液壓挖掘機(jī)工裝軌跡控制與仿真技術(shù)研究(編輯修改稿)
2025-07-16 03:39 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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)來討論，其傳遞函數(shù)可近似的寫成式中 :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010V，其輸出信號(hào)為比例閥的電磁鐵的線圈電流，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A/D控制器D/A1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32，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33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32 斗桿系統(tǒng)無(wú)控制器單位階躍響應(yīng)圖33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)的開環(huán)傳遞函數(shù)為圖34為系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖，有圖可以得到系統(tǒng)的開環(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35所示，從圖中可以看出，跟蹤過程存在相當(dāng)大的誤差和相位延遲。圖34 斗桿系統(tǒng)開環(huán)伯德圖圖35 斗桿系統(tǒng)正弦跟蹤 動(dòng)臂系統(tǒng)的整體建模與仿真D/A1A/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36，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37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36動(dòng)臂系統(tǒng)無(wú)控制器單位階躍響應(yīng)圖37 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)的開環(huán)傳遞函數(shù)為圖38為系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖，有圖可以得到系統(tǒng)的開環(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39所示，從圖中可以看出，跟蹤過程存在相當(dāng)大的誤差和相位延遲。圖38 動(dòng)臂系統(tǒng)開環(huán)伯德圖圖39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41所示。51單片機(jī)操作手柄動(dòng)臂動(dòng)臂角度傳感器A/D鍵盤斗桿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41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。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05V。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0110176。，斗桿的角度變化范圍為0120176。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0125176。，則有5/125=，即角度傳感器沒變化一度。（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42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1000μF電容分別進(jìn)行高低頻濾波，在經(jīng)過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05V，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42 角度傳感器與ADC0809的接口電路 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38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)ADC0809開始轉(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，
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