基于全局功率匹配的液压挖掘机节能控制系统研究

【摘要】：随着能源短缺以及液压挖掘机规模的急剧增长，液压挖掘机作为大功率、高能耗设备，节能性研究是必须的，而节能性的好坏直接影响液压挖掘机的经济性和可靠性。现今，控制技术的快速发展，为液压挖掘机节能控制的实现提供了软硬件基础。针对液压挖掘机功率匹配不当，本课题提出了一种基于全局功率匹配的液压挖掘机节能控制系统方案，课题主要内容有以下几方面： 首先，分析了液压挖掘机的主要的功率损失，研究了柴油机和液压泵的特性及控制目标，设计了液压挖掘机节能控制系统的总体方案。 其次，针对液压挖掘机的模型复杂，利用了MATLAB/Simulink/Simscape工具箱建立模型，设计了模糊自整定PID控制器，与普通PID相结合，利用MATLAB对建立的模型进行了控制系统仿真。仿真表明，当工况变化时，该控制方法较单纯模糊自整定PID控制，调节时间短，超调小，抗干扰好，控制效果更好。 再次，设计了基于xPC Target环境的双机系统的半物理仿真实验平台的硬件和软件。硬件方面，以飞思卡尔MC9S12XEQ512MAL单片机为控制器核心设计了外围电路，包括电源模块、时钟模块、数据采集模块、信号处理模块、D/A转换模块等。软件方面，在CodeWarrior Development Studio for S12(X) V5.0集成开发环境下，针对控制要求，对相关寄存器设置，通过模块化设计方法完成了软件设计，包括初始化模块、数据采样处理模块、A/D转换模块、控制算法处理模块、D/A芯片驱动模块等。并将液压挖掘机的实验模型通过MATLAB/Simulink/RTW生成快速原型化的C代码。 最后，在基于xPC Target环境的双机系统的半物理仿真实验平台上进行系统在线运行调试，完成系统试验。结果表明，本方案实现了预期效果，可行性较高，对液压挖掘机节能控制系统的研究具有一定实际意义。 【关键词】：液压挖掘机 MC9S12XE系列单片机 模糊控制 Simscape CodeWarrior xPC Target
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU621;TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-16
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义11-12
• 1.2 国内外液压挖掘机节能研究状况12-15
• 1.2.1 国外液压挖掘机节能研究状况12-13
• 1.2.2 国内液压挖掘机节能研究状况13-15
• 1.3 本文的主要研究内容15-16
• 第2章 液压挖掘机节能控制总体方案设计16-26
• 2.1 引言16
• 2.2 液压挖掘机的功率损失16-17
• 2.3 柴油机的特性研究17-21
• 2.3.1 柴油机的负荷特性研究18-19
• 2.3.2 柴油机的速度特性研究19
• 2.3.3 柴油机的调速特性研究19-20
• 2.3.4 柴油机的万有特性研究20-21
• 2.4 液压泵输出特性21
• 2.5 液压挖掘机全局功率匹配原理21-23
• 2.5.1 柴油机与液压泵之间的匹配22-23
• 2.5.2 液压泵与负载之间的匹配23
• 2.6 液压挖掘机全局功率匹配节能控制总体方案23-25
• 2.6.1 总体方案设计24-25
• 2.6.2 工作模式选择25
• 2.7 本章小结25-26
• 第3章 液压挖掘机节能控制系统仿真与分析26-43
• 3.1 引言26
• 3.2 动力系统的建模26-30
• 3.2.1 柴油机的建模27-29
• 3.2.2 动力传动系统环境模块29-30
• 3.3 动力传动轴与机械旋转元件连接模块30-31
• 3.4 液压泵建模31-32
• 3.5 液压执行机构建模32-34
• 3.6 液压挖掘机节能控制系统仿真34-42
• 3.6.1 常规 PID 的控制原理34-35
• 3.6.2 模糊控制简介35-36
• 3.6.3 模糊自整定 PID 控制36
• 3.6.4 液压挖掘机功率匹配节能模糊自整定 PID 控制策略36-37
• 3.6.5 液压挖掘机功率匹配模糊自整定 PID 控制器的设计37-39
• 3.6.6 液压挖掘机功率匹配节能控制系统仿真39-40
• 3.6.7 仿真结果分析40-42
• 3.7 本章小结42-43
• 第4章 液压挖掘机节能控制半物理仿真平台硬件设计43-51
• 4.1 引言43
• 4.2 xPC Target 硬件在环仿真实验平台设计43-44
• 4.3 液压挖掘机节能控制半物理仿真实验平台硬件总体框图44-45
• 4.4 飞思卡尔 MC9S12XEQ512 单片机最小系统45-47
• 4.5 电源电路设计47-48
• 4.6 数据采集模块48
• 4.7 A/D 和 D/A 转换模块48-50
• 4.8 本章小结50-51
• 第5章 控制器软件设计与系统试验51-62
• 5.1 引言51
• 5.2 CodeWarrior IDE 集成开发环境简介及工程建立51-53
• 5.2.1 CodeWarrior IDE 集成开发环境简介51-52
• 5.2.2 CodeWarrior IDE 工程建立52-53
• 5.3 主程序设计53-54
• 5.4 中断服务子程序设计54-57
• 5.4.1 数据采集子程序55
• 5.4.2 模糊自整定 PID 控制算法处理子程序55-56
• 5.4.3 D/A 转换芯片驱动子程序56-57
• 5.5 系统实验57-61
• 5.5.1 制作 xPC 目标机启动盘57-59
• 5.5.2 液压挖掘机模型代码生成59-60
• 5.5.3 控制器软件代码烧写60
• 5.5.4 系统运行调试60-61
• 5.5.5 实验结论61
• 5.6 本章小结61-62
• 结论62-64
• 附录64-66
• 参考文献66-70
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果70-71
• 致谢71-72
• 作者简介72

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