【文章內容簡介】 統的響應如圖39所示，從圖中可以看出，跟蹤過程存在相當大的誤差和相位延遲。圖39 動臂系統開環(huán)伯德圖圖310動臂系統無控制器正弦跟蹤曲線通過數字仿真得到：動臂和斗桿原系統是穩(wěn)定的，但響應較慢，跟隨輸入參數的變化的能力不能令人滿意，不能在較短的時間內達到所設定的控制量，不適于實際要求。需要尋求一種合適的控制方法對系統進行校正，來改善系統的性能。 第四章 控制系統的電路設計為達到鏟斗尖在與地面垂直面上按特定軌跡運動的目的數據采集電路，進行電路設計，對挖掘臂上動臂和斗桿兩個轉角進行控制。采用動臂先動，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，鏟斗尖依次達到這些點，就能近似完成所需軌跡。由運動模型可知，每一點都對應一組動臂和斗桿的角度值（，），動臂上角度傳感器檢測到動臂轉角為時，通過所設計的控制器控制斗桿轉角達到，即完成一點的控制。當依次完成所有點時，即完成所需軌跡的控制。控制流程圖及系統總體結構如圖41所示。51單片機操作手柄動臂動臂角度傳感器鍵盤斗桿斗桿角度傳感器D/A電液比例閥動臂液壓缸顯示器D/A 斗桿液壓缸電液比例閥圖41控制流程圖對于本系統，選用MCS51系列的8031單片機作為控制器，被檢測和控制的量是脈沖信號，經數據采集電路采集后可以被直接處理；另外為了實現控制量的輸出，需要將數字量轉換為模擬量對液壓挖掘機軌跡進行控制，需要D/A轉換卡。本系統裝置選用的角度傳感器是CHA1024BMG05E光電編碼器，每轉輸出脈沖數為1024，輸入、輸出電壓為5V。它由光源、透鏡、光柵板、碼盤基片、透光狹縫、光敏元件、信號處理裝置和顯示裝置等組成。在碼盤基片的圓周上等分地制成透光狹縫，其數量從幾百條到上千條不等。光柵板透光狹縫為兩條，每條后面安裝一個光敏元件。碼盤基片轉動時，光敏元件把通過透光狹縫和光柵板射來的忽明忽暗的光信號（近似于正弦信號）轉換為電信號，經整形、放大等電路的變換后變成脈沖信號，通過計量脈沖的數目，即可測出工作軸的轉角，并通過數顯裝置進行顯示。通過測定計數脈沖的頻率，即可測出工作軸的轉速。 （1）角度傳感器的標定 液壓挖掘機的動臂和斗桿的工作角度都有一定范圍的，根據設計的理論推薦制和樣機的實際工裝尺寸，選擇動臂的角度范圍為090176。，斗桿的角度變化范圍為0120176。為實際安裝和測試方便，兩角度傳感器選用統一的標定。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。 數據采集電路光電編碼盤的位置檢測電路主要由長線接收電路、脈沖整形、判向電路、可逆計數器、歸零控制和限位信號讀取電路, 方向控制和數模轉換等組成。其核心電路主要是歸零電路和脈沖整形、判向電路，尤其是脈沖整形、判向電路。（1）歸零電路設計 由于增量碼盤沒有初始零位置，系統開始前需使計數器清零，選用74LS193光電編碼盤，利用74LS193的異步置數端使系統實現歸零操作。即當系統發(fā)出運行命令, 被控對象在控制器控制下運行至某一預定位置時, 可以通過及時控制74LS193 的異步置數控制端 PL為低電平, 通過數據總線把欲定義的數據寫入74LS193, 實現歸零操作。（2）脈沖整形、判向電路 碼盤輸出的相位相差 90176。的兩路脈沖 A、B 隨著碼盤轉向的變化, 相互間超前滯后關系會發(fā)生變化, 這樣就可以利用某一路脈沖去選通另一路脈沖的前后沿, 從而分出正轉和反轉兩路計數脈沖。如下圖42。圖42脈沖整形、判向電路 D/A轉換器及接口電路 1）DAC0832功能介紹DAC0832是八位分辨率的轉換集成芯片，與處理器完全兼容。這種芯片的價格低廉、接口簡單、轉換控制容易。DAC0832是最早和微處理器兼容的、雙緩沖的轉換器。其工作特性如下：a） DAC0832是微處理器兼容型轉換器，可以充分利用為處理器的控制能力實現對D/A轉換的控制。b） 集鎖存器控制功能，能夠實現多通道D/A轉換器，能實現多通道D/A的同步轉換輸出。c） DAC0832內部無參考電壓源，需要外接。d） ADC0832為直流輸出型D/A轉換器，要獲得模擬電壓是需要外加轉換器電路。具體電路在A/D、D/A轉換電路中可以看到。2） D/A轉換電路該電路由D/A轉換芯片DAC0832及雙運算放大器LM358等組成。LM358輸入失調電壓177。2mv，它有自調零功能，因而省去了調零電路。LM358可用LM258或ML158代替，也可用國產的一些，這些都是低價格的。由于D/A電路具有數字地和模擬地之分，因此在電路連接時，模擬地匯集一點，數字地匯集一點，然后兩點連接共地，否則會形成串模干擾，造成轉換時的誤差。電阻R2 R3 R4應是較精確電阻，%即可，R2=R4，R2/R3=2，本電路采用R2=R4=15KΩ、R3=.DAC0832工作于單緩沖方式下，即當cs和IOW來信號時，直通立即轉換，當IOW信號消失時，便將數據鎖存于輸入寄存器，使轉換輸出保持不變。該電路的片選cs信號用地址27BH，將待轉換的數據通過數據總線，送入DAC0832時，可立即用輸出指令將轉換結果輸出，采用如下程序：MOV DX, 27BHMOV AL, 0FFH OUT DX, AL此時將會把FFH轉換出一個+。 控制系統的電路原理圖設計根據上述設計理論將數據采集電路、D/A轉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單片機的外部接口上，再與角位移傳感器相連，即構成了控制系統的整體電路圖，由于碼盤的脈沖是隨時產生的, 為了避免發(fā)生在可逆計數期間 CPU 來讀取數據, 造成數據的錯誤, 與 CPU 的接口電路應接在數據鎖存器上，即接在80C31的P1接口上，如43圖所示：圖43 控制系統整體電路圖第五章 控制方法的選擇及MATLAB仿真技術 計算機實現PID控制計算機在控制領域的應用，有力的推動了自動控制技術的發(fā)展，擴大了控制技術在工業(yè)生產中的應用范圍。采用計算機控制，可以實現對幾個量的同時控制，既有利于被控量的協調工作，又可利用編程、人機對話等方式方便地改變控制器中的算法和參數。尤其是在一些計算量大、精度要求高的系統中。計算機控制的優(yōu)越性更加突出。在控制過程中，按誤差信號的比例、積分、微分進行控制的調節(jié)器，簡稱PID調節(jié)器，是技術成熟、應用最廣泛的一種調節(jié)器。常用的有PID控制器、超前、滯后補償控制器等，用以調整系統穩(wěn)定性、裕度值等多項指標。PID控制器是最早發(fā)展起來的控制策略之一，在產生過程的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。因為這種控制具有簡單的控制結構，在實踐應用中又較易于整定，所以它在工業(yè)過程控制中有著最規(guī)范的應用。常規(guī)PID控制系統由模擬PID和被控對象組成。對PID控制器的設計，本文使用的是連續(xù)系統的設計方法。在連續(xù)控制系統中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制是最為常用的一種控制規(guī)律。該控制規(guī)律具有原理簡單、易于實現，魯棒性（Roustness）強和適用范圍廣等特點。PID控制器是應用最為廣泛的一種調節(jié)器。該控制器的參數比例系數Kp、積分時間常數Ti和微分時間常數Td相互獨立，參數整定比較方便。此外，PID控制算法簡單，計算工作量小，易于實現多回路控制。MATLAB是當今世界上最優(yōu)秀的數值計算軟件，具有豐富可靠的矩陣處理、圖形繪制功能，語句簡單、易學易用等特點。MATLAB中的SIMULINK工具箱，是控制系統計算與仿真最先進的工具。其主要功能是實現動態(tài)系統建模、仿真與分析，從而可以在實際系統制作出來之前，預先對系統進行仿真與分析，并可以對系統做適當的實時修正或者按照仿真的時間，實現高效率的開發(fā)系統的目標。本文用MATLABR2010a實現對反鏟單斗液壓挖掘機的控制系統仿真。 斗桿系統PID控制仿真用MATLAB的Simulink工具箱，可以繪制出斗桿回路的PID控制模型，如下所示。圖51斗桿回路PID控制系統Simulink模塊圖斗桿系統PID的參數。使用Matlab2010a，對系統的時域和頻域性能指標進行分析。系統的閉環(huán)傳遞函數為：輸入為單位階躍信號，系統的單位階躍響應曲線及誤差曲線如圖51所示,1為系統的響應曲線，2為誤差曲線。同時得