液壓挖掘機(jī)工裝軌跡控制及仿真技術(shù)研究

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）綜合課程設(shè)計(jì)II項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告題目：液壓挖掘機(jī)工裝軌跡控制及仿真技術(shù)研究院（系） 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)生 學(xué)號(hào) 班號(hào) 指導(dǎo)教師 填報(bào)日期 2013年3月15日 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院制2013年3月說(shuō) 明一、總結(jié)報(bào)告應(yīng)包括下列主要內(nèi)容：1項(xiàng)目背景分析；2研究計(jì)劃要點(diǎn)與執(zhí)行情況；3項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)的解決；4具體研究?jī)?nèi)容與技術(shù)實(shí)現(xiàn)；5技術(shù)指標(biāo)分析；6存在的問(wèn)題與建議。二、總結(jié)報(bào)告由指導(dǎo)教師填寫(xiě)意見(jiàn)、簽字后，統(tǒng)一交所在院（系）保存，以備檢查。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 指導(dǎo)教師簽字： 檢查日期： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 姓 名： 院 （系）： 專

2、業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 號(hào)：任務(wù)起至日期：2013年 2月25日至2013年 3月 15 日 課程設(shè)計(jì)題目： 液壓挖掘機(jī)工裝軌跡控制及仿真技術(shù)研究 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求： 1）結(jié)構(gòu)參數(shù)名稱長(zhǎng)度(mm)行程(mm)轉(zhuǎn)角范圍(0)驅(qū)動(dòng)件(mm)缸徑(mm)活塞桿直徑(mm)動(dòng)臂2558660117雙缸8045斗桿1332585117單缸9050鏟斗835500170單缸80452）工作負(fù)責(zé)參數(shù)：m=500kg3）工裝軌跡參數(shù)：挖掘水平直線4）控制系統(tǒng)要求：以51單片機(jī)為控制處理器5）角度傳感器選擇： 電阻式位移傳感器 工作計(jì)劃安排： 周1周2周3周4周5第1周系統(tǒng)簡(jiǎn)圖運(yùn)動(dòng)學(xué)分析運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3、液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)第2周電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)控制方法控制方法第3周MATLAB仿真分析 答辯 同組設(shè)計(jì)者及分工： 指導(dǎo)教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見(jiàn)： 教研室主任簽字_ 年 月 日第一章挖掘機(jī)工裝軌跡控制的機(jī)電液系統(tǒng)介紹1.1單斗液壓挖掘機(jī)的機(jī)械模型簡(jiǎn)介本次課程設(shè)計(jì)的液壓挖掘機(jī)是針對(duì)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室用的樣機(jī)模型，其容量為0.01立方米，動(dòng)臂和斗桿為四連桿機(jī)構(gòu)，動(dòng)臂、斗桿和鏟斗均由液壓缸驅(qū)動(dòng)，它們之間以銷軸連接。在動(dòng)臂和斗桿的銷軸上分別安裝了角度傳感器，用以檢測(cè)相對(duì)位角。模型不具備回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，無(wú)回轉(zhuǎn)功能。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-1所示，其參數(shù)如表1-1所示。圖1-1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖表1-1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)

4、參數(shù)表名稱長(zhǎng)度（mm）行程（mm）轉(zhuǎn)角范圍（）驅(qū)動(dòng)件缸徑（mm）活塞桿直徑（mm）動(dòng)臂2558660117雙缸8045斗桿1332585117單缸9050鏟斗835500170單缸8045液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的重要機(jī)型，在工業(yè)及民用建筑、交通運(yùn)輸、水利水電、軍事施工建設(shè)中發(fā)揮著非常重要的作用。液壓挖掘機(jī)被應(yīng)用于眾多諸如平整場(chǎng)地、一定形狀的溝、渠道挖掘等復(fù)雜作業(yè)。其工作裝置運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)控制是研制中的一個(gè)重要課題。由于挖掘機(jī)在實(shí)際工作中，挖掘階段轉(zhuǎn)臺(tái)不回轉(zhuǎn)，靜止不動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)時(shí)，工作裝置不挖掘，因此，工作裝置挖掘軌跡的控制，可歸結(jié)為動(dòng)臂、斗桿和鏟斗三個(gè)桿件的平面控制問(wèn)題，即對(duì)于任意給定的動(dòng)臂、斗

5、桿目標(biāo)軌跡和鏟斗方位角，可將其變換為工裝三桿件的目標(biāo)轉(zhuǎn)角序列，由微機(jī)控制電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使動(dòng)臂、斗桿和鏟斗跟蹤各自的目標(biāo)轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)軌跡控制。其機(jī)、電液一體化系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1-2所示。圖1-2 液壓挖掘機(jī)機(jī)、電液一體化系統(tǒng)簡(jiǎn)圖本次課程設(shè)計(jì)中機(jī)遇實(shí)驗(yàn)室的液壓挖掘機(jī)裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：挖掘機(jī)工作負(fù)載參數(shù)要求：m=500kg挖掘機(jī)工作裝置軌跡參數(shù)要求：挖掘水平直線挖掘機(jī)工作裝置軌跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：以51單片機(jī)為控制處理器角度傳感器選擇：電阻式角位移傳感器1.2電液控制系統(tǒng)的組成電液控制系統(tǒng)是在要控制的轉(zhuǎn)軸處增加了角度傳感器獲取轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，通過(guò)控制器處理并由電液轉(zhuǎn)換元件驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)，使鏟斗達(dá)到預(yù)

6、計(jì)的軌跡。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由液壓缸、電液比例流量閥、比例放大器、角度傳感器、A/D和D/A卡等環(huán)節(jié)組成，如圖1-3所示。系統(tǒng)可分為數(shù)字和模擬兩部分，通過(guò)A/D和D/A轉(zhuǎn)換器把兩部分組成一個(gè)數(shù)字、模擬混合系統(tǒng)。數(shù)字部分采用51單片機(jī)，模擬部分包括除51單片機(jī)外的各環(huán)節(jié)。A/D控制器D/A放大器電液比例閥液壓缸動(dòng)臂/斗桿RY角度傳感器給定值輸出值圖1-3 系統(tǒng)控制框圖（1）角度傳感器角度傳感器將各臂位置角轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，供控制器處理。在研究中，我們將斗尖軌跡的控制轉(zhuǎn)化為對(duì)動(dòng)臂和斗桿各自的相對(duì)轉(zhuǎn)角的控制?？刂蒲b置中的選擇是電阻式角位移傳感器，輸出為模擬電壓量，需要通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)才能供控制器處理。（2

7、）控制器及數(shù)據(jù)采集卡控制器主要完成將傳感器的信號(hào)按照控制算法進(jìn)行運(yùn)算后輸出控制量的工作。本設(shè)計(jì)采用在PC機(jī)內(nèi)接入集成了A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片的模入模出控制卡，此卡將角度傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)角度的數(shù)字值，運(yùn)算后將結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，將控制量以電壓形式輸出。（3）電液轉(zhuǎn)換部分此部分主要由電液比例閥，放大器組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用北京華德液壓工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的2FRE6.A-20B/10QM型號(hào)二通比例調(diào)速閥，并配有與之配套的放大器VT-5010S30.在液壓控制系統(tǒng)中，雖然采用伺服閥精度最高，且響應(yīng)最快，但其成本高，對(duì)污染敏感，很少用在普通場(chǎng)合。而比例閥的價(jià)格只有伺服閥的1/8-1/10

8、，但具有與節(jié)流閥相似的抗污染能力。雖然與伺服閥相比，比例閥的頻寬較窄、精度稍差，但如果和微機(jī)及角度傳感器構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，應(yīng)用合適的控制方法，完全可以達(dá)到較高的定位精度。因此在本設(shè)計(jì)中采用微機(jī)控制比例法系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)工裝軌跡的控制。第二章 液壓挖掘機(jī)工裝軌跡的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析2.1運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題運(yùn)動(dòng)學(xué)是指對(duì)給定的液壓挖掘機(jī)，已知桿件幾何參數(shù)和關(guān)節(jié)變量，求鏟斗相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。按照D-H坐標(biāo)系的規(guī)則和定義，設(shè)置微機(jī)操縱系統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的桿件坐標(biāo)系，如圖2-1所示。第0號(hào)坐標(biāo)系在基座上的位置和方向任選，只要軸沿第一關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軸，即挖掘機(jī)上車回轉(zhuǎn)中心即可。最后一個(gè)坐標(biāo)系，即第4號(hào)坐標(biāo)系，可放

9、在鏟斗的任何部分，只要與垂直即可。去鏟斗縱向?qū)ΨQ面上鏟斗與斗桿的鉸接點(diǎn)與斗齒尖連成軸，鉸點(diǎn)的回轉(zhuǎn)軸線為軸。是工裝縱向?qū)ΨQ面上的一根水平軸，在動(dòng)臂兩端鉸點(diǎn)連線上，在斗桿兩端鉸點(diǎn)連線上。i取0、1、2、3、4時(shí)個(gè)參數(shù)值見(jiàn)表2-1.圖2-1 反鏟斗液壓挖掘機(jī)工作裝置示意圖表2-190 090 各參數(shù)的含義為：- 到沿方向上的距離（與同方向?yàn)檎?到沿方向上的距離(與同方向?yàn)檎?-從到繞軸的轉(zhuǎn)角（逆時(shí)針為正）-到沿方向上的距離通過(guò)矩陣變換，首先把第四象限的坐標(biāo)變換到第三象限，再把第三象限的坐標(biāo)變換到第二象限，再把第一象限的坐標(biāo)變換到第一象限，再把第一象限變換到第0象限，因此，鏟斗坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的變

10、換矩陣為：本次設(shè)計(jì)中取取斗尖位置坐標(biāo)在基座坐標(biāo)系中的表示為，由此得鏟斗尖位姿的正解為為獲取斗尖包絡(luò)區(qū)域，為下面軌跡位置選擇提供參考，取動(dòng)臂轉(zhuǎn)角范圍為步長(zhǎng)為；斗桿轉(zhuǎn)角范圍為，步長(zhǎng)為，利用Matlab做出斗尖所能達(dá)到的位置，如圖2-2。圖2-2 斗尖包絡(luò)區(qū)域2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題為簡(jiǎn)化計(jì)算，將第1號(hào)坐標(biāo)系軸建立在平面內(nèi)，。并將鏟斗以鎖死，即。取直線軌跡，將所需控制的軌跡離散為若干點(diǎn)坐標(biāo)，并根據(jù)上述方程，可得出斗尖的在每一點(diǎn)時(shí)的動(dòng)臂、斗桿的角度序列。利用matlab解上述方程組，得到10組數(shù)值解如表2-2所示。表2-2運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題求解1000-1000-20.068-131.181100-1000-1

11、6.613-130.401200-1000-13.324-129.461300-1000-10.216-128.371400-1000-7.3051-127.141500-1000-4.6022-125.791600-1000-2.1125-124.321700-10000.16501-122.731800-10002.2340-121.041900-10004.0977-119.25第三章 液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的建模分析對(duì)于一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的表示，可采用微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程等方式。在本文中，對(duì)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的描述采用傳遞函數(shù)的方式。本章通過(guò)計(jì)算各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而得到整個(gè)被控系

12、統(tǒng)的傳遞函數(shù)，作為控制仿真的模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)獲取系統(tǒng)的特性，檢驗(yàn)控制方法的效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的整定等目標(biāo)。3.1斗桿液壓缸的傳遞函數(shù)斗桿液壓缸的缸徑、活塞桿直徑、形成，活塞桿及負(fù)載的質(zhì)量。1）活塞平均面積2） 容腔總?cè)莘e3） 液壓缸固有頻率式中取4） 液壓阻尼比由上，得斗桿液壓缸傳遞函數(shù)3.2動(dòng)臂液壓缸的傳遞函數(shù)斗桿液壓缸的缸徑、活塞桿直徑、形成，活塞桿及負(fù)載的質(zhì)量。1）活塞平均面積2） 容腔總?cè)莘e3） 液壓缸固有頻率式中取4） 液壓阻尼比則單個(gè)液壓缸的傳遞函數(shù)為：因兩個(gè)液壓缸并聯(lián)驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂，故動(dòng)臂液壓缸的傳遞函數(shù)為23.3其它環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)試驗(yàn)臺(tái)2FRE6.A-20B/10QM型號(hào)二通比例調(diào)速閥

13、，并與之配有配套的放大器VT-5010，依據(jù)廠家提供的技術(shù)規(guī)格，其頻率特性為2HZ，這一值在一般情況下為系統(tǒng)在公稱壓力時(shí)閥相應(yīng)的最高頻率，在一般工作情況下，其頻率響應(yīng)一般在1HZ左右，這一值同系統(tǒng)的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸的頻響相比，電液比例閥的頻率特性是不可忽略的，視為一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)討論，其傳遞函數(shù)可近似的寫(xiě)成式中 :電液比例閥的時(shí)間常數(shù) 電液比例閥增益由產(chǎn)品性能查得：比例閥的額定流量：線圈輸入電流最大值：則電液比例閥的流量增益：當(dāng)電液比例閥的頻率特性為1HZ時(shí)，其時(shí)間常數(shù):則電液比例閥的傳遞函數(shù)為:比例放大器的輸入信號(hào)為DAC0832卡的輸出電壓信號(hào)，范圍為0-10V，其輸出信號(hào)為比例閥的電磁鐵

14、的線圈電流，范圍為0-2.2A，故此放大器傳遞函數(shù)為所選的傳感器是電阻式角位移傳感器，它輸出的是電壓值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)械本體的時(shí)間常數(shù)以及計(jì)算機(jī)的采樣頻率，可以忽略其時(shí)間效應(yīng)，將其視為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，近似為單位負(fù)反饋，即傳遞函數(shù)為此處斗桿的傳遞函數(shù)為斗桿液壓缸的活塞位移與斗桿相對(duì)于動(dòng)臂的角度的關(guān)系。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，斗桿相對(duì)于機(jī)身的轉(zhuǎn)角范圍為，斗桿液壓缸活塞桿的行程為，故斗桿的傳遞函數(shù)為動(dòng)臂的傳遞函數(shù)為動(dòng)臂液壓缸的活塞位移與動(dòng)臂相對(duì)于機(jī)身的角度的關(guān)系。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，動(dòng)臂相對(duì)于機(jī)身的轉(zhuǎn)角范圍為，動(dòng)臂液壓缸活塞桿的行程為，故動(dòng)臂的傳遞函數(shù)為3.4斗桿系統(tǒng)的整體建

15、模與仿真A/D控制器D/A0.223.491系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：用Matlab對(duì)其進(jìn)行仿真，得到閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)如圖3-2，同時(shí)得到其動(dòng)態(tài)時(shí)域指標(biāo)，峰值，即無(wú)超調(diào)，峰值時(shí)間，調(diào)整時(shí)間。圖3-3為單位階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差曲線，由圖中可得到系統(tǒng)的靜態(tài)時(shí)域指標(biāo)，穩(wěn)態(tài)誤差。圖3-2 斗桿系統(tǒng)無(wú)控制器單位階躍響應(yīng)圖3-3斗桿系統(tǒng)無(wú)控制器單位階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為圖3-4為系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)伯德圖，有圖可以得到系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻域性能指標(biāo)，幅值裕度。幅值穿越頻率，相位裕度，剪切頻率。輸入的正弦信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)如圖3-5所示，從圖中可以看出，跟蹤過(guò)程存在相當(dāng)大的誤差和相位延遲。圖3-4 斗桿系統(tǒng)開(kāi)環(huán)伯德圖

16、圖3-5 斗桿系統(tǒng)正弦跟蹤3.5 動(dòng)臂系統(tǒng)的整體建模與仿真D/A0.223.0981A/D控制器系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為用Matlab2012對(duì)其進(jìn)行仿真，得到閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)如圖3-6，同時(shí)得到其動(dòng)態(tài)時(shí)域指標(biāo)，峰值，即無(wú)超調(diào)，峰值時(shí)間，調(diào)整時(shí)間。圖3-7為單位階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差曲線，由圖中可得到系統(tǒng)的靜態(tài)時(shí)域指標(biāo)，穩(wěn)態(tài)誤差。圖3-6動(dòng)臂系統(tǒng)無(wú)控制器單位階躍響應(yīng)圖3-7 動(dòng)臂系統(tǒng)無(wú)控制器單位階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為圖3-8為系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)伯德圖，有圖可以得到系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻域性能指標(biāo)，幅值裕度。幅值穿越頻率，相位裕度，剪切頻率。輸入的正弦信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)如圖3-9所示，從圖中可以看出，跟蹤過(guò)

17、程存在相當(dāng)大的誤差和相位延遲。圖3-8 動(dòng)臂系統(tǒng)開(kāi)環(huán)伯德圖圖3-9動(dòng)臂系統(tǒng)無(wú)控制器爭(zhēng)先跟蹤曲線第四章 控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)對(duì)挖掘臂上動(dòng)臂和斗桿兩個(gè)轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，達(dá)到鏟斗尖在與地面垂直面上按特定軌跡運(yùn)動(dòng)的目的。擬采用動(dòng)臂先動(dòng)，斗桿跟隨的方案。將在垂直面上的鏟斗尖軌跡離散為若干點(diǎn)，鏟斗尖一次達(dá)到這些點(diǎn)，就能近似完成所需軌跡。由運(yùn)動(dòng)模型可知，每一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一組動(dòng)臂和斗桿的角度值（，），動(dòng)臂上角度傳感器檢測(cè)到動(dòng)臂轉(zhuǎn)角為時(shí)，通過(guò)所設(shè)計(jì)的控制器控制斗桿轉(zhuǎn)角達(dá)到，即完成一點(diǎn)的控制。當(dāng)依次完成所有點(diǎn)時(shí)，即完成所需軌跡的控制?？刂屏鞒虉D及系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。51單片機(jī)操作手柄動(dòng)臂動(dòng)臂角度傳感器A/D鍵盤(pán)斗桿

18、斗桿角度傳感器電液比例閥D/A動(dòng)臂液壓缸顯示器D/A斗桿液壓缸電液比例閥圖4-1對(duì)于本系統(tǒng)，選用PC作為控制器，通常被檢測(cè)和控制的量是連續(xù)變化的模擬量，而計(jì)算機(jī)能直接處理的是數(shù)字量，所以需要將檢測(cè)元件輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換卡；另外為了實(shí)現(xiàn)控制量的輸出，需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量對(duì)液壓挖掘機(jī)軌跡進(jìn)行控制，即還需要D/A轉(zhuǎn)換卡。4.1角度傳感器的選擇本系統(tǒng)裝置選用的角度傳感器是電阻式位移傳感器，具有線性度好的特點(diǎn)，輸出電壓0-5V。角位移傳感器相當(dāng)于一個(gè)滑動(dòng)變阻器，當(dāng)角度發(fā)生變化時(shí)，輸出端的電阻值發(fā)生變化，從而引起輸出端電壓產(chǎn)生變化。（1）角度傳感器的標(biāo)定 液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂和斗桿的工作

19、角度都有一定范圍的，根據(jù)設(shè)計(jì)的理論推薦制和樣機(jī)的實(shí)際工裝尺寸，選擇動(dòng)臂的角度范圍為0-110，斗桿的角度變化范圍為0-120。為實(shí)際安裝和測(cè)試方便，兩角度傳感器選用統(tǒng)一的標(biāo)定。為確保工作裝置的可靠，選擇角度傳感器的量程為0-125，則有5/125=0.04伏/度，即角度傳感器沒(méi)變化一度，其輸出電壓變化0.02伏。（2）角度傳感器接口 角度傳感器相當(dāng)于一個(gè)滑動(dòng)變阻器，為使其工作在最佳線性區(qū)段，應(yīng)是其工作在滿量程的2/3范圍內(nèi)。為保證測(cè)量電壓穩(wěn)定，減少測(cè)量誤差，角位移傳感器及其接口電路如圖4-2所示。由于供電電源的波紋大小直接影響到A/D轉(zhuǎn)換的精度，故將電源電壓經(jīng)330nF和1000F電容分別進(jìn)行

20、高低頻濾波，在經(jīng)過(guò)7809穩(wěn)壓后，供給角位移傳感器，為確保角位移傳感器輸出電壓在0-5V，對(duì)角位移傳感器輸出端信號(hào)用1K電阻和47nF電容進(jìn)行濾波，二極管鉗位后送入ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。圖4-2 角度傳感器與ADC0809的接口電路4.2 A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路該電路的輸入端口由74LS00和74LS30及3-8線譯碼器74LS138所組成。譯碼電路受PC機(jī)IOW和IOR信號(hào)控制，即只有在進(jìn)行I/O讀寫(xiě)操作時(shí)，該譯碼電路才起作用，為了減輕PC機(jī)IOW和IOR線的負(fù)載，將它們經(jīng)74LS 125緩沖，74LS125工作在通常狀態(tài)下。本卡中共使用了六個(gè)地址，地址分配如下：278H用于起動(dòng)A

21、DC0809開(kāi)始轉(zhuǎn)換；279H用于檢查A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束否；27AH用于向ADC0809發(fā)送允許輸送信號(hào)OE，以便將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)取走27BH 用于D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832的片選信號(hào)；27CH用于A/D的中斷允許寄存器置1，即相當(dāng)于開(kāi)A/D中斷27DH用于清零A/D的中斷允許寄存器，相當(dāng)于關(guān)A/D中斷。（1）ADC0809功能介紹ADC0809是CMOS器件，不僅包括一個(gè)8位的逐次逼近型的ADC部分，而且還提供一個(gè)8通道的模擬多路開(kāi)關(guān)和通道尋址邏輯，因而有理由把它作為簡(jiǎn)單的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。利用它可直接輸入8個(gè)單端的模擬信號(hào)分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用十分廣泛。主要特性如下：1） 分辨率：8

22、位2） 轉(zhuǎn)換時(shí)間：取決芯片時(shí)鐘頻率，如CLK=500kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為128s3） 模擬輸入電壓范圍：?jiǎn)螛O性0-5V；雙極性5V，10V4） 單一電源：+5V5） 使用時(shí)不需進(jìn)行零點(diǎn)和滿刻度調(diào)節(jié)6） 具有可控三態(tài)輸出緩存器（2）A/D轉(zhuǎn)換工作方式該電路由DAC0809轉(zhuǎn)換芯片、74LS123單穩(wěn)觸發(fā)器，74LS90分頻器和74LS74D觸發(fā)器等組成，并帶有74LS74中斷屏蔽寄存器，當(dāng)程控開(kāi)中斷時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)。1）工作過(guò)程 本卡使用74LS90將PC機(jī)擴(kuò)充槽的時(shí)鐘信號(hào)CLK分頻變成適合ADC0809工作的頻率。用口地址27BH作為ADC0809起動(dòng)信號(hào)送入地

23、址，啟動(dòng)信號(hào)有數(shù)據(jù)線D7位產(chǎn)生，而通道號(hào)由D0D1D2產(chǎn)生，當(dāng)選中278BH口地址，并且D7位由1變?yōu)?時(shí)，則經(jīng)與非門(mén)U產(chǎn)生一正階躍，用此信號(hào)觸發(fā)單穩(wěn)，產(chǎn)生寬度約1s左右的啟動(dòng)脈沖用于起動(dòng)A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)此過(guò)程可用以下指令序列，如對(duì)0通道啟動(dòng)采樣：MOV DX， 278HMOV AL， 80HOUT DX， ALMOV AL， 00HOUT DX， AL如對(duì)第4通道采樣，則可用如下指令序列：MOV DX， 278HMOV AL， 80HOUT DX， ALMOV AL， 04HOUT DX， AL其他通道同理即用D7位產(chǎn)生1-0的變化，以形成一個(gè)起動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的脈沖，而D2,D0,D1保持

24、不變，以表示通道號(hào)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，采用查詢方式，對(duì)口地址279H不斷進(jìn)行讀出操作，當(dāng)?shù)?位為1時(shí)，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，可用口地址27AH將轉(zhuǎn)換結(jié)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；將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入緩沖區(qū) INC BUFFER；緩沖區(qū)地址加一 JIM START；轉(zhuǎn)A/D啟動(dòng)指令去執(zhí)行上述是查詢工作方式，若要中斷方式下工作，則可采用如下指令序列： MOV DX，27CH OUT DX，AL；開(kāi)中斷 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生EOC信號(hào)通過(guò)三態(tài)門(mén)，成為中斷請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng)

25、從A/D中斷服務(wù)程序退出，主程序不在使用A/D中斷或退回EOS時(shí)，應(yīng)關(guān)A/D中斷屏蔽器，以便將A/D占用的中斷號(hào)讓出，即用指令：MOV DX，27DHOUT DX，ALAL中可為任意數(shù)4.3D/A轉(zhuǎn)換器及接口電路 1）DAC0832功能介紹DAC0832是八位分辨率的轉(zhuǎn)換集成芯片，與處理器完全兼容。這種芯片的價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易。DAC0832是最早和微處理器兼容的、雙緩沖的轉(zhuǎn)換器。其工作特性如下：a） DAC0832是微處理器兼容型轉(zhuǎn)換器，可以充分利用為處理器的控制能力實(shí)現(xiàn)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換的控制。b） 集鎖存器控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多通道D/A轉(zhuǎn)換器，能實(shí)現(xiàn)多通道D/A的同步轉(zhuǎn)換輸出。c

26、） DAC0832內(nèi)部無(wú)參考電壓源，需要外接。d） ADC0832為直流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，要獲得模擬電壓是需要外加轉(zhuǎn)換器電路。具體電路在A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路中可以看到。2） D/A轉(zhuǎn)換電路該電路由D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832及雙運(yùn)算放大器LM358等組成。LM358輸入失調(diào)電壓2mv，它有自調(diào)零功能，因而省去了調(diào)零電路。LM358可用LM258或ML158代替，也可用國(guó)產(chǎn)的一些，這些都是低價(jià)格的。由于D/A電路具有數(shù)字地和模擬地之分，因此在電路連接時(shí)，模擬地匯集一點(diǎn)，數(shù)字地匯集一點(diǎn)，然后兩點(diǎn)連接共地，否則會(huì)形成串模干擾，造成轉(zhuǎn)換時(shí)的誤差。電阻R2 R3 R4應(yīng)是較精確電阻，阻值精確到0.4

27、%即可，R2=R4，R2/R3=2，本電路采用R2=R4=15K、R3=7.5K.DAC0832工作于單緩沖方式下，即當(dāng)cs和IOW來(lái)信號(hào)時(shí)，直通立即轉(zhuǎn)換，當(dāng)IOW信號(hào)消失時(shí)，便將數(shù)據(jù)鎖存于輸入寄存器，使轉(zhuǎn)換輸出保持不變。該電路的片選cs信號(hào)用地址27BH，將待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線，送入DAC0832時(shí)，可立即用輸出指令將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出，采用如下程序：MOV DX, 27BHMOV AL, 0FFH OUT DX, AL此時(shí)將會(huì)把FFH轉(zhuǎn)換出一個(gè)+4.96V左右電壓。4.5 控制系統(tǒng)的電路原理圖設(shè)計(jì)根據(jù)上述設(shè)計(jì)理論講A/D、D/A轉(zhuǎn)換器與他們的外部接口連接在一起，放在電路板上，然后連接在51單

28、片機(jī)的外部接口上，再與角位移傳感器相連，即構(gòu)成了控制系統(tǒng)的整體電路圖，如4-3圖所示：圖4-3 DAC0832的雙緩沖接口電路第五章 控制方法的選擇及MATLAB仿真技術(shù)5.1 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制常用的有PID控制器、超前、滯后補(bǔ)償控制器等，用以調(diào)整系統(tǒng)穩(wěn)定性、裕度值等多項(xiàng)指標(biāo)。PID控制器是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，在產(chǎn)生過(guò)程的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。因?yàn)檫@種控制具有簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)，在實(shí)踐應(yīng)用中又較易于整定，所以它在工業(yè)過(guò)程控制中有著最規(guī)范的應(yīng)用。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖5-1所示，系統(tǒng)由模擬PID和被控對(duì)象組成。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，按偏差的比例（

29、P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制是最為常用的一種控制規(guī)律。該控制規(guī)律具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，魯棒性（Roustness）強(qiáng)和適用范圍廣等特點(diǎn)。PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。該控制器的參數(shù)比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)Td相互獨(dú)立，參數(shù)整定比較方便。此外，PID控制算法簡(jiǎn)單，計(jì)算工作量小，易于實(shí)現(xiàn)多回路控制。MATLAB是當(dāng)今世界上最優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算軟件，具有豐富可靠的矩陣處理、圖形繪制功能，語(yǔ)句簡(jiǎn)單、易學(xué)易用等特點(diǎn)。MATLAB中的SIMULINK工具箱，是控制系統(tǒng)計(jì)算與仿真最先進(jìn)的工具。其主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析，從而可以在實(shí)際系統(tǒng)制作出來(lái)之前，預(yù)先對(duì)

30、系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析，并可以對(duì)系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)修正或者按照仿真的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效率的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的目標(biāo)。本文用MATLAB2012b實(shí)現(xiàn)對(duì)反鏟單斗液壓挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)仿真。5.2 斗桿系統(tǒng)PID控制仿真斗桿系統(tǒng)PID的參數(shù)。使用Matlab2012b，對(duì)系統(tǒng)的時(shí)域和頻域性能指標(biāo)進(jìn)行分析。系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：選擇Runge-Kutta四階算法，采用周期為0.05s，輸入為單位階躍信號(hào)，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線及誤差曲線如圖5-1所示，圖中線條為輸入單位階躍信號(hào)，2為系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，3為誤差曲線。同時(shí)得到其動(dòng)態(tài)時(shí)域指標(biāo)，峰值為，即無(wú)超調(diào)，峰值時(shí)間，調(diào)整時(shí)間，靜態(tài)時(shí)域指標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差。此時(shí)與原系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)比

31、較如圖5-2所示，從圖中看出，斗桿系統(tǒng)加入PID控制后，在保證其它指標(biāo)不變的同時(shí)響應(yīng)時(shí)間明顯縮短。圖5-1斗桿PID控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)及誤差圖5-2 單位階躍響應(yīng)的比較斗桿系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)伯德圖如圖5-3所示，與原系統(tǒng)伯德圖的比較如圖5-4所示。由圖5-5可以得到系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻域性能指標(biāo)，幅值裕度，幅值穿越頻率，相位裕度，剪切頻率。從圖5-5中可以看出，系統(tǒng)加入PID控制后，比原來(lái)的截止頻率變大，截止帶寬變寬，及系統(tǒng)允許工作的最高頻率范圍變大，動(dòng)態(tài)性能變好，響應(yīng)的快速性變好。圖5-3 斗桿PID控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)伯德圖圖5-4 開(kāi)環(huán)伯德圖的比較當(dāng)給系統(tǒng)輸入的正弦信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)其的跟蹤程度如圖5-5所示，圖中1為輸入信號(hào)，2為系統(tǒng)的跟蹤輸出。從圖中可以看出，跟蹤過(guò)程存在微小的誤差和相位延遲，可以在較快的時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定的控制量。圖5-5 斗桿PID控制系統(tǒng)正弦跟蹤5.3 動(dòng)臂系統(tǒng)PID控制仿真MATLAB的Simulink工具箱，可以繪制出動(dòng)臂回路的PID控制模型圖，如圖5-7所示。斗桿系統(tǒng)PID的參數(shù)。使用Matlab2012b，對(duì)系統(tǒng)的時(shí)域和頻域性能指標(biāo)進(jìn)行分析。系統(tǒng)的閉