制系統(tǒng)的設計 </p><p>　　裝載機工作裝置控制系統(tǒng)主要由單片機控制模塊、液壓系統(tǒng)和裝載機工作裝置等部

4、分組成。其中，裝載機工作裝置是由鏟斗1、動臂2、連桿3、搖臂4、轉斗油缸5和動臂舉升油缸6等主要部件通過鉸接點相互連接而組成的2個自由度機構，是裝載機作業(yè)的執(zhí)行機構。 </p><p>　　圖1 裝載機工作裝置結構圖 </p><p>　　操作者首先將裝載機行駛到料堆附近，隨著裝載機鏟斗插入料堆的同時，動臂油缸、轉斗油缸上的壓力傳感器隨時檢測兩缸大小腔的壓力，然后計算出油缸的作用力；兩個角

5、位移傳感器隨時檢測角度信號，這些信號通過放大、采用、A/D轉換等一系列處理后，輸送到單片機中。單片機對這些數(shù)據(jù)進行計算，得到工作過程中的水平插入阻力和豎直掘起阻力，并分別與設定的最大值進行比較，插入力或掘起力達到最大值后則提臂或收斗。提臂或收斗的選擇由電磁換向閥控制。 </p><p>　　將動臂或鏟斗每次提升時刻的角度設定為給定值，控制器將檢測的角度與給定的角度進行比較，得到各個位置的角度誤差，并根據(jù)誤差的大小

6、按照一定的控制規(guī)律輸出控制信號?？刂菩盘柾ㄟ^D/A轉換、比例放大后傳送給電液比例閥，電液比例閥根據(jù)控制信號控制動臂油缸和轉斗油缸的進出油量，實現(xiàn)動臂或鏟斗的運動角度和速度的控制。當角度達到要求值時，提升動臂或翻轉鏟斗，裝載機繼續(xù)插入，重復此過程，使鏟斗按照一定的軌跡運動。 </p><p>　　三、工作裝置的模糊控制算法 </p><p>　　由于裝載機作業(yè)循環(huán)的多工況，以及外負載的多變化

7、等因素，給系統(tǒng)辨識帶來很大的困難，從而難以得到精確的數(shù)學模型?，F(xiàn)有的控制理論都是建立在被控對象精確數(shù)學模型的基礎上，而模糊控制不需要了解系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，只依據(jù)操作人員的經驗和專家的知識，經一定的數(shù)據(jù)處理后，形成若干條規(guī)則，作為模糊控制規(guī)則，然后仿照人腦的推理過程，確定推理法則，最后做出模糊決策，去執(zhí)行具體的動作。 </p><p>　　（一）模糊控制器的語言變量 </p><p>　　

8、模糊控制器的語言變量是以自然語言形式，而不是以數(shù)值形式給出的變量。裝載機工作裝置工作過程的自動控制可歸結為動臂和鏟斗的轉動角度的控制。因此本文所設計的工作裝置模糊控制系統(tǒng)的輸入語言變量誤差E和誤差變化率EC可分別取為角度誤差。而輸出語言變量U則是控制電液比例閥的電壓信號u。 </p><p>　?。ǘ┹斎刖_量的模糊化 </p><p>　　裝載機工作裝置鏟裝物料過程中，動臂和鏟斗均向上

9、提升或翻轉，規(guī)定每次角度變化為15°。設角度誤差E的基本論域為[0，α]，（對于本系統(tǒng)，α取為15），若選定E的論域X=[-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]，則得誤差e的量化因子為。為語言變量E選取7個語言值：ES、VS、S、M、L、VL、EL，分別表示極小、很小、小、中、大、很大、極大，形成7個模糊子集，用來反映誤差的大小。 </p><p>　　同理

10、，設角度誤差變化率è的基本論域為[-β，+β]（本系統(tǒng)中β取為10），若選定語言變量EC的論域Y=[-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]，則得誤差變化率è的量化因子為。為語言變量EC選取NL、NM、NS、O、PS、PM、PL，分別表示為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大共7個模糊子集，用來反映誤差變化率的大小。 </p><p>　　設控制量變化u的

11、基本論域為[0，γ]（本系統(tǒng)中γ取為9），若選定U的論域為Z=[-6， </p><p>　　圖4 語言變量E的隸屬函數(shù)曲線圖 </p><p>　　-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4， </p><p>　　+5，+6]，則得控制變化量u的比例因子為。同樣，為語言變量U選取O、VS、 </p><p>　　S、M、L、

12、VL、EL，分別表示零、很小、小、中、大、很大、極大共7個模糊子集，用來反映控制量的大小。 </p><p>　　通過操作者地實際經驗總結，可確定出在 </p><p>　　圖5語言變量EC的隸屬函數(shù)曲線 </p><p>　　論域X、Y、Z上用以描述模糊子集的隸屬函數(shù) </p><p>　　μ（x）的形狀如圖4、5、6所示。 </p&

13、gt;<p>　　（三）模糊控制規(guī)則的確定 </p><p>　　根據(jù)對裝載機整機作業(yè)過程的觀察和操作者的大量實踐經驗，按“if E and EC then U”的邏輯推理，即可求出總的模糊關系R： </p><p><b>　　R=E×EC×U </b></p><p>　　圖6語言變量U的隸屬函數(shù)曲線 &l

14、t;/p><p>　　有了模糊關系R，對于已知的角度誤差和其變化率，則輸出量可由下式求得： </p><p>　　（四）模糊輸出量的精確化 </p><p>　　由誤差和誤差變化率通過模糊控制算法所求得的是模糊量，要進行控制必須把模糊量轉換為精確量。一般應用加權平均法為模糊集合U求得判決結果。執(zhí)行量的值u可由下式求得： </p><p>　　這樣

15、得到的U即是非模糊化后得到的實際控制中所需要的精確值。 </p><p><b>　　（五）模糊控制表 </b></p><p>　　對論域X，Y中的全部元素的所有組合計算出相應的以論域Z元素表示的控制量變化值，并寫成矩陣形式。由該矩陣構成如表1的總控制表。在實際應用中，考慮單片機的特點，力求使其存儲、變換和處理過程簡單、快捷、節(jié)省內存，單片機的模糊一般采用直接查表法

16、，將此表存儲在單片機的存儲器中，建立一個查詢表，此查詢表即為模糊控制算法的最終結果，在過程控制中，單片機將變換得到的實際角度誤差e和角度誤差變化率é分別乘以量化因子12/α和6/β,得到以相應論域元素表征的查找查詢法所需的e和é，直接與表對比，通過查表程序即可馬上得到所需的控制變化量u，再乘以比例因子12/γ,便得到實際的控制工作裝置的控制變化量。 </p><p><b>　　【參

17、考文獻】 </b></p><p>　　[1] 余永權，曾碧.單片機邏輯控制.北京航空航天出版社，1995.7 </p><p>　　[2] 余永權，曾碧.單片機邏輯控制.北京航空航天出版社，1995.7 </p><p>　　[3] 張曾科.模糊數(shù)學在自動化技術中的應用.清華大學出版社，1997.7 </p><p>　　[4]