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

　　液壓挖掘機的機械液壓系統(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，對駕駛員的操作技能要求較高。因此，實現(xiàn)挖掘機作業(yè)的自動化，并不是僅靠簡單動作的自動化和順序控制就能實現(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。為了使挖掘機能達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算機，通過模糊推理控制，達到熟練駕駛員的作業(yè)水平。

　　1　液壓挖掘機的工作裝置

　　以我校機電一體化實驗室的液壓挖掘機模型為例。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　2.動臂液壓缸　3.動臂　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.動臂液壓缸　7.動臂角位移傳感器

　　鏟斗齒尖的運動軌跡由動臂、斗桿、鏟斗三個桿件的復(fù)合運動合成。齒尖軌跡的每一位置都可由動臂相對轉(zhuǎn)臺、斗桿相對動臂、鏟斗相對斗桿的轉(zhuǎn)角來唯一表示[1]，齒尖的運動軌跡控制可通過對這三個角度的控制來實現(xiàn)。

　　本實驗裝置中，動臂相對轉(zhuǎn)臺的鉸點，斗桿相對動臂的鉸點上分別安裝了角位移傳感器，用以檢測其各個時刻的位置轉(zhuǎn)角。由于經(jīng)費問題，本裝置在控制過程中僅對動臂、斗桿進行控制，將鏟斗鎖死。通過編程計算或人工示教的方式，可獲得對應(yīng)于齒尖的任意運動軌跡的動臂和斗桿的角度序列，且對應(yīng)于齒尖的一定運動軌跡，動臂和斗桿的各位置角度間存在一定的函數(shù)關(guān)系。例如，當完成直線水平挖掘時，動臂的相對位角Φ1和斗桿的相對位角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，從而擺脫對精確模型的依賴。

　　對于挖掘機這類工程建設(shè)機械，由于其機械液壓結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在許多非線性因素，控制系統(tǒng)的準確數(shù)學(xué)模型很難建立。況且對于一個熟練的挖掘機駕駛員來說，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，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挖掘機，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)律作為算法輸入計算機，通過模糊推理控制，實現(xiàn)熟練駕駛員的作業(yè)水平。

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

　　1.計算控制變量　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)行機構(gòu)　7.被控對象　8.傳感器

　　圖4

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

　　(2)輸入/輸出接口裝置：模糊控制器通過輸入接口從被控對象獲得其位置信號，并將模糊控制器決策輸出經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬信號，送給執(zhí)行機構(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)被控對象及執(zhí)行機構(gòu)：主要是動臂及動臂液壓缸，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。