推土機(jī)智能造型控制系統(tǒng)研究

趙慶松，李東艷

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院 山工機(jī)電工程學(xué)院，山東 青州 262500）

0 引言

在高爾夫球場(chǎng)造型時(shí)，球場(chǎng)平面、斜面造型要求越來(lái)越新穎且復(fù)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(jī)造型控制系統(tǒng)是為了適應(yīng)特定的造型需要，如斜坡造型、平整等。操作帶有本系統(tǒng)的推土機(jī)，操作者無(wú)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(diǎn)打開(kāi)造型使能開(kāi)關(guān)，推土機(jī)會(huì)按指令要求自動(dòng)的根據(jù)車(chē)速快慢調(diào)節(jié)鏟刀升降速度，用傾角傳感器的反饋數(shù)據(jù)作為鏟刀動(dòng)作的結(jié)束條件，完成特定的造型任務(wù)。

1 系統(tǒng)組成

推土機(jī)智能造型控制系統(tǒng)可以分解為電氣控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)。電氣控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)

圖2 液壓控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)控制的原理

控制器根據(jù)推土機(jī)車(chē)身的傾角傳感器和車(chē)體速度傳感器上傳數(shù)據(jù)，計(jì)算出鏟刀上升、下降所需調(diào)整量，以電流的形式發(fā)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(dòng)控制鏟刀的動(dòng)作快慢，鏟刀傾角傳感器用作檢測(cè)鏟刀位姿角度，約束鏟刀動(dòng)作始終，滿(mǎn)足推土機(jī)不同角度造型的需要。同時(shí)車(chē)身傾角傳感器檢測(cè)車(chē)體與水平面的角度，用作車(chē)體防傾翻保護(hù)。

3 系統(tǒng)控制流程

智能造型控制系統(tǒng)控制流程如圖3 所示?？刂破魅绻盏娇刂茊卧蟼鞯臄?shù)據(jù)，分配各電控比例閥電流，控制液壓系統(tǒng)使推土機(jī)行走和鏟刀動(dòng)作。如果收到造型角度指令和使能數(shù)據(jù)時(shí)，控制器根據(jù)速度傳感器數(shù)據(jù)和造型角度數(shù)據(jù)計(jì)算出電磁閥電流，分配給被控電磁閥，鏟刀自動(dòng)動(dòng)作，在鏟刀中沒(méi)有土料時(shí)，駕駛員返回，再次運(yùn)土，完成下一次工作循環(huán)。

圖3 系統(tǒng)控制流程

4 智能造型控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

智能造型系統(tǒng)是在行走系統(tǒng)和鏟刀工作系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。控制器采集車(chē)身位姿角度，與駕駛員輸入的造型角度通過(guò)一系列的公式計(jì)算，計(jì)算出鏟刀理論提升或者下降的角度，再根據(jù)幾何關(guān)系和液壓系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系，計(jì)算出滿(mǎn)足理論提升或者下降的角度所需要的流體體積，根據(jù)測(cè)速傳感器測(cè)得的速度及車(chē)體參數(shù)計(jì)算車(chē)完成上升、下降動(dòng)作各自需要的時(shí)間，計(jì)算車(chē)液壓系統(tǒng)的流量大小，再由電液系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，計(jì)算控制需要輸出的控制電流，從而驅(qū)動(dòng)電液比例閥利用液壓油完成鏟刀的提升和下降，滿(mǎn)足斜面造型的需要，同時(shí)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(gè)過(guò)程不考慮鏟刀重力作用。下面以推土機(jī)從平面開(kāi)始斜面造型建立數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析研究，當(dāng)推土機(jī)不在水平面開(kāi)始造型時(shí)，可以根據(jù)車(chē)身傾角傳感器測(cè)得角度數(shù)據(jù)對(duì)鏟刀提升、下降的角度進(jìn)行補(bǔ)償，滿(mǎn)足造型目標(biāo)斜面的要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)造型。

5 數(shù)學(xué)模型的建立

1）推土機(jī)鏟刀升降模型的建立。

推土機(jī)斜面造型模型建立如圖4 所示。推土機(jī)在水平面上進(jìn)行土料搬運(yùn)，當(dāng)鏟刀到達(dá)斜面起點(diǎn)B 時(shí)，鏟刀開(kāi)始提升。推土機(jī)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，鏟刀繼續(xù)提升，當(dāng)履帶前端到達(dá)起點(diǎn)B，鏟刀提升終止，鏟刀開(kāi)始下降。

如圖5 所示，當(dāng)履帶后端到起點(diǎn)E 時(shí)，鏟刀下降結(jié)束。在任意時(shí)刻，如果鏟刀沒(méi)有土料，駕駛員控制推土機(jī)后退重新搬運(yùn)土料重復(fù)進(jìn)行以上動(dòng)作。

根據(jù)圖4 所示，當(dāng)造型斜面角度為α，履帶前端點(diǎn)和斜面起始點(diǎn)重合，鏟刀提升角度為δ 時(shí)，可得：

圖4 斜面造型鏟刀提升終點(diǎn)模型

圖5 斜面造型鏟刀下降終點(diǎn)模型

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

式中：LOD為鏟刀動(dòng)作鉸接點(diǎn)到鏟刀底面的距離；LOB為鏟刀動(dòng)作鉸接點(diǎn)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(shí)履帶前端到鏟刀的距離；LCD為造型時(shí)鏟刀動(dòng)作的距離。

式中：LOC為履帶底面前端到鏟刀底面的距離。

根據(jù)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(jù)圖6 所示，得：

式中：η 為推土機(jī)推平時(shí)的鏟刀對(duì)應(yīng)角度；LMN為推土機(jī)推平時(shí)升降液壓缸長(zhǎng)度。

式中：LMP為履帶前端點(diǎn)和斜面起始點(diǎn)重合時(shí)液壓缸長(zhǎng)度；ε為履帶前端點(diǎn)和斜面起始點(diǎn)重合時(shí)刻對(duì)應(yīng)的角度。

圖6 鏟刀動(dòng)作數(shù)學(xué)模型圖

式中：LMP為如圖5 位置時(shí)對(duì)應(yīng)的升降液壓缸的長(zhǎng)度；ΔL 為液壓缸縮短的最大長(zhǎng)度。

圖7 鏟刀升降角度與造型角度關(guān)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(jī)前進(jìn)的速度；ts為造型時(shí)提升鏟刀的時(shí)間。

式中：Qs為速度為v、提升鏟刀時(shí)流量大小。

式中：Sw為升降液壓缸無(wú)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(jī)履帶長(zhǎng)度；tj為鏟刀下降時(shí)間。

式中：Qj為速度為v、鏟刀下降時(shí)流量大小。

式中：Q 為流體流量；C 為流量系數(shù)；ΔP 為比例閥進(jìn)出口壓力差；A 為比例閥開(kāi)口橫截面積。

式中：k 為截面系數(shù)；I為控制器輸出電流；m 為門(mén)檻值。

假設(shè)電磁比例閥開(kāi)口面積和電流大小成線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系。由式（14）、式（15）可以求得

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）、式（4）組成方程組，解出鏟刀提升角度

將假設(shè)參數(shù)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(guān)系，如圖7 實(shí)線(xiàn)所示，定義造型角度最大為π/6。將公式理想化為圖中虛線(xiàn)：

假定鏟刀底面和履帶底面處于同一水平面時(shí)，定義液壓缸為初始長(zhǎng)度，假設(shè)以下參數(shù)：

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

根據(jù)式（8）、式（9）、式（10）可以得出造型斜面鏟刀提升時(shí)流量大小與造型角度和車(chē)體速度之間的關(guān)系并進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，得如下關(guān)系式為：

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

在負(fù)載敏感系統(tǒng)中，ΔP、C、k、m 為常數(shù)，ρ 為密度，式（21）可以簡(jiǎn)化為：

式中a 和b 為常數(shù)。

平面造型時(shí)，α=0，I=0，得b=0，當(dāng)以v=3 m/s，造型角最大時(shí)，即α=π/6 時(shí)需電流最大，比例閥有效寬度假設(shè)為0.5 A，可以得出a=177，門(mén)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(jù)式（11）、式（12）、式（13）可以得出造型斜面鏟刀下降時(shí)流量大小與造型角度和車(chē)體速度之間的關(guān)系并進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，得關(guān)系式為：

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

鏟刀下降過(guò)程中，對(duì)式（25）求解原理與式（21）相同?？梢缘玫剑?/p>

式中，α＝［0，π/6］，v=［0，3］。

根據(jù)式（23）、式（26），在MATLAB 中得到推土機(jī)在造型時(shí)鏟刀提升和下降電流變化規(guī)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(shí)電流和速度關(guān)系曲線(xiàn)。

圖8 提升電流與速度和造型角度關(guān)系

圖9 下降電流與速度和造型角度關(guān)系

6 基于可編程控制器CODESYS程序編寫(xiě)研究

根據(jù)式（23）、式（26）電流與角度、速度之間的關(guān)系，用CODESYS編程軟件編寫(xiě)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(guān)系

圖11 造型角度30°電流—速度關(guān)系

圖12 主體程序結(jié)構(gòu)框圖

對(duì)程序進(jìn)行研究仿真運(yùn)行，采用勻加速的速度信號(hào)，得到特定造型角度15°、30°時(shí)的鏟刀升、降電流與速度的關(guān)系曲線(xiàn)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(jì)算（如圖10、11 所示）相符合，仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)從理論上完全可行。

圖13 造型角度15°和30°時(shí)電流—速度關(guān)系

7 結(jié)語(yǔ)

本文主要設(shè)計(jì)研究造型推土機(jī)智能造型控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)推土機(jī)功能進(jìn)行深入研究，并且大膽假設(shè)部分參數(shù)和簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)模型，從理論上得出電流與速度和角度的關(guān)系?；贑ODESYS 編程軟件對(duì)電流與速度和角度的關(guān)系進(jìn)行仿真研究分析，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)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(chǎn)線(xiàn)運(yùn)料車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011（7）：115-118.

［2］吳麗.可編程控制器基礎(chǔ)與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.