推土機智能造型控制系統研究

趙慶松，李東艷

（濰坊工程職業學院 山工機電工程學院，山東 青州 262500）

0 引言

在高爾夫球場造型時，球場平面、斜面造型要求越來越新穎且復雜多變，這就需要操作者具有非常高的操作技能。研究推土機造型控制系統是為了適應特定的造型需要，如斜坡造型、平整等。操作帶有本系統的推土機，操作者無需較高的操作技能，只需要輸入特定的指令，如造型斜坡15°，在斜坡起始點打開造型使能開關，推土機會按指令要求自動的根據車速快慢調節鏟刀升降速度，用傾角傳感器的反饋數據作為鏟刀動作的結束條件，完成特定的造型任務。

1 系統組成

推土機智能造型控制系統可以分解為電氣控制系統和液壓控制系統。電氣控制系統的組成如圖1 所示，包括：可編程控制器、電控比例閥、鏟刀控制輸入單元、行走控制輸入單元和速度傳感器等。液壓控制系統如圖2 所示，包括：液壓泵組、電控比例閥和液壓缸等。

圖1 電氣控制系統

圖2 液壓控制系統

2 系統控制的原理

控制器根據推土機車身的傾角傳感器和車體速度傳感器上傳數據，計算出鏟刀上升、下降所需調整量，以電流的形式發給鏟刀升降電控比例閥，控制液壓油的流向及流量，從而自動控制鏟刀的動作快慢，鏟刀傾角傳感器用作檢測鏟刀位姿角度，約束鏟刀動作始終，滿足推土機不同角度造型的需要。同時車身傾角傳感器檢測車體與水平面的角度，用作車體防傾翻保護。

3 系統控制流程

智能造型控制系統控制流程如圖3 所示。控制器如果收到控制單元上傳的數據，分配各電控比例閥電流，控制液壓系統使推土機行走和鏟刀動作。如果收到造型角度指令和使能數據時，控制器根據速度傳感器數據和造型角度數據計算出電磁閥電流，分配給被控電磁閥，鏟刀自動動作，在鏟刀中沒有土料時，駕駛員返回，再次運土，完成下一次工作循環。

圖3 系統控制流程

4 智能造型控制系統的實現

智能造型系統是在行走系統和鏟刀工作系統基礎上實現的。控制器采集車身位姿角度，與駕駛員輸入的造型角度通過一系列的公式計算，計算出鏟刀理論提升或者下降的角度，再根據幾何關系和液壓系統參數關系，計算出滿足理論提升或者下降的角度所需要的流體體積，根據測速傳感器測得的速度及車體參數計算車完成上升、下降動作各自需要的時間，計算車液壓系統的流量大小，再由電液系統的參數關系，計算控制需要輸出的控制電流，從而驅動電液比例閥利用液壓油完成鏟刀的提升和下降，滿足斜面造型的需要，同時采集鏟刀傾角傳感器角度變化，參考鏟刀理論提升或者下降的角度確定鏟刀的位置，完成造型的需要，整個過程不考慮鏟刀重力作用。下面以推土機從平面開始斜面造型建立數據模型進行分析研究，當推土機不在水平面開始造型時，可以根據車身傾角傳感器測得角度數據對鏟刀提升、下降的角度進行補償，滿足造型目標斜面的要求，實現自動造型。

5 數學模型的建立

1）推土機鏟刀升降模型的建立。

推土機斜面造型模型建立如圖4 所示。推土機在水平面上進行土料搬運，當鏟刀到達斜面起點B 時，鏟刀開始提升。推土機繼續向前運動，鏟刀繼續提升，當履帶前端到達起點B，鏟刀提升終止，鏟刀開始下降。

如圖5 所示，當履帶后端到起點E 時，鏟刀下降結束。在任意時刻，如果鏟刀沒有土料，駕駛員控制推土機后退重新搬運土料重復進行以上動作。

根據圖4 所示，當造型斜面角度為α，履帶前端點和斜面起始點重合，鏟刀提升角度為δ 時，可得：

圖4 斜面造型鏟刀提升終點模型

圖5 斜面造型鏟刀下降終點模型

式中：LOA為鏟刀動作鉸接點到履帶底平面的距離；LOB為鏟刀動作鉸接點到履帶底面前端的距離。

式中：LOD為鏟刀動作鉸接點到鏟刀底面的距離；LOB為鏟刀動作鉸接點到履帶底面前端的距離。

式中：LBC為履帶底面和鏟刀底面處于同一平面時履帶前端到鏟刀的距離；LCD為造型時鏟刀動作的距離。

式中：LOC為履帶底面前端到鏟刀底面的距離。

根據圖5 所示可以確定鏟刀下降角度與提升角度相等。

2）斜面造型控制模型的建立。

根據圖6 所示，得：

式中：η 為推土機推平時的鏟刀對應角度；LMN為推土機推平時升降液壓缸長度。

式中：LMP為履帶前端點和斜面起始點重合時液壓缸長度；ε為履帶前端點和斜面起始點重合時刻對應的角度。

圖6 鏟刀動作數學模型圖

式中：LMP為如圖5 位置時對應的升降液壓缸的長度；ΔL 為液壓缸縮短的最大長度。

圖7 鏟刀升降角度與造型角度關系圖

式中：SY為升降液壓缸有桿腔的橫截面積；VS為鏟刀提升δ 角度所需要流體的體積。

式中：v 為推土機前進的速度；ts為造型時提升鏟刀的時間。

式中：Qs為速度為v、提升鏟刀時流量大小。

式中：Sw為升降液壓缸無桿腔的橫截面積；Vj為鏟刀下降δ 角度所需要流體的體積。

式中：LEB為推土機履帶長度；tj為鏟刀下降時間。

式中：Qj為速度為v、鏟刀下降時流量大小。

式中：Q 為流體流量；C 為流量系數；ΔP 為比例閥進出口壓力差；A 為比例閥開口橫截面積。

式中：k 為截面系數；I為控制器輸出電流；m 為門檻值。

假設電磁比例閥開口面積和電流大小成線性對應關系。由式（14）、式（15）可以求得

根據式（1）、式（2）、式（3）、式（4）組成方程組，解出鏟刀提升角度

將假設參數LOB=LOA/sinβ=500/sinβ，LOC==（5002+2 0002）0.5，LBC=1 500，β=π/4，帶入式（17）中得到δ和α 的關系，如圖7 實線所示，定義造型角度最大為π/6。將公式理想化為圖中虛線：

假定鏟刀底面和履帶底面處于同一水平面時，定義液壓缸為初始長度，假設以下參數：

同時根據式（5）、式（6）、式（7）、式（18），得在鏟刀提升時，液壓縮短的長度與造型斜面角度之間的關系式如下：

根據式（8）、式（9）、式（10）可以得出造型斜面鏟刀提升時流量大小與造型角度和車體速度之間的關系并進行單位轉換，得如下關系式為：

根據式（14）、式（15）、式（20）可以得出在鏟刀提升過程中，控制器輸出電流和速度與角度的關系式為：

在負載敏感系統中，ΔP、C、k、m 為常數，ρ 為密度，式（21）可以簡化為：

式中a 和b 為常數。

平面造型時，α=0，I=0，得b=0，當以v=3 m/s，造型角最大時，即α=π/6 時需電流最大，比例閥有效寬度假設為0.5 A，可以得出a=177，門檻電流暫定0.1 A，式（22）可以變成：

式中，α=［0，π/6］，v=［0，3］。

根據式（11）、式（12）、式（13）可以得出造型斜面鏟刀下降時流量大小與造型角度和車體速度之間的關系并進行單位轉換，得關系式為：

根據（14）、式（15）、式（24）可以得出在鏟刀下降過程中，控制器輸出電流和時間與車體速度和造型角度的關系式：

鏟刀下降過程中，對式（25）求解原理與式（21）相同。可以得到：

式中，α＝［0，π/6］，v=［0，3］。

根據式（23）、式（26），在MATLAB 中得到推土機在造型時鏟刀提升和下降電流變化規律，如圖8、圖9 所示。圖10、圖11 分別為造型角度15°和造型角度30°時電流和速度關系曲線。

圖8 提升電流與速度和造型角度關系

圖9 下降電流與速度和造型角度關系

6 基于可編程控制器CODESYS程序編寫研究

根據式（23）、式（26）電流與角度、速度之間的關系，用CODESYS編程軟件編寫控制主體功能程序如圖12 所示。

圖10 造型角度15°電流—速度關系

圖11 造型角度30°電流—速度關系

圖12 主體程序結構框圖

對程序進行研究仿真運行，采用勻加速的速度信號，得到特定造型角度15°、30°時的鏟刀升、降電流與速度的關系曲線如圖13 所示。

從圖13 中可以看出電流與速度的CODESYS 軟件仿真輸出基本與MATLAB 計算（如圖10、11 所示）相符合，仿真數據驗證了本系統的實現從理論上完全可行。

圖13 造型角度15°和30°時電流—速度關系

7 結語

本文主要設計研究造型推土機智能造型控制系統。通過對推土機功能進行深入研究，并且大膽假設部分參數和簡化數據模型，從理論上得出電流與速度和角度的關系。基于CODESYS 編程軟件對電流與速度和角度的關系進行仿真研究分析，驗證了本系統的實現在理論上是完全可行的。

［1］張新榮，霍瑩，王金民.基于PLC 的生產線運料車控制系統設計［J］.制造業自動化，2011（7）：115-118.

［2］吳麗.可編程控制器基礎與應用.北京：機械工業出版社，2009.