精编完整版液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术研究毕业论文

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12月5日

哈尔滨工业大学机电工程学院制

2013年11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）：机电工程学院 任务起至日期：2013年 11月18日至2013年 12月 6 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 长度行程转角范围(o) 90 120 165 驱动件(mm) 双缸 单缸 单缸 缸径(mm) 50 50 50 活塞杆直径 (mm) 30 20 20 (mm) (mm) 动臂 斗杆 铲斗 915 460 304 200 160 125 2）工作负载参数：m=800kg 3）工装轨迹参数：挖掘直线 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：光电编码器 工作量： 研究内容： 依据项目要求，在三周的课程设计内，主要完成以下设计任务： 1）挖掘机工装轨迹控制的机、电、液一体化系统简图； 2）角位移传感器的选择 3）液压挖掘机工装轨的运动学分析； 4）液压挖掘机液压系统的建模分析； 5）控制系统的电路设计； 6）控制方法的选择及分析； 7）系统的整体及MATLAB仿真分析。 预期成果： 依据实际情况要求完成以下工作： 1）画出一张控制器和其外围电路的原理图； 2）系统仿真结果图 3）编写一万字以上的项目总结报告一份

工作计划安排： 第1周 第2周 第3周 周1 系统简图 电路设计 周2 运动学分析 电路设计 周3 运动学分析 电路设计 周4 液压系统 控制方法 周5 液压系统 控制方法 答辩 MATLAB仿真分析 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

目录

第一章挖掘机工装轨迹控制的机电液系统介绍 ............................................................................. 1

1.1单斗液压挖掘机的机械模型简介 ......................................................................................... 1 1.2电液控制系统的组成 ........................................................................................................... 2 第二章 液压挖掘机工装轨迹的运动学分析 .................................................................................. 4 2.1运动学问题 .......................................................................................................................... 4 2.2 运动学逆问题 ..................................................................................................................... 6 第三章 液压挖掘机液压系统的建模分析 ...................................................................................... 9 3.1斗杆液压缸的传递函数 ........................................................................................................ 9 3.2动臂液压缸的传递函数 ...................................................................................................... 10 3.3其它环节传递函数 ............................................................................................................. 10 3.4斗杆系统的整体建模与仿真 .............................................................................................. 12 3.5 动臂系统的整体建模与仿真 ............................................................................................. 14 第四章 控制系统的电路设计....................................................................................................... 17 4.1角度传感器的选择 ............................................................................................................. 17 4.2 数据采集电路 ................................................................................................................... 18 4.3 DA转换器及接口电路 ....................................................................................................... 18 4.4 控制系统的电路原理图设计 ............................................................................................. 19 第五章 控制方法的选择及MATLAB仿真技术 ............................................................................... 21 5.1 计算机实现PID控制 ........................................................................................................ 21 5.2 斗杆系统PID控制仿真 ..................................................................................................... 22 5.3 动臂系统PID控制仿真 ..................................................................................................... 25 参考文献 ...................................................................................................................................... 29

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

名称 长度(mm) 动臂 斗杆 铲斗 915 460 304 行程(mm) 200 160 125 90 120 165 转角范围(o) 驱动件(mm) 双缸 单缸 单缸 缸径(mm) 50 50 50 活塞杆直径 (mm) 30 20 20 表1-1结构参数表

样机的挖掘轨迹以停机面为基准。机构运动副之间的间隙及液压马达工作时的内部泄露，会对位置精度产生影响，但由于实际作业要求，误差在允许范围之内，不会影响工作稳定性。

液压挖掘机是工程机械中一种应用十分广泛的机型，在工业及民用建筑、交通运输、水利水电、军事设施建设中发挥着非常重要的作用。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。现有控制装置主要是连杆机构，通常只能保证简单挖掘轨迹。

对于任意给定，需要通过计算机系统控制实现。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，二者运动是分开的。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

反铲单斗液压挖掘机的液压控制系统是一种典型的位置控制系统，其可分为动臂、斗杆、铲斗三个控制回路，且具有相似结构形式。在实际工作中铲斗被锁死，故只对动臂和斗杆进行分析。

1.2电液控制系统的组成

电液控制系统是实现液压挖掘技术的关键技术，可将弱电信号转换成大功率的液压型号，控制机械系统产生相应运动。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，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、角度传感器和DA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DA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。

R

给定值

图1-3 系统控制框图

输出值

Y

（1）角度传感器

在研究过程中，要对铲斗齿尖的轨迹进行控制，通过角度传感器将动臂和斗杆各自的相对转角位置转化为电信号，供控制器处理。控制装置中的选择是光电编码器，将角度值转换为脉冲数，输出信号为脉冲，出线方式为电缆侧出。

（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MCS-51系列的8031单片机，其集成度高、速度快、处理能力强、可扩展性能好、寻址范围大。光电编码器的输出脉冲经数据采集电路输进单片机，运算后将结果经DA转换芯片的模入模出控制卡转换为模拟信号，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-20B10QM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18-110，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。

选用电液比例阀需要考虑诸多因素，如负载性质、大小，控制速度、加速度、精度，系统频宽，工作环境，可靠性，经济性，尺寸和重量等。具体包括工作压力、额定流量、幅值频宽、相位频宽、电气性能、安装尺寸和价格等。

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

运动学正问题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2-1参数取值表

0 90 o 0 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l1?400mm,l2?915mm,l3?460mm,l4?304mm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

?X1??cos?1(l4cos?234?l3cos?23?l2cos?2?l1)??Y???sin?(lcos??lcos??lcos??l)?14234323221??1????l4sin?234?l3sin?23?l2sin?2?d1?Z1?????

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。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，得到数值解如表2-2所。

表2-2运动学逆问题求解

Y 785.056 800.133 815.210 830.287 845.364 860.441

Z -293.603 -278.526 -263.449 -248.371 -233.294 -218.217 theta2 -0.272 -0.246 -0.220 -0.194 -0.167 -0.141 theta3 4.455 4.446 4.436 4.428 4.420 4.413

875.519 890.596 905.673 920.750 935.827 950.904 965.982 981.059 996.136 1011.213 1026.290 1041.367 1056.444 1071.522 1086.599 1101.676 1116.753 1131.830 1146.907 1161.985 1177.062 1192.139 1207.216 1222.293 1237.370 1252.448 1267.525 1282.602 1297.679

-203.140 -188.063 -172.986 -157.908 -142.831 -127.754 -112.677 -97.600 -82.523 -67.445 -52.368 -37.291 -22.214 -7.137 7.940 23.017 38.095 53.172 68.249 83.326 98.403 113.480 128.558 143.635 158.712 173.789 188.866 203.943 219.021 -0.115 -0.088 -0.062 -0.035 -0.009 0.017 0.043 0.069 0.094 0.120 0.145 0.169 0.194 0.218 0.242 0.265 0.288 0.310 0.331 0.353 0.373 0.393 0.413 0.431 0.450 0.467 0.484 0.500 0.516 4.407 4.402 4.397 4.393 4.390 4.388 4.386 4.385 4.385 4.386 4.388 4.390 4.393 4.397 4.401 4.407 4.413 4.420 4.427 4.436 4.445 4.454 4.465 4.476 4.488 4.500 4.514 4.527 4.542

1312.756 1327.833 1342.911 1357.988 1373.065 1388.142 1403.219 1418.296 1433.373 1448.451 1463.528 1478.605 1493.682 1508.759 1523.836 1538.914 1553.991 1569.068 1584.145 1599.222 1614.299 234.098 249.175 264.252 279.329 294.406 309.483 324.561 339.638 354.715 369.792 384.869 399.946 415.024 430.101 445.178 460.255 475.332 490.409 505.487 520.564 535.641 续表2-2

0.530 0.544 0.558 0.570 0.582 0.594 0.604 0.614 0.624 0.632 0.640 0.647 0.654 0.659 0.665 0.669 0.673 0.676 0.679 0.680 0.682 4.557 4.573 4.589 4.606 4.624 4.642 4.661 4.680 4.700 4.721 4.742 4.764 4.786 4.809 4.833 4.857 4.882 4.907 4.933 4.960 4.988 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。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

22?(D?d)A?422?(0.05?0.02)?4?1.65?10?3m2

2） 容腔总容积

Vt?液压缸有效面积?（活塞行程+阀至缸间管路折算距离） =A?(H?0.015) =1.65?10?（0.16+0.015） =2.8875?10-4m33） 液压缸固有频率

-3

?h?4?e?A?Vt?m24?7?108??1.65?10?3?2.8875?10?4?8002?181.52

式中取 4） 液压阻尼比

?h??e?mVt???0.01??5?10Kce7?10?8001???A2.8875?10?41.65?10?332?1.4?10?282?62??0.1471?2D1rc2式中kce?32?阀芯直径D1=10mm，rc=5?10-6m，?=1.4?10-2Pa?s

由上，得斗杆液压缸传递函数

G1?s??KqA?s22?h?s?2?s?1???h?h??606.3606.3??s2?3.035?10?5s3?1.621?10?3s2?s2?0.1471s??s?1?2181.52181.52??

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

22?(D?d)A?422?(0.05?0.03)?4?1.26?10?3m2

2） 容腔总容积

Vt?液压缸有效面积?（活塞行程+阀至缸间管路折算距离） =A?(H+0.015) =1.26?10?（0.2+0.015） =2.709?10-4m33） 液压缸固有频率

-3

?h?4?e?A?Vt?m24?7?108??1.26?10?3?2.709?10?850?42?138.9

式中取

4） 液压阻尼比

?h??e?mVt?Kce7?10?8501???A2.709?10?41.256?10?38?2?0.01??5?10?6?32?1.4?10?22?0.23?2D1rc2式中kce?32?阀芯直径D1=10mm，rc=5?10-6mm，?=1.4?10-2Pa?s

则单个液压缸的传递函数为：

G2?s??KqA?s22?h?s?2?s?1???h?h??792.6792.6??s2?5.18?10?5s3?3.31?10?3s2?s2?0.23s??s?1?2138.9?138.9?

因两个液压缸并联驱动动臂，故动臂液压缸的传递函数为2

G?s??2KqA?s22?h?s?2?s?1???h?h??1585.2 ?53?325.18?10s?3.31?10s?s3.3其它环节传递函数

试验台2FRE6.A-20B10QM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：

Q01?10-4K=2=2?=1.07?10-4Ie60?2.2

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:

Q?s?K1.07?10-4G3?s???=I?s?Ts?10.159s+1

比例放大器的输入信号为DAC0832卡的输出电压信号，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

所选的传感器是光电编码器，它输出的脉冲数，每转1024个脉冲。根据产品样本所得，其响应时间常数远小于系统的采样频率和机械本体的时间常数，故可以忽略时间效应，视其为比例环节，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

图3-1斗杆系统方框图

系统闭环传递函数为：

Gbl(s)?0.1867

4.826?10?6s4?2.881?10?4s3?0.157s2?s?0.1867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，可见其无超调，上升时间，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

Gkl(s)?0.1867

4.826?10?6s4?2.881?10?4s3?0.157s2?s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

图3-6动臂系统方框图

系统闭环传递函数为

Gb2(s)?0.2943

8.236?10?6s4?4.745?10?4s3?0.162s2?s?0.2943用Matlab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，上升时间，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3-7动臂系统无控制器单位阶跃响应

图3-8 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

Gk2(s)?0.2943

8.236?10?6s4?4.745?10?4s3?0.162s2?s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，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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/znq6.html