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                        基于DSP芯片的挖掘機液壓驅動自動控系統設計

                        添加時間:2018/07/28 來源:中小企業管理與科技 (中旬刊) 作者:韋贊洲
                        傳統的液壓挖掘機不能滿足人們對地下資源、海底宇宙空間等場合下的開發利用, 也不能滿足人們對環境使用性作業, 以及對不斷提高生產率的要求。這就要求實現挖掘機的智能化控制, 代替駕駛員的人工操作, 使人們擺脫簡單、繁重的勞動。
                          以下為本篇論文正文:

                          摘要:分析了液壓挖掘機組成、工作原理及液壓驅動系統。采用基于DSP芯片的控制系統和模糊自整定PID算法, 實現了挖掘機工作裝置自動控制。該控制系統具有較高的控制精度和良好的操縱性, 提高了作業效率和施工精度, 減輕了駕駛員的勞動強度。

                          關鍵詞:挖掘機工作裝置; 自動控制; 電控單元; 模糊自整定PID;

                          Abstract:The paper analyzes the composition, working principle and hydraulic driving system of hydraulic excavator. The automatic control of the excavator working device is realized by using the control system based on DSP chip and the fuzzy self-tuning PID algorithm, which has higher stability and accuracy. The operation efficiency and construction precision are improved, and the operation intensity of the driver is reduced.

                          Keyword:excavator working device; automatic control; electronic control unit; fuzzy self-tuning PID;

                          1、引言

                          傳統的液壓挖掘機不能滿足人們對地下資源、海底宇宙空間等場合下的開發利用, 也不能滿足人們對環境使用性作業, 以及對不斷提高生產率的要求。這就要求實現挖掘機的智能化控制, 代替駕駛員的人工操作, 使人們擺脫簡單、繁重的勞動。

                          近些年, 單純液壓控制已不能滿足整機性能的要求, 智能技術正越來越多的應用于液壓挖掘機傳動系統控制。智能控制就是在常規控制理論基礎上, 吸收人工智能、模糊數學、計算機科學、運籌學等其他學科中的新思想和新方法, 對被控對象實現期望的控制。電液比例數字控制技術可以有效地提了整機控制效果和自動化程度。人工智能等先進的控制方法的運用, 解決了挖掘機軌跡控制問題, 提高整機控制技術的水平, 促進智能控制技術在工程機械領域的應用, 推動了液壓挖掘機機電一體化技術的發展[1]。

                          本文介紹的挖掘機工作裝置控制系統采用DSP芯片, 實現了挖掘機工作裝置的自動控制。系統具有較高的控制精度和良好的操縱性[2]。

                          2、挖掘機驅動系統及工作原理

                          2.1、液壓挖掘機組成及工作原理

                          液壓挖掘機由發動機系統、液壓系統、電氣系統、工作裝置、行走裝置、覆蓋件、回轉系統以及駕駛室等部件組成, 如圖1所示。

                        圖1 液壓挖掘機構成
                        圖1 液壓挖掘機構成

                          根據杠桿原理, 由液壓缸推動動臂、斗桿和鏟斗各構件之間相對旋轉運動, 從而實現人為控制液壓挖掘機實現挖掘和卸料動作。

                          2.2、液壓驅動系統

                          挖掘機液壓系統是按照挖掘機工作裝置和傳動機構的要求, 把各種液壓元件用管路連接起來組成的。目前國內大多采用負流量控制、全功率調節。液壓系統包括電磁比例閥、換向閥、液壓馬達、泵、連接管路等。主控閥為中位開式六位三通式, 主泵為雙聯軸向變量柱塞泵, 排量為108cc。主液壓回路溢流閥壓力設定為31.8MPa。工作裝置控制閥是八個閥芯的片式閥。另外還有液壓馬達、油缸等液壓元件。

                          電磁比例先導閥在電控系統作用下動作, 使主控閥動作, 推動液壓缸伸出或者縮進, 實現對挖掘機工作裝置的電控操縱。采用電磁比例先導閥代替手動先導閥, 控制多路換向閥中閥芯的移動, 實現先導操縱。電磁比例閥工作口的最高壓力為4.2MPa, 流量為20l/min, 電磁比例閥的最低壓力通過設定閥的背壓來調節。

                          3、電控系統硬件設計

                          該電控系統以DSP數字信號處理器作為核心控制單元。該芯片是目前市場上最強大的32位定點芯片。具有強大的事件管理和嵌入式控制功能。DSP的型號為TMS320LF2407A。片內具有2組×8路16位PWM輸出, 可以滿足挖掘機電磁比例閥驅動控制的要求。32K×16的FLASH EEPROM, 作為程序存儲器, 可以實現各種信號的記錄和存儲;2組×8路10位A/D轉換器, 可以實現主泵的壓力、液壓油溫等模擬信號的采集和處理;具有控制器局部網通信接口 (簡稱CAN總線) , 支持SAE J1939通信協議, 支持發動機、控制器以及顯示器之間的數據通信。挖掘機電控系統硬件結構如圖2所示。

                        圖2 挖掘機電控系統硬件結構原理圖
                        圖2 挖掘機電控系統硬件結構原理圖

                          4、軟件設計及算法

                          由于挖掘機作業工況復雜, 挖掘機特征參數結構隨著負載變化而發生變化[3], 普通的控制方法很難取得理想的控制效果。為了實現挖掘機工作裝置運行軌跡的準確控制, 本文采用了模糊自整定PID控制算法。在常規PID算法的基礎上, 計算當前的誤差e和誤差變化率ec, 利用模糊控制規則進行模糊推理, 查詢模糊矩陣表, 對PID參數進行在線調整。

                          將挖掘機工作裝置軌跡控制系統中角度傳感器測量的實際轉角與給定的轉角值相比較, 獲得角度誤差e和誤差變化率ec, 將變化范圍定義為模糊集上的論域。模糊集合為e, ec={NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}

                          負大、負中、負小、零、正小、正中、正大分別表示集合中的元素?梢约僭OKP、Kd、Ki和e, ec服從正態分布, 由此得到各模糊子集的隸屬度。根據專家知識和實際操作經驗, 修正KP、Kd、Ki三個參數。應用各模糊子集的隸屬度賦值和各參數模糊控制模型, 設計PID修正參數的模糊矩陣表, 通過模糊推理, 查表獲得修正參數, 代入下列表達式中。

                        表達式

                          根據經驗, 獲得PID的初始整定參數。在線運行過程中, 通過對模糊邏輯規則結果的處理、查表和運算, 在線自校正PID參數。

                          5、工作裝置自動控制試驗研究

                          在實際斜坡修整作業操作過程中, 為了能達到較好的效果, 需要操作機手具有豐富的實際操作經驗。利用開發的挖掘機電控系統, 對斜坡修整作業軌跡進行自動控制試驗研究, 試驗過程中斜坡修整作業3m。試驗結果如圖3所示。

                        圖3 邊坡修整試驗結果
                        圖3 邊坡修整試驗結果

                          從圖中可以看出, 采用挖掘機工作裝置自動控制系統, 斜坡修整作業曲線軌跡比較平滑。試驗結果表明, 開發的挖掘機工作裝置自動控制系統能夠滿足實際作業的要求。

                          6、結論

                          本文分析了液壓挖掘機組成、工作原理及液壓驅動系統, 采用DSP芯片作為核心電控單元的控制系統以及模糊自整定PID算法, 實現了挖掘機工作裝置控制的智能化、自動化, 精度高、穩定性好, 整機控制效果良好, 提高了作業效率和施工精度, 減輕了駕駛員的作業強度。

                          參考文獻
                          [1]劉征.新型正鏟挖掘裝置動力學分析與控制器設計[D].秦皇島:燕山大學, 2015.
                          [2]曹宇.新型正鏟挖掘機構的構型和設計方法[D].秦皇島:燕山大學, 2014.
                          [3]王飛.新型正鏟液壓挖掘機工作裝置的結構優化設計[D].秦皇島:燕山大學, 2014.

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