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河南装载机铲车分配阀换向滑阀操纵手柄过重的原因?
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地址：洛阳市老城区后洞村洛阳钢材批发交易中心东区14-15号基于CAN总线的智能装载机控制系统的研究与设计
中南大学 硕士学位论文 基于CAN总线的智能装载机控制系统的研究与设计 姓名：汤勇 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：黄运生
摘要装载机工作环境恶劣，劳动强度大，在某些场合甚至存在对人体 有危害的情况，因此，研制智能化的装载机，通过遥控来进行操作， 既可以降低工人的劳动强度，又能提高主体生产设备的效率。目前国 产装载机技术水平较低，受到国外品牌的冲击。采用智能控制技术提 高装载机的技术水平，既可满足国内市场需要，也可增加出口，为我 国工程机械行业做出贡献。 通过市场调查和国内外相关技术调研，为了大幅提高了机体控制 的自动化水平，上海宝信软件股份有限公司、中南大学、广西柳州重 型工程机械集团公司决定立项开发“智能装载机”。本研究课题就是 以ＣＡＮ总线系统硬件平台为基础，重点针对智能装载机铲装过程进行 模糊神经网络控制研究。 本论文主要研究内容包括： （１）为了实现系统的可靠性与实时性，采用ＥＰＥＣ２０００系列模块构 成ＣＡＮ总线分布式系统作为控制系统的硬件平台。 （２）通过对装载机的铲装机理进行研究，提出减阻铲装的铲装策 略，并且通过模糊神经网络控制方案实现。 （３）整个方案通过现场实验进行验证，由实验数据论证该方案。 实验表明，本系统的模糊神经网络控制方案可靠、有效，实现了 研究目标，通过智能铲装和人工操作的实验数据比较，证明模糊神经 网络控制下的智能铲装达到了熟练工人水平。 关键词装载机，减阻铲装，ＣＡＮ总线，模糊神经网络控制中南大学硕：Ｌ学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＡＢＳＴＲＡＣＴＡ ｌｏａｄｅｒ ｗｏｒｋｓ ｉｎ ｂａｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ｗｈｉｃｈｅｖｅｎｄｏｅｓ ｈａｒｍｔｏ ｔｈｅｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｔｒｏｌｃａｎ ｎｏｔｏｎｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｌｏａｄｅｒ ｂｙ ｒｅｍｏｔｅｏｎｌｙ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｗｏｒｋｅｒ＇ｓ ｌａｂｏｒ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｒａｉｓｅ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅ ｌｏａｄｅｒ．Ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｌｏａｄｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｌｅｖｅｌｉＳ ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ ｌｏｗｅｒ．ｗｈｉｃｈ ｉＳ ｉｍｐａｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｏｒｅｉｇｎ ｂｒａｎｄ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｃａｎｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ １ｅｖｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄｅｒ．ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｌｏｃａｌｔｏｍａｒｋｅｔ ｄｅｍａｎｄ ａｎｄ ａｌｓｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｅｘｐｏｒｔ．Ｉｔ ｗｉｌｌ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ｌｏａｄｅｒ ｉｎｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ．ｔｈｅＦｏｒ ｒａｉｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ＧｕａｎｇｘｉＢａｏｘｉｎ ＬｉｕｇｏｎｇＳｏｆｔｗａｒｅＣＯ．，ＬＴＤ，ＣｅｎｔｒａｌｄｅｃｉｄｅＳｏｕｔｈ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｔｏａｎｄＭａｃｈｉｎｅｒｙ ＣＯ．，ＬＴＤｓｉｇｎａｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｊｅｃｔ”ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｌｏａｄｅｒ’’ｂｙｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｔｈｅｒｅｌａｔｅｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ．Ｉｔ ｉＳ ａｉｍｅｄ ｔｏ ｍａｋｅｏｎＦｕｚｚｙ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｏａｄｅｒ ｂａｓｅｄｏｎＣＡＮ－ＢＵＳ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ：（１）Ｗｅ●ａｄｏｐｔｔｈｅＥＰＥＣ２０００ｃｏｎｔｒ０１ｍｏｄｕｌｅｓｔｏｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅＣＡＮ－ＢＵＳ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｏｒｄｅｒｃｏｎ廿ｏｌｔｏ ｒｅａｌｉｚｅｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ’ｓｙｓｔｅｍ．ｏｎ（２）Ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ａｃｔｅｄｔｈｅ ｂｕｃｋｅｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄｉｓａｎｄａｗａｙ ｏｆｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ―ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｌｏａｄｉｎｇ，ｗｈｉｃｈＮｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｎｔｒ０１．ｉＳ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｆｕｚｚｙ Ｎｅｕｒａｌ（３）ＴｈｅＴｈｅｗｈｏｌｅｐｒｏｊｅｃｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ．ｐｒｏｊｅｃｔｏｆ Ｆｕｚｚｙ ＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓｈａｓ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅ ａｉｍ ｏｆａｓｔｈｅｓｉｓ ｉＳ ｐｒｏｖｅｄ 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在智能控制方面进行深入地研究，其产品根据使用环境的要求以及经济性方面的 原因，一般仅限于局部系统的智能作业。１。国外主要厂家及产品： （１）卡特彼勒Ｇ系列机设有可调液压缓冲减振的动臂自动提升、下降安全限位装置。（２）小松ｗＡ系列机有自动动臂、铲斗位置限位装置。中南大学硕士学位论文第一章绪论（３）沃尔沃Ｄ系列机有动臂自动限位及铲斗自动找平装置。 （４）凯斯Ｃ系列机的工作装置可实现挖掘、运输、浮动、提升位置的自动控制。 １．２．２国内装载机智能控制研究现状 国内主要装载机生产厂家逐步进行装载机电子控制技术改造：电控变速、新 型制动系统、指令控制转向系统、指尖控制系统和电子监控机故障诊断系统。国 内主要厂家有： （１）柳州工程机械厂：电控变速、指尖控制系统、新型制动系统； （２）徐州工程机械厂：指令控制转向系统、指尖控制系统和电子监控机故障诊断系统；（３）厦门工程机械厂：铲斗自动放平系统。 １．２．３工程机械的发展趋势 工程机械的发展“’５’６１从其结构、控制系统、以及性能来看，经历了动力革命、 传动革命、控制革命三个阶段。最近十年与二十年前相比，机器的制造和生产发生了本质的变化。目前，工程机械的研究与发展主要致力于解决两个基本问题：（１）改善操作者的劳动条件； （２）提高机器的生产率和减低工作损耗。针对上述问题，预测市场需求，在面向二十一世纪的各类工程机械上将广泛采用：（１）电子监控技术； （２）虚拟现实技术； （３）卫星控制技术。 这些技术使工程装置实现完全自动化，并通过遥控操作，以图达到完全中央 控制。作为基础，工程机械的结构、部件、性能的优化以及机电一体化，成为目 前研究的任务。 对美国、日本、德国和法国工程机械的发展趋势研究表明，在对工程机械各 功能部件进行进一步完善的前提下，广泛采用新技术、新工艺、新方法来提高机 器的性能，特别是采用电子控制技术、液压控制技术及各相关领域内容来改善操 作者的劳动条件，提高机器的生产率和降低工作损耗。 １．机器自动化方面的研究 采用完全自动化的变速箱和液力制动器““，提高了它们的使用效率，从而提中南大学硕士学位论文第一章绪论高了工程机械生产率，改善了操作者的劳动条件，还将广泛应用实时故障诊断系 统和机器重要组件的电子监控系统。 ２．工程机械的机电一体化 机电一体化在工程机械上的应用范围越来越广泛，未来的二十年将进一步向 前发展。现代电子技术的发展导致了新技术的出现，而这些技术是过去所无法想 象的。机电一体化的进程（机器人的应用）。’”’州可以分为下列阶段： （Ｉ）机器工作状态的监控； （２）局部操作控制的自动化： （３）在操作者可以控制（例如，预见危险，工艺条件）下的完全自动化； （４）实现无人参与的工作： （５）利用大量无人参与的机器作业的工作现场的监控。 目前，在最先进的工程机械上己达到第二阶段，并已推出通用型的机器，如 全液压挖掘机，随着机电一体化的发展，工程机械在最近二十年内将普遍达到第 三阶段，而在某些恶劣环境下，人无法涉足”５１ ４”（例如：原子能核电站核故障的 处理），甚至可以达到第四阶段。本系统研究以第三阶段为主要方向，并且未来 将以遥控与智能控制为基础向第四阶段发展。 无疑，通过最近二十年的发展，所有现代化工程机械已经包含微处理器技术， 而且各种电子显示和纯自动化控制将成为很平常的事情。目前，工程机械基本研 究方向是将人的控制和监控操作完全由微处理器来完成。未来微处理器不仅用来 代替人，而且能够保障在难以预料的环境下实现监控功能。例如：未来的机器能 够在松软的地基上工作时，保持平衡，还可以发现岩石地基的裂痕，并在作用力 减小时有效实现其控制处理，以及完成其他工作。在本系统中，通过先进的微处 理器技术，实现装载机铲装的智能控制，减少人为的操作。 ３．采用电子控制技术完善机器的性能 采用电子控制技术“”在工程机械上实现一系列过程控制，并且结合各种附加 的工作装置，完成各种形式的操作，从而实现机器的高效多能。 工程机械必须重视机器的安全性和可靠性，因为安全性和可靠性与工程质量 与效率直接相关。为此，机器上要安装电子监控系统、紧急制动系统和翻车自动 保护装置，增加机器服役的有效期，并且设立专门的技术服务。 工程机械的设计与制造要十分重视维护的简单性，为此，机械装置预建了足 够多的通用基本节点和机器组件的通路，并采用故障诊断系统，为维护创造好的条件。中南大学硕士学位论文第一章绪论１．２．４装载机电子控制的发展方向 １．电子～液压集成控制为现阶段研究目标 随着电子技术的飞速发展，特别是大规模集成电路以及新的器件的不断研究 与应用，以微处理器为核心的各种控制系统已非常普及，过去由分立元件构成的 系统，现在集成到一起，无论是性能还是大小，都在发生根本变化，控制系统的 集成化使系统的整体机构趋于模块化，从而使各种形式的系统的构成更容易，而 可靠性进一步提高。 液压控制技术近几年来亦发生巨大的变化，各种精巧的控制方案与实旖方法 使液压系统进一步完善而且性能更佳。 作为行走工程机械典型代表的装载机，其上采用电子控制技术与液压控制相 结合的方法，来提高整机的性能，增强市场竞争力与适应能力，是近年来，特别 是面向新世纪机型的必备技术。从电子液压控制技术在装载机，特别是大型装载 机上的应用来看，可分为三个层次： （１）各功能部件的自动控制； （２）各功能部件问的联合控制； （３）整机的电子一液压集成控制。 各个层次之间相互关联，一层是另一层的基础，低层次是高层次实现的前提， 呈现一个金字塔形”１。如图１―２所示：图１－２集成控制层次图从控制的程度上来看：各功能部件的自动控制属分立控制，各功能部件的联 合控制属于分立集成控制，而集成电子一液压控制当属集成控制。 从工程机械，特别是装载机、挖掘机的发展来看，篼一、第二层次的控制已 趋于完善与成熟，而第三层次的控制为现阶段研究的重点，也是本系统中的研究方向。电子一液压集成控制”“”的特点在于：（１）系统可靠性有很大提高。装载机、特别是大型装载机属于可以在恶劣环中南大学硕：Ｉ二学位论文第一章绪论境下，长期持续工作的施工设备，各功能部件要承受恶劣环境的考核，而作为控 制系统中必不可少的线束会布满机器的各个部分，各种液压管路亦很多，这些从 可靠性分析来看都是不稳定的潜在因素。因此，尽可能地在保证控制功能的前提 下，减少线束、液压管路的数量和长度成为解决可靠性问题的首要任务。 （２）系统的功能得到扩展，现代施工机械应具备多种功能以适应要求，而这 一点对于传统机型很难实现，其原因在于机器一旦生产出来，其结构特别是控制 系统的结构与功能就已经确定，扩展十分困难，液压系统本身很难实现一专多能， 就是结合电子控制，由于各功能部件之间的控制相互独立，亦不能发挥起作用。 而电子一液压集成控制却能很容易的达到目的。这是因为电子一液压集成控制的调 整控制单元是根据通用标准来设计的，其功能以及完成的具体任务是由电控中心 的微处理器决定并控制的。通常微处理器中可存储多套功能控制方案，以适应不 同结构功能的控制要求。变换机器的功能只需调换相应的执行机构，选择相应的 控制形式就可以实现。 （３）为系统的维护和现代化的管理奠定坚实的基础，由于电子一液压集成控制 对整机各功能部件的主要参数进行实时监控，且本身具备自适应能力与故障诊断 能力，使机器的维护十分方便，借助于通讯接口可以和工程管理系统进行数据交 流，便于现代化管理，减少机器的自身损耗，延长机械的寿命，提高生产效率。２．虚拟现实（ＶＲ）技术在装载机上的应用在各功能模块自动控制的前提下，采用微电脑对装载机进行集中控制与监 测，进一步的将操作人员与机械有机结合形成一种全新控制模式，即虚拟现实技 术（ＶＲ）“””１，在此模式下，操作人员可以在驾驶室里，更多的是在远方的办公 室里对装载机进行全方位的监视与控制，达到人机合一的最佳状态，更适于在恶 劣环境下工作（如核事故的处理、抢险救灾、化学污染的处理等）。 （１）位置识别技术 它是指机械或车辆自身具有自动辨认所处位置的能力，即机械本声安装有自 动机体识别系统。目前多采用外部位置识别法。 （２）位置诱导技术 在自动化施工过程中，机械、车辆必须按照设定路线作业，如果位置识别机 能确认其在作业中己偏离既定路线，机械或车辆应该具有自动复位的控制功能， 也称位置诱导控制技术。 （３）作业对象的认识、评价技术 为了高效、快速、准确、安全地进行作业，在施工作业中，必须随时了解、 掌握作业对象的位置、形状、大小等信息，也就是对作业对象的认识技术。通常 多采用超声波技术或画像处理技术来识别作业对象物。中南火学硕：Ｌ学位论文第一章绪论虚拟现实（ｖＲ）技术是本系统下一步的研究目标，同时也是未来工程机械智能化发展的必然趋势。１．３课题来源、研究目的和意义１．３．１课题来源本文选题来自于上海宝钢集团列于现有遥控炉渣装载机的改造，即“智能装 载机控制系统”项目中，本项目开发的智能装载机，可直接应用于全国冶金行业 炉前的清渣工作。同时可用于钢厂原料码头装卸作业和仓库物料堆垛，还可以应 用于高温作业、抢险救护作业、核废料清理作业、地下开采作业等危险作业环境， 降低了操作人员的劳动强度和工作的危险性，有着非常重大的社会效益。 在钢铁厂中，炼钢转炉冶炼时溅落和倒渣时洒落在渣罐外的炉渣，必须及时 清除。过去清渣时转炉必须停止冶炼，由工人冒着高温驾驶装载机将炉渣从渣坑 中铲出。在这种作业制度下，不仅工人的劳动强度大，同时也降低了转炉的生产 效率。因此，研制智能化的清渣设备，使装载机在转炉连续生产的同时，通过遥 控操作来清除炉渣，这样既可降低工人的劳动强度，又能提高主体生产设备的效率。１．３．２研究目的和意义 工程机械的机器人化技术是２０世纪９０年代开始发展，高度集成了机、电、 液、控制，人机工程于一体的应用技术。 当今世界工程机械发展日新月异，知名企业产品多样化和产品结构调整不断 加快，以提高企业对市场的竞争力。发展创新的热点主要集中在：更好的经济性 和运转效率，更加完善的性能，使用舒适性和安全性，更有环境亲和性的设计和使用，机械电子控制系统的应用――即机电液一体化的综合应用。在工程机械智能控制方面，信息技术渗透较快。继电液控制、ＰＬＣ控制、信息数据显示后，又 推出了计算机控制板式的控制方式、触摸式操纵等。工程机械正从征服自然、改造自然钓突出力量型机械，转变为人、机械、自然的协调融合。轮式装载机是用途广泛的土方施工机械，其铲装作业过程的工作效率及机械 磨损率取决于装载机驾驶员（以下简称为人）的实时操作技术水准。如人以最佳 技术水准操作机械作业，则可使发动机功率得到有效利用，作业效率高而机械磨 损率低。但是由于在铲装过程中物料或土体对铲斗形成的阻力及作业环境是随机 变化的，人只能根据实时观察判断及工作经验进行铲装作业，因而实际与理想作中南大学硕士学位论文第一章绪论业效率的差距是很大的。寻求具有人工智能的装载机工作装置控制技术，辅助人 进行铲装作业对提高装载机生产与经济效率是必要而迫切的。研制装载机智能控 制系统的目的和意义有以下几个方面： （１）符合工程机械发展趋势，填补了国内工程机械在该领域的空白，为实现 机器人化的工程机械打下基础。 （２）减轻工人劳动强度，避免人在危险、恶劣环境下工作。通过遥控作业系 统，装载机可以在高温环境下，在炼钢转炉前实现连续清渣操作，从而避免了主 设备停产再进行清渣造成的损失，同时，智能遥控装载机还可进行核废料处理、 救灾抢险等工作。 （３）提高装载机的作业性能，降低油耗，提高效率。采用铲斗智能插入、自 动卸料、铲斗位置自动控制等技术后，大大提高了装载机的工作效率。 （４）提高装载机的技术水平，增加竞争力，满足市场需求。目前国产装载机 技术水平较低，受国外品牌的冲击大。采用智能控制技术提高装载机的技术水平， 既可满足国内市场需要，也可增加出口，为我国工程机械行业做出贡献。１．４本文研究方向为实现装载机智能铲装的功能，主要对以下几个方面进行研究： （１）智能装载机控制系统硬件构成 根据智能装载机功能的要求对原有系统作必要的改造，设计控制系统硬件平 台，为实时高效实现智能控制功能建立坚实的基础。 （２）ＣＡＮ―ＢＵＳ现场总线技术 控制系统９１入现场总线技术，建立ＣＡＮ―ＢＵＳ现场总线分布式控制系统，以方 便对传统装载机进行智能化和遥控技术改造，同时提高实时性和抗干扰性，使装 载机可以无人驾驶，即使在恶劣的工作条件下也可以实现遥控智能铲装作业。 （３）装载机减阻智能铲装控制研究和实现 以模糊控制、神经网络控制为基础，通过对物料特性和装载机铲装过程的受 力特点进行分析，综合已有的研究成果和专家经验，实现装载机减阻智能铲装， 并通过样机实验对智能铲装功能和减阻效果进行验证。 （４）装载机其它智能化功能研究 分析装载机工作原理，制定相应的控制策略，实现自动卸料、自学习、自动 称重等控制功能。 （５）装载机智能控制系统样机实验和数据分析 作为检验上述方法正确性和实用性的最有力的手段，样机实验对智能控制功 能进行实验验证，根据实验数据对智能铲装过程中铲斗受力变化的描述，分析智中南大学硕：ｉ：学位论文第一章绪论能铲装控制的效果，并与人工操作数据做比较，为进一步的研究提供实验基础。１．５本文内容与结构本论文共分七章，各章主要内容简述如下： 第一章为绪论，介绍装载机国内外发展现状和发展趋势，简要阐述了该研究 的目的和意义，以及研究方向。 第二章详细说明了以原有系统为基础，建立稳定可靠高效的控制系统硬件平 台的设计方案，并对硬件控制系统构成进行分析。 第三章分析了ＣＡＮＢＵＳ现场总线的技术特点，根据实际控制要求确立了现场 总线分布式结构，并按照模块功能划分确定了通讯内容与方案，同时阐述了总线 通讯控制的软硬件实现。 第四章研究了铲装对象的物理特性，分析了铲装过程中铲斗的受力特点，运 用密实核理论，得出了进行减阻插入的方法。 第五章以上章理论分析为基础，提出了模糊神经网络控制策略，实现智能减 阻铲装控制。本章详细介绍了控制系统模糊神经网络控制方案及其它控制功能和 软件实现。 第六章说明了样机实验的现场条件和实验内容，根据人工操作和智能铲装的 数据对比，得出实验结论。 第七章为总结。中南大学硕士学位论文第二章智能装载机控制系统硬件平台设计与实现第二章智能装载机控制系统硬件平台设计与实现装载工程机械工作条件比较恶劣，环境温度高，温度变化大，灰尘多，光照 度强弱悬殊，振动大，现场环境比较复杂，在这种条件下，国内现有的装载工程 机械可靠性和稳定性比较差，效率低，而通过在硬件平台方面采用一些相应的措 施，采用装载机智能控制系统，将机械，液压，电子技术，计算机技术，控制技 术，网络技术等融为一体，可以很大程度上提高恶劣条件下装载机的操纵性，可 靠性，稳定性以及作业效率。 为了保证智能系统工作的可靠性，必须建立高效可靠的硬件平台。在智能装 载机中，其控制模块采用ＥＰＥＣ ２０００系列工程机械专用微处理器。ＥＰＥＣ２０００系 列模块具有防尘、防震、防水、宽温、多点ＰＷＭ输出、驱动能力强、各输出点具 有短路和过载保护等功能，配有ＣＡＮ通讯接口，特别适合于电一液控制系统。 控制系统硬件平台主要包括两个控制模块、一个显示模块、一个无线发射器、 一个无线接收器等，它们共同建立了ＣＡＮＢＵＳ现场总线分布式控制系统。２．１控制系统硬件原理装载机…是用途广泛的土方施工机械，其铲装作业过程的工作效率及机械磨 损率取决于装载机驾驶员的实际操纵技术水准，如果操作人员以最佳技术水准操 纵机械作业，则可以使发动机功率得到有效的利用，作业效率高而机械磨损率低。 但是由于在铲装作业过程中物料或土体对铲斗形成的铲斗阻力及作业环境是随 机变化的，人只能根据实时观察判断及工作经验进行铲装作业，因而实际与理想 作业效率的差距是很大的。为解决这一难题，在吸收国外同类产品先进技术的基 础上，该系统以ＣＡＮＢＵＳ现场总线为基础，采用模糊神经网络控制，大幅提高装 载机的作业效率。 如图２－ｉ所示为智能装载机控制系统硬件原理图，装载机工作机构是由铲 斗、摇臂油缸、动臂、动臂油缸、杠杆系统组成的２自由度机构，动臂和摇臂通 过液压油缸驱动，从而控制铲斗的翻转和动臂的上升下降，同时通过电磁阀和继 电器等控制装载机的左右转向、前后移动、前后桥制动、发动机启动和熄火、油 门等。在动臂和摇臂上都装有位置传感器和压力传感器，压力传感器安装在驱动 油缸上，而位置传感器采用角位移传感器，安装在动臂、摇臂以及车体相应位置匕。中南大学硕：ｌ：学位论文第二章智能装载机控制系统硬件平台设计与实现图２－１智能装载机控制系统硬件原理图传感器将工作机构的位置和油缸压力等系统信息转换为电信号后，经过Ａ／Ｄ 转换为微处理可以处理的数字信号，微处理器根据这些信号数据做出分析和判断，发出正确的控制指令，经过ＰＷＭ或ＤＯ输出和功率放大后驱动电磁阀或者继电器，使得工作机构完成指定的动作。、２．２控制系统硬件平台构成叫遥控接收≮－曰筹 ＣＡＮ－』上 』上‘一｛ｆｊ亡ＥＰＥＣ２０２３ＥＰＥＣ２０２５显示模块了亡ＥＰＥＣ２０２４控制模块控制模块图２―２智能装载机控制系统硬件平台构成图中南大学硕：Ｉ：学位论文第二章智能装载帆控制系统碰件平台设计与实现主要控制功能： （１）发动机启动、熄火、油门控制； （２）行走机构的方向、制动控制； （３）工作机构大臂、铲斗控制； （４）智能减阻铲装的模糊神经网络控制： （５）铲装物料自动称重与自动卸料； （６）系统故障诊断及报警。 如图２―２所示，ＣＡＮ―ＢＵＳ现场总线分布式控制系统由两个控制模块、一个显 示模块和一个遥控接收器组成，其中两个控制模块为ＥＰＥＣ２０２３和ＥＰＥＣ２０２４，分 别负责信号的输入、控制处理和信号的输出，ＡＩ表示模拟量输入，由各种传感 器采集，如动臂、摇臂的角位移和油缸压力信号等；ＤＩ表示数字量输入，包括 各种开关量控制输入信号，如遥控与驾驶操作模式切换开关、智能减阻插入开关 信号等；ＰＷＭ表示脉宽调制信号，控制电磁比例阀，从而驱动液压油缸，控制动 臂、摇臂以及转向。Ｄ０表示数字量输出，包括开关量控制输出信号，如油门的启动和停止、鸣喇叭等。遥控接收器将发射器发来的遥控器控制信号传送到ＣＡＮ―ＢＵＳ总线上， ＥＰＥＣ２０２３控制模块为从控制器，负责将各种外部数据信号经过适当的处理后， 传送到ＣＡＮ―ＢＵＳ现场总线上，而ＥＰＥＣ２０２４为主控制器，负责接收这些总线上由 ＥＰＥＣ２０２３处理后的数据以及遥控接收器发来的控制信号，然后对这些数据信号 进行分析判断处理，根据控制策略发出控制指令，驱动执行部件完成控制功能， ＥＰＥＣ２０２５为显示模块，接收总线上的数据信息，实时显示智能装载机的状态信 息，同时部分参数可以通过ＥＰＥＣ２０２５在线修改。ＥＰＥＣ２０２３、ＥＰＥＣ２０２４、ＥＰＥＣ２０２５、 遥控接收器以ＣＡＮＢＵＳ总线为桥梁，进行实时可靠的数据交换和处理，完成各种 控制功能。２．３控制模块简介ＥＰＥＣ３Ｇ是芬兰ＥＰＥＣ ＯＹ开发的第三代ＣＡＮ控制系统模块。２１ ３”，如图２～３所示。ＥＰＥＣ ３Ｇ是基于长期恶劣环境如高震动、大温度变化和潮湿等条件下仍能正 常可靠的工作而开发的。高可靠性和安全性是它们的优点。在它小巧的机身里藏 着高性能的微处理器。 ＥＰＥＣ２０２３键板模块用于在一个ＣＡＮ―ＢＵＳ控制系统中充当输入模块，采集６ｘ６ 键板、开关、按钮、手柄、踏板、模拟量和数字量反馈传感器等的信号。键板模 块有两个ＣＡＮ―ＢＵＳ接口。中南大学顾：仁学位论文第二章智能装载机控制系统硬件５ｌ‘台设计与实现ＥＰＥＣ２０２４ＰＬＣ模块有大量的输入和输出点。它即可以充当多功能控制器驱动各种执行器如比例阀、伺服马达和电液执行器等，也可以充当独立控制器。它 也有两个ＣＡＮ―ＢＵＳ接口。这些性能参数都方便了我们装载机控制系统中模块主要 功能的实现，即装载机动摇臂电磁比例阀的控制。图２－３ ＥＰＥＣ２０００系列模块外型图由于控制模块带有ＣＡＮ２．０Ｂ与ＣＡＮｏｐｅｎ总线接口，不需要其它接口设备，通 过双绞线就能方便地连接在标准ＣＡＮ―ＢＵＳ总线上，为以后系统的扩展留下了广阔的空间。ＥＰＥＣ控制模块专用于工程机械车载系统上，适用各种高震动、大温度变化 和潮湿的恶劣工作条件下。ＥＰＥＣ２０００系列模块具有防尘、防震、防水、宽温、 多点ＰＷＭ输出、驱动能力强、各输出点具有短路和过载保护等功能，配有ＣＡＮ 通讯接口，特别适合于电一液控制系统。２．４显示模块简介ＥＰＥＣ２０２５显示模块，如图２―４所示，具有较好的抗低温、抗震动性能，适 合室外使用，具较宽的视角，可作为诊断、显示、操作窗口，适用于工程车辆。中南大学硕士学位论文第二章智能毅载机控制系统硬件平台设汁与实现图２－４ ＥＰＥＣ２０２５显示模块外观图ＥＰＥＣ２０２５显示模块就是一台嵌入式电脑，不但可以实时显示当前数据，而 且可以在线修改数据，这为操作人员可视化操作提供巨大的便利，ＥＰＥＣ２０２５的 图形化显示形象地反映了工作机构的参数变化，驾驶员在操作台就能方便地了解 和调整车辆的工作状况，保持工程机械稳定的工作状态，提高工作效率，降低劳 动强度。 控制设备数字化是控制领域的发展趋势，ＥＰＥＣ２０２５模块集中显示各种数据， 能够诊断各种故障，使控制系统性能得到进一步的提高。ＥＰＥＣ２０２５的ＣＡＮ接口 使得显示模块能方便的获取数据，与传统的模拟仪表显示相比，不需要更多的安 装布线，节约成本与时间，可以方便地选择显示的内容和数量，对错误还具有实 时报警和历史记录功能，方便对错误进行及时处理。“。２．５遥控系统简介遥控系统的组成：接收系统和发射系统。如图２―５所示。圈日母咂№卜斯哥母僵雠发射系统 接收系统图２―５遥控系统原理图遥控系统的接收系统采用双ＣＰＵ通道检测，另有四套监视制动电路，并且采 用了双译码技术，具有较强的性能。针对装载机恶劣的工作环境，其还具有良好 的抗干扰性和机械防护性。中南大学硕士学位论文第二章智能装载机控制系统硬件平台设计与实现图２－６遥控系统外观图２．６控制载体图２－７ ＺＬ５０Ｇ轮式装载机通过调研和技术性能参数的比较，最终选定柳工ＺＬ５０Ｇ轮式装载机“１作为项 目的控制载体。如图２―７所示。 （１）技术水平领先。变速箱换档方式采用自动伙伴自动操纵，简化了司机操作， 降低劳动强度。工作液压系统采用电液或手动液压先导操纵，操纵力较小； （２）经济性好； （３）市场覆盖面广。ＺＬ５０系列在装载机行业的市场占有率达到４０％，主要应用 于公路建设、水利工程、工业应用等土石方工程。１４中南大学硕士学位论文第二章智能装载机控制系统硬件平台设计与实现２．６．１动力传动系统 ＺＬ５０Ｇ型轮式装载机传动系统采用液力机械传动方式，由柴油机、变矩器及 其连接装置、变速箱、传动轴、前后驱动桥及轮胎组成，如图２－８所示。图２－８ ＺＬ５０Ｇ轮式装载机传动系统组成示意图２．６．２ＺＬ５０Ｇ型装载机已有的电控部分（１）铲斗定位装置（目前只有斗放平及动臂极限位置定位），已大批量应用。 任意位置定位的系统已由吉林大学试制过一套，目前没有大批量应用。 （２）自动变速装置：有半自动和全自动两种，分别为ＣＬＡＲＫ公司和ｚＦ公司生 产。ＣＬＡＲＫ公司的全自动变速系统带通讯接口，则系统可以利用现有的传感器， ｚＦ公司的不带通讯接Ｄ。自动变速装置有空挡／启动连锁保护、刹车脱档、启动 限速、超速保护、后退警报等功能，换挡时间在２秒左右，没有换相连锁，可任意时间换相。（３）柴油机上有电控熄火装置。 （４）液压系统有先导控制系统。 （５）其他可以实现的功能有：中央润滑系统等。２．６．３ＺＬ５０Ｇ型装载机电液平台改造为了实现ＺＬ５０Ｇ装载机的智能控制系统及遥控系统，必须对现有机型进行改 造，建立电液平台。智能装载机电液平台的组成框图如图２－９所示。中南大学硕士学位论文第二章智能装载机控制系统硬件平台设计与实现图２－９智能装载机电液平台的组成框图智能装载机控制系统电液平台包括以下几个部分： （１）发动机控制：该系统负责发动机状态参数的采集，以及发动机启动、熄火及油门的控制；（２）变速箱控制：该系统负责采集变速箱输出转速等参数的采集，以及方向和档位的控制：（３）工作装置控制：该系统负责动臂油缸和铲斗油缸的控制，以及工作液压系 统参数、工作装置姿态参数的数据采集工作； （４）转向控制：该系统负责控制整车转向； （５）制动控制：该系统负责整车的行车制动和紧急制动的控制。２．７传感器位置与选型对于动力状态参数，我们在节约时间与成本的基础上，利用柳工原有的监控 参数，其中柳工的自动变速装置已经对大部分动力系统状态参数进行了监控，包 括油门位置、指示工作电压、变速器输出轴转速，以上均为模拟量输入，还有几 个重要参数带有报警功能，它们分别是发动机机油温度、发动机水温、发动机机 油压力、变速箱油压、变矩器机油温度、柴油油位等，以上均为开关量输入。 对于动摇臂压力，需要对其相应油压进行测量，在装载机的动摇臂底端有相 应的油压测量点，可在这些测量点上安装压力传感器。 对于动摇臂倾角、车体倾角传感器安装位置如图２―１０所示。中南大学硕士学位论文第二章智能装载机控制系统硬件平台设计与实现图２－１０倾角传感器安装示意图倾角传感器选用德国ＳＥＩＫＡ的Ｎ６４Ｕ（两个，安装于动臂与摇臂上）和ＮＧ２Ｉ型 （一个，安装于车体）。 ＮＧ４Ｕ和ＮＧ２Ｉ都是采用电容式液体为介质进行测量的倾角传感器，它们集传 感和功放于一体，具有温度补偿电路削弱温漂，还有功放对电源有稳压功能。它 们的测量原理是输出与测量角度成线性关系。ＮＧ４Ｕ角度测量范围为＋／一８０度，满 足动摇臂倾角的测量范围，ＮＧ２Ｉ角度测量范围为＋／一１０度，满足车体倾角的测量 范围。ＮＧ４Ｕ与ＮＧ２Ｉ都具有较高的分辨率和灵敏度，分辨率都小于０．０１度，灵敏 度分别为２．５ｍＶ／度与０．１ｍＡ／度，防护等级都为ＩＰ６５，工作温度范围为一４０～＋８５ 度，十分适合装载机恶劣的工作环境。 压力传感器选用德国Ｗｉｋａ公司生产的ＭＨ一１，用于测量动臂油缸、铲斗油缸 的大小腔压力，其压力范围为Ｏ～２５０ｂａｒ，最大允许压力为５００ｂａｒ，最大瞬间压 力为１２００ｂａｒ，符合油缸压力测量要求。ＭＨ一１具有ＩＰ６５的防护等级，一４０～＋１２５ 度的工作允许温度，完全满足装载机恶劣的工作环境。‘”。…。小结通过ＥＰＥＣ２０２３、ＥＰＥＣ２０２４、ＥＰＥＣ２０２５、遥控接收机建立ＣＡＮ―ＢＵＳ现场总线 分布式硬件控制平台，为模糊神经网络控制的实现建立坚实可靠的硬件基础， ＥＰＥＣ系列模块已广泛应用于工程机械中，其实时性、可靠性完全符合装载机应 用要求。控制载体选择柳工ＺＬ５０Ｇ装载机，对其做必要的硬件改造以满足控制系统的要求。中市大学硕士学位论文第三章智能装载机ＣＡＮ．ＢＵＳ现场总线分布式系统构成第三章智能装载机ＣＡＮ―ＢＵＳ现场总线系统构成智能装载机控制系统各个模块之间通过现场总线进行通讯，显而易见，智能 装载机能否在工作环境相当恶劣的条件下正常、可靠、稳定地工作，很大程度上 取决于控制系统现场总线能否提供可靠、稳定的通信。由于ＣＡＮＢＵＳ系统具有实 时性能好、可靠性高、便于扩充等优点，所以在智能装载机控制系统项目的研制 中，ＣＡＮＢＵＳ成为本系统的数据通信方案。３．１ＣＡＮ总线简介控制器局域网ＣＡＮ嘶１（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）是由ＩＳＯ定义的串行通讯总线。它最初出现在２０世纪８０年代末的汽车工业里。它的基本设计规范要求有 高的位速率、高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。由于ＣＡＮ串行 通讯总线具有这些特性，因此在汽车控制领域中得到广泛应用，并且在其他领域 也得到越来越多的重视。ＣＡＮ的主要特性有：（１）低成本： （２）极高的总线利用率；（３）很远的数据传输距离（长达ｌＯｋｍ）： （４）高速的数据传输速率（高达１Ｍ ｂｉｔ／ｓ）； （５）可根据报文的ＩＤ决定接受或屏蔽该报文； （６）可靠的错误处理和检错机制； （７）发送的信息遭到破坏后，可自动重发；（８）节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能：（９）报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。可见，ＣＡＮ的可靠性及其他传输特性是满足装载机应用要求的。３．２ＣＡＮ总线技术特点ｃＡＮ即控制器局域网属于现场总线范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。它的应用范围遍及高速网络到低成本的多线路网络。ＣＡＮ 总线的特点是其他现场总线系统所不具备的，ＣＡＮ可以多主依据优先级进行总线 访问，采用无破坏的依据优先级的仲裁，借助接收滤波实现多地址帧传送，可以 实现远程请求，整个系统数据兼容且系统灵活，有严格的错误检测和界定，通信 介质多样，组合方式灵活”…。中南大学硕士学位论文第三章智能城载机ＣＡＮ．ＢＵＳ现场总线分布式系统构成３．２．１ＣＡＮ总线分层结构ＣＡＮ分为数据链路层（包括逻辑链路控制子层ＬＬＣ和媒体访问控制子层ＭＡＣ） 和物理层，ＬＬＣ子层“７１的主要功能是：为数据传输和远程数据请求提供服务，确 认由ＬＬＣ子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。ＭＡＣ 子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定 和故障界定。物理层的功能是有关全部电气特性不同节点问位的实际传输。３．２．２ＣＡＮ总线帧格式与帧类型报文传输由４种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器至接收 器；远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧由 检测出总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加 延迟。数据帧和远程帧借助帧问空间与当前帧分开。 构成一帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和ＣＲＣ序列均借助位填充规则 进行编码，当发送器在发送的位流中检测到５位连续的相同数值时，将自动地在 实际发送的位流中插入一个补码位。数据帧和远程帧的其余位场采用固定格式， 不进行填充。出错帧和超载帧同样是固定格式，也不进行位填充。 本节重点介绍下数据帧的格式，数据帧由７个不同的位场组成，即帧起始、 仲裁场、控制场、数据场、ＣＲＣ场、应答场和帧结束。数据场长度可为０。在ＣＡＮ ２．０Ｂ中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有１１位标识符的帧称为标准帧，而包括２９位标识符的帧称为扩展帧，数据帧格式如图３－１所示。■●Ｌ．．．．．―――――――――――――一＾｝１±ｂ４２＇―Ｌ１１位ＩＤＲＴＲ控制场数据场ＣＲＣ场（ａ）标准格式１１位ＩＤ｜ｓ呻ＤＥ１８位ＩＤＲＴＲ控制场数据场ＣＲＣ场（ｂ）扩展格式图３－１ＣＡＮ２．０Ｂ数据帧格式中南大学硕士学位论文第三章智能装载机ＣＡＮ．ＢＵＳ现场总线分布式系统构成３．２．３数据通信过程 ＣＡＮ将总线中的通讯设备（如控制器）定义为节点。当ＣＡＮ总线上的一个节 点（站）发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无 论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的１ｌ位字符为标识 符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统 中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时 竞争总线读取时，这种配置十分重要。 当一个站要向其它站发送数据时，该站的ＣＰＵ将要发送的数据和自己的标识 符传送给本站的ＣＡＮ芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报 文状态。ＣＡＮ芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它 站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报 文是否是发给自己的，以确定是否接收它，其ＣＡＮ通信流程如图３―２所示。图３－２ ＣＡＮ通讯程序流程图中南大学硕二Ｉ：学位论文第三章智能装载机ＣＡＮ．ＢＵＳ现场总线分布式系统构成由于ＣＡＮ总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系 统并灵活地进行配置。例如可以很容易地在ＣＡＮ总线中加进一些新站而无需在硬 件或软件上进行修改。它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时， 可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。这些特点使系统的可 扩展性大大增强，系统扩容的操作相对简单。 ｃＡＮ能够使用多种物理介质。例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线， 两端都接上一个１２０ Ｑ的电阻。信号使用差分电压传送。两条信号线被称为ＣＡＮＨ和ＣＡＮ－Ｌ。静态时均是２．５Ｖ左右，此时状态表示为逻辑１，也可以叫做隐性。用ＣＡＮ ＨＥＰ，ＣＡＮ＿Ｌ高表示逻辑０，称为显形。此时通常电压值为ＣＡＮ―Ｈ＝３．５Ｖ和ＣＡＮ－Ｌ＝１．５Ｖ。这样的设计使总线硬件平台的搭建较为简单，通过双绞线和终端电阻就可以 实现，节约了成本和工作量。同时，物理连接错误导致的通信中断及其他问题容 易排查，维护简单。 当逻辑１被写进总线里，两条线的电平是２．５Ｖ并被定义为隐性位。当逻辑０ 被写进总线里，一条线被上拉到为５Ｖ（ＣＡＮ高），另～条线被下拉到地（ＣＡＮ低）。 这叫做显形位。但是如果显形位和隐性位都被不同的节点同时写进总线里，总线 显示显形位，所以显性位覆盖了隐性位。这些都是ＣＡＮ网络冲突检测的基础。 ＣＡＮ有发送和接收两端，因此它能够同时读写。这个功能对于错误检测与总 线仲裁都很重要ｎ”。 ３．２．４数据通信错误检测 为了保证数据通信的可靠性，ＣＡＮ协议对错误进行检测，并且将错误发送到 总线上，ＣＡＮ协议可使用五种检查错误的方法。“，其中前三种为基于报文内容检 查。简述如下： （１）循环冗余检查（ＣＲＣ） 在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。接收站通过ＣＲＣ可判断报文 是否有错。 （２）帧检查 这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性，用于检查格式上的错误。 （３）应答错误被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未收到应答，那 么表明接收站发现帧中有错误，也就是说，ＡＣＫ场已损坏或网络中的报文无站接收。中南大学硕：ｌ：学位论文第三章智能装载机ＣＡＮ．ＢＵＳ现场总线分布式系统构成（４）总线检测 有时，ＣＡＮ中的一个节点可监测自己发出的信号。因此，发送报文的站可以 观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。 （５）位填充 一帧报文中的每一位都由不归零码表示，可保证位编码的最大效率。然而， 如果在一帧报文中有太多相同电平的位，就有可能失去同步。为保证同步，同步 沿用位填充产生。在五个连续相等位后，发送站自动插入一个与之互补的补码位； 接收时，这个填充位被自动丢掉。例如，五个连续的低电平位后，ＣＡＮ自动插入 一个高电平位。ＣＡＮ通过这种编码规则检查错误，如果在一帧报文中有６个相同 位，ＣＡＮ就知道发生了错误。３．３ＣＡＮ应用层通信协议本项目在实际应用中采用ＣＡＮ高层应用协议ＣＡＮｏｐｅｎ协议作为控制系统数据通信应用方案，因为ＣＡＮ本身并非一个完整的协议，只包括物理层和数据链路层 两个底层协议，要进行高效率的通讯还需要进一步开发高层协议，而ＣＡＮｏｐｅｎ协 议是由从事工业控制的ＣｉＡ（ＣＡＮｉｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）“８１删开发，广泛应用于电力系统，装载机械，楼宇自动化等多种领域，已被广泛接受为ＣＡＮ高层协议的标准之一ｏ３．３．１ＣＡＮｏｐｅｎ简介目前在ＣＡＮ的基础上，比较常用的应用层协议有ＣＡＮｏｐｅｎ、ＣＡＮＫｉｎｇｄｏｍ和ＤｅｖｉｅｃｅＮｅｔ。ＣＡＮｏｐｅｎ是基于ＣＡＮ串行通讯的网络系统协议，它假定硬件设备的收发器和控 制器完全遵循ＩＳ０１１９８标准，ＣＡＮｏｐｅｎ规范覆盖了应用层和通讯协议子集、程序设 备的构造、推荐的屯缆和接头形式、ＳＩ单元和前缀解释等，保证了不同厂家ＣＡＮ 控制器在通讯、联接和具体控制开发软件的一致性，给系统的使用和维护带来了 极大方便。３．３．２ＣＡＮｏｐｅｎ协议特性在ＣＡＮｏｐｅｎ应用层中，设备通讯和应用程序对象得到交换，所有这些对象通过１６位索引和８位予索弓ｆ进行访问，而这些对象被映射到一个或更多的已经预定义和配置好的帧。通过对象索引，数据对象在应用层进行处理和访问将更加方便 和赢接。中南大学硕：Ｌ学位论文第三章智能装载机ＣＡＮ－ＢＵＳ现场总线分布式系统构成３．３．２．１ＣＡＮｏｐｅｎ主从节点ＣＡＮｏｐｅｎ协议将总线上的物理设备称为节点，并有主从之分。每一个ＣＡＮｏｐｅｎ 系统必须有且仅有一个主节点，同时可以存在多个从节点。主节点的主要功能。３ 包括：（１）启动网络； （２）中止网络：（３）节点监视：（４）网络引导。３．３．２．２ＣＡＮｏｐｅｎ数据通信对象ＣＡＮｏｐｅｎ协议指定有四类数据通信对象豳’…： 第一类数据对象是过程数据对象（ＰｒｏｃｅｓｓＤａｔａＯｂｊｅｃｔｓ，简称ＰＤＯ），ＣＡＮｏｐｅｎ用８个字节的数据字段把ＰＤＯ映像到一个单一的ＣＡＮ帧上从而传输应用对 象。每个ＰＤＯ有一个唯一的标识符且可以仅通过一个节点发送，但其接受者可不 止一个（生产者／消费者通信）。 发送ＰＤＯ可用多种方式，如：由内部事件驱动、由内部定时器驱动、由远程 请求驱动和由接收来自特定的节点的一个同步信息驱动。在对象字典中应用对象 和支持的传送方式的缺省映像对每一个ＰＤＯ都作了描述。ＰＤＯ标识符具有高优先级 以确保良好的实时性能。 第二类数据对象是传送组态数据的服务数据对象（ＳｅｒｖｉｃｅＤａｔａＯｂｊｅｃｔｓ，简称ＳＤＯ）。组态数据有时多于８个字节。ＳＤＯ传输协议允许传送任意长度的数据对 象。第一段内的第一个字节包含必须的数据流控制信息，它包括为克服众所周知 的双重接受ＣＡＮ帧的问题而设置的一个触发位。第一段内的第２―４字节包含要读出 或写入的对象字典登入项的索引和子索引。第一段内的最后四个字节可用于组态 数据。第二段以及其后继段用来包含控制字节和多达７个字节的组态数据。接受 者确认每个字节，以便有点对点通信（客户／服务器）。 第三类通信对象是网络管理对象：节点保护对象（Ｎｏｄｅｇｕａｒｄｉｎｇ Ｏｂｊｅｃｔ）和 ＮＭＴ对象。节点保护对象是由ＮＭＴ主站节点远程请求的具有一个字节的ＣＡＮ帧。数 据字节主要包含节点的状态。ＮＭＴ对象映射到一个单一的带有２个字节数据长度 的ＣＡＮ帧。它的标识符为０。 第一个字节包含命令说明符，第二个字节包含必须执行此命令的设备的节点标识符（当节点标识符为０时所有的节点必须执行此命 令）。由ＮＭＴ主站发送的ＮＭＴ对象强制节点转换成另一个状态。ＣＡＮｏｐｅｎ状态机规定 了初始化状态、子程序操作操作状态和停止（正式为准备）状态。在加电后，每个中南大学硕士学位论文第三章智能装载机ＣＡＮ．ＢＵＳ现场总线分布式系统构成ＣＡＮｏｐｅｎ处于初始化状态，然后自动地转换到预操作状态。在此状态下，提供了 同步对象和节点保护，还允许ＳＤＯ的传送。在停止状态，除ＮＭＴ对象外，不允许通信。第四类是利用时间标记对象（ＴｉｍｅＳｔａｍｐＯｂｊｅｃｔ），它是一个被提供给应用设备通用的参考时间帧。它包含一个时间和日期的值。 在实际应用中，智能装载机控制系统各种指令和信息的发送与接收主要是以 ＰＤＯ和ＳＤＯ的方式进行的。所有经过总线传递的控制指令，都以ＰＤＯ报文发送。例 如，遥控器发出的指令信号经接收器处理成ＰＤＯ数据包后发送到总线上，由控制 模块接收。同时，控制器间的通讯也是以ＰＤＯ报文进行的。例如，传感器数据经 ＥＰＥＣ２０２３控制模块接收并处理后以ＰＤＯ报文的方式发送到总线上，ＥＰＥＣ２０２４控制 模块将其接收，再做下一步的处理。而人机交互的数据是以ＳＤＯ的方式在控制器 和显示控制器之间流通。３．４智能装载机控制系统总线系统设计与实现３．４．１ＣＡＮＢＵ￥现场总线系统结构为了实现装载机智能铲装、自动卸料、人机交互系统、遥控操作等智能化功 能，我们建立了ＣＡＮＢＵＳ现场总线分布式控制系统，其结构如第二章图２―２所示。 智能装载机ＣＡＮＢＵＳ现场总线分布式系统由４个节点通过ＣＡＮｏｐｅｎ现场总线 网络连接而成，其中ＥＰＥＣ２０２４为主节点，其它三个节点为从节点。构成ＣＡＮｏｐｅｎ 控制网络的各个模块都具有ＣＡＮｏｐｅｎ接口，以满足ＣＡＮｏｐｅｎ协议的基本规范。 主节点ＥＰＥＣ２０２４从ＣＡＮＢＵＳ上接收遥控接收器的遥控指令以及ＥＰＥＣ２０２３发送 的驾驶室控制信号与传感器信息，根据控制策略分析计算后，发出相应的控制指 令，驱动装载机工作机构完成控制功能，同时它也和显示模块ＥＰＥＣ２０２５进行通讯； 从节点ＥＰＥｃ２０２３控制模块负责采集传感器信号、装载机运行状态信息和控制命令 信号，对其进行预处理后，将处理后的数据信息发送到总线上；从节点ＥＰＥＣ２０２５ 显示器模块与总线上的两个控制模块以及遥控接收器进行数据通讯，接收 ＥＰＥＣ２０２３发出的装载机状态信息、ＥＰＥＣ２０２４发出的控制命令信息与遥控接收器发 来的遥控器的控制信息，将这些信息形象地显示在显示模块的人机界面上，还可 以通过ＳＤＯ方式与ＥＰＥＣ２０２４进行通讯，从而对重要地控制参数进行修改。 两个控制模块与遥控接收器间进行通讯时使用ＰＤＯ传送控制命令和状态参 数。这里的通讯是广播式的，即本模块只负责将其他模块需要的信息发送到ＣＡＮ 总线上，同时接收其他模块已发送到总线上的数据，不是点对点式的数据传输。 例如，遥控器控制铲斗提升，首先遥控器通过遥控发射机将电信号转换为无线电２４中南大学硕士学位论文第三章智能装载机ＣＡＮ－ＢＵＳ现场总线分布式系统构成信号，总线节点遥控接收机收到无线电信号后，将其转换为总线信号后发送到 ＣＡＮＢＵＳ上，主节点ＥＰＥＣ２０２４会定时从总线上固定的节点地址接收遥控命令， ＥＰＥＣ２０２４对这个命令进行一定的分析处理后，再对相应的输出端口进行赋值。 ＣＡＮ总线节点间的ＰＤ０与ＳＤ０通讯方式如图３－３所示。① ÷一 ①④ 厂乱ＰＤ０―――――――――――――――｛■＼消费者／ 、、――――／（ａ）（ｂ）图３―３ ＰＤ０与ＳＤ０通讯方式图（ａ）ＰＤ０通讯方式（ｂ）ＳＤ０通讯方式３．４．２网络结构 在ＣＡＮｏｐｅｎ系统中所有节点都是通过节点的ＩＤ来识别的。节点ＩＤ从１至ＬＪｌ２７。 这意味着在ＣＡＮｏｐｅｎ网络中可以有１２７个不同的节点。在ＥＰＥＣ系统中，控制模块的 ＩＤ是通过其特定的软件来分配的。本系统节点分配如图３―４所示。中南大学顾＝Ｌ学位论文第三章智能装载机ＣＡＮ．ＢＵＳ现场总线分布式系统构成图３－４智能装载机ＣｈＮｏｐｅｎ网络拓扑图由于ＥＰＥＣ２０２４控制模块完成主要的控制功能，因而将其设计为ＣｈＮｏｐｅｎ网络 中的主节点；同时，考虑到安全性和控制的实时性，控制工作机构的命令应当优 先于其他信息在总线上传递，因而将该控制模块设定为优先级最高的节点；同理， 设定ＥＰＥＣ２０２３控制模块为次优先级，ＥＰＥＣ２０２５显示模块次之，而遥控器再次之。３．４．３ＣｈＮｏｐｅｎ主节点网络通信流程控制系统上电后，主节点ＥＰＥＣ２０２４启动网络初始化，配置网络参数；之后 发送主节点信息，使网络通信正常，然后不断发送程序运行信息，并与其他节点 通信。其流程如图３―５所示。中南大学硕士学位论文第三章智能装载机ＣＡＮ．ＢＵＳ现场总线分布式系统构成图３－５ ＣＡＮｏｐｅｎ主节点网络通信流程图小结采用ＣＡＮＢＵＳ现场总线分布式系统，简化了线路的连接，大大减少了继电器 等可靠性不高的电气元件的数量，具有实时性、高可靠性，实现了控制系统的数 字化、模块化，并保持了系统的扩展性，为智能装载机智能化功能的实现铺平了 道路。中南大学硕士学位论文第四章智能减阻铲装机理与策略第四章智能减阻铲装机理与策略装载机的工作对象主要是散体物料，如砂、石料等，有时也可以用来铲掘不 很硬的原生土体。本项目研究的装载机智能控制系统，以散体物料为主要作业对 象，兼顾原生土层的铲掘控制，智能控制的主要目的为提高装载机的作业效率、 减轻驾驶操作劳动强度、降低铲取能耗。 装载机插入铲取过程中所受到的阻力，取决于料堆的形状、物料的特性、铲 刃插入深度、料斗的影响等众多参数。但是，散体物料，特别是大块散体物料的 各种特性有很大的随机性，理论公式计算插入、铲取阻力时，无法准确确定诸如 自然堆角、内摩擦角、物料滑移角等重要参数，因而，计算结果往往与实际值有很大的误差。４．１铲斗插入机理与插入阻力４．１．１插入机理 如图４－１所示，铲斗插入物料时，将产生一段密实核，出现两个滑移面与水 平面的夹角分别为Ｂ、岛。对小粒径物料的研究表明：物料密实核越釜刘。 滏一。图４－１密实核示意图…’斗（１）面积月、Ｅ是铲斗插入时料堆产生变形的范围，决定插入阻力和功耗的大小。 矗、后面积的大小随插入深度厶的增加按指数大于１的指数曲线规律增加：随料堆 高度Ⅳ的增加按指数小于１的指数曲线规律增加，且当Ⅳ超过一定值对其变化不大。此外，鼻、岛还随物料粒径增大而增加，粒径变化对尼的影响尤大。中南火学硕士学位论文第四章智能减ｆ；ｌＬ铲装机理与策略（２）鼠、幺与斗底倾角卢、物料粒径以插入深度厶、料堆高度Ⅳ有关。其一般规 律为： ①随卢的增加Ｅ、０２减小，月、Ｅ则增大： ②随ｄ增大鼠减小； ③当卢小时，鼠与晚相差不大，卢较大时，则相差较大。 研究也表明，大块度时不存在明显的滑移面，但物料的移动方向有一定统计 规律，物料的运动以不规则波面向前推进，其速度随插入深度增加而变慢，表明 推进过程中的阻力增加。 ４．１．２插入阻力 铲斗插入料堆时，铲斗及斗尖、斗底，斗侧壁等的切向分为凡法向分力Ⅳ 及合力朋ｑ变化规律如图４―２所示。图中曲线ｌ是铲斗整体阻力，曲线２是无侧壁铲 斗的阻力，曲线３是斗底（不含斗尖）的阻力。 显然，曲线１、２的纵坐标差是斗侧壁所产生的阻力，曲线２、３的纵坐标差是 斗尖所引起的阻力。不同粒径物料时的＾从斤实验曲线如图４－３所示。图中曲 线１、２、３分别对应于料堆高为Ｏ．４ｍ、Ｏ．３ｍ和Ｏ．２ｍ。由图４―２、图４―３可知： （１）随物料粒径不同，插入阻力与插入深度的关系并非恒为仃＞１的指数曲线，有时地小于１。即插入阻力公式Ｐ＝魁以中的指数，＂立视物料性质和粒度而定（ｍ块度影响系数；星斗宽：厶：插入深度；）。 （２）切向分力大于法向分力。切向分力中，斗尖切向分力大于斗底切向分力。法 向分力中，斗底法向分力大于斗尖和侧壁法向分力。就合力而言，斗尖和斗底的 合力占主要部分。㈣¨ ＝！Ｔ（ｋＮ）Ｉ ６崩ｋＮｌＩ ６１．２ｌ２¨ ¨ｏ０ ８０ ８０ ４０４０．４０ ８Ｌ，／Ｌ（ｃ）图４－２铲斗Ｐ＇－Ｂｈ变化规律图ａ）切向分力ｂ）法向分力ｃ）合力…１中南大学硕士学位论文第四章智能减阻铲装机理与策略娜¨ ”¨ ¨ｏ超，，Ｍ焉隧．州≤窿Ｐ＝７．５２ＢＫＬ。ｏ“图４―３不同粒径物料时的，．肌月实验曲线图ａ）切向分力ｂ）法向分力ｃ）合力…１单位宽度上的切向力和法向力分别用ｔ、ｎ表示，并可用实验数据进行回归分 析，得出ｔ、ｎ的实验关系。但是，这样做，首先就要假设回归模型，而人为的假 设使得回归公式的应用范为受限。 实际上，当块度大时，阻力是随机的，因此，应按统计规律来进行描述， 研究表明，插入阻力的统计分布近似于正态分布，对无侧壁铲斗，按可信度为０．９ 进行的统计插入阻力计算公式为（块度大）（Ｎ） （４―１）式中，Ｌ――铲斗插入物料部分的长度，Ｉｌｌ；Ｂ――铲斗宽度，ｍ。其计算结果与Ｊ１．Ａ．密黑诺夫在类似实验条件下（中块度）所得实验曲线（图 ４―３曲线２）类似。 研究成果表明，密实核长度反映了阻力，尤其是切向分力的大小，它与插 入深度和料堆高度有关，且随粒径增大而增大。有实验表明，当物料粒径由２～ ６ｍｍ增至６～１２ｍｍ时。密实核长度增长近一倍；斗尖变钝可引起密实核长度激增。一般情况下，密实核长度￡厕用式（４―２）估算。Ｌ。＝１．２￡。吐丘√ｔｊ／（０．７＋０．２３吐） （ｃｍ） （４―２）式中，ｄ－＿颗粒的平均直径；膨一斗型系数；厝一斗底与地面倾角影响系数；上．一 铲斗插入料堆深度。４．２铲斗铲取机理与铲取阻力铲斗的铲取过程很大程度上决定铲斗的装满情况和能耗大小。因此，人们着 重寻找装满系数大、单产能耗低的合理铲取轨迹的研究。但由于铲取条件是随机 的，合理的铲取轨迹也随之变化，所以应着重探求能根据铲取条件自寻并自动实 现最优铲取轨迹的方法和系统。为此，必须探讨铲取机理和阻力并进行定量分析。 通过观察铲取过程和铲取过程料堆颗粒运动轨迹分析，可得以下结论：（１）铲取肘料雄舶基本变形中南大学颈士学位论文第四章智能减阻铲装机理与策略如图４―４所示，铲取时作曲线运动的斗尖使其附近物料颗粒有连续挤入料堆 的运动和相对料堆向上的切削运动。挤入运动导致密实核形成，出现同插入过程的滑移面Ｉ―Ｉ与ＩＩ―ＩＩ，但密实核与水平某一变化的口’角。切削运动导致形 成通过斗尖的新切削滑移面ＩＩＩ―ＩＩＩ，其方位亦是变化的。物料图４－４铲入过程示意图…’（２）密实核长度的函数关系 铲取过程中，斗尖附近颗粒挤入与切削运动的方向与大小均不相同，因此， 密实核的长度三ｊ、倾角口’与铲斗的位置有关，即是铲斗回转角功ｒ（相对于初始 插入时的状态）、料堆高度，插入时的密实核长度厶等的函数。由实验数据整理 可得下列经验公式： 厶＝厶ｅ―Ｋ。（４～３）式中，Ｌ――水平插入时的密实核长，ｃｍ； （Ｉ）――铲斗回转角速度，ｒａｄ／ｓ： ｆ――铲斗回转时间，ｓ； Ｃ――料堆高度系数，如表４―１所示：袁４―１科堆高度系数表 儡（ｍ）ｃ０．５ ―Ｏ．０２１．Ｏ 一Ｏ．０４１．５ ―０．０６２．Ｏ 一Ｏ．０８２．５ ―０．１０匕――密实核方向系数。 Ｋ＝［１＋（０．４５一Ｏ．０２０ａ’）０．０５０ ｃｏｔ］ａ’＝ｉｎ（耐＋１）／ｃｏｓ删 （４―４） （４－５）（３）斗尖运动轨迹与铲斗装满程度假定铲斗、料堆自由面和切削滑移面Ⅲ―Ⅲ包围面积Ｆ”；１Ｉ―ｌＩ、料堆自由面和Ⅱ卜Ⅲ包围面积Ｆ’、Ｉ―Ｉ、密实核、ＩＩ―ＩＩ和料堆自由面包围面积Ｒ。令Ｆ：Ｆ”＋Ｆ’，则铲取时Ｆ”的全部和Ｆ’的大部将进入斗内，并正好装满铲斗。中南大学硕士学位论文第四章智能减阻铲装机理与策略铲取过程中，鼻、Ｅ随铲斗位置、斗回转角及铲斗提升速度ｖ，与推进速度ｖ， 的比值ｆ而变。ｆ＿ｖ，／ｖ，较小即斗尖运动轨迹较平缓时，ｑ角随斗回转角１２＂的增 加而成比例减小，Ｅ随口的增加而增加。且在１２＂小时只增长快，口较大时Ｆ变 化不大。当，较大时即斗尖运动轨迹较陡时，８１亦随口的增加而程度较小地减小， 只随口的增加变化不大。这表明，不同的斗尖运动轨迹对影响铲斗装满的参数 Ｅ、Ｂ有不同的变化规律；铲取全过程中面积Ｅ随铲斗回转角口的增加而减少， ａ对只的影响斗尖轨迹较陡时比平缓时大。（４）斗底长与装满程度铲取过程中，欲装满铲斗，斗后壁与物料接触，给物料一个挤压作用，迫使 物料粒向料堆挤压，沿自由面移动的颗粒改向料堆方向，如图４―５所示，增加了 物料粒问的挤压作用，导致铲取阻力增加和密实核长度增加。减少铲取能耗。懑蛙毯实验表明，增加斗底长度，可延缓斗后壁接触物料，还可提高铲斗装满程度，图４－５铲斗铲入过程图（５）斗尖运动轨迹与铲取物料量 斗尖轨迹与料堆自由面的包围面积ｆ是铲取过程中移动物料的面积。表征铲 取阻力和功耗。铲取物料面积Ｆ，斗轮廓决定的纵断面积Ｅ，则表征单位能耗 铲取的物料量‰和铲斗装满程度玑为 ｒ／。＝Ｆ１只， ＇／ｏ＝ＦＩＥ（４－６）我们希望％，‰’均大，但实验表明，陡峭轨迹较平缓轨迹的吼大，而吼’小；高 料堆的‰小，‰’大；插入深的吼小，ｑｏ’大。经验表明，采用插入与铲取混合进 行方式，合理的插入深度和斗尖运动轨迹，可以尽可能提高碥和ｑｏ’。对高料堆 斗尖轨迹宜大致平行于料堆斜面，插入深度ｔ≤０．５￡。：对矮料堆斗尖轨迹宜平 缓，取插入深度Ｌｃ＝Ｌ。，其中上。为物料部分的长度。４．３铲取物料重量铲取量与铲取轨迹、料堆高、斗形、插入深度、物料块度和性质等有关，其 理论计算式的计算结果与实际有差瞿臣大量实验旋现：混会铲取时的铲取量基本中南大学硕士学位论文第四章智能减５且铲装机理与策略上随ｖ，／ｖ，（斗失提升速度与推进速度之比）的增加而减少，随堆高、插入深度的 增加而增加：且明显大于插入、铲取分别进行的铲取量。铲取量Ｗ的经验计算式如下。形＝０．２７ｔＢｙ赤×（１．１一丽Ｌ酉ｐ）×（ｏ．９＋击）蜀髟（４―７）（１）对于插入、铲取分别进行工况，有Ｗ＝Ｏ．ｓＬ。ｓｙ貉×（１．１＋≤岳）×（ｏ．９５＋币‰）蟛嘭Ｋ（４－８）（２）对于插入、铲取混合进行工况，有式中，三。――斗杆长： 口。――斗杆与水平倾角； 蟛――斗壁切口处散物料的影响系数，取Ｏ．９～０．９５； 群――斗纵断面形状影响系数，取ｏ．９～１．２； 髟――物料块度影响系数，其值如表４－－２所示。表４－２物料块度影响系数表Ｉ块度（。）髟０’５０ １．Ｏ５０’１００ １．０８“１．１０１００’２００ １．１５’１．２２００’４００ １．４’１．５混合料１．２’１．２５４．４原生土层与散料的区别原生土与散料的区别在于：粘着不散，不退让；没有“安息角”的概念；阻 力主要来自铲刃的犁削、挤压（形成密实核）阻力、以及斗底摩擦力。在散状料 装载时出现的内摩擦力，原生土铲掘时就不出现。 由于原生土铲掘时，土体不能通过内摩擦退让，将更快产生密实核，其体积 将更大，从而产生很大的插入阻力。４．５铲斗铲装智能控制减阻机理与策略４．５．１减阻机理 从分析中，我们可以看到，虽然，铲装过程铲斗十分复杂，难于准确进行理 论计算，更不可能实时理论计算（插入深度不能实时检测），但是，对于智能减中南大学硕士学位论文第四章智能减阻铲装机理与策略阻控制来说，依然有一定的规律可循。 首先，很多因素虽然有影响，甚至有较大的影响，如物料的粒度（块度）、 物料内摩擦系数、料堆的高度等，但是，这些因素在给定的装载过程中不改变， 因此，可以将它们作为固定的参数输入。其次，为了保证铲装满斗率，最终的插 入深度也必须保证。 因此，插入减阻智能控制的主要减阻机理，就是不断破坏已经形成的密实核， 减小第二滑移体面积尼（对大粒度物料、原生土层影响尤大），达到减阻作用： 其次，要控制铲斗插入时斗底倾角，使其斗底尽量保持水平，以减小第一、第二 滑移体体积，达到减阻效果。 在铲取过程中，密实核的长度与水平插入时的密实核长度成正比，因此，上 述减阻措施对铲取过程依然重要；此外，为保证满斗率和降低能耗，应该采用插 入与铲取混合进行的方式，控制插入深度和斗尖轨迹，对高料堆斗尖轨迹宜大致 平行于料堆斜面，插入深度ｔ≤０．５Ｌ。；对矮料堆斗尖轨迹宜平缓，取插入深度 Ｌ。＝Ｌ。，其中三。为物料部分的长度。 对装载机控制来说，破坏斗尖处密实核的方法，可采取动臂举升动臂，使铲 斗向上垂直运行一段距离，造成铲斗切削刃处密实核破裂，铲斗底面离开物料， 再插入作业的措施（将重新生成密实核），有资料表明，装载机在原生土层作业 时，试验统计出此项操作４～８次可完成一次铲掘作业，满斗率８５％左右。 此外，应该注意到，装载机所能提供的最大插入力不仅与装载机空载最大牵 引力有关（即上限），在实际工况下，真正控制最大插入力的可能是车轮与地面 间的摩擦状况。一旦出现打滑现象，车轮与地面的摩擦状况将急剧恶化，应立即 采取减阻措施，降低插入阻力，使装载即离开打滑地面，重新产生牵引力，实现 铲装作业，并尽可能的减少车轮（履带）的磨损。 ４．５．２减阻策略 准确掌握减阻动作的时机对于提高满斗率和铲装效率有重要意义。减阻动作 执行过早会使满斗率过低，反之则会造成能耗过高和打滑。理想的情况是在保证满斗率的前提下尽量缩短铲装时间。这里的减阻判断标准为插入阻力（理论上，密实核长度也可以作为减阻判据，但用前述的公式计算时，由于插入深度难以实 时检测，使密实核长度的直接计算不可行）。由前述知，密实核长度反映了阻力 的大小，反过来，阻力大小也同时反映着密实核的长度。因此，由实测阻力就可 以估算出实时的密实核长度。若插入阻力达到一定程度（此时密实核较长），同 时装载机其他运行参数亦满足一定条件，则判定需采取减阻措施。由予应用璃苛述公式计算诅力需要多个参数，同时插天深度的确定实际中难以中南大学硕：Ｉ：学位论文第四章智能减阻铲装机理与策略做到，这里我们采用动臂与摇臂油腔压力信号来计算铲斗的受力。 ＺＬ５０系列装载机工作装置简图如图４―６所示。图４―６ ＺＬ５０系列装载机工作装置简图当铲斗放平后插入料堆时，动臂与摇臂的驱动油缸受力。采集四个油腔的压力信号。Ｘ图４―７工作装置受力图根据铲斗受力状况，如图４―７所示，经化简，得 只＝ＣｌＥ＋Ｃ２疋＋ｃ５（４－９）中南大学硕士学位论文第四章智能减阻铲装机理与策略Ｐｙ＝Ｃ３Ｅ＋Ｃ４疋＋Ｃ。（４―１０）式中，只代表铲斗所受水平阻力，只，代表垂直阻力。曩和Ｅ由压力传感器 信号变换得到，各力臂长度可由动臂转角和摇臂转角信号经一定处理得到。 Ｃｌ，ｃ２，Ｇ，ｃ４实际上实时对应于任意位置的常数。我们可以用统计平均的方法， 在动臂小范围抬升减阻过程中，确定ｃｌ，Ｇ，Ｇ，Ｇ的平均值。Ｃ，Ｇ系由重力 引起，在一定区间内大致为一常数。 这样就将工作阻力的计算，转换为计算油腔压力与ｃ变量，即（只，只）＝厂（Ｅ，Ｅ，ｃ）（４―１１）小结本章对主要对装载机铲斗的插入铲装过程进行理论分析，包括铲装过程、铲 斗阻力情况等，提出了密实核理论，得出智能减阻铲装的方法，为进一步减阻铲 装的模糊神经网络控制实现奠定了坚实的理论基础。中南大学硕士学位论文第五章模糊神经网络控制设计与软件实现第五章模糊神经网络控制设计与软件实现本课题以智能装载机在铲装过程中的动臂油缸压力、摇臂油缸压力、动臂角、 摇臂角、发动机功率、发动机转矩等参数为研究对象，研究这些参数与铲装过程 的相互关系。由于装载机铲装环境条件的复杂性，难以建立明确的数学模型进行 控制，则通过模糊神经网络控制实现大幅提高铲装过程的满斗率，从而减轻操作 人员的劳动强度，提高装载机的作业效率 模糊控制和神经网络是智能控制领域的两个重要分支，它们在故障诊断、模 式识别、自动控制等领域有着广泛的应用。从广义上讲，模糊控制是基于模糊推 理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制。它是 模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也构成了智能控制的重要组成部分。模 糊控制的突出特点啪１在于： （１）控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场 操作人员的经验知识及操作数据。 （２）控制系统的鲁棒性，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞 后系统。 （３）以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”。 （４）控制推理采用“不精确推理”（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ ｒｅａｓｏｎｉｎｇ）。推理过程模仿 人的思维过程，由于介入了人类经验，因而能够处理复杂甚至“病态”的系统。 基于神经网络的模糊控制器（ＦＮＮ）近年来已成为研究的热点，原因在于二者 之间的互补性、关联性。模糊神经网络的控制大致可分为三类：第一类是直接利 用神经网络的学习功能及映射能力，去等效模糊系统中的各个模糊功能块，第二 类是在神经网络模型中引入模糊逻辑推理方法，使其具有直接处理模糊信息的能 力。第三类是把模糊系统和神经网络集成在一个系统中，以发挥各自的优势。本 文对模糊神经网络控制的设计与实现属于第１类。５．１模糊控制模糊控制汹１是以模糊集合理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算 机数字控制。由于在工程实际中，被控对象（或生产过程）的精确数学模型很难建 立，有的影响因素很多而相互之间又有交叉，即使建立起数学模型也很难求解以 至于没有实用价值，使得必须以知道被控对象的精确数学模型为基础的经典控制 理论和现代控制理论显得无能为力，而由于模糊控制不需要被控对象的精确数学 模型，且控制灵活，鲁棒性强，使其在工业生产过程中经常碰到的滞后、时变、中南大学硕士学位论文第五章模糊神经网络控制设计与软件实现非线性等复杂系统中具有明显优势。 近年来，模糊逻辑控制在对这些对象和过程的控制方面取得了可喜的成果， 并已在控制领域得到了应用。 ５．１．１模糊控制的基本原理 １．模糊控制算法 模糊控制的基本原理如图５一ｌ所示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框所示。期图５―１模糊控制原理框图模糊控制规律“”“１由计算机的程序实现。实现模糊控制算法的过程为：微机 经采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较，得到误差信号Ｅ，一 般选取误差信号Ｅ作为模糊控制器的一个输入量，把误差信号Ｅ模糊量化成模糊 量，误差Ｅ的模糊量可用相应的模糊语言表示，至此得到了误差Ｅ的模糊语言集 合的一个子集ｅ，且由ｅ和模糊控制规则Ｒ（模糊关系）根据推理的合成规则进 行模糊决策，得到模糊控制量“为：“＝ｅ。Ｒ。式中“为模糊量，将“转换为精确 量（非模糊化处理），得到了精确的数字控制量后，经数模转换变为精确的模拟量， 送给执行机构，对被控对象进行一步控制，然后，等待第二次采样……，循环下 去，就实现了被控对象的模糊控制。 ２．模糊控制器的输入输出变量 模糊控制器的控制规则是根据专家经验或人的手动控制规则提出的。在手动 控制过程中人所能获取的信息量基本为三个：（１）误差：（２）误差的变化：（３）误差 变化的变化即误差变化的速率。模糊控制器的输入变量一般也是这三个，通常按骨噌萝Ｅ帝中南大学硕士学位论文笙蔓雯墼塑塑丝堕望堡型丝生兰竺竺兰型１）一维模糊控制器２）二维模糊控制器３）三维模糊控制器图５－２模糊控制器结构ｏ”模糊控制器输入变量的个数将其分为一维、二维、三维模糊控制器如图５―２所示。 输出变量一般选择控制量的变化。 从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细，但维数太高，模糊控制 规则就变得过于复杂，控制算法的实时性也难以保证。在本系统中采用的是二维 模糊控制。 ３．模糊控制基本原理 模糊控制系统工作原理…“”可分述如下： （１）模糊控制器的输入输出变量 在模糊控制系统中，通常在模糊控制系统中，通常取被控制量的误差及误差变化为其输入量，如误差Ｐ＝Ｐ，一Ｐ一：误差变化率８ｃ＝［ｅ（≈）一Ｐ＠一１）ｌ／ｒ。其中：Ｐ，为实测值，Ｐ。为目标值，ｅ（ｋ）、ｅ（ｋ―１）分别为现时刻和前一时刻的误差，ｒ 为采样周期。 （２）将输入量变为模糊量 在控制系统中，模糊控制器的输入变量为实测值，而模糊控制器要求输入模 糊集合，因此，必须将精确量转化为模糊量。 （３）根据模糊量和模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量 模糊控制规则基于手动控制策略，手动控制策略是通过人们学习、实验以及 长期经验积累而形成的。建立模糊控制规则实际就是利用语言归纳手动控制策 略，模糊控制规则一般都可以用条件句加以描述。如二维模糊控制器，其控制规 则可用如下条件语句表示：ＩｆＥ＝４ａｎｄＥＣ＝ＥｔｈｅｎＵ＝Ｃｏ（ｉ＝１，２，…，ｎ：＿，２１，２，…，ｎ）其中爿，，Ｂ，，Ｃ。是定义在误差、误差变化和控制量论域ｘ，Ｙ，ｚ上的模糊集。（４）将控制量（模糊量）反模糊化计算精确的控制量 模糊控制器输出是一个模糊量，这个模糊量不能直接控制被控对象，必须将 其转化为精确量，此为清晰化，或为非模糊化，亦为判决。判决的方法有几种。 如：加权平均（或重心法）、代数积一加法一重心法、最大隶属度法、中位数法等等。，（５）模糊控制查询表 如前所述，模糊控制器实现一步控制要经过模糊化、模糊控制规则、模糊推中南大学硕士学位论文第五章模糊神经网络控制设计与软件实现理（决策）、非模糊化处理几个步骤，这个过程计算量较大，尤其是在维数较高， 控制规则较多的情况下。这对于实时性要求较高的自动控制过程显然是不利的。 因此，实际应用中，为保证实时性，常在计算机离线的情况下，对输入量模糊论 域中所有元素的组合按照模糊控制规则进行合成，得出对应的控制量，形成模糊 控制查询表。实时控制过程中，将采样时刻所获得的误差、误差变化等模糊化， 根据模糊化的结果查询控制表，直接得出模糊论域上的控制量，把其映射到实际 论域，即为被控对象的控制量，这样可以很好地保证自动控制的实时性。 ５．１．２模糊逻辑控制的局限 模糊逻辑控制的关键是确定隶属函数（Ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ），原因是隶属 函数曲线的形状对控制效果的影响很大，隶属函数曲线形状较尖时，模糊子集的 分辨率较高，控制的灵敏度也较高；相反，当隶属函数形状较宽时，模糊子集的 分辨率较低，则控制特性较缓慢，系统的稳定性好。但是隶属函数参数的确定目 前还没有一定的理论支持，即具有极大的人为性。为了弥补模糊逻辑控制的缺点， ２０世纪８０年代末，国际上掀起一股强劲的研究模糊逻辑系统与模糊神经网络理 论与技术的热潮，期以神经网络的学习功能来修正隶属函数。 总之，模糊控制对于那些难以建立精确的数学模型、非线性和大滞后的过程 具有优越性，这弥补了神经网络信息初始权值难以确定的不足“２““。但是，纯粹 的模糊控制必然不具备完善的控制规则，而且自学习能力差，因此，引入神经网 络生成隶属函数，修改模糊控制规则（也叫做模糊推理）来弥补模糊控制的不足， 这也是本系统中把神经网络引入模糊控制构成模糊神经网络控制器的理论依据所在。５．２神经网络所谓神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能 的一种技术系统。’５”，它是一种大规模并行的非线性动力学系统。由于神经网络 具有信息的分布存储，并行处理以及自学习能力等优点，所以它在信息处理、模 式识别、智能控制等领域有着广泛的应用前景。近年来，神经网络已成为研究的 热点，并取得广泛的应用。 ５．２．１神经网络的主要特点 神经网络模型用于模拟人脑神经元活动的过程。其中包括对信息的加工、处 理、存储和搜索等，它具有如下基本特点。“：中南大学硕士学位论文第五章模糊神经网络控制设计与软件实现（１）它具有分布式存储信息的特点，Ｈｐｔ￥经网络具有很强的容错性； （２）神经网络对信息的处理及推理的过程具有并行的特点； （３）神经网络对信息的处理具有自组织、自学习的特点。 总之，神经网络是以对信息的分布式存储和并行处理为基础，它具有自组织、 自学习的功能，在许多方面接近于人对信息的处理方法，它具有模拟人的形象思 维的能力，反映了人脑的若干基本特征，但它不是人脑的逼真描述，而只是它的 某种简化和模拟。 基于神经网络的网络模型有前向网络、ＢＰ网络、Ｈｏｐｆｉｅｌｄ网络及自适应共 振理论（ＡＲＴ）网络等，其中由于ＢＰ网络结构简单，能够以任何精度映射样本， 且具有很好的泛化能力。训练收敛之后，进行识别时计算量小，速度较快。因此， 本系统中采用ＢＰ网络。 ５．２．２误差反向传播神经网络（Ｂａｃｋ５．２．２．１ Ｐｒｏｐａｇａｔ ｉｏｒｔ）ＢＰ神经网络的基本结构ＢＰ神经网络。”包含输入层、隐层及输出层。隐层可以分为一层或多层，图 ５―３为具有一隐层的ＢＰ网络的基本结构。输入单元的活性状态代表输入此网络 中的原始信息，每一个隐单元的活性取决于输入单元的活性及输入单元与该隐单 元之间的联结权值，同样输出单元的活性取决于隐单元的活性及隐单元与输出单 元之间的权值。五０１Ｄ２吃，输入层 隐含层 输出层图５－３三层ＢＰ网络的基本结构…１５．２．２．２误差反向传播算法设输入层，隐含层，输出层神经元个数分别为ｎ，，ｎＨ，ｎＤ。神经网络输 入输出映射关系为：４ｌ中南大学硕士学位论文第五章模糊神经网络控制设计与软件实现巧２’＝厂（肫ｅ１’），他∥’＝∑∞∥对”＋辞”Ｊ（５―１）Ｄ：３’＝ｆ（Ｎｅｔ（ｋ２）），＾７叠《２’＝∑ｔｏ，。２’巧２’＋彰２’女（５―２）其中，珊‘。’表示Ｋ一１层到Ｋ层之间的连接权值，纯‘”１表示髟层的第ｅ个节点的阈值，Ｋ＝１，２，对１’表示第１层的第ｉ个神经元的输出，ｉ＝１，２，３??％， ＃２’表示第２层的第Ｊ个神经元的输出，ｊ＝１，２，３??１嘞，０１２’表示第３层的第．ｉ｝个神经元的输出，尼＝１’ｚ３一％，以力＝ｉ≥。神经网络期望输出为ｔｐ，实际输出为ｏ，学习算法的目的是为了寻求合理的权值国（ｍ，使得ＢＰ网络误差Ｅ：ｌ驻＇（ｔｐ－ｏ）２趋于最小，ｐ为当前学习样本。可用梯度最优下降优化算法训练网络权值国（“。国（￡’（ｆ＋１）＝国㈨（ｚ）＋叩＋【丽ＯＥ］＋口∥’（ｆ）一∞（Ｋ’（ｆ一１）】（５－－３）式中，町为学习步长，口为动量因子。 神经网络输出层权值修正公式推导如下：旦：丝＋旦；型丝ａ国冀’Ｏｕ ＯＮｅｔ：２’ａ国盖１＝一《２’｝ｘ铲’式中，辞２’＝（ｆ。－ｏ）＋０４（１一Ｄ）。故输出层的权值和阈值调整公式为（５―４’堙（Ⅲ）＝司（ｆ）＋群’垆＋ｇｚｘｃｏ毙）（ｔ）（５―５） （５―６）掣（ｆ＋１）＝∥（ｆ）＋栉＋卅２’∽同理隐含层权值修正公式推导如下：一：：一ｊ＃――――?－－－＝一 ａ国：”ＯＮｅｔ；”ａ∞？’ａＥ ａＥＯＮｅｔ：１）＝一６黔ｘ；”中南大学硕士学位论文第五章模糊神经网络控制设计与软件实现式中，彰”＝弓２’（１一弓２’）∑《２’；国譬’。（５－－７）故隐含层的权值和阈值调整公式为霹’（Ⅲ）＝硝’（ｆ）＋码。对”＋舭窍’（ｆ）（５―８） （５―９）６｝ｊｌ＇（ｆ＋１）＝巧１’（ｆ）＋谚１’＋卅１’ｏ）最小，而只能使之趋于一个相对大一点的误差值，通常称为局部最优。 下面讨论如何避免学习过程陷入局部最优问题。上面讨论了ＢＰ学习算法的目的是为了寻找合理的权值，使得网络误差趋于当出现局部最小时，表现出来的特征为，各个权值收敛到某一稳定值，但是 误差值却不是最小，因而可以按照式（５－１０）和式（５－１１）判定。阎（ｆ＋１）一０２（ｆ）Ｉ＜ｆ 旧（胛＋１）一ｔ肿Ｉ＜∥（５―１０） （５―１１）式中，权值收敛因子善《１，误差收敛因子∥为一个很小的正数，０＜ｆｌ＜０．２。如果符合式（５－１０）和式（５一１１），则可以认为此时ＢＰ网络陷入了局部最小点。解决的方法是采用误差反传算法，返回重新计算来避免局部最小问题。５．２．２．３ＢＰ神经网络的设计步骤和算法流程图本系统的ＢＰ神经网络的学习过程按照以下步骤设计： （１）网络结构及学习参数的确定：输入层神经元数目胛，、隐含层神经元数目ｎⅣ、输出层神经元数目％的确定，学习步长叩，动量因子口及误差收敛因子∥。（２）网络状态初始化：用较小的（绝对值为ｌ以内）随机数对网络权值、阈值 置初始值。 （３）提供学习样本：输入向量ｚ。和目标向量ｆ。，Ｐ为当前学习样本数。 （４）开始学习，对每个学习样本进行如下操作： 计算网络隐含层及输出层各神经元的输出，由式（５―１）与式（５―２）可得。 计算训练误差．由式（５―４）与式（５～７）可得。 训练权值和阈值，由式（５―５），式（５―６），式（５―８），式（５―９）可得。 （５）是否满足式（５―１０），满足执行下～步，否则返回。 （６）是否满足式（５－１１），满足则执行下一步，否则返回。 （７）结束算法程序。 由此可以写出算法流程图如图５～４所示。，中南大学硕士学位论文第五章模糊神经倒络控制设计与软件实现图５－４ ＢＰ学习算法流程图中南大学硕：ｔ学位论文第五章模糊神经网络控制设计与软件实现５．３模糊神经网络的设计模糊系统和神经网络控制都有各自的基本特性和应用范围，在对信息的加工 处理过程中均表现出很强的容错能力。模糊系统是仿效人类模糊逻辑思维方法而 设计的一类系统，它表明了系统在工作过程中允许数值型量的不精确性存在。另 一方面，神经网络在计算和处理信息的过程中所表现的容错性源于网络自身的结 构特点。而人脑思维的容错能力来自于这两方面的综合。 模糊神经网络是集成模糊理论和神经网络理论的优点，具有极高的模拟和学 习功能。它是一种集模糊逻辑推理的强大结构性知识表达能力与神经网络强大的 自学习功能于一体的新技术，是模糊逻辑推理与神经网络有机结合的产物。一般 来说，模糊神经网络主要指用神经网络结构来实现模糊逻辑推理，使得传统神经 网络中没有明确物理意义的权值被赋予模糊逻辑中参数推理的物理含义。 本系统设计的模糊神经网络（ＦＮＮ）是一个五层神经网络结构，其逻辑结构 如图５－５所示。在功能上，该网络的每一层节点却是对应于模糊逻辑控制器的模 糊化、神经网络的输入层、隐含层、输出层和反模糊化三个模块，因而具有模糊 逻辑意义。图５－５模糊神经网络控制器的逻辑结构网络第（１）层是模糊化层，为简化控制参数，减阻插入模糊神经网络控制抓 住动臂控制为主要控制量，其输入变量为动臂油缸压力ｇ和动臂位移角ｐ，输出 变量为动臂电磁比例阀控制量“也要模糊化，因为模糊神经网络控制器要应用模 糊语言规则去取得ＢＰ算法的初始数据样本：网络第（２）层代表模糊化的结果，即 输入变量对各语言值的隶属度，该层的权值的不同意味着变化多端的隶属函数的４５中南大学硕士学位论文第五章模糊神经网络控制设计与软件实现形状和位置，也是ＢＰ神经网络的输入层。