液压挖掘机工作装置自动控制系统

液压挖掘机工作装置自动控制系统

Automatic Control System of Working Device of Hydraulic Excavator___________新技术应用与实践

A

pp licarion and Practic e of Ne w Techno logy

韦赞洲

(广西柳工机械股份有限公司，广西柳州545007)

WEI

Zan-zhou

(Guangxi Liugong MachineryCo.Ltd., Liuzhou 545007, China)

【摘要】分析了液压挖掘机组成、工作原理及液压驱动系统。采用基于

DSP芯片的控制系统和模糊自整定

PID算法，实现了挖掘

机工作装置自动控制。该控制系统具有较高的控制精度和良好的操纵性，提高了作业效率和施工精度，减轻了驾驶员的劳动强度。

【

Abstract】

Thepaperanalyzesthecomposition,workingprincipleandhydraulicdriving system ofhydraulicexcavator. The automaticcontrol of

the excavator working device isrealized by using the control system based on DSP chip and the fuzzy self-tuning PID algorithm, which has higher

stabilityand accuracy. The operation efficiencyand construction precision are improved, andthe operation intensityofthe driverisreduced.

【关键词】挖掘机工作装置；自动控制；电控单元;模糊自整定

PID

【

Keywords】

excavatorworkingdevice;automaticcontrol;electroniccontrolunit;&zzyself-tuningPID

【中图分类号】TU

621

【文献标志码】A

【文章编号】1673-1069

G018)03-0161-02

1引言

传统的液压挖掘机不能满足人们对地下资源、海底宇宙

空间等场合下的开发利用，也不能满足人们对环境使用性作

业，以及对不断提高生产率的要求。这就要求实现挖掘机的智

能化控制，代替驾驶员的人工操作，使人们摆脱简单、繁重的

劳动。

近些年，单纯液压控制已不能满足整机性能的要求，智能

技术正越来越多的应用于液压挖掘机传动系统控制。智能控

制就是在常规控制理论基础上，吸收人工智能、模糊数学、计

算机科学、运筹学等其他学科中的新思想和新方法，对被控对

象实现期望的控制。电液比例数字控制技术可以有效地提了

整机控制效果和自动化程度。人工智能等先进的控制方法的

运用，解决了挖掘机轨迹控制问题，提高整机控制技术的水

平，促进智能控制技术在工程机械领域的应用，推动了液压挖

掘机机电一体化技术的发展[|]。

本文介绍的挖掘机工作装置控制系统采用DSP

芯片，实

现了挖掘机工作装置的自动控制。系统具有较高的控制精度

和良好的操纵性[2]。

2挖掘机驱动系统及工作原理

2.1液压挖掘机组成及工作原理

液压挖掘机由发动机系统、液压系统、电气系统、工作装

【作者简介】韦赞洲（

1971-),男，壮族，厂西柳州人，工程师,从事挖

掘机电气电控系统设计研究。置、行走装置、覆盖件、回转系统以及驾驶室等部件组成，如图

1所示。

1、发动机2、回转机构3、电气系统4、覆盖件5、驾驶室

图

1液压挖掘机构成

根据杠杆原理，由液压缸推动动臂、斗杆和铲斗各构件之

间相对旋转运动，从而实现人为控制液压挖掘机实现挖掘和

卸料动作。

2.2液压驱动系统

挖掘机液压系统是按照挖掘机工作装置和传动机构的要

求，把各种液压元件用管路连接起来组成的。目前国内大多采

用负流量控制、全功率调节。液压系统包括电磁比例阀、换向

阀、液压马达、泵、连接管路等。主控阀为中位开式六位三通

式，主泵为双联轴向变量柱塞泵，排量为108cc

。主液压回路溢

流阀压力设定为31.8MPa

。工作装置控制阀是八个阀芯的片式

阀。另外还有液压马达、油缸等液压元件。

电磁比例先导阀在电控系统作用下动作，使主控阀动作，

推动液压缸伸出或者缩进，实现对挖掘机工作装置的电控操

纵。采用电磁比例先导阀代替手动先导阀，控制多路换向阀中

阀芯的移动，实现先导操纵。电磁比例阀工作口的最高压力为

161转速

传感器时钟

锁相环

定时器数字信号处

理器(DSP

)

TMS

320LF

2407中断液晶显示

器128x

64

输入/

输出数据

存储器

电磁

比例阀脉宽调

制信号模拟/数

字转换

图

2挖掘机电控系统硬件结构原理图

4软件设计及算法

由于挖掘机作业工况复杂，挖掘机特征参数结构随着负

载变化而发生变化131，普通的控制方法很难取得理想的控制效

果。为了实现挖掘机工作装置运行轨迹的准确控制，本文采用

了模糊自整定PID

控制算法。在常规PID

算法的基础上，计算

当前的误差e

和误差变化率ec

，利用模糊控制规则进行模糊

推理，查询模糊矩阵表，对PID

参数进行在线调整。

将挖掘机工作装置轨迹控制系统中角度传感器测量的实

际转角与给定的转角值相比较，获得角度误差e

和误差变化

率ec

，将变化范围定义为模糊集上的论域。模糊集合为e

，ec

=

{NB

,NM

,NS

,ZO

,PS

,PM

,PB

}

负大、负中、负小、零、正小、正中、正大分别表示集合中的

兀素。可以假设和e

, ec

服从正态分布，由此得到各

模糊子集的隶属度。根据专家知识和实际操作经验，修正Kp

、

三个参数。应用各模糊子集的隶属度赋值和各参数模糊-150

0 1 2 3 4 5 6

时间（s

)

图

3边坡修整试验结果

从图中可以看出，采用挖掘机工作装置自动控制系统，斜

坡修整作业曲线轨迹比较平滑。试验结果表明，开发的挖掘机

工作装置自动控制系统能够满足实际作业的要求。

6结论

本文分析了液压挖掘机组成、工作原理及液压驱动系统，

采用DSP

芯片作为核心电控单元的控制系统以及模糊自整定

PID

算法，实现了挖掘机工作装置控制的智能化、自动化，精度

高、稳定性好，整机控制效果良好，提高了作业效率和施工精

度，减轻了驾驶员的作业强度。

【参考文献】

【1】刘征.新型正铲挖掘装置动力学分析与控制器设计[D

].秦皇岛:燕山

大学

，2015.

【2】曹宇.新型正铲挖掘机构的构型和设计方法[D

].秦皇岛:燕山大学，

2014.

【3】王飞.新型正铲液压挖掘机工作装置的结构优化设计[D

].秦皇岛:

燕山大学

，2014.4.2MPa

，流量为20l/min

，电磁比例阀的最低压力通过设定阀的

背压来调节。

3电控系统硬件设计

该电控系统以DSP

数字信号处理器作为核心控制单元。

该芯片是目前市场上最强大的32位定点芯片。具有强大的

事件管理和嵌入式控制功能。DSP

的型号为

TMS

320LF

2407A

。片内具有2组伊8路16位PWM

输出，可以

满足挖掘机电磁比例阀驱动控制的要求。321(伊16的FLASH

EEPROM

，作为程序存储器

，可以实现各种信号的记录和存

储；组伊8路10位A/D

转换器，可以实现主泵的压力、液压

油温等模拟信号的采集和处理;具有控制器局部网通信接口

(简称CAN

总线）支持SAE

J

1939通信协议，支持发动机、

控制器以及显示器之间的数据通信。挖掘机电控系统硬件结

构如图2所示。控制模型，设计PID

修正参数的模糊矩阵表，通过模糊推理，

查表获得修正参数，代入下列表达式中。

K

,=Km

+AKP

缮 K

^Kio

+AKi

Kd=Kd

〇+AKd

根据经验，获得PID

的初始整定参数。在线运行过程中，

通过对模糊逻辑规则结果的处理、查表和运算，在线自校正

PID

参数。

5工作装置自动控制试验研究

在实际斜坡修整作业操作过程中，为了能达到较好的效

果，需要操作机手具有丰富的实际操作经验。利用开发的挖掘

机电控系统，对斜坡修整作业轨迹进行自动控制试验研究，试

验过程中斜坡修整作业3m

。试验结果如图3所示。

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串行接口

CAN

总

线接口压力

传感器角位移

传感器

50

0

-50

100

£

-1

162