机械设计制造及其自动化课程设计-液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术
综合课程设计（Ⅱ）———液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术设计说明书
姓名
班级
专业机械设计制造及其自动化
所在学院机电工程学院
指导教师
工程机械自动化技术课程设计任务书
一、设计的目的和意义
1.1 设计的目的
1) 培养和检验综合运用所学知识解决工程实际问题的能力；
2) 培养和检验设计复杂机、电、液系统的能力；
3) 培养和检验专业素质和创新能力。
1.2 设计的意义
1) 液压挖掘机是一个完整的机电液一体化系统，保证了设计内容的完整性；
2) 液压挖掘机工装轨迹控制涉及到了机、电、液内容，涉及知识面广，可达到综合训练的目的；
3) 设计类型全面，主要包括：机构的运动分析、液压系统的数学建模、控制方法的选择、电路的设计、计算机仿真分析。
二、设计的技术要求
2.1挖掘机结构参数要求
表1 样机结构参数表
2.2挖掘机工作负载参数要求
负载为m=500kg
2.3挖掘机工作装置轨迹参数要求
挖掘竖直直线
2.4挖掘机工作装置轨迹控制系统设计要求
以PC系列微机为控制处理器
三、设计主要内容及步骤
1、挖掘机工装轨迹控制的机、电、液一体化系统简图；
2、液压挖掘机工装轨的运动学分析；
3、液压挖掘机液压系统的建模分析；
4、控制系统的电路设计；
5、控制方法的选择及分析；
6、系统的整体及MATLAB仿真分析。
四、进度安排
指导教师：（签字）
教学主任：（签字）
年月日
目录
第1章挖掘机工装轨迹控制的机电液系统简图 (1)
1.1单斗液压挖掘机的机械模型简介 (1)
第2章液压挖掘机工装轨迹的运动学分析 (4)
2.1 运动学正问题 (4)
2.2运动学逆问题 (6)
第3章液压挖掘机液压系统的建模分析 (6)
3.1斗杆液压缸的传递函数 (6)
3.2动臂液压缸的传递函数 (8)
3.3电液比例流量及比例放大器的传递函数 (9)
3.4动臂和斗杆的传递函数 (10)
3.5斗杆系统的整体建模与仿真 (11)
3.6动臂系统的整体建模与仿真 (14)
第4章控制系统的电路设计 (18)
4.1角度传感器的选择 (19)
4.2 A/D转换器及其接口电路 (19)
4.3 D/A转换器及其接口电路 (23)
4.4 A/D,D/A联合试验 (24)
4.5 控制系统的电路原理图设计 (25)
第5章控制方法的选择及MATlAB仿真分析 (27)
5.1计算机实现PID控制 (27)
5.2斗杆系统PID控制仿真 (28)
5.3动臂系统PID控制仿真 (31)
参考文献 (36)
第1章挖掘机工装轨迹控制的机电液系统简图
1.1单斗液压挖掘机的机械模型简介
课题设计的液压挖掘机是针对学校的实验室用的样机模型。其斗容量为0.01立方米，动臂和斗杆为四连杆机构，动臂、斗杆和铲斗均由液压缸驱动。它们之间以销轴连接。在动臂和斗杆的销轴上分别安装了角度传感器，用以检测相对位角。模型不具备回转机构，无回转功能。
表1 样机结构参数表
实验装置的挖掘轨迹是以停机画面为基准的。机构运动副之间的间隙及液压马达工作时间的内部泄露，都会对位置精度产生影响.但是由于工程机械的实际作业要求，这些误差都在允许范围之内，不会影响整个工作装置的稳定性，故在系统设计中未另加消除间隙的机构。
液压挖掘机是一种应用十分广泛的工程机械。其工作装置运动轨迹的自动控制是研制中的一个重要问题，在现有控制装置主要是连杆机构，通常只能保证简单的挖掘轨迹，如水平挖掘轨迹。对于任意给定的挖掘轨迹，要由计算机控制系统实现挖掘。因此工作装置挖掘轨迹的控制，可归结为对动臂、斗杆和铲斗三个杆件的平面控制问题，即对任意给定的动臂斗杆目标轨迹和铲斗方位角，可将其变换为工装三杆件的目标转角序列，由微机控制电液私服阀驱动系统，使动臂斗杆和铲斗跟踪各自的目标转角，从而实现轨迹控制。
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其机电液一体化系统简图如图1-1所示.
反铲单斗液压挖掘机的液压控制系统是一种典型的位置控制系统。整个系统可分为动臂、斗杆和铲斗三个控制回路，三个回路具有相似的结构形式。因为在实际工作中铲斗被锁死，故只对动臂和斗杆进行分析。
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图1-1 机电液一体化系统简图
3
第2章液压挖掘机工装轨迹的运动学分析
2.1 运动学正问题
运动学正问题是指对给定的液压挖掘机，已知杆件几何参数和关节变量，求铲斗相对于参考坐标系的位置和姿态。
按照D-H坐标系的规则和定义，设置微机操纵液压挖掘机的杆件坐标系，如图2-1所示。第0号坐标系在基座上的位置和方向可任选，只要错误！未找到引用源。轴沿第一关节运动轴，及挖掘机上车回转中心即可。最后一个坐标系，及第4号坐标系，可放在铲斗的任何部分，只要错误！未找到引用源。与错误！未找到引用源。平行即可。取铲斗纵向对称面上铲斗与斗杆的铰接点错误！未找到引用源。与斗齿尖成错误！未找到引用源。轴，铰接点错误！未找到引用源。的回转线为错误！未找到引用源。轴。错误！未找到引用源。是工装纵向对称面上的一根水平轴，错误！未找到引用源。在动臂两端铰点连线上，错误！未找到引用源。在斗杆两端铰点连线上。i取0、1、2、3、4时各参数取值见表2-1。
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表2-1 参数取值表
错误！未找到引用源。—到错误！未找到引用源。沿方向上的距离（与同方向为正）；
错误！未找到引用源。—到错误！未找到引用源。沿方向上的距离（与同错误！未找到引用源。方向为正）
错误！未找到引用源。—到错误！未找到引用源。绕轴的转角（逆时针为正）；错误！未找到引用源。—到错误！未找到引用源。绕轴的转角（逆时针为正）取斗尖位置坐标为（错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。,错误！未找到引用源。），在机座坐标系中的表示为（错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。,错误！未找到引用源。），由此得铲斗尖位姿正解为错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。
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2.2运动学逆问题
运动学逆问题是指，已知挖掘机杆件的几何参数，给定铲斗相对于参考坐标系的期望位姿，求挖掘机使其铲斗达到预期的关节角度值。本文采用Matlab软件，运用数值分析求解。
表2-2 挖掘竖直直线角度表
第3章液压挖掘机液压系统的建模分析
计算机控制系统由液压缸、电液伺服阀、伺服放大器、角度传感器、A/D和D/A 转换器等环节组成，如图1-2所示。系统可分为数字和模拟两部分，通过A/D和D/A 转换器把两部分组成一个数字、模拟混合系统。数字部分采用微机数字控制器，模拟部分包括除微机以外的各环节。
3.1斗杆液压缸的传递函数
斗杆液压缸的缸径D、活塞杆直径d、行程H见样机机构参数表，活塞杆及负载的质量m=500kg。
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（1）活塞平均面积
223
=-=3m
(0.090.05)/4 4.40*10
Aπ-
（2）容腔总面积
错误！未找到引用源。=液压缸有效面积x（活塞行程+阀至缸间管路折算距离）=错误！未找到引用源。
=错误！未找到引用源。（0.585+0.015）
=错误！未找到引用源。
(3)液压缸固有频率
π?
123
(4)液压阻尼比’
式中错误！未找到引用源。——伺服阀阀芯面积梯度；
错误！未找到引用源。——阀芯与阀套间隙，m；
错误！未找到引用源。——伺服阀阀芯直径，mm；
u——液压油粘度，Pa2s。
由上，得斗杆液压缸的传递函数
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3.2动臂液压缸的传递函数
动臂液压缸的缸径D、活塞杆直径d、行程H见样机机构参数表1-1，活塞杆及负载的质量m=200kg。
（1）活塞平均面积
（2）容腔总面积
错误！未找到引用源。=液压缸有效面积x（活塞行程+阀至缸间管路折算距离）=错误！未找到引用源。
=错误！未找到引用源。（0.66+0.015）
=错误！未找到引用源。
(3)液压缸固有频率
(4)液压阻尼比
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式中错误！未找到引用源。——伺服阀阀芯面积梯度；
错误！未找到引用源。——阀芯与阀套间隙，m；
错误！未找到引用源。——伺服阀阀芯直径，mm；
u——液压油粘度，Pa2s。
由上，得斗杆液压缸的传递函数
因两个液压油缸并联驱动动臂，故动臂液压油缸的传递函数为错误！未找到引用源。。
3.3电液比例流量及比例放大器的传递函数
选用2FRE6.A-20B/10QM型号的二通比例调速阀，并配有与之配套的放大器VT-5010，依据厂家提供的技术规格，其频率特性为2Hz左右。这一值在一般情况下为系统在公称压力时阀相应的最高频率，在一般工作条件下，其响应频率可在1Hz 左右。这一值同系统的动力执行机构——液压缸的频响相比，电液比例阀的频率特性是不可忽视的，视为一阶惯性环节来讨论，其传递函数可近似的写成
式中 T——电液比例阀的时间常数
K——电液比例增益阀
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有产品性能查得比例阀的额定流量：错误！未找到引用源。=30L/min
线圈输入电流最大值为：错误！未找到引用源。=2200mA则电液比例阀的流量增益：
当电液比例阀的频率特性为1Hz时，其时间常数
则电液比例阀的传递函数为
比例放大器的输入信号为PCI-8333卡的输出电压信号，范围为0-10V，其输出信号为比例阀的电磁铁的线圈电流，范围为0-2.2A,故此放大器的传递函数为
所选的传感器为CHA-102.4BM-G05E光电编码器，它的输入信号为脉冲数，为每转1024个脉冲。根据产品样品，其响应时间远小于计算机系统的采样频率和机械本体的时间常数，可以忽略其时间效应，将其视为一个比例环节，近似为单位负反馈，即传递函数
H(s)=1
3.4动臂和斗杆的传递函数
此处斗杆的传递函数为斗杆液压缸的活塞位移与斗杆相对于动臂的角度关系。由表1-1知，斗杆相对于机身的转角范围为0-错误！未找到引用源。，斗杆液压缸活塞杆的行程为0-585mm,故斗杆的传递函数为
动臂的传递函数为动臂液压缸的活塞位移与动臂相对于机身的角度关系。由表1-1知，动臂相对于机身的转角范围为0-错误！未找到引用源。，斗杆液压缸活塞杆的行程为0-660mm,故斗杆的传递函数为
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3.5斗杆系统的整体建模与仿真
斗杆系统的数学模型框图如图3-1所示，下面对其时域和频域性能进行分析
系统的传递函数为
图3-1系统控制框图
用Matlab7对其仿真，得到闭换系统的单位阶跃响应如图3-2，同时得到其动态时域指标，峰值错误！未找到引用源。 =1 ，即无超调，峰值时间错误！未找到引用源。，调整时间错误！未找到引用源。20.432s 。图3-3为单位阶跃响应的稳态误差曲线，由图中可以得到系统的静态时域指标，稳态误差。
02040
6080100120
时间（t ）
幅值
斗杆系统无控制器单位阶跃响应
图3-2斗杆系统单位阶跃响应
12
2040
6080100120
时间（t ）
幅值
斗杆系统无控
制器单位阶跃响应稳态误差
图3-3斗杆系统阶跃误差
系统的开环传递函数为：
图3-4为系统的开环伯特图，由图可以得到系统的快换频域性能指标，幅值裕度错误！未找到引用源。，幅值穿越频率错误！未找到引用源。，相位裕度错误！未找到引用源。，剪切频率错误！未找到引用源。。输入错误！未找到引用源。的正弦信号，系统响应如图3-5所示，从图3-5中可以看出，跟踪过程存在相当大的误差和相位延迟。
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幅值 (d B )10
-1
10
10
1
10
2
10
3
10
4
相位 (d e g )
斗杆系统开环波特图
Gm = 88.5 dB (at 120 rad/sec) , P m = 89.5 deg (at 0.056 rad/sec)频率 (rad/sec)
图3-4斗杆系统开环伯特图
0510********
-1
-0.5
0.5
1
斗杆系统正弦跟踪曲线
时间 (sec)
幅值相应
图3-5斗杆系统正弦跟踪
3.6动臂系统的整体建模与仿真
动臂系统的数学模型框图如图3-6所示，下面对其时域和频域性能进行分析 系统的传递函数为
14
图3-6系统控制框图
用Matlab7对其仿真，得到闭换系统的单位阶跃响应如图3-7，同时得到其动态时域指标，峰值错误！未找到引用源。 =1 ，即无超调，峰值时间错误！未找到引用源。，调整时间错误！未找到引用源。10.41s 。图3-8为单位阶跃响应的稳态误差曲线，由图中可以得到系统的静态时域指标，稳态误差错误！未找到引用源。。
010
2030
40
0.20.40.6
0.8
1时间（t ）
幅值
动臂系统无控制器单位阶跃响应
图3-7动臂系统单位阶跃响应
15
010
203040
时间（t ）
幅值
动臂系统无控
制器单位阶跃响应稳态误差
图3-8动臂系统阶跃误差
系统的开环传递函数为
图3-9为系统的开环伯特图，由图可以得到系统的快换频域性能指标，幅值裕度错误！未找到引用源。，幅值穿越频率错误！未找到引用源。，相位裕度错误！未找到引用源。，剪切频率错误！未找到引用源。。
给系统输入错误！未找到引用源。的正弦信号，系统响应如图3-10所示，从图3-10中可以看出，跟踪过程存在相当大的误差和相位延迟，系统不能在较短的时间内达到设定的空指令。总结前面对动臂和斗杆系统的时域和频域性能指标的分析，可以看出系统在未加入控制环节前是稳定的，但响应是较慢，跟随输入参数的变化的能力不能令人满意。