液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术研究

1、哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）综合课程设计II项目总结报告题目：液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术研究院（系） 机电工程学院 专业 机械设计制造及其自动化学生 学号 班号 指导教师 填报日期 2013年3月15日 哈尔滨工业大学机电工程学院制2013年3月说 明一、总结报告应包括下列主要内容：1项目背景分析；2研究计划要点与执行情况；3项目关键技术的解决；4具体研究内容与技术实现；5技术指标分析；6存在的问题与建议。二、总结报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在院（系）保存，以备检查。指导教师评语： 指导教师签字： 检查日期： 哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）： 专

2、业：机械设计制造及其自动化 班 号：任务起至日期：2013年 2月25日至2013年 3月 15 日 课程设计题目： 液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术研究 已知技术参数和设计要求： 1）结构参数名称长度(mm)行程(mm)转角范围(0)驱动件(mm)缸径(mm)活塞杆直径(mm)动臂2558660117双缸8045斗杆1332585117单缸9050铲斗835500170单缸80452）工作负责参数：m=500kg3）工装轨迹参数：挖掘水平直线4）控制系统要求：以51单片机为控制处理器5）角度传感器选择： 电阻式位移传感器 工作计划安排： 周1周2周3周4周5第1周系统简图运动学分析运动学分析

3、液压系统液压系统第2周电路设计电路设计电路设计控制方法控制方法第3周MATLAB仿真分析 答辩 同组设计者及分工： 指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字_ 年 月 日第一章挖掘机工装轨迹控制的机电液系统介绍1.1单斗液压挖掘机的机械模型简介本次课程设计的液压挖掘机是针对学校的实验室用的样机模型，其容量为0.01立方米，动臂和斗杆为四连杆机构，动臂、斗杆和铲斗均由液压缸驱动，它们之间以销轴连接。在动臂和斗杆的销轴上分别安装了角度传感器，用以检测相对位角。模型不具备回转机构，无回转功能。其结构简图如图1-1所示，其参数如表1-1所示。图1-1 样机结构简图表1-1 样机结构

4、参数表名称长度（mm）行程（mm）转角范围（°）驱动件缸径（mm）活塞杆直径（mm）动臂2558660117双缸8045斗杆1332585117单缸9050铲斗835500170单缸8045液压挖掘机是工程机械的重要机型，在工业及民用建筑、交通运输、水利水电、军事施工建设中发挥着非常重要的作用。液压挖掘机被应用于众多诸如平整场地、一定形状的沟、渠道挖掘等复杂作业。其工作装置运动轨迹的自动控制是研制中的一个重要课题。由于挖掘机在实际工作中，挖掘阶段转台不回转，静止不动，转台回转时，工作装置不挖掘，因此，工作装置挖掘轨迹的控制，可归结为动臂、斗杆和铲斗三个杆件的平面控制问题，即对于任意给

5、定的动臂、斗杆目标轨迹和铲斗方位角，可将其变换为工装三杆件的目标转角序列，由微机控制电液伺服驱动系统，使动臂、斗杆和铲斗跟踪各自的目标转角，从而实现轨迹控制。其机、电液一体化系统简图如图1-2所示。图1-2 液压挖掘机机、电液一体化系统简图本次课程设计中机遇实验室的液压挖掘机装置主要设计参数如下：挖掘机工作负载参数要求：m=500kg挖掘机工作装置轨迹参数要求：挖掘水平直线挖掘机工作装置轨迹控制系统设计要求：以51单片机为控制处理器角度传感器选择：电阻式角位移传感器1.2电液控制系统的组成电液控制系统是在要控制的转轴处增加了角度传感器获取转角数据，通过控制器处理并由电液转换元件驱动液压缸运动，

6、使铲斗达到预计的轨迹。计算机控制系统由液压缸、电液比例流量阀、比例放大器、角度传感器、A/D和D/A卡等环节组成，如图1-3所示。系统可分为数字和模拟两部分，通过A/D和D/A转换器把两部分组成一个数字、模拟混合系统。数字部分采用51单片机，模拟部分包括除51单片机外的各环节。A/D控制器D/A放大器电液比例阀液压缸动臂/斗杆RY角度传感器给定值输出值图1-3 系统控制框图（1）角度传感器角度传感器将各臂位置角转化为电信号，供控制器处理。在研究中，我们将斗尖轨迹的控制转化为对动臂和斗杆各自的相对转角的控制。控制装置中的选择是电阻式角位移传感器，输出为模拟电压量，需要通过A/D转换环节才能供控制

7、器处理。（2）控制器及数据采集卡控制器主要完成将传感器的信号按照控制算法进行运算后输出控制量的工作。本设计采用在PC机内接入集成了A/D和D/A转换芯片的模入模出控制卡，此卡将角度传感器输出的模拟量转化为对应角度的数字值，运算后将结果转换为模拟信号，将控制量以电压形式输出。（3）电液转换部分此部分主要由电液比例阀，放大器组成。实验平台选用北京华德液压工业集团有限责任公司生产的2FRE6.A-20B/10QM型号二通比例调速阀，并配有与之配套的放大器VT-5010S30.在液压控制系统中，虽然采用伺服阀精度最高，且响应最快，但其成本高，对污染敏感，很少用在普通场合。而比例阀的价格只有伺服阀的1/

8、8-1/10，但具有与节流阀相似的抗污染能力。虽然与伺服阀相比，比例阀的频宽较窄、精度稍差，但如果和微机及角度传感器构成闭环反馈系统，应用合适的控制方法，完全可以达到较高的定位精度。因此在本设计中采用微机控制比例法系统的方式实现液压挖掘机工装轨迹的控制。第二章 液压挖掘机工装轨迹的运动学分析2.1运动学问题运动学是指对给定的液压挖掘机，已知杆件几何参数和关节变量，求铲斗相对于参考坐标系的位置和姿态。按照D-H坐标系的规则和定义，设置微机操纵系统液压挖掘机的杆件坐标系，如图2-1所示。第0号坐标系在基座上的位置和方向任选，只要轴沿第一关节运动轴，即挖掘机上车回转中心即可。最后一个坐标系，即第4号

9、坐标系，可放在铲斗的任何部分，只要与垂直即可。去铲斗纵向对称面上铲斗与斗杆的铰接点与斗齿尖连成轴，铰点的回转轴线为轴。是工装纵向对称面上的一根水平轴，在动臂两端铰点连线上，在斗杆两端铰点连线上。i取0、1、2、3、4时个参数值见表2-1.图2-1 反铲斗液压挖掘机工作装置示意图表2-190 º090 º各参数的含义为：- 到沿方向上的距离（与同方向为正）-到沿方向上的距离(与同方向为正)-从到绕轴的转角（逆时针为正）-到沿方向上的距离通过矩阵变换，首先把第四象限的坐标变换到第三象限，再把第三象限的坐标变换到第二象限，再把第一象限的坐标变换到第一象限，再把第一象限变换到第0象

10、限，因此，铲斗坐标系到大地坐标系的变换矩阵为：本次设计中取取斗尖位置坐标在基座坐标系中的表示为，由此得铲斗尖位姿的正解为为获取斗尖包络区域，为下面轨迹位置选择提供参考，取动臂转角范围为步长为；斗杆转角范围为，步长为，利用Matlab做出斗尖所能达到的位置，如图2-2。图2-2 斗尖包络区域2.2 运动学逆问题为简化计算，将第1号坐标系轴建立在平面内，。并将铲斗以锁死，即º。取直线轨迹，将所需控制的轨迹离散为若干点坐标，并根据上述方程，可得出斗尖的在每一点时的动臂、斗杆的角度序列。利用matlab解上述方程组，得到10组数值解如表2-2所示。表2-2运动学逆问题求解1000-1000-

11、20.068-131.181100-1000-16.613-130.401200-1000-13.324-129.461300-1000-10.216-128.371400-1000-7.3051-127.141500-1000-4.6022-125.791600-1000-2.1125-124.321700-10000.16501-122.731800-10002.2340-121.041900-10004.0977-119.25第三章 液压挖掘机液压系统的建模分析对于一个连续系统数学模型的表示，可采用微分方程、传递函数、状态方程等方式。在本文中，对控制系统数学模型的描述采用传递函数的方式。

12、本章通过计算各环节的传递函数，进而得到整个被控系统的传递函数，作为控制仿真的模型，进而实现获取系统的特性，检验控制方法的效果，实现对控制参数的整定等目标。3.1斗杆液压缸的传递函数斗杆液压缸的缸径、活塞杆直径、形成，活塞杆及负载的质量。1）活塞平均面积2） 容腔总容积3） 液压缸固有频率式中取4） 液压阻尼比由上，得斗杆液压缸传递函数3.2动臂液压缸的传递函数斗杆液压缸的缸径、活塞杆直径、形成，活塞杆及负载的质量。1）活塞平均面积2） 容腔总容积3） 液压缸固有频率式中取4） 液压阻尼比则单个液压缸的传递函数为：因两个液压缸并联驱动动臂，故动臂液压缸的传递函数为23.3其它环节传递函数试验台2

13、FRE6.A-20B/10QM型号二通比例调速阀，并与之配有配套的放大器VT-5010，依据厂家提供的技术规格，其频率特性为2HZ，这一值在一般情况下为系统在公称压力时阀相应的最高频率，在一般工作情况下，其频率响应一般在1HZ左右，这一值同系统的动力执行机构液压缸的频响相比，电液比例阀的频率特性是不可忽略的，视为一阶惯性环节来讨论，其传递函数可近似的写成式中 :电液比例阀的时间常数 电液比例阀增益由产品性能查得：比例阀的额定流量：线圈输入电流最大值：则电液比例阀的流量增益：当电液比例阀的频率特性为1HZ时，其时间常数:则电液比例阀的传递函数为:比例放大器的输入信号为DAC0832卡的输出电压信

14、号，范围为0-10V，其输出信号为比例阀的电磁铁的线圈电流，范围为0-2.2A，故此放大器传递函数为所选的传感器是电阻式角位移传感器，它输出的是电压值，经A/D转换得到数字信号，A/D转换器的时间常数远小于机械本体的时间常数以及计算机的采样频率，可以忽略其时间效应，将其视为一个比例环节，近似为单位负反馈，即传递函数为此处斗杆的传递函数为斗杆液压缸的活塞位移与斗杆相对于动臂的角度的关系。根据设计数据，斗杆相对于机身的转角范围为，斗杆液压缸活塞杆的行程为，故斗杆的传递函数为动臂的传递函数为动臂液压缸的活塞位移与动臂相对于机身的角度的关系。根据设计数据，动臂相对于机身的转角范围为，动臂液压缸活塞杆的

15、行程为，故动臂的传递函数为3.4斗杆系统的整体建模与仿真A/D控制器D/A0.223.491系统闭环传递函数为：用Matlab对其进行仿真，得到闭环系统的单位阶跃响应如图3-2，同时得到其动态时域指标，峰值，即无超调，峰值时间，调整时间。图3-3为单位阶跃响应稳态误差曲线，由图中可得到系统的静态时域指标，稳态误差。图3-2 斗杆系统无控制器单位阶跃响应图3-3斗杆系统无控制器单位阶跃响应稳态误差系统的开环传递函数为图3-4为系统的开环伯德图，有图可以得到系统的开环频域性能指标，幅值裕度。幅值穿越频率，相位裕度，剪切频率。输入的正弦信号，系统的响应如图3-5所示，从图中可以看出，跟踪过程存在相当

16、大的误差和相位延迟。图3-4 斗杆系统开环伯德图图3-5 斗杆系统正弦跟踪3.5 动臂系统的整体建模与仿真D/A0.223.0981A/D控制器系统闭环传递函数为用Matlab2012对其进行仿真，得到闭环系统的单位阶跃响应如图3-6，同时得到其动态时域指标，峰值，即无超调，峰值时间，调整时间。图3-7为单位阶跃响应稳态误差曲线，由图中可得到系统的静态时域指标，稳态误差。图3-6动臂系统无控制器单位阶跃响应图3-7 动臂系统无控制器单位阶跃响应稳态误差系统的开环传递函数为图3-8为系统的开环伯德图，有图可以得到系统的开环频域性能指标，幅值裕度。幅值穿越频率，相位裕度，剪切频率。输入的正弦信号，

17、系统的响应如图3-9所示，从图中可以看出，跟踪过程存在相当大的误差和相位延迟。图3-8 动臂系统开环伯德图图3-9动臂系统无控制器争先跟踪曲线第四章 控制系统的电路设计对挖掘臂上动臂和斗杆两个转角进行控制，达到铲斗尖在与地面垂直面上按特定轨迹运动的目的。拟采用动臂先动，斗杆跟随的方案。将在垂直面上的铲斗尖轨迹离散为若干点，铲斗尖一次达到这些点，就能近似完成所需轨迹。由运动模型可知，每一点都对应一组动臂和斗杆的角度值（，），动臂上角度传感器检测到动臂转角为时，通过所设计的控制器控制斗杆转角达到，即完成一点的控制。当依次完成所有点时，即完成所需轨迹的控制。控制流程图及系统总体结构如图4-1所示。5

18、1单片机操作手柄动臂动臂角度传感器A/D键盘斗杆斗杆角度传感器电液比例阀D/A动臂液压缸显示器D/A斗杆液压缸电液比例阀图4-1对于本系统，选用PC作为控制器，通常被检测和控制的量是连续变化的模拟量，而计算机能直接处理的是数字量，所以需要将检测元件输出的模拟量转化为数字量，A/D转换卡；另外为了实现控制量的输出，需要将数字量转换为模拟量对液压挖掘机轨迹进行控制，即还需要D/A转换卡。4.1角度传感器的选择本系统装置选用的角度传感器是电阻式位移传感器，具有线性度好的特点，输出电压0-5V。角位移传感器相当于一个滑动变阻器，当角度发生变化时，输出端的电阻值发生变化，从而引起输出端电压产生变化。（1

19、）角度传感器的标定 液压挖掘机的动臂和斗杆的工作角度都有一定范围的，根据设计的理论推荐制和样机的实际工装尺寸，选择动臂的角度范围为0-110°，斗杆的角度变化范围为0-120°。为实际安装和测试方便，两角度传感器选用统一的标定。为确保工作装置的可靠，选择角度传感器的量程为0-125°，则有5/125=0.04伏/度，即角度传感器没变化一度，其输出电压变化0.02伏。（2）角度传感器接口 角度传感器相当于一个滑动变阻器，为使其工作在最佳线性区段，应是其工作在满量程的2/3范围内。为保证测量电压稳定，减少测量误差，角位移传感器及其接口电路如图4-2所示。由于供电电源的

20、波纹大小直接影响到A/D转换的精度，故将电源电压经330nF和1000F电容分别进行高低频滤波，在经过7809稳压后，供给角位移传感器，为确保角位移传感器输出电压在0-5V，对角位移传感器输出端信号用1K电阻和47nF电容进行滤波，二极管钳位后送入ADC0809进行A/D转换。图4-2 角度传感器与ADC0809的接口电路4.2 A/D转换器及其接口电路该电路的输入端口由74LS00和74LS30及3-8线译码器74LS138所组成。译码电路受PC机IOW和IOR信号控制，即只有在进行I/O读写操作时，该译码电路才起作用，为了减轻PC机IOW和IOR线的负载，将它们经74LS 125缓冲，74

21、LS125工作在通常状态下。本卡中共使用了六个地址，地址分配如下：278H用于起动ADC0809开始转换；279H用于检查A/D转换结束否；27AH用于向ADC0809发送允许输送信号OE，以便将转换的数据取走27BH 用于D/A转换芯片DAC0832的片选信号；27CH用于A/D的中断允许寄存器置1，即相当于开A/D中断27DH用于清零A/D的中断允许寄存器，相当于关A/D中断。（1）ADC0809功能介绍ADC0809是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。利用它可直接输入8个单端

22、的模拟信号分时进行A/D转换，运动控制中应用十分广泛。主要特性如下：1） 分辨率：8位2） 转换时间：取决芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，转换时间约为128s3） 模拟输入电压范围：单极性0-5V；双极性±5V，±10V4） 单一电源：+5V5） 使用时不需进行零点和满刻度调节6） 具有可控三态输出缓存器（2）A/D转换工作方式该电路由DAC0809转换芯片、74LS123单稳触发器，74LS90分频器和74LS74D触发器等组成，并带有74LS74中断屏蔽寄存器，当程控开中断时，A/D转换结束信号EOC可作为中断请求信号。1）工作过程 本卡使用74LS90将PC机

23、扩充槽的时钟信号CLK分频变成适合ADC0809工作的频率。用口地址27BH作为ADC0809起动信号送入地址，启动信号有数据线D7位产生，而通道号由D0D1D2产生，当选中278BH口地址，并且D7位由1变为0时，则经与非门U产生一正阶跃，用此信号触发单稳，产生宽度约1s左右的启动脉冲用于起动A/D进行转换，实现此过程可用以下指令序列，如对0通道启动采样：MOV DX， 278HMOV AL， 80HOUT DX， ALMOV AL， 00HOUT DX， AL如对第4通道采样，则可用如下指令序列：MOV DX， 278HMOV AL， 80HOUT DX， ALMOV AL， 04HOUT

24、 DX， AL其他通道同理即用D7位产生1-0的变化，以形成一个起动A/D转换的脉冲，而D2,D0,D1保持不变，以表示通道号转换是否结束，采用查询方式，对口地址279H不断进行读出操作，当第7位为1时，表示转换结束，可用口地址27AH将转换结果取走，如可采用如下指令序列：MOV DX，279HLOOP： IN AL，DX TEST AL，80 JZ LOOP MOV DX，AH IN AL，DX MOV BUFFER，AL；将转换结果送入缓冲区 INC BUFFER；缓冲区地址加一 JIM START；转A/D启动指令去执行上述是查询工作方式，若要中断方式下工作，则可采用如下指令序列： MO

25、V DX，27CH OUT DX，AL；开中断 A/D转换结束产生EOC信号通过三态门，成为中断请求信号。当从A/D中断服务程序退出，主程序不在使用A/D中断或退回EOS时，应关A/D中断屏蔽器，以便将A/D占用的中断号让出，即用指令：MOV DX，27DHOUT DX，ALAL中可为任意数4.3D/A转换器及接口电路 1）DAC0832功能介绍DAC0832是八位分辨率的转换集成芯片，与处理器完全兼容。这种芯片的价格低廉、接口简单、转换控制容易。DAC0832是最早和微处理器兼容的、双缓冲的转换器。其工作特性如下：a） DAC0832是微处理器兼容型转换器，可以充分利用为处理器的控制能力实现

26、对D/A转换的控制。b） 集锁存器控制功能，能够实现多通道D/A转换器，能实现多通道D/A的同步转换输出。c） DAC0832内部无参考电压源，需要外接。d） ADC0832为直流输出型D/A转换器，要获得模拟电压是需要外加转换器电路。具体电路在A/D、D/A转换电路中可以看到。2） D/A转换电路该电路由D/A转换芯片DAC0832及双运算放大器LM358等组成。LM358输入失调电压±2mv，它有自调零功能，因而省去了调零电路。LM358可用LM258或ML158代替，也可用国产的一些，这些都是低价格的。由于D/A电路具有数字地和模拟地之分，因此在电路连接时，模拟地汇集一点，数字

27、地汇集一点，然后两点连接共地，否则会形成串模干扰，造成转换时的误差。电阻R2 R3 R4应是较精确电阻，阻值精确到0.4%即可，R2=R4，R2/R3=2，本电路采用R2=R4=15K、R3=7.5K.DAC0832工作于单缓冲方式下，即当cs和IOW来信号时，直通立即转换，当IOW信号消失时，便将数据锁存于输入寄存器，使转换输出保持不变。该电路的片选cs信号用地址27BH，将待转换的数据通过数据总线，送入DAC0832时，可立即用输出指令将转换结果输出，采用如下程序：MOV DX, 27BHMOV AL, 0FFH OUT DX, AL此时将会把FFH转换出一个+4.96V左右电压。4.5

28、控制系统的电路原理图设计根据上述设计理论讲A/D、D/A转换器与他们的外部接口连接在一起，放在电路板上，然后连接在51单片机的外部接口上，再与角位移传感器相连，即构成了控制系统的整体电路图，如4-3图所示：图4-3 DAC0832的双缓冲接口电路第五章 控制方法的选择及MATLAB仿真技术5.1 计算机实现PID控制常用的有PID控制器、超前、滞后补偿控制器等，用以调整系统稳定性、裕度值等多项指标。PID控制器是最早发展起来的控制策略之一，在产生过程的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。因为这种控制具有简单的控制结构，在实践应用中又较易于整定，所以它在工业过程控制中有着

29、最规范的应用。常规PID控制系统原理框图如图5-1所示，系统由模拟PID和被控对象组成。在连续控制系统中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制是最为常用的一种控制规律。该控制规律具有原理简单、易于实现，鲁棒性（Roustness）强和适用范围广等特点。PID控制器是应用最为广泛的一种调节器。该控制器的参数比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td相互独立，参数整定比较方便。此外，PID控制算法简单，计算工作量小，易于实现多回路控制。MATLAB是当今世界上最优秀的数值计算软件，具有丰富可靠的矩阵处理、图形绘制功能，语句简单、易学易用等特点。MATLAB中的SIMULINK工

30、具箱，是控制系统计算与仿真最先进的工具。其主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析，从而可以在实际系统制作出来之前，预先对系统进行仿真与分析，并可以对系统做适当的实时修正或者按照仿真的时间，实现高效率的开发系统的目标。本文用MATLAB2012b实现对反铲单斗液压挖掘机的控制系统仿真。5.2 斗杆系统PID控制仿真斗杆系统PID的参数。使用Matlab2012b，对系统的时域和频域性能指标进行分析。系统的闭环传递函数为：选择Runge-Kutta四阶算法，采用周期为0.05s，输入为单位阶跃信号，系统的单位阶跃响应曲线及误差曲线如图5-1所示，图中线条为输入单位阶跃信号，2为系统的响应曲线，3为

31、误差曲线。同时得到其动态时域指标，峰值为，即无超调，峰值时间，调整时间，静态时域指标稳态误差。此时与原系统单位阶跃响应比较如图5-2所示，从图中看出，斗杆系统加入PID控制后，在保证其它指标不变的同时响应时间明显缩短。图5-1斗杆PID控制系统单位阶跃响应及误差图5-2 单位阶跃响应的比较斗杆系统的开环传递函数为：系统的开环伯德图如图5-3所示，与原系统伯德图的比较如图5-4所示。由图5-5可以得到系统的开环频域性能指标，幅值裕度，幅值穿越频率，相位裕度，剪切频率。从图5-5中可以看出，系统加入PID控制后，比原来的截止频率变大，截止带宽变宽，及系统允许工作的最高频率范围变大，动态性能变好，响应的快速性变好。图5-3 斗杆PID控制系统开环伯德图图5-4 开环伯德图的比较当给系统输入的正弦信号，系统对其的跟踪程度如图5-5所示，图中1为输入信号，2为系统的跟踪输出。从图中可以看出，跟踪过程存在微小的误差和相位延迟，可以在较快的时间内达到设定的控制量。图5-5 斗杆PID控制系统正弦跟踪5.3 动臂系统PID控制仿真MATLAB的Simulink工具箱，可以绘制出动臂回路的PID控制模型图，如图5-7所示。斗杆系统PID的参数。使用Matlab2012b，对系统的时域和频域性能指标进行分析。系统的闭