機(jī)械外文翻譯文獻(xiàn)翻譯隨車液壓起重機(jī)的控制

1、<p><b>　　附錄A 譯文</b></p><p>　　隨車液壓起重機(jī)的控制</p><p>　　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

2、。</p><p>　　關(guān)鍵字：隨車液壓起重機(jī)，控制策略，電液比例控制閥</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　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</p><p>　　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。</

3、p><p>　　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)方針來分析怎樣設(shè)計(jì)出新的控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　文章分為五個(gè)部分：</b></p><p>　　1.分析這種控制系統(tǒng)必須據(jù)有易操作性，高強(qiáng)度，高效性，穩(wěn)定性，安全性。

4、</p><p>　　2.分析目前這種操作系統(tǒng)所存在的問題。</p><p>　　3.從不同的方面分析這種控制系統(tǒng)：不同的操作方式，不同的控制方法，不</p><p><b>　　同的組織結(jié)構(gòu)。</b></p><p>　　4.介紹一種適合于未來工業(yè)的比較經(jīng)濟(jì)的新的控制系統(tǒng)。</p><p>　　

5、5.分析一種據(jù)有高性能，高效率，易控制等的比較好的控制系統(tǒng)。它將成為</p><p>　　今后研究的比較經(jīng)濟(jì)高效的一種方案。</p><p><b>　　2. 論文部分</b></p><p>　　2.1 對(duì)控制系統(tǒng)必備條件的分析</p><p>　　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。

6、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)。</p><p>　　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)。</p>

7、<p>　　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。</p><p>　　2.2 對(duì)目前這種控制系統(tǒng)的分析</p><p>　　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

8、存在以下三個(gè)問題：</p><p><b>　　1.不穩(wěn)定性</b></p><p><b>　　2.不經(jīng)濟(jì)性</b></p><p><b>　　3.低效性</b></p><p>　　2.2.1 不穩(wěn)定性</p><p>　　不穩(wěn)定性是一個(gè)嚴(yán)重問題，

9、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)。</p><p>　　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

10、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。</p><p>　　2.2.2 不經(jīng)濟(jì)性</p><p>　　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。</p>

11、;<p><b>　　2.2.3 低效性</b></p><p>　　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，

12、給液壓缸的壓力為1000psi/1600psi傳到液壓缸時(shí)就只有0psi/600 psi了。無論如何，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</p><p>　　2.3 控制系統(tǒng)不同的控制方法</p><p>　　目前主要用電液比例控制閥來控制液壓閥的運(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

13、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。</p><p><b>　　2.4 近期方案</b></p><p>　　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。</p><p>　　這種方案是由微型計(jì)算機(jī)和升縮機(jī)構(gòu)

14、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。</p><p>　　2.5 更高效方案的分析</p><p>　　這種分析依賴于不同布局結(jié)果，

15、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接懀貌煌牡毒呶恢每刂啤?lt;/p><p><b>　　3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　　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

16、機(jī)廠送給英國的一所軍校的起重機(jī)獲得。如圖1所示</p><p>　　圖1系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái) 左：單自由度起重機(jī)模型 右：隨車起重機(jī)實(shí)物</p><p>　　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-脈沖變換液壓缸，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，奔騰處理器來判斷并提供圖形用戶界

17、面。</p><p><b>　　4. 當(dāng)前工作</b></p><p>　　4.1 直線軸流控法</p><p>　　當(dāng)今市場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)比簡單的隨動(dòng)閥更加復(fù)雜。另一種解決方法是用流控器測量閥的壓力降來調(diào)整閥芯的位置來實(shí)現(xiàn)。這種想法雖然簡單，但

18、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)商來說是可以接受的。</p><p>　　雖然依據(jù)方程來看很簡單，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)雜的方程來計(jì)算。&

19、lt;/p><p><b>　　圖2升縮分離機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　4.2 液壓缸控制方法</p><p>　　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：</p><p>　　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，依靠一般的測量法測液壓缸的速度位移相當(dāng)復(fù)雜。它們也需要相

20、當(dāng)復(fù)雜的運(yùn)算法則來控制。本文主要分析基于簡單的PI控制器和沒有嚴(yán)格速度位移要求的液壓缸的控制方法。這種系統(tǒng)的控制方法比復(fù)雜的控制方法簡單得多，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。</p><p>　　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

21、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。</p><p>　　新的控制方法可以用一個(gè)例子清楚簡單的描述出來。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PI控制器維持較小的壓力來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

22、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PI控制器控制，如圖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)。</p><p>　　在寫本

23、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，用液壓單向閥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

24、加更復(fù)雜的外力來防止起重機(jī)產(chǎn)生傾翻。</p><p><b>　　5. 結(jié)束語</b></p><p>　　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)展趨勢分析五個(gè)部分。在本論題的最后，液壓隨車起重機(jī)的

25、控制模將會(huì)被修改。</p><p><b>　　感謝語</b></p><p>　　感謝 Danfoss Fluid Power A/S為這個(gè)研究提供了部分基金。也感謝Højbjerg Maskinfabrik (HMF) A/S愿意為這種起重機(jī)的測試提供技術(shù)上的支持</p><p>　　隨車液壓起重機(jī)的軌跡控制</p>

26、<p><b>　　問題描述</b></p><p>　　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)控制問題提出來的。控制隨車起重機(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

27、控制更多的按鈕來實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　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</p><p>　　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。</p><p>　　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

28、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)。</p><p>　　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)長的期限里可能有一個(gè)降低動(dòng)力學(xué)

29、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。</p><p><b>　　方案內(nèi)容</b></p><p>　　現(xiàn)以一臺(tái)如圖2所示的HMF 680-4型隨車液壓起重機(jī)來分析這些問題。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)測試可以證實(shí)起重機(jī)性能，所以可以通過精確的模型

30、來測試起重機(jī)的性能。為了使所含蓋的幾個(gè)問題能夠描述得更清楚，這些問題被簡略的表述如下：</p><p><b>　　分析系統(tǒng)要求說明書</b></p><p>　　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?lt;/p><p><b>　　機(jī)械子系統(tǒng)模型</b></p>

31、<p>　　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，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)。</p><p><b>　　液壓子系統(tǒng)模型</b><

32、;/p><p>　　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。</p><p>　　4.分

33、析和標(biāo)準(zhǔn)的解決反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　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。</p><p>

34、;　　5.載荷判斷方案的發(fā)展</p><p>　　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?；谶@種鑒定方案分析，可以實(shí)現(xiàn)最終的運(yùn)算法則。</p><p>　　6. 控制運(yùn)算法則的發(fā)展</p><p>　　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

35、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。</p><p>　　7. 控制系統(tǒng)的執(zhí)行</p><p>　　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，即測試起重機(jī)。用這種測試方法將可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)制定測試，到測試結(jié)束的整個(gè)過程。這種測試技術(shù)還

36、可以對(duì)一些典型系統(tǒng)進(jìn)行控制。</p><p><b>　　機(jī)械化和自動(dòng)化</b></p><p>　　自從18世紀(jì)末工業(yè)革命開始，工業(yè)機(jī)械化進(jìn)程一直在不斷地發(fā)展，并且變得越來越復(fù)雜。但目前的工業(yè)自動(dòng)化過程較以前的工業(yè)自動(dòng)化過程有很大的不同。20世紀(jì)的工業(yè)自動(dòng)化之所以有別于18、19世紀(jì)的機(jī)械化，是因?yàn)闄C(jī)械化僅應(yīng)用于操縱（執(zhí)行）機(jī)構(gòu)，而自動(dòng)化則涉及整個(gè)生產(chǎn)單元中的執(zhí)行和

37、控制兩個(gè)（核心）部分。盡管不是所有的情況，但在大多數(shù)情況下，控制元件依然發(fā)揮著強(qiáng)大的力量，機(jī)械化已經(jīng)代替了手工勞動(dòng)，而自動(dòng)化代替了腦力勞動(dòng)。</p><p>　　機(jī)械化程度的發(fā)展在過去和現(xiàn)在的區(qū)別不是很明顯，而在一端是具有強(qiáng)大辨別和控制功能的餓電子計(jì)算機(jī)，另一端是我們目前所說的“轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)”正如傳輸帶一樣與其他設(shè)備簡單的連接起來。自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也就是說，它能在沒有人干預(yù)和調(diào)整的情況下，自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)或生

38、產(chǎn)過程進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)?，F(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的核心因素就是當(dāng)前人們經(jīng)常提起的反饋（控制），它是以自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，借助于系統(tǒng)偏差與期望之間的偏差來控制，可由自動(dòng)檢測、測量、顯示和校正方法得到。反饋控制應(yīng)用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的大型數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算時(shí)，對(duì)于輸入的復(fù)雜問題，計(jì)算機(jī)通常會(huì)一直運(yùn)行，直到求出與問題匹配的結(jié)果。這或許于我們以前熟知的機(jī)器有很大的差別。同樣的，反饋是我們所熟悉的機(jī)器概念。舊式的蒸汽機(jī)安裝有離心傳感器，控制桿上的兩個(gè)小球不停的繞立

39、軸旋轉(zhuǎn)，氣壓升高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變快，旋轉(zhuǎn)控制器速度增加，使立桿上升，關(guān)閉閥門，切斷蒸汽，從而發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)到合適的速度。</p><p>　　隨著工業(yè)革命的出現(xiàn)，機(jī)械化也隨之產(chǎn)生，由于這時(shí)的機(jī)械化僅局限于單個(gè)生產(chǎn)過程。因此，需要使用人工控制每部機(jī)器及裝卸材料，并把材料從一個(gè)地方運(yùn)到另一個(gè)地方。僅僅在很少的情況下，這些生產(chǎn)過程才能夠自動(dòng)地銜接起來，形成連續(xù)的產(chǎn)品生產(chǎn)線。</p><p>　　一般而

40、言，從20世紀(jì)20年代以來，盡管現(xiàn)代工業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高度機(jī)械化，然而通常機(jī)械化的部分還沒有聯(lián)系在一起。機(jī)械化的工廠生產(chǎn)了光電燈泡、瓶子和大量生產(chǎn)的產(chǎn)品的元件，這些機(jī)械化工廠的自動(dòng)化程度日益得到了加強(qiáng)。20世紀(jì)40年代電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，意味著在機(jī)械控制領(lǐng)域內(nèi)將出現(xiàn)大量比計(jì)算機(jī)更簡單、更廉價(jià)的產(chǎn)品。這些裝置—機(jī)械裝置、氣動(dòng)裝置、液壓裝置，在近些年內(nèi)已有了很大的發(fā)展，并將繼續(xù)發(fā)展下去，普通的觀點(diǎn)認(rèn)為這有利于自動(dòng)控制的發(fā)展。當(dāng)然不僅僅電子設(shè)備對(duì)目

41、前自動(dòng)控制的發(fā)展舉足輕重，無疑在今后自動(dòng)控制發(fā)展方面還繼續(xù)會(huì)發(fā)揮不可估量的作用。</p><p><b>　　液壓傳動(dòng)</b></p><p>　　對(duì)于兩點(diǎn)之間較遠(yuǎn)的傳動(dòng)，不適合用傳動(dòng)帶和傳動(dòng)鏈的機(jī)械系統(tǒng)，可優(yōu)先考慮采用液壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：低速大力矩、機(jī)構(gòu)緊密、穩(wěn)定性高、無振動(dòng)的平穩(wěn)滑動(dòng)，速度和方向能靈活控制，輸出速度可實(shí)現(xiàn)無級(jí)快速變化。</p>

42、<p>　　由電力驅(qū)動(dòng)的油泵提供有傳遞能量作用的油液，并可供給液壓馬達(dá)或油缸，從而將液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。液壓油流動(dòng)是通過控制閥進(jìn)行控制的，壓力油的作用產(chǎn)生線性的或螺旋性的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的油液產(chǎn)生的動(dòng)能相對(duì)低。因此，有時(shí)候使用靜壓傳動(dòng)。液壓馬達(dá)與液壓泵的結(jié)構(gòu)幾乎是相同的，任何液壓泵都可以當(dāng)成馬達(dá)應(yīng)用，一定時(shí)間的流量可由調(diào)節(jié)閥使用變量泵來控制。</p><p>　　一般來說液壓傳動(dòng)可分為直線式的和旋轉(zhuǎn)式的

43、，旋轉(zhuǎn)式傳動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而活塞及缸體部件產(chǎn)生往返的運(yùn)動(dòng)是線性運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　所有液壓馬達(dá)的功能基于同一個(gè)原理，壓力油被交換地?cái)D入、擠出到油腔中，進(jìn)油循環(huán)由最小的腔體注油開始，當(dāng)油腔達(dá)到最大容積時(shí)，油腔和油路隔開，停止進(jìn)油，然后通過回油路油液返回到油箱中，同時(shí)另一個(gè)油腔開始進(jìn)油。</p><p><b>　　計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)</b></p>

44、<p>　　在廣義上講，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）指的是計(jì)算機(jī)在解決設(shè)計(jì)問題中的應(yīng)用。工程技術(shù)人員可以借助于直觀顯示屏幕、鍵盤、繪圖儀和人機(jī)接口等諸多方式與計(jì)算機(jī)通信。工程技術(shù)人員可以提出問題并能很快有計(jì)算機(jī)得到解答。更確切地說，CAD是使工程技術(shù)人員和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作，彼此發(fā)揮長處的技術(shù)。</p><p>　　過去，工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)時(shí)所使用的傳統(tǒng)工具是制圖板、制圖儀、計(jì)算器和技術(shù)數(shù)據(jù)圖紙。后來，計(jì)算機(jī)的

45、出現(xiàn)導(dǎo)致了工業(yè)中的巨大變化。隨著數(shù)字控制、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、機(jī)床的引入，計(jì)算機(jī)在制造業(yè)中的應(yīng)用在20世紀(jì)50年代末期首次有了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，通過磁帶輸入到機(jī)器中的數(shù)據(jù)控制了裝配零件的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)。這一切對(duì)工程設(shè)計(jì)者并沒有直接影響。</p><p>　　20世紀(jì)60年代初隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的引入產(chǎn)生了一場重大變革。CAD允許設(shè)計(jì)者以圖形方式與計(jì)算機(jī)交互作用，工程技術(shù)人員能夠檢驗(yàn)一個(gè)設(shè)計(jì)思想，并很快地查看到設(shè)計(jì)效果，然后對(duì)其進(jìn)

46、行修改和重新評(píng)價(jià)。如此循環(huán)往復(fù)，直至形成一個(gè)合格的設(shè)計(jì)。每重復(fù)一次，設(shè)計(jì)方案都會(huì)得到一步的改善。因此，在時(shí)間、材料和資金允許的條件下所執(zhí)行的循環(huán)次數(shù)越多，設(shè)計(jì)效果就越好。</p><p>　　計(jì)算機(jī)能加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，提高設(shè)計(jì)的精確程度。它能夠在短時(shí)間內(nèi)完成大量的、復(fù)雜的計(jì)算并得出準(zhǔn)確可靠的結(jié)果。由于在有限的時(shí)間內(nèi)某些設(shè)計(jì)所需要的大量計(jì)算不能簡單的由人來完成，計(jì)算機(jī)的上述特征證明了作為一個(gè)設(shè)計(jì)工具的作用是無法估量的。

47、</p><p>　　計(jì)算機(jī)可在磁盤或直接存儲(chǔ)器等永久性介質(zhì)上保存大量的信息。因此，以數(shù)字形式描述一個(gè)工程圖紙的細(xì)目或一個(gè)汽車車身的造型，并把信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中都是可以做到的。這些數(shù)據(jù)能從存儲(chǔ)器中檢索、快速轉(zhuǎn)換并顯示在VDU（視頻顯示器）圖形屏幕上，或交替地利用繪圖儀繪制在圖紙上。此外，設(shè)計(jì)者還可以迅速、容易地更新或修改圖紙的任何部分。也能把修改后的圖紙數(shù)據(jù)寫回到存儲(chǔ)器中。</p><p>

48、;　　計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在工程技術(shù)領(lǐng)域中有著重要的作用，例如，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成工程圖紙的應(yīng)用；求解復(fù)雜構(gòu)件的熱應(yīng)力問題的有限元技術(shù)的使用；機(jī)械裝置和連接的分析及大量的輔助工程應(yīng)用。</p><p><b>　　附錄B 外文文獻(xiàn)</b></p><p>　　CONTROL OF MOBILE HYDRAULIC CRANES</p><p>　　Mar

49、c E. MÜNZER</p><p>　　Aalborg University</p><p>　　Institute of Energy Technology</p><p>　　Pontoppidanstræde 101</p><p>　　DK-9220 Aalborg. Denmark</p>&l

50、t;p>　　Email: mmun@iet. auc. dk</p><p>　　The goal of the thesis described in this paper is to improve the control of mobile hydraulic cranes. The thesis is split into five parts: a requirements analysis, a

51、n analysis of the current systems and their problems, an analysis of different possibiilities for system topologies, development of a new control system for the near future based on electro-hydraulic separate meter in /

52、separate meter out valves, and finally an analysis of more advanced and complex solutions which can be applied in th</p><p>　　Key words: Mobile Hydraulic Cranes, Control strategies, Separate Meter-in/Separat

53、e Meter-out.</p><p>　　INTRODUCTION</p><p>　　The goal of the thesis described in this paper is to improve the control of mobile hydraulic cranes. A mobile hydraulic crane can be thought of as a l

54、arge flexible mechanical structure which is moved by some sort of control system, The control system takes its input from a human operator and translates this command into the motion of actuators which move the mechanica

55、l structure.</p><p>　　The definition of this control system is purposely left vague in order not to impose any constraints on its design. The control system consists of actuators which move the mechanical st

56、ructure, a means of controlling the actuators, a means of supplying power to the actuators, and a way of accepting inputs from the operator. It is this control system which is the target of this thesis. The goal is to an

57、alyze the requirments made on the control system and present guidelines for the gesign of new c</p><p>　　The thesis will be split into five parts:</p><p>　　Analysis of the requirements of the co

58、ntrol system, from the perspective of the operator, the mechanical system, efficiency, stability, and safety requirements.</p><p>　　Analysis of current control systems and what their problems are.</p>

59、<p>　　Analysis of the different options for the control system: different types of actuators different types of control strategies, and different ways of organizing components.</p><p>　　Presentation of

60、 a new type of control system, which is commercially implementable. A system that will meet the needs of industry in the near future.</p><p>　　Analysis of more optimized systems, with higher performance, bet

61、ter efficiency, more flexible control, etc. This will be less commercially applicable but will be a starting point for more research.</p><p>　　SECTIONS OF THE THESIS</p><p>　　Requirements Analys

62、is of the Control System</p><p>　　Before starting detailed work on developing new control systems, it is important to analyze what the exact demands are on the control system. The control system is influence

63、d by many factors.For example: the mechanical structure it is controlling, the human operator, efficiency, stability, and industry requlations.</p><p>　　Industry regulations are the first requirements that h

64、ave to be addressed. Things like hose rupture protection and runaway load protection make a lot of demands on the control system. After regulations, stability is the next most important requirement; without stability the

65、 control system can’t be used. Once stability has been assured, the performance requirements of the control system have to be set. They are determined by the mechanical structure of the crane and the human operator. The

66、mechan</p><p>　　a control system which can increase this frequency. The human operator also impossible limits on the control system. If the control system is too slow or too fast then it is impossible for a

67、human operator to give it proper inputs. And finally, once the requlations have been met, stability is assured, and the performance is at the right level, the power efficiency of the control system has to be optimized.&l

68、t;/p><p>　　Analysis of Current Control Systems</p><p>　　Before designing a new control system it is good to analyze the current control systems to find out what their problems are. Current control

69、systems are mainly hydraulic and can suffer from three main problems:</p><p>　　Instability</p><p><b>　　High cost</b></p><p>　　Inefficiency</p><p>　　2.2.1 I

70、nstability</p><p>　　Instability is a serious problem as it can cause injury to human operators or damage to equipment. When a system becomes unstable it usually starts to oscillate violently. To avoid instab

71、ility in current systems, the designers either sacrifice certain functions which are desirable, or add complexity and cost. For example, in the crane shown in Figure 1, it would be desirable to have control over the spee

72、d. But due to the safety system that cranes are required to have, standard speed control is n</p><p>　　The parameters of a hydraulic system, such as temperature or load force, also affect stability. A system

73、 that is stable with one set of parameters might be unstable with another set. To ensure stability over the entire operating range of the system, performance must sometimes be sacrificed at one of the parameter range.<

74、;/p><p><b>　　High cost</b></p><p>　　Current systems are purely hydraulic-mechanical, so if the user wants a certain function, the user buys a certain hydraulic-mechanical component. Bec

75、ause most user have different requirements, there are many different variations of the same basic component. This means that many specialized components must be manufactured rather than one standard product. This drives

76、up the cost of components.</p><p>　　2.2.3 Inefficiency</p><p>　　One form of inefficiency in current systems is due to the link between the flows of the two ports of the cylinder. This is becaus

77、e most valves use a single spool to control the flow in both ports. Because of this link, it is impossible to set the pressure levels in the two sides of the cylinder independently. Therefore, the outlet side will develo

78、p a back pressure which acts in opposition to the direction of travel, which increases the pressure required on the inlet side to maintain motion. Sinc</p><p>　　Different Options for Control Systems</p>

79、;<p>　　Current control systems use hydraulic actuators with directional/proportional valves to control the movement. However there are many different options for controlling a cylinder. Options range from new high

80、 performance electro-hydraulic valves, to separate meter in / separate meter out (SMISMO) valves, to hydraulic bus systems, to intelligent actuators with built in power supplies, to pump based control strategies. These s

81、ystems all have advantages and disadvantages which need to be analyzed if </p><p>　　Near Future Solution</p><p>　　It is expected that even if it is proven that a completely new system topology i

82、s the optimum configuration, the crane manufacturers and component manufacturers will not accept the new technology overnight. This will most likely take time, so an interim solution will be developed.</p><p&g

83、t;　　This solution will be made up of micro computer controlled Separate Meter In / Separate Meter Out (SMISMO) valves (Elfving, Palmberg 1997; Jansson, Palmberg, 1990; Mattila, Virvalo 1997). SMISMO valves will make it p

84、ossible to implement new control strategies which are more efficient and stable. The micro computer will make it possible to introduce flexibility to valves. Variants can be programmed in software. This eliminates the ne

85、ed to manufacture hundreds of different variants. The crane manu</p><p>　　Analysis of Higher Performance Solutions </p><p>　　This analysis will depend on the results of the analysis of different

86、 topologies. If it is shown that pump based control is to be the way of the future for example, then analysis will be performed in this area. Another area which will also be explored, is tool position control.</p>

87、<p>　　LABORATORY FACILITIES</p><p>　　As the focus of this thesis is on developing control strategies that can be implemented on commercial machinery, much emphasis will be placed on experimental result

88、s. Experimental results will be obtained from two systems. The first, a simple one degree of freedom crane, was designed as an experimental platform. The second is a real crane which was donated to the University by Hojb

89、jerg Maskinfabrik (HMF) a Danish crane manufacturer. Refer to Figure 1.</p><p>　　Figure 1 Experimental Systems in Laboratory. Left: One DOF crane model. Right: Real</p><p>　　Mobile Hydraulic Cra

90、ne</p><p>　　As there are currently no commercially available separate meter-in/separate meter-out valves, two separate valves will be used instead. A sample circuit of one cylinder is shown in Figure 2. The

91、control algorithms which control the valves, will be programmed on a Digital Signal Processor (DSP)/Pentium dual processor system. The DSP will run the control code and the Pentium will do diagnostics and provide a graph

92、ical user interface.</p><p>　　Figure 2 Separate Meter In / Separate Meter Out Setup</p><p>　　CURRENT WORK</p><p>　　Flow Control by Direct Actuation of the Spool </p><p>

93、;　　Most flow control valves on the market today work with a pressure compensator (Andersen; Ayers 1997). The pressure compensator keeps a constant pressure drop across the main spool of the valve, which keeps the flow co

94、nstant. However, the addition of a pressure compensator makes the valve more complicated than a simple single spool valve. Another way of doing flow control is to measure the pressure drop across the valve and adjust the

95、 spool position to account for this (Backé; Feigel 1990). This </p><p>　　The concept is very simple, spool position is calculated from the Bernoulli equation using the pressure drop across the spool and

96、 reference flow.</p><p>　　Even though this is a simple equation, it is not easy to implement. The accuracy of the flow control is dependent on the precision of the position sensors and of the pressure transd

97、ucers. Noise on the pressure or the position signals can cause stability problems. Filtering the noise, introduces delays in the control which can also affect stability. In addition the Bernoulli equation is not followed

98、 exactly over the entire operating range of the valve, so it may be necessary to store the valve ch</p><p>　　Cylinder Control Strategy</p><p>　　To control a hydraulic cylinder, the strategy has

99、to be able to handle four different situations depending on the directions of the load and the velocity of the cylinder. Refer to Figure 3.</p><p>　　Figure 3 Different Situations in Crane Operation</p>

100、<p>　　The control strategies that have appeared in the literature are usually quite complex and depend on measurements of the cylinder position and velocity (Elfving, Palmberg 1997; Mattila; Virvalo 1997). They ar

101、e also based on rather complex control algorithms. It is the goal of this thesis to start with a control strategy which is based on simple PI controllers and makes no demands for position and velocity of the cylinder. Th

102、e performance of this system will be lower than a complex control strateg</p><p>　　Another feature which needs to be acknowledged when designing a control strategy, is the type of valve used. Mobile hydrauli

103、c valves demand low leakage and since most mobile valves are spool valves, they usually have large overlaps. In addition, to make the cost of the valve acceptable to industry, the actuation stage on the spool is usually