全液压铣刨机数字控制系统设计.pdf

第 2期 总第 1 7 1期 2 0 1 2年 4月 机 械 工 程 与自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NE ERI NG ＆ AUT MATI N NO ．2 Apf ． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 2 0 1 2 3 0 3 全液压铣刨机数字控制系统设计 陈 毅 ，邹旭 东 ，杨艳妮 ，丰德伟 1 _长安大学 工程机械 学院，陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ；2 ． 长安新能源公 司．重庆4 0 1 1 2 0 摘要 设计 了一种铣刨机数 字控制 系统 ，采用较先进 的智能化控制技 术、微 电子技 术和局 域 网络 通讯 技术 ， 实现 了铣刨机铣刨过程 中功 率 自分 配控制和铣 刨深度控制，并能够实现整机运 行状 态参数的实时监控和故障 报警。实践结果表 明，数字控制 系统 能明显地提高工作 精度和质 量。 关键词 铣刨机 ；C A N 总线；数字控制；功率；养护 中图分类号 U4 1 8 ． 3 T P 2 7 3 文献标识码 A 0 引言 近年来， 随着中国公路建设的蓬勃发展 ， 公路的养 护工作也越来越多， 铣刨机 已经成 为公路维护和保养 中不可缺少的工具 。随着现代公路养护技术的进步和 现代交通对路面质量要求的不断提高 ， 对铣刨机的各 种性能也提出了比较高的要求， 使得智能控制技术、 微 电子技术和局域网络通讯技术在现代铣刨机 中得到了 越来越广泛的应用。基于嵌入式微处理器或者单片机 的数字控制系统在现代铣刨机 中正逐渐被普及 ， 并成 为 铣刨 机工 作质 量 的重要 保证 。铣 刨机 的 电控系 统在 很大程度上决定 了整 台铣刨机的工作效率和质量 。为 此 ， 本文在深入分析铣刨机作业机理和铣刨机结构 的 基础上， 设计 了一套铣刨机数字控制系统 。 1 铣刨 机数 字控 制 系统 的总体 结构 设计 铣刨机数字控制系统实现的功能主要包括发动机 转速及功率分配控制 、 行 走及转 向控制 、 铣刨深度 控 制、 碎屑回收控制、 整机运行参数过程监视、 故障 白诊 断及报警、 按键状态 实时控制。为了提高系统的智 能 化水平及可靠性 ， 本控制系统采用 了集散式的计算机 管理体系结构， 以便于实现铣刨机整机系统 的集 中管 理及处理更多复杂工况[ 】 ] 。铣刨机数字控制系统结构 图如 图 1所示 。 在该铣刨机控制系统中， 发动机选用 的是 电喷式 发动机， 其转速 由发 动机 内置的控制器依据负载状况 进行实时调控。功率分配控制器的作用是在铣刨机作 业时， 保持发动机转速在额定转速附近， 使发动机保持 额定功率 。铣刨机的行走及原地转 向功能是由行走控 制器来实现的。铣刨深度控制器是根据声纳传感器实 时检测到的路面状况来实现刀具铣刨深度的控制。碎 屑回收控制器是在铣刨的过程 中， 利用负压的原理将 铣刨碎屑进行 回收 。整台铣刨机的状态参数及运行故 障报警等信息是 由监控器检测并显示的。由于 C AN 总线局域网通讯技术具有灵活 、 可靠、 实时的特点 ， 因 此控制系统中各模块 之间采用 C AN总线技术通讯。 铣刨机数字控制系统的控制器均采用 MOB A公司的 MP C1 1 8控制器 ， 该控制器是专为筑路机械设计 的产 品， 它有 3路 C AN接 口， 通过 了各种严格 的测试， 符 合欧盟的温湿度 、 机 械强度、 电磁兼 容和安全性等标 准 ， 因此特别适用于机电液一体化系统 。 图 l 铣刨机数宇控制系统结构图 收稿 日期 2 O l 1 1 1 1 4 }修 回日期 2 0 1 1 1 1 2 4 作者简介 陈毅 1 9 8 4 一 ，男 ，ig l k ． 井陉人 ，助理工程师 ，在读硕士研究生 ，主要研究方向为机电液一体化 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 2 4 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 2 年 第 2期 2 发动 机功 率分 配控制 模块设 计 铣刨机的动力传递线路如图 2所示 。发动机功率 输出主要 由两部分组成 ， 一路通过传动 系统驱动铣刨 鼓 ， 带动刀具旋转， 切削路面材料 ； 另一路通过传动系 统驱动行走机构 ， 为铣刨系统提供进刀力和进刀速度 。 铣刨机作为一种工程机械， 铣刨转子消耗着机器的主 要功率 ， 底盘牵引功率倒在其次 。由于铣刨机为连续 作业方式 ， 发动机一般选用固定油 门操作 ， 因此发动机 的功率也趋于一定值， 即发 动机 的额定功率。发动机 输 出功 率 PT , n 其 中， 为发动机 曲轴的扭矩 ， n 为曲轴转速 。当 P为定值时 ， 扭矩和转速呈反 比例 关系。发动机功率分配模块就是以发动机转速为控制 目标 ， 以此来平衡扭矩和转速的关系， 并使整机功率处 于额定功率附近 。而牵引系统和铣刨转子的功率分配 是通过调节牵引系统的马达转速来实现 的， 这种控制 方式是 以发动机转速为信号控制牵引系统马达转速 ， 达到功率 自动分配的 目的。通过发动机转速的变化可 以反映外界负荷的变化， 铣刨机 的行驶速度决定 着铣 刨转子的进刀量。当发动机 的转速低 于额定转速时 ， 控制器发出电信号使车辆行驶速度减慢 ， 将行驶 系统 的功率分配到铣刨转子； 当发动机的转速高于额定转 速时， 控制器使车辆速度加快 ， 增加进刀量， 使整机功 率倾 向于行驶系统【 3 ] 。 图 2铣 刨 机 的 动 力 传 递 线 路 3行驶控制器模块设计 刨铣机行驶控制模块硬件原理图如图 3所示。该 全液压铣刨机的行驶机构是 由 2套独立的变量泵和变 量马达构成的闭环液压驱动系统组成。行驶控制器通 过电信号来控制电磁阀， 进而驱动液压泵来控制履带行 走 。在进行铣刨工作时， 其行走速度决定 了进刀量， 所 以行走速度还受发动机功率分配器控制 ； 在没有进行铣 刨工作时， 行驶系统 由行驶控制器控制。另外转弯半径 也是铣刨机行驶系机动性的一个重要参数。当左 、 右履 带的电磁阀接到控制器大小相等、 幅值相反的信号时， 两履带一条正转， 一条反转， 那么铣刨机将原地转向， 这 时转弯半径为零。行驶控制器也是通过 C AN总线和其 余控制器及电位器相连接进行信号的交换和传递 4 ] 。 左履带电磁阀 M C l l 8 控制器 口一 I 油 门电位器 r ／ 0 P 删 右履带 电磁阀 模块 模块 [ [ 微 号 速 度 电 位 器 L 处 ‘D ／ A l 理 模块I 一 左履带传感 模块 器 转 向电位器 CA N _ r L] 通信 R A M 模块 模块 一右履带传感 丰 | 函由 墨 曼 图 3 铣刨机行驶控制模块硬件原理图 4 显 示器 模块设 计 显示器模块主要完成整机重要运行参数 的显示、 故障 自诊断及报警、 C A N总线通讯及控制系统所需控 制参数的在线设定等功能。C AN总线主要是完成各 控制器发送的铣刨机运行状态参数 、 故障 自诊 断及报 警信息的接收和控制系统中所需设定参数的传递。显 示模块采用了图画和汉字的显示方式 ， 取代了传统电 控系统的诸多仪表 ， 使操作者能实时观察到整机 的各 重要运行参数 ， 大大提高了整 台机器的可操作性和人 机友好性 引。铣刨机的人机交互界面见图 4 。 l 返 回 主 菜 单 J 设定／ 实际铣刨深度 6 0 6 o 衄 设定／ 实际铣刨宽度 6 0 6 0 m m 发动机转速 1 9 0 0 r ／ , i n 冷却水温 8 O ℃ 机油压力0 ． 3 M P a 柴油液位 6 0 ％ 冷却水温度 过高 图 4铣 刨机 人机 交 互界 面 5结论 铣刨机是公路机械化养护的重要设备之一 ， 其控 制系统性能 的好坏直接影响到公路养护的质量和效 率 。目前 国内铣刨机控制系统 大多采用模拟控制， 已 经不能满足现代公路养护工作的要求 。本文设计的基 于微电子技术 、 智 能控制技术 和 C AN通讯技术的数 字控制系统， 可以实现铣刨机铣刨过程 中功率 自动分 配、 行走控制及铣刨深度控制 ； 其 良好的人机界面， 可 以实现铣刨机整机重要运行状态参数的图画和汉字显 示 ， 以及整机运行状态参数 的实时监控 和故 障报警 。 另外 ， 本数字控制系统可 以在不改变硬件电路 的基础 上， 通过改变程序软件来实现不同控制策略， 可以使铣 刨机电控系统的升级更加经济和方便 ， 这样便可 以大 大缩短新产品的设计周期。实践证 明， 数字控制系统 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 2期 机 械 工 程 与 自 动 化 能明显提高工作精度和质量。 [ 3 ] 焦生杰． 工程机械机电液一体化[ M] ． 北京 人民交通出 参 考文献 版社 ， 2 0 0 0 ． [ 1 ] 陆青平， 胡永彪． 铣刨机整机功率自适应匹配的研究[ J ] ． [ 4 ] 姚怀新． 工程车辆液压动力学与控制原理[ M] ． 北京 人 筑路机械和施工机械化 ， 2 0 0 2 ， 1 9 6 8 - 9 ． 民交通 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 胡永彪． 马鹏字。 张新荣． 冷铣刨机系统的数学建模及仿 [ 5 ] 邬宽民． C AN总线原理与运用系统设计[ M] ． 北京 北京 真[ J ] ． 长安大学学报 自然科 学版 ． 2 0 0 8 ， 2 8 3 9 2 9 5 ． 航空航 天大学 出版 社 ， 2 0 0 4 ． De s i g n o f Di g i t a l Co n t r o l S y s t e m o f Hy d r a u l i c M i l l i n g M a c hi ne CHEN Yi ．ZOU Xu - d o ng ，YANG Ya n - ni ，FENG De - we i 1 ．S c h o o l o f En g i n e e r i n g Ma c h i n e r y ，Ch a n g ’ a n Un i v e r s it y ，Xi ’ a n 7 1 0 0 6 4 ，Ch i n a ；2 ．Ch a n g ’ a n Ne w En e r g y C o mp a n y，Ch o n g q i ng 4 0 1 1 2 0，Chin a Ab s t r a c t Th i s p a p e r d e s c r i b e s a d i g i t a l c o n t r o l s y s t e m f o r mi l l i n g ma c h i n e s ，wh i c h u s e s t h e a d v a n c e d mi c r o e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ， i n t e l l i g e n t c o n t r o l t e c h n o l o g y a n d c o mmu n i c a t i o n t e c h n o l o g y ．t o r e a l i z e mi l l e r p o we r d i s t r i b u t i o n c o n t r o l mi l l i n g d e p t h c o n t r o l a n d r e a l - t i me mo n i t o r i n g o f ma c h i n e o p e r a t i n g s t a t u s p a r a me t e r s a n d f a u l t a l a r m．Pr a c t i c e s h o ws t h a t t h e d i g i t a l c o n t r o l s y s t e m c a n s i g n i f i c a n t l y i mp r o v e t h e a c c u r a c y a n d q u a l i t y o f wo r k ． Ke y wo r d s mi l l i n g ma c h i n e ；CAN b u s ；d i g i t a l c o n t r o I p o we r ；ma i n t e n a n c e 上接第 1 2 2页 1 ． 1 ． 1 ． 蜩1 0 ． O ． O ． 誉 ＼ j l Il{ l j篝 厂 | 图 5 串级模糊 P I D控 制的系统 响应 ＼ ＼ t l s 图 6 系统误差变化 曲线 参考文献 [ 1 ] 于水利 ， 张金梅 ． 高斌． P D A 检测值法 高浊度水 自动加 药 技术应用研究 [ J ] ． 哈 尔滨 建筑 大学 学 报． 1 9 9 5 ，2 8 4 4 6 - 5l _ [ 2 ] 孙 连鹏 ． 透光 率 脉 动检 测技 术 在 矿井 水 处 理 中 的应 用 [ J ] ． 工业用水与废水 ， 2 0 0 1 ， 3 2 1 6 1 3 1 5 ． [ 3 ] 冯桂宁， 蒋翔俊． 单片机模糊 P I D自整定控制算法的实现 及仿真[ J ] ． 电子元器件应用． 2 0 0 7 ， 5 9 5 9 - 6 2 ． [ 4 ] 耿瑞． 基于 MAT L AB的自适应模糊 P I D控制系统计算 机仿真[ J ] ． 信息技术， 2 0 0 7 1 4 3 - 4 6 ． [ 5 ] 柳彦虎． 基于 AT 8 9 C 5 1的串级控制冷却系统设计[ J ] ． 铁 路计算机应用， 2 0 0 7 5 7 - 1 0 [ 6 3 王成刚． 光脉动混凝投药技术的控制模式及其优化[ J ] ． 环保技术 ， 2 0 0 5 6 1 4 - 1 6 S i mu l a t i o n S t u d y o f Au t o ma t i c Do s a g e S y s t e m Ba s e d o n PI D Co nt r o l LI Yu a n- y u a n ，CHEN Ya n 1 ． Co l l e g e o f El e c t r i c a l a n d P o we r En g i ne e r i n g，Ta i y ua n Un i v e r s i t y o f Te c hn o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n al 2 ．Co l l e g e o f I nf o r ma t i o n En g i ne e r i n g， Ta i y u a n Uni v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ． t h e P I D c o n t r o l a n d f u z z y c o n t r o l a r e c o mb i n e d wi t h e a c h o t h e r ；u s i n g c a s c a d e f u z z y s e l f - t u n i n g PI D c o n t r o l l e r r e a l i z e s t h e a u t o ma t i c d o s i n g c o n t r o l o f mi n e wa t e r t r e a t me n t ．MATLAB ／S i mu l i n k s o f t wa r e i s u s e d f o r c a s c a d e f u z z y s e l f - t u n i n g PI D c o n t r o l p e r f o r ma n c e s i mu l a t i o n ． Th e r e s u l t s s h o W t h a t c a s c a d e f u z z y s e l f - t u n i n g PI D c a n a c h i e v e s h o r t a d ] u s t i n g t i me 。s ma l l o v e r s h o o t 。q u i c k r e g u l a t i o n f o r a c o mp l e x p r o c e s s c o n t r o l 。t o i mp r o v e t h e c o n t r o l p r e c i s i o n a n d s t a b i l i t y o f s y s t e m，a s we l l a s t h e wh o l e s y s t e m d y n a mi c q u a l i t y ． Ke y w o r d s f u z z y s e l f - t u n i n g P I D c o n t r o l ；MATLAB ／ S i mu l i n k s t i mu l a t i o n；wa t e r t r e a t me n t ；a u t o ma t i c d o s a g e s y s t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m