【正文】 。 斗桿系統(tǒng)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。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)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)。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)。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。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)。對(duì)PID控制器的設(shè)計(jì)，本文使用的是連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。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)。計(jì)算機(jī)控制的優(yōu)越性更加突出。采用計(jì)算機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)幾個(gè)量的同時(shí)控制，既有利于被控量的協(xié)調(diào)工作，又可利用編程、人機(jī)對(duì)話(huà)等方式方便地改變控制器中的算法和參數(shù)。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(xiàn)，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)+。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。2mv，它有自調(diào)零功能，因而省去了調(diào)零電路。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。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。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。DAC0832是最早和微處理器兼容的、雙緩沖的轉(zhuǎn)換器。圖42脈沖整形、判向電路 D/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。的兩路脈沖 A、B 隨著碼盤(pán)轉(zhuǎn)向的變化, 相互間超前滯后關(guān)系會(huì)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(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩路計(jì)數(shù)脈沖。即當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)行命令, 被控對(duì)象在控制器控制下運(yùn)行至某一預(yù)定位置時(shí), 可以通過(guò)及時(shí)控制74LS193 的異步置數(shù)控制端 PL為低電平, 通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)把欲定義的數(shù)據(jù)寫(xiě)入74LS193, 實(shí)現(xiàn)歸零操作。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。則有5/125=，即角度傳感器沒(méi)變化一度。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。 （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090176。碼盤(pán)基片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光敏元件把通過(guò)透光狹縫和光柵板射來(lái)的忽明忽暗的光信號(hào)（近似于正弦信號(hào)）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)整形、放大等電路的變換后變成脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)量脈沖的數(shù)目，即可測(cè)出工作軸的轉(zhuǎn)角，并通過(guò)數(shù)顯裝置進(jìn)行顯示。在碼盤(pán)基片的圓周上等分地制成透光狹縫，其數(shù)量從幾百條到上千條不等。本系統(tǒng)裝置選用的角度傳感器是CHA1024BMG05E光電編碼器，每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)為1024，輸入、輸出電壓為5V?？刂屏鞒虉D及系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖41所示。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。采用動(dòng)臂先動(dòng)，斗桿跟隨的方案。需要尋求一種合適的控制方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，來(lái)改善系統(tǒng)的性能。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(guò)程存在相當(dāng)大的誤差和相位延遲。圖37動(dòng)臂系統(tǒng)無(wú)控制器單位階躍響應(yīng)圖38 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38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。 圖34 斗桿系統(tǒng)開(kāi)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/A控制器 1圖36動(dòng)臂系統(tǒng)方框圖系統(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)，上升時(shí)間，調(diào)整時(shí)間。幅值穿越頻率，相位裕度，剪切頻率。圖33為單位階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差曲線(xiàn)，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。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。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2，并與之配有配套的放大器VT5010，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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)圈電流，故此放大器傳遞函數(shù)為所選的傳感器是光電編碼器，它輸出的脈沖數(shù)，每轉(zhuǎn)1024個(gè)脈沖。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。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。利用MATLAB解上述方程組，得到數(shù)值解如表22所。并將鏟斗以鎖死，即。00 各參數(shù)的含義為： 到沿方向上的距離（與同方向?yàn)檎┑窖胤较蛏系木嚯x(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22。是工裝縱向?qū)ΨQ(chēng)面上的一根水平軸，在動(dòng)臂兩端鉸點(diǎn)連線(xiàn)上，在斗桿兩端鉸點(diǎn)連線(xiàn)上。最后一個(gè)坐標(biāo)系，即第4號(hào)坐標(biāo)系，可放在鏟斗的任何部分，只要與垂直即可。按照DH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21所示。具體包括工作壓力、額定流量、幅值頻寬、相位頻寬、電氣性能、安裝尺寸和價(jià)格等。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。而比例閥的價(jià)格只有伺服閥的1/81/10，但具有與節(jié)流閥相似的抗污染能力。（3）電液轉(zhuǎn)換部分此部分主要由電液比例閥，放大器組成。本設(shè)計(jì)采用MCS51系列的8031單片機(jī)，其集成度高、速度快、處理能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性能好、尋址范圍大?？刂蒲b置中的選擇是光電編碼器，將角度值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)，輸出信號(hào)為脈沖，出線(xiàn)方式為電纜側(cè)出。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)。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、角度傳感器和D/A卡等環(huán)節(jié)組成，如圖13所示。電液控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)液壓挖掘技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，可將弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換成大功率的液壓型號(hào)，控制機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。 圖12 液壓挖掘機(jī)機(jī)電液一體化系統(tǒng)簡(jiǎn)圖反鏟單斗液壓挖掘機(jī)的液壓控制系統(tǒng)是一種典型的位置控制系統(tǒng)，其可分為動(dòng)臂、斗桿、鏟斗三個(gè)控制回路，且具有相似結(jié)構(gòu)形式。工