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1、综合课程设计（）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 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY2011年3月10日工程机械自动化技术课程设计任务书姓名： 院（系）：机电工程学院专业：机 械设计制造及其自动化 班号： 0708108 班任务起止日期： 2011 年 2月21日至 2011 年 3 月11日课程设计题目：液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术一、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
2、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 样机结构参数表名称长度(mm)行程(mm)转角范围(0)驱动件(mm)缸径(mm)活塞杆直径(mm)动臂2558660117双缸8045斗杆1332585117单缸9050铲斗835500170单缸80452.2挖掘机工作负载
3、参数要求负载为m=500kg2.3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、进度安排周1周2周3周4周5第1周系统简图运动学分析运动学分析液压系统液压系统第2周电路设计电路设计电路设计控制方法控制方法第3周MATLAB仿真分析答辩指导教师： （签字）教学主任： （签字）年 月 日目录第1章 挖掘机工装轨迹
4、控制的机电液系统简图31.1单斗液压挖掘机的机械模型简介3第2章 液压挖掘机工装轨迹的运动学分析32.1 运动学正问题32.2运动学逆问题3第3章 液压挖掘机液压系统的建模分析33.1斗杆液压缸的传递函数33.2动臂液压缸的传递函数33.3电液比例流量及比例放大器的传递函数33.4动臂和斗杆的传递函数33.5斗杆系统的整体建模与仿真33.6动臂系统的整体建模与仿真3第4章 控制系统的电路设计34.1角度传感器的选择34.2 A/D转换器及其接口电路34.3 D/A转换器及其接口电路34.4 A/D,D/A联合试验34.5 控制系统的电路原理图设计3第5章 控制方法的选择及MATlAB仿真分析3
5、5.1计算机实现PID控制35.2斗杆系统PID控制仿真35.3动臂系统PID控制仿真3参考文献3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 样机结构参数表名称长度(mm)行程(mm)转角范围(0)驱动件(mm)缸径(mm)活塞杆直径(mm)动臂2558660117双缸8045斗杆1332585117单缸9050铲
6、斗835500170单缸8045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
7、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。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。图 1-1 机电液一体化系统简图第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
8、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，只要与平行即可。取铲斗纵向对称面上铲斗与斗杆的铰接点与斗齿尖成轴，铰接点的回转线为轴。是工装纵向对称面上的一根水平轴，在动臂两端铰点连线上，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。表2-1 参数取值表Ida190200300400各参数含义为到沿方向上的距离（与同方向为正）；到沿方向上的距离（与同方向为正）到绕轴的转角（逆时针为正）；到绕轴的转角（逆时针为正）从坐标系i-1到i的坐标转换是：=因此，
9、铲斗的位置矩阵，即铲斗坐标系到大地坐标系的变换矩阵是式中=；=；=以此类推。在求得铲斗矩阵之后，即可根据位姿矩阵的定义，方便的求得斗尖位姿的正解。位姿矩阵的定义可由下式表示T = 式中：向量在i坐标系中的表示；：j坐标系在i坐标系中的表示，及j坐标系到i坐标系的变化矩阵。取斗尖位置坐标为（，,），在机座坐标系中的表示为（，,），由此得铲斗尖位姿正解为 = 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序号坐标1（3600,3776）5
10、5-9.2532（3600,3760）55.5-10.703（3600,3743）56-12.174（3600,3729）56.5-13.525（3600,3709）57-15.036（3600,3699）57.3-15.927(3600,3681)57.7-17.148（3600,3668）58-18.069（3600,3651）58.3-19.1610(3600,3637)58.7-20.2811（3600,3616）59-21.4212（3600,3600）59.3-22.3913(3600,3577)59.7-23.7614（3600,3559）60-24.815(3600,3531)
11、60.3-26.1016（3600,3510）60.7-27.3717（3600,3480）61-28.7818（3600,3458）61.3-29.9419(3600,3420)61.7-31.6620（3600,3393）62-32.91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
12、见样机机构参数表，活塞杆及负载的质量m=150kg。（1）活塞平均面积（2）容腔总面积=液压缸有效面积x（活塞行程+阀至缸间管路折算距离）=（0.585+0.015）=(3)液压缸固有频率(4)液压阻尼比式中 伺服阀阀芯面积梯度； 阀芯与阀套间隙，m；伺服阀阀芯直径，mm； u液压油粘度，Pas。由上，得斗杆液压缸的传递函数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=液压缸有效面积x（活塞行程+阀至缸间管路折算距离）=（0.66+0.015） =(3)液压缸固有频率(4)液压阻尼
13、比式中 伺服阀阀芯面积梯度； 阀芯与阀套间隙，m；伺服阀阀芯直径，mm； u液压油粘度，Pas。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。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
14、例阀的时间常数 K电液比例增益阀有产品性能查得比例阀的额定流量：=30L/min线圈输入电流最大值为：=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
15、递函数H(s)=13.4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-，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-，斗杆液压缸活塞杆的行程为0-660mm,故斗杆的传递函数为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
16、指标，峰值 =1 ，即无超调，峰值时间，调整时间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。图3-2斗杆系统单位阶跃响应图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，幅值穿越频率，相位裕度，剪切频率。输入的正弦信号，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。图3-4斗杆系统开环伯特图图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 图3-6
17、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 =1 ，即无超调，峰值时间，调整时间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。图3-7动臂系统单位阶跃响应图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，幅值穿越频率，相位裕度，剪切频率。给系统输入的正弦信号，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
18、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。图3-9动臂系统开环伯特图图3-10动臂系统正弦跟踪第4章 控制系统的电路设计示教再现控制系统，主要是完成针对一定的示教轨迹的采样、录入数据，在一定情况下再现示教轨迹的过程。采样数据的获得，可现场由熟练工人操作手柄是挖掘机完成一定的挖掘动作，从而获得一组关于动臂和斗杆相对位置的数据；也可由编程示教，通过键盘输入一组位置参数。再现的过程由CPU控制，读入和位置参数，按照一定的控制算法得出控制量，控制系统的执行机构电液伺服阀和液压缸，完成相应的挖掘动作。系统总体结构如图4-1所示。图4-1
19、控制系统结构框图目前，计算机发展朝两个方向发展，一个是PC微机，另一个就是单片机的发展。对于现在这个系统我们选用在选用PC作为微处理器。在自动控制系统机控领域中，常用微机对一些机器和设备进行实时控制和数据采集，而通常被检测和控制的量是连续变化的模拟物理量，如温度，电压，电流，气压，液压，压力，位移，速度等。而微机不能识别这些模拟物理量。为此为了完成控制，并且发挥计算机的计算和数据处理能力，需要将检测元件传回的模拟量转化为计算机能过识别和贮存的数据自量，这就需要有A/D转换卡；另外为了实现对液压挖掘机的控制，还需要将数字量转换为模拟量用于液压挖掘机的轨迹控制，即还需要D/A转换卡。我采用专为PC
20、机及其兼容机设计的一种通用的8位A/D和D/A转换卡，A/D电路采用带有8通道的8位ADC0809芯片，D/A采用DAC0832。A/D电路，输入电压范围05V。D/A电路设计为一路，输出电压范围为双极性-5V+5V，当改变参考电压为+10V，输出范围为-10V+10V，若改变连线，则可变成单极性输出0-5V或0-10V。A/D电路可采用查询工作方式，也可工作在中断方式下，该卡若再附加一片ADC0809，则可变成16通道。8通道的A/D电路及一路D/A电路示于图4-4，4.1角度传感器的选择本系统采用的角度传感器是电阻式角位移传感器，当它检测到角度变化时，其输出端的电阻值发生变化，从而引起输出
21、端电压发生变化。(1) 角度传感器的标定 本系统规定动臂的角度范围为0110，斗杆的角度范围为0120为实际安装和测试方便，选择传感器的量程为0125，则有5/125=0.04V/度，即角度传感器每变化一度其输出电压变化0.04V。(2) 角度传感器接口 角位移传感器相当于一个滑动变阻器，应使其工作在满量程的2/3范围内。为保证测量电压稳定，较少测量误差，角位移传感器及其接口电路如图4-2所示。由于供电电源纹波的大小直接影响到A/D转换的精度，故将电源电压经330nF和1000F电容分别进行高低频滤波，再经过7809稳压后，供给角位移传感器。为确保角位移传感器输出电压在05V，对角位移输出端信
22、号用1K电阻和47nF电容进行滤波，二极管钳位后送入ADC0809进行A/D转换。图4-2 角度传感器与ADC0809的接口电路4.2 A/D转换器及其接口电路该电路的输入端口由74LS00和74LS30及3-8线译码器74LS138所组成。译码电路受PC机IOW和IOR信号控制，即只有在进行I/O读写操作时，该译码电路才起作用，为了减轻PC机IOW和IOR线的负载，将它们经74LS125缓冲，74LS125工作在常通状态下。本卡中共使用了六个地址，地址分配如下：278H用于启动ADC0809开始转换。279H用于检查A/D转换结束否。27AH用于向ADC0809发送允许输送信号OE，以便将转
23、换的数据取走。27BH用于D/A转换芯片DAC0832的片选信号。27CH用于A/D的中断允许寄存器置1，即相当于开A/D中断。27DH用于清零A/D的中断允许寄存器，相当于关A/D中断。（1）ADC0809功能介绍ADC0809是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，运动控制中应用十分广泛。其主要特性如下：1）分辨率：8位。2）转换时间：取决芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，转换时间约为128s。3）单一电源：+5V。4）模
24、拟输入电压范围：单极性05V；双极性5V,10V；5）具有可控三态输出缓存器。6）使用时不需进行零点和满刻度调节。（2）A/D转换工作方式该电路由DAC0809转换芯片、74LS123单稳触发器，74LS90分频器和74LS74D触发器等组成，并带有74LS74中断屏蔽寄存器，当程控开中断时，A/D转换结束信号EOC可作为中断请求信号。1）工作过程本卡使用74LS90将PC机扩充槽的时钟信号CLK分频变成适合ADC0809工作的频率。用口地址27BH作为AD0809启动信号送入地址，启动信号由数据线D7位产生，而通道号由D0D1D2产生，当选中278H口地址，并且D7位是由1变成0时，则经与非
25、门U产生一正阶跃，用此信号出发单稳，产生约宽度1s左右的启动脉冲用于启动A/D进行转换，实现此过程可用以下指令序列，如对0通道启动采样：MOV DX，278HMOV AL，80HOUT DX，ALMOV AL，00HOUT DX，AL如对第4通道采样，则可用如下指令序列：MOV DX，278HMOV AL，84HOUT DX，ALMOV AL，04HOUT DX，AL其他通道同理。即用D7位产生10的变化，以形成一个启动A/D转换的脉冲，而D2，D0，D1保持不变，以表示通道号转换是否结束，采用查询方式，对口地址279H不断进行读出操作，当第7位为1时，表示转换结束，可用口地址27AH将转换结
26、果取走，如可采用如下指令序列：MOV DX，279HLOOP: IN AL，DXTEST AL，80JZ LOOPMOV DX，27AHIN AL，DXMOV BUFFER，AL；将转换结果送入缓冲区INC BUFFER；缓冲区地址加一JIM START转A/D启动指令去执行上述是查询工作方式，若要中断方式下工作，则可采用如下指令序列：MOV DX，27CHOUT DX，AL；开中断A/D转换结束产生EOC信号通过三态门，成为中断请求信号。当从A/D中断服务程序退出，主程序不再使用A/D中断或退回DOS时，应关A/D中断屏蔽寄存器，以便将A/D占用的中断号让出，即用指令：MOV DX，27DH
27、OUT DX，ALAL中可为任意数2）A/D电路的检查当完成了A/D卡的制作及各种信号正确性调试后，就需进行A/D转换正确性及精度检查了，可按如下步骤进行：（1）提供模拟量选择0-5v直流信号源（电池也可，用数字电压表将其调到2.5v，然后通过连接插头将其接到0通道注意要良好的共地），然后开启微机，调用DEBUG，键入如下程序，可单步或跟踪程序，当执行完114偏移地址的指令时，应在AL寄存器中装入80+1bit，然后改变输入电压，再次运行上述程序，AL寄存器中存放结果应符合下表所列值：输入电压（v） 转换后AL中的数字2.50v 00801bit4.98v 00ff-ibit0.00v 000
28、1bit1.25v 00401bit3,75v 00C01bit（2）将电压分别接至其余通道，用上法运行下面程序（需改变通道号），则AL中的数值也符合上表。DEBUGA0BFC: 0100MOV DX，02780BFC: 0103MOV AL，800BFC: 0105OUT DX，AL0BFC: 0106MOV AL，000BFC: 0108OUT DX，AL0BFC0：0109 MOV DX, 02790BFC0：010C IN AL， DX 0BFC0：0100 TEST AL， 800BFC0：010F JZ 10C0BFC0：0111 MOV DX，027A0BFC0：0114 IN
29、AL，DX0BFC0：0115 JMP 100（3）多路A/D交替输入时检查：为了检查8路分时输入的工作情况，可将直流电压调到4.98v，然后正端接于奇数通道，偶数通道均接地，在DEBUG下运行，检查200H-207H单元内容应符合下表：输入信号通道号转换数字量0.004.980.004.980.00000102030400+1bitFF-1bit00+1bitFF-1bit00+1bit0BFC: 0100 BF91000 MOV CX，0070BFC: 0103 BF0002 MOV DI，02000BFC: 0106 B480 MOV AH，080BFC: 0108 88EO MOV A
30、L，AH0BFC: 010A BA7802 MOV DX，02780BFC: 010D EE OUT DX，AL0BFC: 010E 2C80 SUB AL，800BFC: 0110 EE OUT DX，AL0BFC: 0111 BA7902 MOV DX，02790BFC: 0114 EC IN AL，DX0BFC: 0115 A880 TEST AL，800BFC: 0117 74FB JZ 01140BFC: 0119 BA7A02 MOV DX，027A0BFC: 011C EC IN AL，DX0BFC: 011D AA STOSB0BFC: 011EF EC4 INC AH0BFC
31、: 0120E 2E6 LOOP 01080BFC: 0122E BDC JMP 01004.3 D/A转换器及其接口电路（1）DAC0832功能介绍DAC0832是八位分辨率的D/A转换集成芯片，与处理器完全兼容。这种芯片价格低廉、接口简单、转换控制容易。DAC0832是最早和微处理器兼容的、双缓冲的D/A转换器。其工作特性如下：1）ADC0832是微处理器兼容型D/A转化器，可以充分利用为处理器的控制能力实现对D/A转换的控制。2）集锁存器控制功能，能够实现多通道D/A转换器，能实现多通道D/A的同步转换输出。3）ADC0832内部无参考电压源；须外接参考电压源。4）ADC0832为电流输
32、出型D/A转换器，要获得模拟电压速出是需要外加转换电路。下图4-3为两级运算放大器组成的模拟电压输出电路。输入端输入的是单极性模拟电压，输出端输出为双极性模拟电压。图4-3 模拟电压输出电路(2)D/A转换电路1)构成该电路由D/A转换芯片DAC0832及双运算放大器LM358等组成。LM358输入失调电压2mv，它有自调零功能，因而省去了调零电路，LM358可用LM158或ML258代替，也可用国产的C158、C258或C358代替，这些电路都是低价格的。由于D/A电路有数字地和模拟地之分，因此在电路连接时，模拟地汇集一点，数字地汇集一点，然后再两点连接以共地，否则数字信息将会串入模拟回路形
33、成干扰，造成转换时的误差。电阻R2、R3、R4应是较精确电阻，阻值精确到0.4%即可，R2=R4，R2/R3=2，本电路采用R2=R4=15K、R3=7.5K。2）工作方式DAC0832工作于单缓冲方式下，即当cs和IOW信号来时，直通立即开始转换，当IOW信号消失时，便将数据锁存于输入寄存器，使转换输出保持不变。该电路的片选cs信号用地址为27BH，将待转换的数据通过数据总线， 送入DA0832时，可立即用输出指令将转换结果输出，采用如下程序：MOVDX,27BHMOVAL,0FFHOUTDX,AL此时将会把FFH转换而输出一个+4.96v左右电压4.4 A/D,D/A联合试验为了验证A/D
34、，D/A电路的联合使用效果，可用信号发生器输出一个峰值为2.5v的正弦信号或别的信号（设周期为5ms），用50左右电解电容将其接到A/D通道0上，D/A输出用高的阻抗探头接至示波器Y轴输入，运行下面程序将会在示波器上看到一个和输入波形一样的由点构成的波形，点之间的时间差，就表示了采样然后转换，再反转换成模拟量的时间，（当然严格的讲，还包括一些指令执行的时间）。0BFC: 0100 BA7802 MOV DX，02780BFC: 0103 B080 MOV AL，800BFC: 0105 EE OUT DX，AL0BFC: 01006 B000 MOV AL，000BFC: 0108 EE OU
35、T DX，AL0BFC: 0109 BA7902 MOV DX，02790BFC: 010C EC IN AL，DX0BFC: 010D A880 TEST AL，800BFC: 010F 74FB JZ 010C0BFC: 0111 BA7A02 MOV DX，027A0BFC: 0114 EC IN AL，DX0BFC: 0115 BA7B02 MOV DX，027B0BFC: 0118 EE OUT DX， AL0BFC: 0119 EBE5 JMP 01004.5 控制系统的电路原理图设计 根据上述设计理论将A/D,D/A转化器与他们的外部接口连接在一起，放在电路板上，然后连接在PC机
36、的外部接口上，在与角位移传感器相连，即构成了控制系统的整体电路图，如下面4-4所示：图4-4 控制系统的电路部分原理图第5章 控制方法的选择及MATlAB仿真分析5.1计算机实现PID控制常用的有PID控制器、超前、滞后补偿控制器等。用以调整系统的稳定性裕度值等多项性能指标。PID控制器是最早发展起来的控制策略之一，在生产过程的发展历程中，PID控制是历史最久，生命力最强的基本控制方式，以为这种控制具有简单的控制结构，在实践应用中又较易于稳定，所以它在工业过程控制有着最规范的应用。常规PID控制系统原理框图如图5-1所示，系统由模拟PID和被控制对象组成。在过程控制中，按误差信号的比例、积分、
37、微分进行控制的调节器简称PID调节器，简称PID控制器，是技术成熟，应用最广泛的一种调节器，PID调节器结构简单，参数易于调整，在长期的应用中已积累丰富的经验，在实际应用中，根据实际工作经验在线整定PID各参数，往往可以取得较满意的结果，利用计算机实现PID调机器，不但继承了模拟PID调节器的这些特点，而且由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正而且更加完整。在计算机用于工程控制之后，虽然出现了许多只能用计算机才能实现的先进的控制策略，但有资料表明，采用PID的计算机控制回路(包括DDC控制回路)仍占85%以上。连续系统的设计已经形成了一套系统的、成熟的、实用的设计方法，并在控制领域为人们
38、所熟知和掌握。因此，在设计计算机控制系统是，本文仍然实用连续系统的控制方法。连续化设计方法是，忽略控制回路的所有零阶的保持器和采样器，在S域中按连续系统进行初步设计，求出连续控制器，然后再通过某种近似，将连续控制器变换为离散控制器，由计算机实现。在连续控制系统中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制是最为常用的一种控制规律。该控制规律具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用范围广等特点。PID控制器是应用最为广泛的一种调节器。该控制器的参数比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td相互独立，参数稳定比较方便。此外，PID控制算法简单，计算工作量小，易实现多回路控制
39、。对于一个连续系统的数学模型的表示，可采用微分方程、传递函数、状态方程。在本文中，对控制系统的数学模型的描述采用传递函数的形式。MATLAB是当今世界上最优秀的数值分析软件，具有丰富可靠的矩阵处理、图形绘制功能，语句简单、易学易用等特点。MATLAB中的SIMULINK工具箱，是控制系统计算与仿真最先进的工具，其主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析，从而可以在实际系统制作出来之前，预先对系统进行仿真与分析，并可以对系统做适当的实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数，以提高系统的性能，减少设计系统过程中反复修改的时间，实现高效率的开发系统的目标。本文用MATLAB实现对反产单
40、斗液压挖掘机的控制系统仿真。5.2斗杆系统PID控制仿真斗杆系统PID的参数Kp=35，Ki=0.07，Kd=0.001.使用Matlab，对系统的时域和频域性能指标进行分析。系统的闭环传递函数为： 采样周期为0.05s，输入为单位阶跃信号，系统的单位阶跃响应曲线及误差如图5-1所示，图中线条1为输入单位阶跃信号，2为系统的响应曲线3为误差曲线。同时得到其动态时域指标，峰值yp=1，即无超调，峰值时间tp=2.61 调整时间ts=1.34，静态时域指标稳态误差ess=0。此时与原系统的单位阶跃响应比较如图5-2所示，从图中看出，斗杆系统加入PID控制后，在保证其他指标不变的同时，响应时间明显缩
41、短。斗杆的开环传递函数为：图5- 1 斗杆系统数字PID控制单位阶跃响应曲线及误差图5- 2 斗杆原始系统与数字PID控制单位阶跃响应比较曲线系统的开环伯德图如图5-3所示，与原系统波特图的比较结果如图5-4所示，由图5-4可以得到系统的开环频域特性指标，幅值裕度Gm=dB，幅值穿越频率。系统加入PID控制后，比原系统的截止频率变大，截止带宽变宽，即系统允许工作的最高频率范围变大，动态性能变好。图5- 3 斗杆PID控制系统开环bode图图5- 4 开环波特图的比较图5- 5 斗杆PID控制系统正弦跟踪当系统输入sin2的正弦信号，系统对其的跟踪程度如图5-5所示，图中1为输入信号，2为系统的
42、跟踪输出。跟踪过程存在微小的误差和相位延迟，可以在较快的时间内达到设定的控制量。5.3动臂系统PID控制仿真图5- 6 动臂回路PID控制simulink模块图动臂系统PID的参数Kp=15，Ki=0.01，Kd=0. 03.使用Matlab，对系统的时域和频域性能指标进行分析。系统的闭环传递函数为：采样周期为0.05s，输入为单位阶跃信号，系统的单位阶跃响应曲线及误差如图5-6所示，图中线条1为输入单位阶跃信号，2为系统的响应曲线3为误差曲线。同时得到其动态时域指标，峰值yp=1，即无超调，峰值时间tp=2.72 调整时间ts=1.32，静态时域指标稳态误差ess=0。此时与原系统的单位阶跃
43、响应比较如图5-7所示，从图中看出，斗杆系统加入PID控制后，在保证其他指标不变的同时，响应时间明显缩短。图5-7 动臂系统数字PID控制单位阶跃响应曲线及误差图5-6 动臂原始系统与数字PID控制单位阶跃响应比较曲线动臂的开环传递函数为：系统的开环伯德图如图5-8所示，与原系统波特图的比较结果如图5-5所示，由图5-9可以得到系统的开环频域特性指标，幅值裕度Gm=dB，幅值穿越频率。系统加入PID控制后，比原系统的截止频率变大，截止带宽变宽，即系统允许工作的最高频率范围变大，动态性能变好。图5-7 动臂PID控制系统开环bode图图5- 8 开环波特图的比较当系统输入sin2pi的正弦信号，系统对其的跟踪程度如图5-10所示，图中1为输入信号，2为系统的跟踪输出。跟踪过程存在微小的误差和相位延迟，可以在较快的时间内达到设定的控制量。图5- 9 动臂PID控制系统正弦跟踪参考文献1. 吕广明编著. 工程机电技术.
