装载机控制系统设计

装载机控制系统设计

【摘要】通过对装载机铲掘过程的分析，利用作业阻力决定铲斗的动作，并且采用控制技术，控制电液比例方向阀的开口，来调节铲斗的提升速度与角度，使装载机按照一定的铲掘轨迹进行工作。利用单片机控制技术，设计装载机工作装置工作过程的控制系统，达到减轻操作者的劳动强度，提高装载机工作效率的目的。

【关键词】 装载机 控制系统 设计

一、引言

装载机通常处于环境温度高、温度变化大、灰尘多、光照度强弱悬殊以及振动大的恶劣环境下作业，操作员在进行铲掘作业时，一边要进行驾驶，一边还要观察前方的工作装置，作出实时判断，频繁地调节动臂和铲斗的位置。本文将运用机电一体化技术、传感器和单片机构成的装载机工作装置控制系统，辅助操作者完成铲掘作业。这不仅能提高作业效率和作业水平、降低劳动强度，同时也降低了对操作者的技巧要求，使一般人也能完成高精度、高标准的作业。

二、控制系统的设计

装载机工作装置控制系统主要由单片机控制模块、液压系统和装载机工作装置等部分组成。其中，装载机工作装置是由铲斗1、动臂2、连杆3、摇臂4、转斗油缸5和动臂举升油缸6等主要部件通过铰接点相互连接而组成的2个自由度机构，是装载机作业的执行机构。

图1 装载机工作装置结构图

操作者首先将装载机行驶到料堆附近，随着装载机铲斗插入料堆的同时，动臂油缸、转斗油缸上的压力传感器随时检测两缸大小腔的压力，然后计算出油缸的作用力；两个角位移传感器随时检测角度信号，这些信号通过放大、采用、A/D转换等一系列处理后，输送到单片机中。单片机对这些数据进行计算，得到工作过程中的水平插入阻力和竖直掘起阻力，并分别与设定的最大值进行比较，插入力或掘起力达到最大值后则提臂或收斗。提臂或收斗的选择由电磁换向阀控制。

将动臂或铲斗每次提升时刻的角度设定为给定值，控制器将检测的角度与给定的角度进行比较，得到各个位置的角度误差，并根据误差的大小按照一定的控制规律输出控制信号。控制信号通过D/A转换、比例放大后传送给电液比例阀，电液比例阀根据控制信号控制动臂油缸和转斗油缸的进出油量，实现动臂或铲斗的运动角度和速度的控制。当角度达到要求值时，提升动臂或翻转铲斗，装载机继续插入，重复此过程，使铲斗按照一定的轨迹运动。

三、工作装置的模糊控制算法

由于装载机作业循环的多工况，以及外负载的多变化等因素，给系统辨识带来很大的困难，从而难以得到精确的数学模型。现有的控制理论都是建立在被控对象精确数学模型的基础上，而模糊控制不需要了解系统的精确数学模型，只依据操作人员的经验和专家的知识，经一定的数据处理后，形成若干条规则，作为模糊控制规则，然后仿照人脑的推理过程，确定推理法则，最后做出模糊决策，去执行具体的动作。

（一）模糊控制器的语言变量

模糊控制器的语言变量是以自然语言形式，而不是以数值形式给出的变量。装载机工作装置工作过程的自动控制可归结为动臂和铲斗的转动角度的控制。因此本文所设计的工作装置模糊控制系统的输入语言变量误差E和误差变化率EC可分别取为角度误差。而输出语言变量U则是控制电液比例阀的电压信号u。

（二）输入精确量的模糊化

装载机工作装置铲装物料过程中，动臂和铲斗均向上提升或翻转，规定每次角度变化为15°。设角度误差E的基本论域为[0，α]，（对于本系统，α取为15），若选定E的论域X=[-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]，则得误差e的量化因子为。为语言变量E选取7个语言值：ES、VS、S、M、L、VL、EL，分别表示极小、很小、小、中、大、很大、极大，形成7个模糊子集，用来反映误差的大小。

同理，设角度误差变化率è的基本论域为[-β，+β]（本系统中β取为10），若选定语言变量EC的论域Y=[-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]，则得误差变化率è的量化因子为。为语言变量EC选取NL、NM、NS、O、PS、PM、PL，分别表示为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大共7个模糊子集，用来反映误差变化率的大小。

设控制量变化u的基本论域为[0，γ]（本系统中γ取为9），若选定U的论域为Z=[-6，

图4 语言变量E的隶属函数曲线图

-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，

+5，+6]，则得控制变化量u的比例因子为。同样，为语言变量U选取O、VS、

S、M、L、VL、EL，分别表示零、很小、小、中、大、很大、极大共7个模糊子集，用来反映控制量的大小。

通过操作者地实际经验总结，可确定出在

图5语言变量EC的隶属函数曲线

论域X、Y、Z上用以描述模糊子集的隶属函数

μ（x）的形状如图4、5、6所示。

（三）模糊控制规则的确定

根据对装载机整机作业过程的观察和操作者的大量实践经验，按“if E and EC then U”的逻辑推理，即可求出总的模糊关系R：

R=E×EC×U

图6语言变量U的隶属函数曲线

有了模糊关系R，对于已知的角度误差和其变化率，则输出量可由下式求得：

（四）模糊输出量的精确化

由误差和误差变化率通过模糊控制算法所求得的是模糊量，要进行控制必须把模糊量转换为精确量。一般应用加权平均法为模糊集合U求得判决结果。执

行量的值u可由下式求得：

这样得到的U即是非模糊化后得到的实际控制中所需要的精确值。

（五）模糊控制表

对论域X，Y中的全部元素的所有组合计算出相应的以论域Z元素表示的控制量变化值，并写成矩阵形式。由该矩阵构成如表1的总控制表。在实际应用中，考虑单片机的特点，力求使其存储、变换和处理过程简单、快捷、节省内存，单片机的模糊一般采用直接查表法，将此表存储在单片机的存储器中，建立一个查询表，此查询表即为模糊控制算法的最终结果，在过程控制中，单片机将变换得到的实际角度误差e和角度误差变化率é分别乘以量化因子12/α和6/β,得到以相应论域元素表征的查找查询法所需的e和é，直接与表对比，通过查表程序即可马上得到所需的控制变化量u，再乘以比例因子12/γ,便得到实际的控制工作装置的控制变化量。

【参考文献】

[1] 余永权，曾碧.单片机逻辑控制.北京航空航天出版社，1995.7

[2] 余永权，曾碧.单片机逻辑控制.北京航空航天出版社，1995.7

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[5] David Rock. Control system for automatically controlling work implement of an earth working machine to capture material.1996