液壓式挖掘機單桿操作系統的設計

王鵬飛，刁修慧

(河南機電高等專科學校，河南新鄉 453000)

液壓式挖掘機是一種多功能的工程機械，它被廣泛用于水利工程、電力工程、礦山采掘、道路施工等多種行業中，對加快國民經濟建設和提高勞動生產率起著至關重要的作用。而操縱傳統液壓式挖掘機要求駕駛員有較高的操作技巧和豐富的經驗［1］。作者從簡化液壓式挖掘機的操作角度出發，設計了液壓式挖掘機單桿操作系統。

1 系統的組成

液壓式挖掘機工作裝置單桿操作系統由液壓系統、傳感部分、控制部分三部分組成。

1.1 液壓系統

液壓系統是利用液壓泵將機械能轉化為壓力能，再通過控制閥和管路的傳遞，借助液壓缸和馬達將壓力能轉化為機械能，進而驅動工作機構。

該系統的控制閥(控制斗桿)仍采用液壓閥。為了對液壓系統進行更精準和快速的控制，系統采用了電磁閥對鏟斗和動臂進行控制。通過控制器輸出的電信號產生的壓力來控制電磁閥的流量和各電磁換向閥的接通、斷開和切換，實現了對斗桿、動臂和鏟斗液壓缸的壓力油的流向和流量的控制，進而實現了僅需要操縱斗桿操作桿便可以進行挖掘作業［2-3］。

1.2 傳感部分

傳感器部分由檢測斗桿、動臂和鏟斗動作位置的角度傳感器和壓力傳感器組成。該部分的主要功能是采集系統所需的各種信息參數［4］，然后對其進行放大和整形處理，將其轉換為標準方波再輸入到系統控制器處理。傳感器為系統提供必要的原始信息，是系統至關重要的一個組成部分。

1.3 控制部分

微電子技術已經被廣泛應用于工業控制以及其他領域。該系統采用了低功耗、適應于惡劣環境的工業級微控制器MSP430F149，其內置看門狗定時器和ESD 保護 (Electro-Static discharge)，抗干擾能力較強;另外，其自身具有采樣保持功能，有利于簡化外圍電路設計。

控制器部分是利用單片機將傳感器檢測出的信號進行A/D 轉換、處理和D/A 轉換，再利用模擬信號來實現對鏟斗與地的夾角及動臂運動軌跡的控制。

2 單桿操作系統的硬件設計

該控制系統主要包含3 個硬件實物部分:系統控制器、信號采集輸入元器件和執行元器件。其操作控制圖如圖1 所示。

圖1 單桿操作系統控制圖

在該控制系統中，角度傳感器1［5］采集鏟斗的位置信息經系統控制器處理后輸給電液控制閥1，進而控制鏟斗油缸實現鏟斗的運動，如果鏟斗接觸到地面，那么壓力傳感器會發出信號。角度傳感器2 采集動臂的數據經過系統控制器處理后輸給電液控制閥2，進而控制動臂能夠按照規定的曲線做等角速度運動。斗桿操縱桿通過斗桿油缸來控制斗桿。將控制電液控制閥3 (控制回轉馬達)的電源線接入斗桿操縱桿處，實現了通過斗桿操縱桿控制斗的回轉。

該控制系統實現了僅需要操縱斗桿操縱桿就可以對鏟斗的傾角和動臂的運動進行控制，進而完成整個挖掘工作［6］。

3 單桿操作系統的軟件設計

3.1 采樣周期的選取

依據香農采樣定理與采樣周期的選擇原則，采樣周期T 越小越好，即采樣頻率ωs越高，截獲得到的信息就越多，控制效果就會更好。但是采樣周期過短，會額外增加不必要的計算量，沒有實際意義。此系統選用片內置A/D 轉換(Analog to Digital Converter)為12 位，采樣周期過小會造成量化誤差加大，控制效果得不到保證。

綜合考慮，按照下面經驗公式選取:

式中:tr為單位階躍響應上升時間;ts為調節時間。

3.2 主控制模塊

要工作裝置按照控制意圖進行動作，就需要依據工作裝置的某種工作參數來判斷挖掘機的工況，只要能實現這一點，便可以實現單桿控制挖掘作業。要想更好地控制工作裝置的動作，準確得到并控制鏟斗與機體的角度非常重要。為此，該系統采用了PID(Proportional 比例-Integral 積分-Derivative 微分)控制法。

模擬PID 控制器的控制規律為:

式中:u(t)為調節器輸出信號;e(t)為調節器的偏差信號;KP為比例系數;TI為積分時間;TD為微分時間;KP/TI為積分系數;KP/TD為微分系數。

單片機控制［7］是一種采樣控制，它只能依據采樣偏差計算控制量，不能連續輸出控制量，也就是不能連續控制。因此，式中的積分和微分不能直接使用，須進行離散化處理。處理方法:k 作為采樣序號;以T 作為采樣周期;以增量形式替代微分;以求和形式替代積分。作如下近似變換:

式中:積分系數KI=KP/TI;微分系數KD=KP/TD。

在調試的時候，KP、KI和KD要綜合考慮。首先，讓KI和KD設置為0，調好KP，這樣做是為了找到合適的響應速度和誤差;其次，加上KI，使誤差為0，然后加入KD，反復調試，以求達到最好的效果，以期望達到最好的控制。

3.3 軟件的編制

采用JAR 公司的集成開發環境，采用IAR Embedded Workbench 來組織程序，采用C-SPY.JAR Embedded Workbench 進行調試。主程序流程圖如圖2 所示。

圖2 程序流程圖

初始化:通過一個源程序完成對所有端口的初始化。

看門狗定時器:完成定時控制器的初始化，完成中斷定時器功能。

A/D 轉換:采樣開始后判斷中斷，并將采樣數據寫入邏輯空間。

數據計算:計算角度和控制中間值，并對數據進行軟件濾波處理。

主程序完成全局變量的初始化后，連接子程序以保證控制系統正常運行。鏟斗角度控制程序和動臂控制程序分別完成相應的任務。鏟斗角度控制流程如圖3 所示。

圖3 鏟斗角度控制流程圖

另外，由于挖掘機工作環境惡劣，受外界干擾較多，比如振動、噪聲、溫度和濕度變化等，這些因素會導致采集到的數據的精度和可靠度得不到保證，所以為該系統設計了輔助程序濾波模塊，主要采用了程序判斷濾波、去極值平均濾波和一階慣性濾波的方式。

4 抗干擾設計

該系統采用接地、屏蔽和程序抗干擾等抗干擾措施，一方面將電子設備的外殼接地，另外在空間中插入一塊金屬隔板，這樣就可以形成一個屏蔽體，有效地控制一個區域的電場和磁場向另外一個區域傳播。

在程序抗干擾方面，采取了設置運行監視系統、指令冗余技術以及軟件陷阱技術等措施。看門狗定時器能夠實現軟件的定時復位，當程序運行不正常、看門狗定時器計數溢出時，系統自動復位，這樣就可以避免在強干擾情況下微控制器死機。指令冗余可以使“亂飛”程序納入正軌，因此，對于程序中的重要指令的關鍵位置采用指令冗余技術，能夠使系統錯誤動作減少。而當“亂飛”程序進入到未使用的空間時，冗余指令便無法使程序納入正軌，此時，設定軟件陷阱，有效攔截“亂飛”程序，并將其引導到一個指定位置［8］。

5 結論

以液壓式挖掘機為研究對象，以簡化液壓式挖掘機的操作為目的，對系統的組成進行了分析，完成了系統的硬件和軟件設計。該操作系統綜合應用了液壓技術、傳感器技術以及計算機技術，簡化了液壓控制機構，對減輕駕駛員勞動強度有積極的作用;提高了作業效率，也在一定程度上減少了駕駛員操作技術差異導致的不良影響，為簡化液壓式挖掘機的操作提供了一種新的可能性。

［1］張宏，張箭.國內外小型挖掘機發展漫談［J］.建筑機械化，2006(9):10 -13.

［2］吉林工大.液壓與壓力傳動［M］.北京:機械工業出版社，1988.

［3］張鐵.液壓挖掘機結構、原理及使用［M］.東營:石油大學出版社，2002.

［4］高曉蓉.傳感器技術［M］.成都:西南交通大學出版社，2003.

［5］何希才，劉洪梅.傳感器應用接口電路［M］.北京:機械工業出版社，1997.

［6］陳曉琳.小型液壓挖掘機單桿操作系統的研究［D］.西安:西北農林科技大學，2008.

［7］胡漢才.單片機原理及系統設計［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［8］OTT Henry W.電子系統中噪聲的抑制與衰減技術［M］.王培清，李迪，譯.2 版.北京:電子工業出版社，2003.