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中文 譯文 隨車液壓起重機(jī)的控制 摘 要 ： 本文主要是描述隨車液壓起重機(jī)的控制過程。 這篇論文分為五個(gè)部分：需求分析，液壓系統(tǒng)以及存在的問題的分析， 不同結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同問題的分析，基于更加先進(jìn)復(fù)雜電液比例控制閥的新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)的分析。 本文的研究工作是和實(shí)際的工業(yè)相結(jié)合的，比純粹的研究理論更有意義。 關(guān)鍵字 ： 隨車液壓起重機(jī)，控制策略，電液比例控制閥 本文主要敘述的是對(duì)隨車起重機(jī)控制系統(tǒng)的改進(jìn)方法 隨車汽車起重機(jī)可以看成是一種大型柔性控制機(jī)械結(jié)構(gòu) 。 這種控制系統(tǒng)把操作人員的命令由機(jī)械結(jié)構(gòu)變?yōu)閳?zhí)行動(dòng)作。 這樣定義這種控制系統(tǒng)是為了避免在設(shè)計(jì)它事產(chǎn)生模糊的思想這是一種通過人的命令把能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械動(dòng)作的控制系統(tǒng) 。 本文所寫的就是這種控制系統(tǒng)。以這個(gè)目標(biāo)為指導(dǎo)方針來(lái)分析怎樣設(shè)計(jì)出新的控制系統(tǒng)。 文章分為五個(gè)部分： 強(qiáng)度，高效性，穩(wěn)定性，安全性。 同的操作方式，不同的控制方法，不 同的組織結(jié)構(gòu)。 效率，易控制等的比較好的 控制系統(tǒng)。它將成為 今后研究的比較經(jīng)濟(jì)高效的一種方案。 2. 論文部分 控制系統(tǒng)必備條件的分析 在一種新的操作系統(tǒng)開始正式投入工作之前，對(duì)這種控制系統(tǒng)據(jù)有嚴(yán)格的要求。對(duì)控制系統(tǒng)的影響有很多因素。例如：機(jī)械結(jié)構(gòu)的可實(shí)行性因素，可操作性因素，效率因素，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 工業(yè)需求必須放在第一位。這與在控制系統(tǒng)中導(dǎo)管破裂保護(hù)和超載保護(hù)有同等的地位。其次穩(wěn)定性要求也很重要；系統(tǒng)不穩(wěn)定就沒法正常工作。一旦穩(wěn)定性要求得以確定，控制系統(tǒng)性能要求就可以進(jìn)一步確定。機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了起重機(jī)的可操作性。機(jī)械機(jī)構(gòu)是隨車起 重機(jī)中可以往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)固有頻率低的大型柔性結(jié)構(gòu)。 為了防止起重機(jī)振動(dòng)，必須使起重機(jī)在固有頻率下工作，或者提高起重機(jī)的固有頻率。如果它的固有頻率太低或者太高，操作人員將無(wú)法給它進(jìn)行操作。最后傳動(dòng)效率可以在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定性，執(zhí)行機(jī)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上得到最優(yōu)的方案。 目前這種控制系統(tǒng)的分析 在設(shè)計(jì)一種新的起重機(jī)之前，研究目前起重機(jī)存在的問題是很有必要的。當(dāng)前液壓隨車起重機(jī)主要存在以下三個(gè)問題： 穩(wěn)定性 不穩(wěn)定性是一個(gè)嚴(yán)重問題，他可能會(huì)損傷操作人員或者會(huì) 是設(shè)備受到毀壞。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)通常產(chǎn)生嚴(yán)重振動(dòng)。為了消除當(dāng)前系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)人員既花費(fèi)了很多時(shí)間來(lái)研究又花費(fèi)了很多財(cái)力設(shè)計(jì)出更加復(fù)雜的機(jī)構(gòu)。如圖 1所示為一種起重機(jī)，它適合于在高速下工作。但是為了可以安全的工作必須合理控制其運(yùn)行速度。要提高它的控制速度又必須增加更加昂貴復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。 液壓系統(tǒng)的參數(shù)，如溫度或壓力同樣影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一個(gè)參數(shù)合理的液壓系統(tǒng)比一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)不合理的液壓系統(tǒng)穩(wěn)定，為了使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，有時(shí)必須降低次要的參數(shù)值。 經(jīng)濟(jì)性 目前的液壓系統(tǒng)是純液壓的機(jī)械系統(tǒng)，因 此如果用戶想實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，他就必須買一個(gè)能使現(xiàn)這個(gè)功能的液壓機(jī)械組件。因?yàn)榇蠖鄶?shù)用戶又不同的使用要求，要求同一個(gè)設(shè)備可以進(jìn)行升級(jí)。這就意味著這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備可以人為的改造，這就增加了組件升級(jí)費(fèi)用。 效性 液體在液壓系統(tǒng)的兩個(gè)液壓缸之間流動(dòng)時(shí)效率較低。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)液壓閥都是用一個(gè)閥心來(lái)控制兩個(gè)節(jié)流口，由于這個(gè)鏈接不可能使閥芯兩側(cè)的壓力相等，因此在流出端就產(chǎn)生一個(gè)與液流方向相反的背壓力，同時(shí)也增加了流入端的壓力。由激勵(lì)源產(chǎn)生的這個(gè)背壓力與閥芯兩端的壓力差成正比的，給油缸的實(shí)際壓力沒有被有效的作用在油 缸上。例如，給液壓缸的壓力為 100060000 。無(wú)論如何，這樣的話，提供的電量必須高于有效電量，這些額外的電量就被白白的浪費(fèi)了 制系統(tǒng)不同的控制方法 目前主要用電液比例控制閥來(lái)控制液壓閥的運(yùn)動(dòng)。然而對(duì)控制筒有不同的控制方法。 電液比例控制閥對(duì)閥的關(guān) /開，公共汽車系統(tǒng)，電源的智能激勵(lì)，泵的調(diào)節(jié)方案控制精度都較高。必須對(duì)這種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，找出合理的方案。 期方案 即使這種十分新的系統(tǒng)最佳外形的布局已經(jīng)得以證明是可行的，但是起重機(jī)制 造商和配件商還不能立刻就接受這種技術(shù)。這是一個(gè)漸進(jìn)的過程，所以提出了一種臨時(shí)解決的方案。 這種方案是由微型計(jì)算機(jī)和升縮機(jī)構(gòu)組成。這種離合閥可使這種更加高效穩(wěn)定的執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。微型計(jì)算機(jī)可以對(duì)閥進(jìn)行柔性控制?？梢园堰@些變量編入軟件。這樣就消除了制造商許許多多不同的變量問題。起重機(jī)制造廠家可以根據(jù)產(chǎn)品功能選擇不同型號(hào)的液壓閥。配件商也將不得不生產(chǎn)這種型號(hào)的閥，這樣不僅降低了制造成本，而且使起重機(jī)的性能得到提高。 高效方案的分析 這種分析依賴于不同布局結(jié)果，液壓泵控制的區(qū)域決定將要用的控制方法， 再依次對(duì)這個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析。不同的區(qū)域?qū)⒂貌煌姆椒ㄌ接?，用不同的刀具位置控制? 3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 本文的中心是研究發(fā)展中的經(jīng)濟(jì)型機(jī)械控制方案的可實(shí)現(xiàn)問題，更多重點(diǎn)是先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果由兩種方法獲得。第一種是通過研究單自由起重機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)獲得，第二種是通過研究一臺(tái)由丹麥一家起重機(jī)廠送給英國(guó)的一所軍校的起重機(jī)獲得。如圖 1 所示 圖 1系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái) 左：?jiǎn)巫杂啥绕鹬貦C(jī)模型 右：隨車起重機(jī)實(shí)物 雖然目前這種升縮分離機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)商中沒有被普遍接受，但是兩分離閥將會(huì)被逐漸取代。如圖 2所示是一種幅度 它是通過數(shù)字信息處理器 /奔騰雙信息處理器運(yùn)行程序來(lái)控制液壓閥的。由數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)行控制代碼，奔騰處理器來(lái)判斷并提供圖形用戶界面。 4. 當(dāng)前工作 線軸流控法 當(dāng)今市場(chǎng)常見的直線流控器都需要壓力補(bǔ)償。壓力補(bǔ)償器可以使閥芯突然受壓時(shí)保持恒定的壓力。但是新增加的壓力補(bǔ)償器會(huì)使閥的結(jié)構(gòu)比簡(jiǎn)單的隨動(dòng)閥更加復(fù)雜。另一種解決方法是用流控器測(cè)量閥的壓力降來(lái)調(diào)整閥芯的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種想法雖然簡(jiǎn)單，但是由于壓力傳感器和微控器的費(fèi)用比較高，想普遍運(yùn)用于商品上是很難的。然而目前這種利用微控器和壓力傳感器的思想對(duì)于生產(chǎn)商 來(lái)說是可以接受的。 雖然依據(jù)方程來(lái)看很簡(jiǎn)單，但是要實(shí)現(xiàn)卻很難。流控器的位置精度取決于位置傳感器的精度壓力傳感器的精度。噪聲會(huì)影響位置傳感器和壓力傳感器的穩(wěn)定性。采用延時(shí)控制可以消除影響穩(wěn)定性的噪聲，這樣，超過閥的運(yùn)行范圍的特征值用就不能用柏努力方程計(jì)算，應(yīng)用更復(fù)雜的方程來(lái)計(jì)算。 圖 3 起重機(jī)工作的不同情形 圖 2升縮分離機(jī)構(gòu) 壓缸控制方法 根據(jù)不同的受力方向和速度方向這種液壓缸有四種工作情形。如圖 3所示： 多數(shù)是普通的隨動(dòng)液壓閥，它這種控制方法已經(jīng)在文獻(xiàn)中可以找到，依靠一般的測(cè)量法測(cè) 液壓缸的速度位移相當(dāng)復(fù)雜。它們也需要相當(dāng)復(fù)雜的運(yùn)算法則來(lái)控制。本文主要分析基于簡(jiǎn)單的 種系統(tǒng)的控制方法比復(fù)雜的控制方法簡(jiǎn)單得多，由于它不需要特殊的傳感器而且容易被大多數(shù)工程師理解所以比較容易被廠商采用。 在設(shè)計(jì)一種控制方法時(shí)另一種特別的控制方法也需要了解，它也是液控中常用的一種方法。移動(dòng)液壓閥要求低泄漏，以前的液壓閥大們通常有很大的交迭。然而，使生產(chǎn)商能夠接受的這種線軸式液壓缸的驅(qū)動(dòng)性能相當(dāng)慢。這種具有很大交迭的重合以及激發(fā)很慢的液壓閥很難滿足現(xiàn)在的要求 。交迭和較慢的驅(qū)動(dòng)使壓力控制變得相當(dāng)困難。 新的控制方法可以用一個(gè)例子清楚簡(jiǎn)單的描述出來(lái)。從入口端實(shí)行流控制，出口端就實(shí)現(xiàn)液壓力。流控制符合柏努力方程。液壓控制過程中 減壓控制器 維持較小的壓力來(lái)提高效率并且可以防止氣穴現(xiàn)象。這些都是為了解決大交迭和較低的驅(qū)動(dòng)所做的工作，壓力控制器僅僅能排除控制中的一點(diǎn)問題。這就意味著如果控制人員想提高壓力，卻不能使液壓缸移動(dòng)，只能夠降低控制口的開口量。這樣做的作用只能使操作人員想改變活塞的方向時(shí)使它準(zhǔn)時(shí)脫離零位。這種情況下外力方向和活塞運(yùn)動(dòng)仍然不能改變，這種方式需要改進(jìn)。既 然這樣，需要壓力控制器在出口變大時(shí)提供與外力方向相反的有用壓力，當(dāng)已知入口端的壓力下降的時(shí)候，它可以增加與外力相反的壓力。這個(gè)壓力也受 圖 4所示就是是一個(gè)這種控制系統(tǒng)的控制模型結(jié)構(gòu)。 在寫本文的時(shí)候這種控制的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在圖 1所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成了，由于起重機(jī)上安裝了載荷單向閥，所以穩(wěn)定性沒有達(dá)到要求。然而，用液壓?jiǎn)蜗蜷y取代這種載荷單向閥，可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定。在液壓系統(tǒng)中，載荷閉式閥可以實(shí)現(xiàn)超載保護(hù)和卸載保護(hù)兩種功能。由于在這種控制方法中使用伸縮閥機(jī)構(gòu)對(duì)卸載保護(hù)很起作用，因此在起升機(jī)構(gòu)中很有必要 使用有這種功能的單向閥。一個(gè)操作單向閥的駕駛員可以做這一點(diǎn)，沒有增加復(fù)雜的動(dòng)力來(lái)阻止起重機(jī)的傾。安裝了這種單向閥，起重機(jī)操作人員不需要再增加更復(fù)雜的外力來(lái)防止起重機(jī)產(chǎn)生傾翻。 5. 結(jié)束語(yǔ) 即使沒有大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，但是實(shí)驗(yàn)還是完成了，一個(gè)好的開始是成功的一半。這個(gè)論文題的大輪闊已經(jīng)確定，它是有意義而且合理的。這個(gè)工作分為需求分析、目前的系統(tǒng)分析、不同布局分析、近期的解決辦法的分析和最優(yōu)解決方案的發(fā)展趨勢(shì)分析五個(gè)部分。在本論題的最后，液壓隨車起重機(jī)的控制模將會(huì)被修改。 隨車液壓起重機(jī)的軌跡控制 問題描述 這 項(xiàng)方案是根據(jù)如圖 1所示的多自由度隨車液壓起重機(jī)控制問題提出來(lái)的?？刂齐S車起重機(jī)要求操作人員技術(shù)相當(dāng)高，它的操作機(jī)動(dòng)范圍很小。如果可以讓現(xiàn)代的起重機(jī)實(shí)現(xiàn)遙控控制的話，操作人員只需要控制他手中的遙控器就可以控制起重機(jī)把重物放在他要求的任何地方。一個(gè)按鈕控制一個(gè)自由度方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此只需要讓操作人員得到熟練的訓(xùn)練他就可以每次控制更多的按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 1 所示為一臺(tái)隨車液壓裝載起重機(jī)部分液壓系統(tǒng)控制圖實(shí)例 這項(xiàng)工程的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一臺(tái)非熟練操作人員都能夠控制的移動(dòng)式液壓起重機(jī)。操作人員根據(jù)吊具總成 的合成軌跡控制一根操縱桿。這樣不同的自由度就可以同時(shí)被控制。 多數(shù)隨車液壓起重機(jī)的結(jié)構(gòu)就像圖 1所示的那樣，大多數(shù)都是非常柔性化的，因此當(dāng)受載時(shí)它們就會(huì)彎曲。這樣做可以使起重機(jī)吊重比最低。事實(shí)上吊重頂端位置也是制約控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)偏差的因素。這種問題可以通過一個(gè)好的位置偏差補(bǔ)償控制系統(tǒng)解決，這個(gè)系統(tǒng)還可以消除操作初期結(jié)構(gòu)上發(fā)生的擺動(dòng)。 繼續(xù)使結(jié)構(gòu)軌跡偏差補(bǔ)償控制系統(tǒng)在起重機(jī)上進(jìn)一步發(fā)展，起重機(jī)的裝載能力將可以大大得到提高。當(dāng)這種在起重機(jī)里的擺動(dòng)可以被控制系統(tǒng)抑制的方法能夠得到充分證明，在一個(gè)長(zhǎng)的期限里可 能有一個(gè)吊具總成 圖 2 測(cè)試起重機(jī)圖片 降低動(dòng)力學(xué)安全系數(shù)的機(jī)會(huì)。這將使起重機(jī)生產(chǎn)商和用戶節(jié)省一大筆費(fèi)用。 方案內(nèi)容 現(xiàn)以一臺(tái)如圖 2 所示的 80隨車液壓起重機(jī)來(lái)分析這些問題。在這臺(tái)起重機(jī)的不同位置安裝了傳感器來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)上的不同參數(shù)值，它們都是一些起重機(jī)上很重要的不同連接位置的壓力、流量、應(yīng)變參數(shù)值。實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以證實(shí)起重機(jī)性能，所以可以通過精確的模型來(lái)測(cè)試起重機(jī)的性能。為了使所含蓋的幾個(gè)問題能夠描述得更清楚，這些問題被簡(jiǎn)略的表述如下： 1. 分析系統(tǒng)要求說明書 系統(tǒng)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)分析已被完成?；谙到y(tǒng)的這種要求連同確保系統(tǒng)的執(zhí)行的 檢驗(yàn)程序?qū)⒈涣腥肭鍐巍? 2. 機(jī)械子系統(tǒng)模型 許多技術(shù)模型已經(jīng)存在，因此這些部件包括研究明確的模型局部動(dòng)力學(xué)的表達(dá)方法。機(jī)械子系統(tǒng)的分析與局部模型偏差的詳細(xì)分析相同。這樣做是為了使計(jì)算的有效性能夠明確表達(dá)出來(lái)，同時(shí)使系統(tǒng)的動(dòng)作在控制過程中能夠十分精確?；谶@種非常有前景的用公式表示一個(gè)數(shù)學(xué)子系統(tǒng)模型的方法已經(jīng)完成，它將從起重機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得到校驗(yàn)。 3. 液壓子系統(tǒng)模型 跟機(jī)械子系統(tǒng)建模一樣，液壓子系統(tǒng)模型由液壓泵、不同的液壓閥、激勵(lì)源和液壓導(dǎo)管組成。然而，并不是這些都要建模，只是那些對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)部件 影響比較大的成分才建模。液壓子系統(tǒng)模型也需要用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)證明。除此之外是否在對(duì)偏差進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)中用了比重比較大的電液比例控制閥都必須被分析，即對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)進(jìn)行分析?；谏鲜鲂拚?，對(duì)液壓系統(tǒng)如果有必要都要做。 起重機(jī)相對(duì)于底部有一個(gè)可以操作的特定空間，即吊具總成能達(dá)到的范圍。這是公認(rèn)的起重機(jī)工作范圍。有的部位要通過不同的路線才可以達(dá)到。因此有必要在這些區(qū)域確定最佳的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。有不同的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，習(xí)慣上用起重機(jī)上總負(fù)荷的最小值，也就是在臨界狀態(tài)點(diǎn)的最小壓力值。為了 做這個(gè)重要的結(jié)構(gòu)壓力分析，基于實(shí)現(xiàn)這個(gè)運(yùn)算法則的控制系統(tǒng)將進(jìn)一步得到發(fā)展。 為了實(shí)現(xiàn)起重機(jī)結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)補(bǔ)償，需要知道起重機(jī)承受的有效載荷。因此，有必要進(jìn)行不同的載荷在線可能情況分析，這樣就可以判斷哪一個(gè)傳感器需要進(jìn)行載荷復(fù)合鑒定。基于這種鑒定方案分析，可以實(shí)現(xiàn)最終的運(yùn)算法則。 6. 控制運(yùn)算法則的發(fā)展 基于這種機(jī)械液壓子系統(tǒng)模型，一種吊具總成位置軌跡控制的控制規(guī)律將會(huì)得到發(fā)展。這種控制規(guī)律可以保證系統(tǒng)按照吊臂頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)行，并且系統(tǒng)在工作情況下保持穩(wěn)定。這包含在載荷判斷和運(yùn) 動(dòng)學(xué)最佳參數(shù)方案的分析中。 7. 控制系統(tǒng)的執(zhí)行 最后系統(tǒng)的控制規(guī)律已經(jīng)通過仿真試驗(yàn)得出，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)通過處理器或者數(shù)據(jù)信號(hào)處理檢驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物了，即測(cè)試起重機(jī)。用這種測(cè)試方法將可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)制定測(cè)試，到測(cè)試結(jié)束的整個(gè)過程。這種測(cè)試技術(shù)還可以對(duì)一些典型系統(tǒng)進(jìn)行控制。 外文文獻(xiàn) F . 01 he of in is to of is a an of an of of a on an of be in of be in so of an a 1 he of in is to of A be of as a is by of a of of is in to on of a of a of to a of It is is of is to on of be 1. of of of 2. of 3. of of of of 4. of a of is A of in 5. of be be a 2 F of on it is to on is by it is to be a of on is t be of to be by of of a is a to of or to a on If is or it is a to it is is at of to be a it is to to 1. . . is a as it to or to a it to To in or in , it be to to to is To a of a as or A is of be To of be at of so if a a of be up of ne of in is to of of is a to in of it is to in of a in to of on to by is to in t of of 00be 000600in to is to a to to to in to to be if is to be t is if it is a is so an be be up of n / 997; 1990; 997). it to it to to be in to of be to he in to on of of If it is is to be of be in be is 3 s of is on be on be on be a of as an is a to a . OF s no be A of is . be on a SP do a n / of on a 997). a of of a a of is to to 990). is a of of in of is is is is a it is to of is on of of on or in In is of so it be to as a or a o a to be to on of of . he in on of 997; 997). on It is of to a is on I no of of be a it be to it no is to to be a is of In to of to on is of it to of is an a of a is is as is on is on is on is I a to To if to it t to it of of is to is to of of in to be In of at is to a is it is of is is by a PI A of is . At of on . is a be a val