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　　液壓挖掘機(jī)是一種在土建施工中廣泛應(yīng)用的土方機(jī)械。其工作過程常伴有強(qiáng)烈的振動(dòng)、噪聲、粉塵等，駕駛員常處于高度緊張狀態(tài)下操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，極易疲勞。近年來，隨著施工機(jī)械化迅速發(fā)展，越來越迫切需要實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)作業(yè)操作的自動(dòng)化、智能化。

　　液壓挖掘機(jī)的機(jī)械液壓系統(tǒng)具有較大的慣性質(zhì)量，包含許多非線性因素，動(dòng)態(tài)特性變化大且不穩(wěn)定，在施工中每一具體操作的內(nèi)容和要求都不確定，很難形成一定規(guī)律，對(duì)駕駛員的操作技能要求較高。因此，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)作業(yè)的自動(dòng)化，并不是僅靠簡單動(dòng)作的自動(dòng)化和順序控制就能實(shí)現(xiàn)的。采用一般的控制算法是很難滿足控制要求的，需要將各種控制技術(shù)綜合應(yīng)用。為了使挖掘機(jī)能達(dá)到熟練駕駛員的判斷能力和作業(yè)效果，本文將模糊控制理論應(yīng)用于挖掘機(jī)軌跡控制中，將反映熟練駕駛員的操縱規(guī)律作為控制算法輸入計(jì)算機(jī)，通過模糊推理控制，達(dá)到熟練駕駛員的作業(yè)水平。

　　1　液壓挖掘機(jī)的工作裝置

　　以我校機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室的液壓挖掘機(jī)模型為例。其工作裝置的結(jié)構(gòu)見圖1，液壓及電液控制原理圖見圖2。

　　1.工作臺(tái)　2.動(dòng)臂液壓缸　3.動(dòng)臂　4.斗

　　桿液壓缸　5.斗桿　6.鏟斗液壓缸　7.鏟斗

　　1.控制器　2.電液控制器　3.斗桿角位

　　移傳感器　4.鏟斗液壓缸　5.斗桿液壓缸

　　6.動(dòng)臂液壓缸　7.動(dòng)臂角位移傳感器

　　鏟斗齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗三個(gè)桿件的復(fù)合運(yùn)動(dòng)合成。齒尖軌跡的每一位置都可由動(dòng)臂相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)、斗桿相對(duì)動(dòng)臂、鏟斗相對(duì)斗桿的轉(zhuǎn)角來唯一表示[1]，齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡控制可通過對(duì)這三個(gè)角度的控制來實(shí)現(xiàn)。

　　本實(shí)驗(yàn)裝置中，動(dòng)臂相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的鉸點(diǎn)，斗桿相對(duì)動(dòng)臂的鉸點(diǎn)上分別安裝了角位移傳感器，用以檢測其各個(gè)時(shí)刻的位置轉(zhuǎn)角。由于經(jīng)費(fèi)問題，本裝置在控制過程中僅對(duì)動(dòng)臂、斗桿進(jìn)行控制，將鏟斗鎖死。通過編程計(jì)算或人工示教的方式，可獲得對(duì)應(yīng)于齒尖的任意運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)臂和斗桿的角度序列，且對(duì)應(yīng)于齒尖的一定運(yùn)動(dòng)軌跡，動(dòng)臂和斗桿的各位置角度間存在一定的函數(shù)關(guān)系。例如，當(dāng)完成直線水平挖掘時(shí)，動(dòng)臂的相對(duì)位角Φ1和斗桿的相對(duì)位角Φ2間的函數(shù)關(guān)系Φ2=f(Φ1)可用圖3曲線表示。

　　2　基于角度的模糊控制系統(tǒng)

　　模糊控制方法，以專家掌握的定性知識(shí)為基礎(chǔ)，用模糊數(shù)學(xué)的方法，建立系統(tǒng)輸入與輸出的模糊集以及它們之間的模糊關(guān)系，生成非解析的控制規(guī)律映射模型，從而擺脫對(duì)精確模型的依賴。

　　對(duì)于挖掘機(jī)這類工程建設(shè)機(jī)械，由于其機(jī)械液壓結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在許多非線性因素，控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型很難建立。況且對(duì)于一個(gè)熟練的挖掘機(jī)駕駛員來說，他并不需要分析系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)，而只是憑借自己的經(jīng)驗(yàn)，通過一些不精確的觀察，執(zhí)行一些不精確的操作，就能很好地駕駛一臺(tái)挖掘機(jī)，完成規(guī)定的軌跡操作。因此，可采用模糊控制理論，將熟練駕駛員的操作規(guī)律作為算法輸入計(jì)算機(jī)，通過模糊推理控制，實(shí)現(xiàn)熟練駕駛員的作業(yè)水平。

　　挖掘機(jī)的模糊控制系統(tǒng)由四個(gè)部分組成，模糊控制系統(tǒng)框圖見圖4。

　　1.計(jì)算控制變量　2.模糊量化處理　3.模糊控

　　制規(guī)則　4.模糊推理決策　5.非模糊化處理

　　6.執(zhí)行機(jī)構(gòu)　7.被控對(duì)象　8.傳感器

　　圖4

　　(1)模糊控制器：選用MCS-51系列單片機(jī)作為CPU，將依據(jù)熟練駕駛員的操作經(jīng)驗(yàn)形成的控制規(guī)律以一定的模糊控制規(guī)則的形式存儲(chǔ)在單片機(jī)中。

　　(2)輸入/輸出接口裝置：模糊控制器通過輸入接口從被控對(duì)象獲得其位置信號(hào)，并將模糊控制器決策輸出經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)—電液比例閥。在I/O接口裝置中，除A/D、D/A轉(zhuǎn)換外，還應(yīng)包括必要的電平轉(zhuǎn)換線路。

　　(3)被控對(duì)象及執(zhí)行機(jī)構(gòu)：主要是動(dòng)臂及動(dòng)臂液壓缸，斗桿及斗桿液壓缸，及安裝在其上的電液比例閥。

　　(4)傳感器：選用電阻式角位移傳感器，分辨率為0.5°。

　　3　基于角度控制的模糊控制器

　　模糊控制器的原理見圖5。