静液压全轮驱动平地机行走智能控制系统.pdf

天津工程机械研究院 邵善锋 吴卫国 吴国祥 李玉河 摘要 平地机是铲土运输机械的一种， 可以完成公路、 机场和农田等大面积的地面平整。 国内平地机在刮平作业 时靠驾驶员控制发动机的油门大小、 速度和挡位， 无法实现作业的恒速控制， 发动机输出的功率一般都高于实际需要 }； 的功 率， 不仅降低了平 地机的 作业效率和作业精度， 而且浪费能源。 设计了一 种静液压全轮驱动 平地机行走智能控制 系统。该系统 采用了 先进的 微电 子技术、 智能控制技术和通 讯技术， 实现了 平地 机作业过程中的自 动 换挡控制和恒速 控制， 具有友好的人机交互界面， 可实现整机运行状态参数的实时监控和故障报警功能。目 前该系统已经成功地应用 囊 于 P Y 2 0 0 H型平地机 中， 表现出了良 好的工作稳定性和可靠性。 该系统的成功研制将有助于提高道路施工的自动化程 度和智能化水平， 提高作业效率和作业精度 ， 提高国 产平地机产品的国际竞争力。 ． 一． ． ． ． 一 ． ． ． ． ． 垂 。 。 。 。 。 t1 。 ； ； ； ； ； ； ； ； 蛉 。 。 。 。 。 。 。 ． 蝴 蛉 。 。 。 。 。 。 t1 。 。 。 。 岔 关键词 平地机智能控制C AN总线微控制器 平地机是一种以铲刀为主， 配以其它多种可换 作业装置， 进行土地平整和整形作业的施工机械。 它 可以完成公路、 机场等大面积的地面刮坡、 平整和推 土等工作， 是国防工程、 矿山建设、 道路修筑、 水利建 设和农田改良等施工中的重要设备。静液压驱动平 地机虽然 比液力机械传动平地机有一定的节能效 果， 但是和液力机械传动平地机一样 ， 在刮平作业时 仍然靠驾驶员控制柴油机的油门大小、 速度和挡位， 未能达到降低驾驶员的操作强度、提高平地机的作 业效率和作业精度的目的。本文设计开发了一种静 液压全轮驱动平地机行走智能控制系统。该系统的 成功研制和开发有助于提高道路施工的自动化程度 和智能化水平，改善道路工程的操作环境和劳动条 件， 降低劳动强度， 作业效率和舒适性明显提高， 提 高国产平地机产品的国际竞争力。 1 系统总体方案 静液压全轮驱动 P Y 2 0 0 H型平地机行走智能控 制系统采用微电子技术、智能控制技术和通讯技术 以及静液压驱动技术，实现平地机的恒速作业控制 以及整机在线参数检测和故障诊断报警功能。其中 恒速作业控制包括两个环节自动换挡控制和恒速 控制。自动换挡控制首先是根据行驶速度的设定值 确定变速器按设定速度行驶所需的最佳工作挡位， 然后自动变换变速器的挡位使其工作在最佳挡位； 恒速控制是指平地机工作在最佳工作挡位后，采用 基金项目 国家 8 6 3技术研究发展计划 2 0 0 4 A A 0 0 1 0 2 0 P I D P r o p o r t io n a l ， I n te g r a l a n d D e r i v a t iv e 比例、 积分和 微分调节控制方式保证平地机行驶速度按设定值 恒速行驶。 控制系统总体方案如图 1 所示。 该系统主 要由前轮 1 、 前马达 2 、 电喷发动机 3 、 前进挡电磁阀 4 、 后退挡电磁阀 5 、 驱动泵 6 、 前马达电磁阀 7 、 后驱 动马达 8 、 后马达 电磁阀 9 、 变速器一 速电磁 阀 1 0 、 变速器 1 1 、 变速器二速电磁阀 1 2 、 后桥 1 3 、 平衡箱 1 4 、 后轮 1 5以及发动机控制器 、 主控制器 、 换挡控制 器和显示器组成 。 为了提高系统的可靠性，控制系统采用了集散 型计算机体系结构，即将整个控制系统功能分化为 4 个模块 电喷发动机控制器、 主控制器、 换挡控制 器和显示器。 其中， 电喷发动机控制器根据发动机实 际工况实现发动机转速控制等功能；主控制器实现 整车状态参数检测和行驶挡位选择等功能；换挡控 制器实现行驶挡位的实际控制等功能；显示器实现 整车状态参数和故障报警信息的人机界面显示等功 能。 考虑到 C A N总线通讯技术在通讯过程中具有的 可靠性、 实时}生 和灵活性等特点， 系统中各控制模块 通讯采用 C A N总线技术 。 2 系统硬件设计 静液压全轮驱动平地机行走智能控制系统硬件 原理图如图2 所示，其核心模块主控制器和换挡控 制器采用 E P E C 控制器，显示器采用自主开发的工 程机械智能监视器，发动机控制器由电喷发动机自 一 一 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 行走智能控制系统总体方案 1 ． 前轮2 ． 前马达3 ． 电喷发 动机4 ． 前进挡电磁阀5 ． 后 退挡电磁阀6 ． 驱动泵7 ． 前 马达 电磁 阀8 ． 后驱动 马达 9 ． 后马达电磁阀1 O ． 变速器 一 速电磁 阀1 1 ． 变速器1 2 ． 变速器二速电磁阀1 3 ． 后桥 1 4 ． 平衡箱1 5 ． 后轮 车速电位器 电喷发动 中位驱动继电器 显示器 机控制器 、 前进挡电磁阀 车速传感器 _ ． 蓉 ‘ 霜 主 趸 换 卜 后退挡 电磁阀 变速 器油压 传感器 卜 一 。 C A N 2 ． 0 13 l7 卜 ＼ 挡 控 控 I变速器一 速电 磁阀 制 l 换挡 手柄 j 变速 器油温 传感器 制 器 ． {变 速器二 速电 磁阀 柴油液位传感器 _ - 器 刹车开关 l 前马达电磁阀 液压油温传感器} _ _ _ - 后马达电 磁阀 图2 平地机行走智能控制系统硬件原理图 带。发动机控制器、 主控制器、 换挡控制器和显示器 之间采用 C A N总线实现数据的双向通讯， 其中主控 制器、换挡控制器和显示器之间采用 C A N 2 ．0 B协 议，电喷发动机控制器与主控制器之间采用J 1 9 3 9 协议。换挡控制器根据手动 ， 自动选择开关输入的 状态信号确定整车行驶控制模式为手动控制模式或 自动控制模式。 主控制器检测车速电位器、 车速传感 器等整车状态传感器的输入信号，并根据车速电位 器和车速传感器的输入信号确定自动控制模式下整 车的行驶挡位。换挡控制器根据手动模式下换挡手 柄输入的挡位信号或自动模式下由主控制器通过 C A N总线发送过来的挡位信号向变速器输出挡位 电磁阀控制信号， 实现行驶挡位的变换。 该系统能够 实现后轮驱动和前后轮同时驱动两种驱动方式。后 轮驱动时， 前马达电磁阀7 断电， 变速器一速电磁阀 一 6 1 0 或变速器二速电磁阀 1 2 通电，电喷发动机 3的 动力经驱动泵 6 、 后马达 8 、 变速器 1 1 、 后桥 1 3 、 平衡 箱 1 4 最后到达后轮 1 5 。 前后轮同时驱动时， 前马达 电磁阀 7 通电， 同时变速器一速电磁阀 1 0 或变速器 二速电磁阀 1 2 通电， 电喷发动机 3 的动力同时传给 前轮和后轮。 3 系统软件设计 平地机行走智能控制系统软件包括整机状态参 数检测及其控制模块和整机状态参数人机界面显示 模块。整机状态参数检测及控制模块主要完成平地 机作业过程中的自 动换挡控制和恒速控制。根据手 动 ， 自动选择开关状态，平地机作业过程可选择为 手动或自动控制模式。图 3 所示为自动控制模式下 的自动换挡控制流程。 自动控制模式下， 首先根据设 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 是 自 动 变 速 器 升 档I 厂 【 是 开始 根据设定车速确 定所需最低挡位 需最低挡 位当前挡 ～ ＼ 一 否 ＼ 需最低挡位负载率一 ＼上 限值 ／ ／是 否 ／实际速度＼ 同设定速度误差是否在设 、＼定范围内／ 是 否 变速器 自 动降挡 箜塞 图3 平地机行走智能控制系统主流程 定车速计算所需最低工作挡位。如果所需最低工作 挡位等于当前实际挡位，则首先根据设定速度调整 发动机转速 ，待到设定速度同实际速度的误差小于 设定误差范围后，采用 P I D调节方式对行驶速度进 行恒速控制。如果所需最低工作挡位高于当前实际 挡位，则需要结合发动机实际负载率大小确定平地 机行驶状态。若发动机实际负载率低于负载率下限 值， 允许变速器 自动升挡； 若发动机实际负载率高于 负载率下限值， 则直接进入设定速度过高处理环节。 如果所需最低工作挡位低于当前实际挡位，则首先 判断当前挡位下通过调整发动机转速是否能够保证 平地机按设定速度恒速行驶。如果能够满足，采用 P I D调节方式对行驶速度进行恒速控制，否则对变 速器 自 动降挡。 整机状态参数人机界面显示程序主要实现平地 机整机状态参数的多语言显示、故障报警以及控制 参数的在线标定等功能，取代了传统控制系统中的 诸多仪表， 使得参数显示准确、 实时、 明了。 整机状态 参数监控界面如图 4 所示，图中上部为平地机换挡 方式、 行驶方向和挡位的图文显示区域。 中部区域为 lT T T 2 A I 设定车速 1 0 ． 0 k m ／ h 发动机油门 1 0 0 ％ 实际车速 l 0 ． 1 k m ／ h 燃 油量 9 0 ％ 曲轴转速 2 2 0 0 r ／ ra i n 变速器油温9 4℃ 机油压力 0 ． 1 5 M P a 制动气压0 ． 4 6 M P a 冷却水温 9 5 ℃变速器油压1 ． O 0 M P a 电压 2 7 ． 8 v 里程1 6 7 ． 2 1 0 ． 1 2 6k m 冷却水温 高03 0 4 4 图 4平地机人机界 面 平地机实时状态参数显示区域。如有报警信息则显 示在屏幕的左下角区域， 并以红色字体显示。 若有多 条报警信息则采用分时循环显示的方式加以显示。 在故障排除后， 报警信息 自 动消失。 4 结论 平地机是现代道路机械化施工重要的设备之 一 ，其控制系统控制性能的好坏直接影响到道路施 工后的质量。 本文设计的基于微电子技术、 智能控制 技术和通讯技术的平地机行走智能控制系统，可以 1 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 实现平地机作业过程中的恒速行驶和自动换挡控制 功能； 具有友好的人机交互界面， 可实现平地机整机 运行状态参数的图文、 汉字显示； 可以实现平地机整 机运行状态参数的实时监控和故障报警。该系统 目 前已在 P Y 2 0 0 H型平地机上获得应用，在实际施工 过程中表现出了很高的控制精度。 参考文献 [ 1 】 姜楠 ， 冯柯 ， 吴国祥． 平地机的新技术展望[ J 1 ． 工程 机械 ， 2 0 0 6 1 1 ． [ 2 ] 刘清华． 未来平地机模型[ J ] ． 筑路机械与施工机械 化 ， 2 0 0 5 1 ． [ 3 ]3 王建 ， 左启耀 ， 高峰． 基于 C A N总线的客车控制系 统[ J ] ． 吉林大学学报 ， 2 0 0 4 7 ． [ 4 ] 黄运生，汤勇． C A N总线通信技术在 L T U 9 0 A智 能摊铺机中的应用 [ J ] ． 中南工业大学学报， 2 0 0 3 5 ． [ 5 ] 吴国祥． 基于嵌入式微控制器的摊铺机控制系统 研究与开发[ D ] ． 天津 天津大学 ， 2 0 0 4 ． 通信地址 天津市新技术产业园区华苑产业区海泰南北大街 5号天津工程机械研究院 3 0 0 3 8 4 收稿 日期 2 0 0 7 1 0 2 9 上海交通大学 杨海滨李彦明何创新刘成良 摘要 针对工程机械租赁和分期付款销售业务的需要， 提出了一种新型的智能锁定系统。该系统主要由智能锁 定终端和上位机密码生成软件两大部分组成， 其中， 锁定终端主要用于对工程机械的使用时间进行判断并对其进行锁 定或解锁， 而上位机密码生成软件则主要用于生成随机的具有不同使用期限的密码和参数供锁定终端使用。 在介绍系 统的组成结构和工作原理的基础上， 详细阐述了锁定终端的硬件设计和软件流程、 密码规划与分类方法、 利于快速有 效查询比较的指针式存储结构、 基于随机算法的密码生成管理软件及基于帧结构的串行通信协议 ， 最后着重分析了可 靠安全锁定的实现。 鉴于工程机械的工作环境通常比较恶劣， 还讨论提高系统可靠性的一些方法。 经现场试验证明， 该 系统操作简单、 运行稳定可靠、 密码定制灵活且能安全状态锁定， 具有良好的实用价值和广阔的应用前景。 关键词 工程机械密码智能锁定 起重机、挖掘机等大型工程机械是各项建筑工 程必不可少的施工设备，近年来国内基础设施建设 的蓬勃发展造就了其巨大的应用市场。由于价格昂 贵， 很多企业通常会选取租赁或者分期付款购买的 方式来满足使用需求，这样却给工程机械经销商带 来了困难，他们在对客户进行使用期限监督和催款 上花费了大量的人力财力， 增加了运营成本。 目前国外如小松、日立建机等公司的部分产品 已安装了智能锁定系统， 但我国还没有类似的产品。 为此本文设计了一种新型的工程机械智能锁定系 统， 可实现锁定密码随机生成， 定制灵活， 保密性强； 安全状态锁定， 保证操作的安全性。 l 智能锁定系统的硬件组成 整个系统的组成结构如图 1 所示，包括 C P U 、 密码生成存储、 时钟计时报警、 信息输入与显示和锁 定控制 5 大部分。 1 ． 1 C P U部分 C P U采用单片机 S T C 8 9 C 5 8 ， 主要实现对其它 4 大部分的协调控制和管理， 其功能原理如图2 所示。 基金项目 8 6 3国家高技术发展计划 2 o 0 6 A A 0 4 z 4 3 2 ； 8 6 3国家高技术发展计 J 2 0 0 7 A A 0 4 Z 4 1 9 一 8 一 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m