王鵬飛，刁修慧

(河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南新鄉(xiāng) 453000)

液壓式挖掘機(jī)是一種多功能的工程機(jī)械，它被廣泛用于水利工程、電力工程、礦山采掘、道路施工等多種行業(yè)中，對(duì)加快國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率起著至關(guān)重要的作用。而操縱傳統(tǒng)液壓式挖掘機(jī)要求駕駛員有較高的操作技巧和豐富的經(jīng)驗(yàn)［1］。作者從簡(jiǎn)化液壓式挖掘機(jī)的操作角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了液壓式挖掘機(jī)單桿操作系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的組成

液壓式挖掘機(jī)工作裝置單桿操作系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)、傳感部分、控制部分三部分組成。

1.1 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是利用液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力能，再通過控制閥和管路的傳遞，借助液壓缸和馬達(dá)將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)。

該系統(tǒng)的控制閥(控制斗桿)仍采用液壓閥。為了對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行更精準(zhǔn)和快速的控制，系統(tǒng)采用了電磁閥對(duì)鏟斗和動(dòng)臂進(jìn)行控制。通過控制器輸出的電信號(hào)產(chǎn)生的壓力來控制電磁閥的流量和各電磁換向閥的接通、斷開和切換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)斗桿、動(dòng)臂和鏟斗液壓缸的壓力油的流向和流量的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了僅需要操縱斗桿操作桿便可以進(jìn)行挖掘作業(yè)［2-3］。

1.2 傳感部分

傳感器部分由檢測(cè)斗桿、動(dòng)臂和鏟斗動(dòng)作位置的角度傳感器和壓力傳感器組成。該部分的主要功能是采集系統(tǒng)所需的各種信息參數(shù)［4］，然后對(duì)其進(jìn)行放大和整形處理，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)方波再輸入到系統(tǒng)控制器處理。傳感器為系統(tǒng)提供必要的原始信息，是系統(tǒng)至關(guān)重要的一個(gè)組成部分。

1.3 控制部分

微電子技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制以及其他領(lǐng)域。該系統(tǒng)采用了低功耗、適應(yīng)于惡劣環(huán)境的工業(yè)級(jí)微控制器MSP430F149，其內(nèi)置看門狗定時(shí)器和ESD 保護(hù) (Electro-Static discharge)，抗干擾能力較強(qiáng);另外，其自身具有采樣保持功能，有利于簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)。

控制器部分是利用單片機(jī)將傳感器檢測(cè)出的信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換、處理和D/A 轉(zhuǎn)換，再利用模擬信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)鏟斗與地的夾角及動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。

2 單桿操作系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)主要包含3 個(gè)硬件實(shí)物部分:系統(tǒng)控制器、信號(hào)采集輸入元器件和執(zhí)行元器件。其操作控制圖如圖1 所示。

圖1 單桿操作系統(tǒng)控制圖

在該控制系統(tǒng)中，角度傳感器1［5］采集鏟斗的位置信息經(jīng)系統(tǒng)控制器處理后輸給電液控制閥1，進(jìn)而控制鏟斗油缸實(shí)現(xiàn)鏟斗的運(yùn)動(dòng)，如果鏟斗接觸到地面，那么壓力傳感器會(huì)發(fā)出信號(hào)。角度傳感器2 采集動(dòng)臂的數(shù)據(jù)經(jīng)過系統(tǒng)控制器處理后輸給電液控制閥2，進(jìn)而控制動(dòng)臂能夠按照規(guī)定的曲線做等角速度運(yùn)動(dòng)。斗桿操縱桿通過斗桿油缸來控制斗桿。將控制電液控制閥3 (控制回轉(zhuǎn)馬達(dá))的電源線接入斗桿操縱桿處，實(shí)現(xiàn)了通過斗桿操縱桿控制斗的回轉(zhuǎn)。

該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了僅需要操縱斗桿操縱桿就可以對(duì)鏟斗的傾角和動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，進(jìn)而完成整個(gè)挖掘工作［6］。

3 單桿操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 采樣周期的選取

依據(jù)香農(nóng)采樣定理與采樣周期的選擇原則，采樣周期T 越小越好，即采樣頻率ωs越高，截獲得到的信息就越多，控制效果就會(huì)更好。但是采樣周期過短，會(huì)額外增加不必要的計(jì)算量，沒有實(shí)際意義。此系統(tǒng)選用片內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換(Analog to Digital Converter)為12 位，采樣周期過小會(huì)造成量化誤差加大，控制效果得不到保證。

綜合考慮，按照下面經(jīng)驗(yàn)公式選取:

式中:tr為單位階躍響應(yīng)上升時(shí)間;ts為調(diào)節(jié)時(shí)間。

3.2 主控制模塊

要工作裝置按照控制意圖進(jìn)行動(dòng)作，就需要依據(jù)工作裝置的某種工作參數(shù)來判斷挖掘機(jī)的工況，只要能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，便可以實(shí)現(xiàn)單桿控制挖掘作業(yè)。要想更好地控制工作裝置的動(dòng)作，準(zhǔn)確得到并控制鏟斗與機(jī)體的角度非常重要。為此，該系統(tǒng)采用了PID(Proportional 比例-Integral 積分-Derivative 微分)控制法。

模擬PID 控制器的控制規(guī)律為:

式中:u(t)為調(diào)節(jié)器輸出信號(hào);e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào);KP為比例系數(shù);TI為積分時(shí)間;TD為微分時(shí)間;KP/TI為積分系數(shù);KP/TD為微分系數(shù)。

單片機(jī)控制［7］是一種采樣控制，它只能依據(jù)采樣偏差計(jì)算控制量，不能連續(xù)輸出控制量，也就是不能連續(xù)控制。因此，式中的積分和微分不能直接使用，須進(jìn)行離散化處理。處理方法:k 作為采樣序號(hào);以T 作為采樣周期;以增量形式替代微分;以求和形式替代積分。作如下近似變換:

式中:積分系數(shù)KI=KP/TI;微分系數(shù)KD=KP/TD。

在調(diào)試的時(shí)候，KP、KI和KD要綜合考慮。首先，讓KI和KD設(shè)置為0，調(diào)好KP，這樣做是為了找到合適的響應(yīng)速度和誤差;其次，加上KI，使誤差為0，然后加入KD，反復(fù)調(diào)試，以求達(dá)到最好的效果，以期望達(dá)到最好的控制。

3.3 軟件的編制

采用JAR 公司的集成開發(fā)環(huán)境，采用IAR Embedded Workbench 來組織程序，采用C-SPY.JAR Embedded Workbench 進(jìn)行調(diào)試。主程序流程圖如圖2 所示。

圖2 程序流程圖

初始化:通過一個(gè)源程序完成對(duì)所有端口的初始化。

看門狗定時(shí)器:完成定時(shí)控制器的初始化，完成中斷定時(shí)器功能。

A/D 轉(zhuǎn)換:采樣開始后判斷中斷，并將采樣數(shù)據(jù)寫入邏輯空間。

數(shù)據(jù)計(jì)算:計(jì)算角度和控制中間值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波處理。

主程序完成全局變量的初始化后，連接子程序以保證控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。鏟斗角度控制程序和動(dòng)臂控制程序分別完成相應(yīng)的任務(wù)。鏟斗角度控制流程如圖3 所示。

圖3 鏟斗角度控制流程圖

另外，由于挖掘機(jī)工作環(huán)境惡劣，受外界干擾較多，比如振動(dòng)、噪聲、溫度和濕度變化等，這些因素會(huì)導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)的精度和可靠度得不到保證，所以為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了輔助程序?yàn)V波模塊，主要采用了程序判斷濾波、去極值平均濾波和一階慣性濾波的方式。

4 抗干擾設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用接地、屏蔽和程序抗干擾等抗干擾措施，一方面將電子設(shè)備的外殼接地，另外在空間中插入一塊金屬隔板，這樣就可以形成一個(gè)屏蔽體，有效地控制一個(gè)區(qū)域的電場(chǎng)和磁場(chǎng)向另外一個(gè)區(qū)域傳播。

在程序抗干擾方面，采取了設(shè)置運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)、指令冗余技術(shù)以及軟件陷阱技術(shù)等措施?？撮T狗定時(shí)器能夠?qū)崿F(xiàn)軟件的定時(shí)復(fù)位，當(dāng)程序運(yùn)行不正常、看門狗定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，這樣就可以避免在強(qiáng)干擾情況下微控制器死機(jī)。指令冗余可以使“亂飛”程序納入正軌，因此，對(duì)于程序中的重要指令的關(guān)鍵位置采用指令冗余技術(shù)，能夠使系統(tǒng)錯(cuò)誤動(dòng)作減少。而當(dāng)“亂飛”程序進(jìn)入到未使用的空間時(shí)，冗余指令便無法使程序納入正軌，此時(shí)，設(shè)定軟件陷阱，有效攔截“亂飛”程序，并將其引導(dǎo)到一個(gè)指定位置［8］。

5 結(jié)論

以液壓式挖掘機(jī)為研究對(duì)象，以簡(jiǎn)化液壓式挖掘機(jī)的操作為目的，對(duì)系統(tǒng)的組成進(jìn)行了分析，完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。該操作系統(tǒng)綜合應(yīng)用了液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，簡(jiǎn)化了液壓控制機(jī)構(gòu)，對(duì)減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度有積極的作用;提高了作業(yè)效率，也在一定程度上減少了駕駛員操作技術(shù)差異導(dǎo)致的不良影響，為簡(jiǎn)化液壓式挖掘機(jī)的操作提供了一種新的可能性。

［1］張宏，張箭.國(guó)內(nèi)外小型挖掘機(jī)發(fā)展漫談［J］.建筑機(jī)械化，2006(9):10 -13.

［2］吉林工大.液壓與壓力傳動(dòng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［3］張鐵.液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)、原理及使用［M］.東營(yíng):石油大學(xué)出版社，2002.

［4］高曉蓉.傳感器技術(shù)［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2003.

［5］何希才，劉洪梅.傳感器應(yīng)用接口電路［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［6］陳曉琳.小型液壓挖掘機(jī)單桿操作系統(tǒng)的研究［D］.西安:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2008.

［7］胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［8］OTT Henry W.電子系統(tǒng)中噪聲的抑制與衰減技術(shù)［M］.王培清，李迪，譯.2 版.北京:電子工業(yè)出版社，2003.