高空作業(yè)車舉升臂電液控制系統(tǒng)的分析

論文題目：

高空作業(yè)車舉升臂電液控制系統(tǒng)的研究

作者姓名：許振保入學時間：2004年9

目專業(yè)名稱：控制理論與控制工程研究方向：智能

機器人指導教師:戴炬職稱：教授

論文提交日期:2007年5月

論文答辯日期:2007年6月

授予學位日期：

STUDYOFELECTROHYDRAUCONTROLSYSTEM

FORRAISE-RISEARMOFHIGHTASKVEHICLE

ADissertationsubmittedinfulfilmentoftherequirementsofthedegreeof

MASTEROFPHILOSOPHY

from

ShandongUniversityofScienceandTechnology

by

XuZhenbao

Supervisor:ProfessorDaiJu

CollegeofInformationandElectricalEngineering

May2007

聲明

本人呈交給山東科技大學的這篇碩士學位論文，除了所列參考文獻和世所

公認的文獻外，全部是本人在導師指導下的研究成果。該論文資料尚沒有呈交

于其它任何學術機關作鑒定。

碩士生簽名:

日期：

AFFIRMATION

Ideclarethatthisdissertation,submittedinfulfillmentoftherequirements

fortheawardofMasterofPhilosophyinShandongUniversityofScienceand

Technology,iswhollymyownworkunlessreferencedofacknowledge.The

documenthasnotbeensubmittedfbrqualificationatanyotheracademic

institute.

Signature:

Date:

山東科技大學碩士學位論文摘要

摘要

本論文以山東科技大學機器人研究中心承擔的國家863課題項目"配電帶

電作業(yè)機器人"為背景，通過分析高空作業(yè)車舉升臂機構的特點，結合機器人

技術，單片機技術，電液比例技術，設計開發(fā)了舉升臂腰部回轉關節(jié)和伸縮臂

伸縮關節(jié)的液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)部分。主要分為舉升臂的運動學模型，液壓比

例控制系統(tǒng)分析，比例閥控馬達位置閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)學模型，比例閥的PID控制及

比例閥死區(qū)分析，控制系統(tǒng)設計，實驗六個部分描述。

論文首先采用D-H表示法建立高空作業(yè)車舉升臂的運動學模型。針對腰部

回轉關節(jié)和伸縮臂伸縮關節(jié)選擇液壓控制系統(tǒng)方案。液壓系統(tǒng)為舉升臂各關節(jié)

提供驅動力，液壓系統(tǒng)部分性能的好壞直接影響舉升臂機構的性能。經(jīng)過分析

選擇以比例閥為核心液壓控制元件的液壓控制系統(tǒng)。

通過分析電液比例閥控馬達位置閉環(huán)系統(tǒng)各部分功能，建立電液比例閥控

馬達位置閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學模型。電液比例閥控馬達位置閉環(huán)系統(tǒng)選擇PID控制

方法。電液比例閥一般具有較大的中位死區(qū)，為減小比例閥中位死區(qū)的影響，

文中提出一種線形化補償方法，應用于電液比例閥控馬達位置閉環(huán)系統(tǒng)的PID

控制中。

輸入電液比例閥的控制電壓采用PWM信號，單片機選用能產(chǎn)生五路PWM

信號的SST89E564RD芯片。并詳細介紹了PWM信號產(chǎn)生方法，占空比計算方

法以及控制系統(tǒng)部分的軟硬件設計。論文最后通過構建兩關節(jié)比例閥-方向閥控

馬達液壓系統(tǒng)實驗平臺，驗證比例閥控馬達位置閉環(huán)控制系統(tǒng)性能，驗證減小

比例閥中位死區(qū)的線性化補償方法，驗證比例閥-普通方向閥控兩回路馬達液壓

系統(tǒng)方案的可行性。關鍵詞：舉升臂，電液比例閥，比例閥死區(qū)，線形化補償，

電磁方向閥,PWM

山東科技大學碩士學位論文摘要

ABSTRACT

Thispapertakesthestate863program-hotlinerobotfor

background,whichwasassumedbytherobotcenterofShandong

UniversityofScienceandTechnology.ThroughanalyzingtheRaiseto

risearmofthehighaltitudevehicle,usingrobottechnology,SCM

technologyandelectrohydraulicproportionaltechnology,studythe

electrohydraulicsystemandcontrolsystemforwaistturningjoint

andflexjointoftheraise-risearm.Themaincontentinvolve6

parts,kinematicmodeloftheraise-risearm,theanalysisof

electrohydraulicproportionalcontrolsystems,mathematicmodelof

theproportionalvalvecontrolmotorpositionalcloseloopsystem,

PIDcontrol&analysisfordeadsectionoftheproportionalvalve,

designofthecontrolsystem,experimentation.

Thepaperfirstbuildupthekinematicmodelfortheraise-rise

armofthehightaskvehiclebytheD-Hnotation.Selectthe

electrohydrauliccontrolsystemprojectforthewaistturningjoint

andflexjoint.Thehydraulicsystemprovidedrivepowerforeach

jointoftheraise-risearm,sothecapabilityofhydraulicsystem

directlyaffecttheperformanceofthewholesystem,andchoosethe

hydraulicsystemwhichselectelectrohydraulicproportionalvalveas

themaincontrolcomponent.

Throughanalyzingthefunctionofeachcomponentofthe

electrohydraulicproportionalvalvecontrolledhydraulicmotor

positionalclosed-loopsystem,setupitsmathematicmodel.The

controlplanofthepositionalclosed-loopproportionalvalve

controlledmotorsystemselectPIDcontrol.Theproportionalvalve

exitzerodeadsection,weshouldmanagetodecreasetheeffectof

山東科技大學碩士學位論文摘要

thedeadsection,Thispaperbringforwardlinearitycompensation

method.,anduseinPIDcontrolsystem.

TheinputcontrolvoltageimportedtothevalvechoosePWM

controlmode,selectSST89E564RD(oneCMOSchipofSCM)whichcan

bringfivePWMsignal,andintroducethemethodabouthowcanbring

PWMsignal,meansofcalculatinghigh-lowratio&thesoftwareand

hardwareoftheproportionalcontrollerinthispart.Atlastweset

upthehydraulicexperimentsettingofthetwojoints.Throughthe

experimentsetting,wevalidatetheperformanceofthepositional

dosedloopvalvecontrolledhydraulicmotorsystem,validatethe

linearizationcompensatemethodandvalidatethefeasibilityofthe

scalevalve-commondirectionvalvecontrolledtwoloophydraulic

motorsystem.

Keywords:raisetorisearm,electrohydraulicproportionalvalve,dead

area,linearitycompensation,electromagnetismdirectionalvalve,PWM

山東科技大學碩士學位論文摘要

山東科技大學碩士學位論文目錄

目錄

1緒論...................................................1

1.1高空作業(yè)車概況............................................1

1.2電液比例控制技術概況.......................................3

1.3電液比例控制技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢...............6

1.4課題背景與意義................................................7

1.5論文主要內(nèi)容..................................................7

2高空作業(yè)車舉升臂的運動學建模..............................9

2.1高空作業(yè)車概述..............................................9

2.2D-H表示法.........................................9

2.3高空作業(yè)車舉升臂的運動學模型................................11

2.4小結......................................................15

3液壓比例控制方案分析.....................................16

3.1液壓系統(tǒng)方案分析...........................................16

3.2液壓比例控制系統(tǒng)方案選擇.....................................21

3.3小結......................................................22

4比例閥控馬達位置閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學模型.......................24

4.1比例閥控馬達位置閉環(huán)系統(tǒng)工作原理............................24

4.2比例閥控馬達位置閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)學模型的建立......................28

4.3小結..........................................................36

5電液比例閥控馬達控制系統(tǒng).................................37

5.1比例閥控馬達系統(tǒng)的PID控制.................................37

5.2電液比例閥死區(qū)特性...........................................38

5.3減小電液比例閥死區(qū)影響的方法................................41

5.4小結..........................................................48

6控制系統(tǒng)設計.............................................49

山東科技大學碩士學位論文目錄

6.1控制系統(tǒng)原理分析...........................................49

6.2控制系統(tǒng)的硬件設計..........................................50

6.3PWM控制信號..............................................53

6.4占空比計算方法...............................................56

6.5小結....................................................57

7實驗......................................................58

7.1電液比例閥控液壓系統(tǒng)實驗....................................59

7.2電液比例閥-電磁方向閥控液壓系統(tǒng)實驗...........................63

7.3實驗結果......................................................66

7.4小結..........................................................67

8總結與展望.............................................68

致謝.......................................................70參考文

獻......................................................71

山東科技大學碩士學位論文目錄

Contents

1Introduction................................................................................................................1

1.1Surveyofthehightaskvehicle.......................................................................................1

1.2Surveyoftheelectrohydraulicproportionalcontroltechnology............................................3

1.3Evolutionalactualityandtrendoftheelectrohydraulicproportionalcontroltechnology............6

1.4Thebackdropandsignificanceoftheproject........................................................................7

1.5Maincontents................................................................................................................7

2Kinematicmodelofthehightaskvehicle'sliftarm.............................................9

2.1Surveyofthehightaskvehicle....................................................................................9

2.2D-Hnotationofrobot..................................................................................................9

2.3Kinematicmodelofthehightaskvehicle'sliftarm.............................................................11

2.4Summary....................................................................................................................15

3Analysisoftheprojectforhydraulicproportionalcontrolsystem.......................16

3.1Analysisoftheprojectforhydraulicsystem...............................................................16

3.2Ascertainoftheprojectforhydraulicsystem.................................................................21

3.3Summary...............................................................................................................22

4Mathematicmodeloftheproportionalvalvecontrolhydraulicmotorpositionalclosed

loopsystem........................................................................................................24

4.1Workprincipleoftheproportionalvalvecontrolhydraulicmotorsystem.............................24

4.2Ascertainofthemathematicmodel............................................................................28

4.3Summary...............................................................................................................36

5Thecontrolsystemoftheeletrohydraulicproportionalvalvecontrolhydraulicmotor

system....................................................................................................37

5.1ThePIDcontroloftheproportionalvalvecontrolhydraulicmotorsystem..........................37

5.2Characteristicofthedeadsectionoftheelectrohydraulicproportionalvalve.......................38

5.3ThetechniqueofMinishingtheeffectoftheeletrohydraulicproportionalvalve^dead

section........................................................................................................41

山東科技大學碩士學位論文目錄

5.4Summary.....................................................................................................................48

6Designofthecontrolsystem..............................................................................49

6.1Analysisofcontrolpriciple........................................................................................49

6.2Hardwaredesignofproportionalcontrol1...................................................................50

6.3PWMcontrolsignal.....................................................................................................53

6.4Meansofcalculatingthehigh-lowratio...................................................................56

6.5Summary............................................................................................................................57

7Experimentation...........................................................................................................58

7.1Experimentationofhydraulicproportionalvalvecontrolhydraulicsystem...........................69

7.2Experimentationofhydraulicproportionalvalve-directionalvalvecontrolhydraulicsystem……63

7.3Resultofexperimentation.......................................................................................................66

7.4Summary.....................................................................................................................................67

8Conclusionandprospect.....................................................................................68

Thanks.......................................................................................................................70Main

ReferenceDocuments.........................................................................................71

山東科技大學碩士學位論文緒論

1緒論

1.1高空作業(yè)車概述

高空作業(yè)車是用來運送工作人員和工作裝備到指定高度進行作業(yè)的特種車輛，是將

高空作業(yè)裝置安裝在汽車底盤上組成的。高空作業(yè)裝置包括工作臂、回轉平臺、副車架、工

作斗、液壓系統(tǒng)和操縱裝置等?，F(xiàn)在的高空作業(yè)裝置具有操作平順、工作穩(wěn)定、自動調(diào)

速、安全可靠等優(yōu)點，大大提高了空中作業(yè)的工作效率。高空作業(yè)車是利用汽車底盤作

為行走機構，機動靈活，行駛速度高，可快速轉移，轉移到作業(yè)場地后能迅速投入工作,

因此被越來越多的應用于工程建設、工業(yè)安裝、設備檢修、物業(yè)管理等許多行業(yè)；亦

可以在作業(yè)車臂架前端裝置平臺以實施人工混凝土噴射作業(yè)；在送變電領域，尤其是在

電力維修維護作業(yè)方面，由作業(yè)車所提供的作業(yè)平臺，即可以滿足人工高空維修作業(yè)的

需要，也能夠通過在有效絕緣的前提下安裝智能機械手實現(xiàn)高空帶電作業(yè)維修；在起重

和吊裝作業(yè)領域，作業(yè)車可相應設計成智能起重設備等。

高空作業(yè)車按工作臂的型式分垂直升降式、折疊臂式、伸縮臂式和混合臂式四種Q高

空作業(yè)車一般包括舉升臂機構，金屬機構，動力裝置與控制系統(tǒng)四部分。

1.1.1舉升臂機構

舉升臂機構是為實現(xiàn)高空作業(yè)車不同的運動要求而設置的。高空作業(yè)車一般設有變

幅機構、回轉機構、平衡機構和行走機構。依靠變幅機構和回轉機構實現(xiàn)載人工作斗在

水平和垂直方向的移動；依靠平衡機構實現(xiàn)工作斗和水平面之間的夾角保持不變，依靠

行走機構實現(xiàn)轉移工作場所。⑶⑶

高空作業(yè)車變幅是指改變工作斗到回轉中心軸線之間的距離，這個距離稱為幅度。

變幅機構擴大了高空車的作業(yè)范圍，由垂直上下的直線作業(yè)范圍擴大為一個面的作業(yè)范

圍。高空作業(yè)車變幅機構一般采用液壓油缸變幅。

高空作業(yè)車的一部分（一般指上車部分或回轉部分）相對于另一部分（一般指下車部分

或非回轉部分）做相對的旋轉運動稱為高空作業(yè)車的回轉運動。為實現(xiàn)高空作業(yè)車的回轉

運動而設置的機構稱為回轉機構。它是由液壓馬達經(jīng)減速器將動力傳遞到回轉小齒輪上，小

齒輪既作自轉又作沿著固定在底架上的回轉支承大齒圈公轉，從而帶動整個上車部分

回轉。有了回轉運動，從而使高空作業(yè)車從面作業(yè)范圍又擴大為一定空間的作業(yè)范圍。

高空作業(yè)車在工作臂起伏時，工作斗與水平面夾角必須保持相對穩(wěn)定，才能保證工

1

山東科技大學碩士學位論文緒論

作人員正常工作。平衡機構就是為了實現(xiàn)這一功能。對于伸縮臂或混合臂型式的高空作

業(yè)車，通常有自重平衡、液壓伺服缸平衡、電液平衡幾種方式。高空作業(yè)車的行走機

構就是通用或專用汽車底盤。

LL2金屬結構

工作臂、回轉平臺、副車架（車架大梁，門架、支腿等）金屬結構是高空作業(yè)車的重

要組成部分。高空作業(yè)車的各工作機構的零部件都是安裝或支承在這些金屬結構上的。

金屬結構是高空作業(yè)車的骨架。它承受高空作業(yè)車的自重以及作業(yè)時的各種外載荷。

組成高空作業(yè)車金屬結構的構件較多，其重量通常占整機重量的一半以上，耗鋼量

大。因此高空作業(yè)車金屬結構的合理設計，對減輕高空作業(yè)車自重，提高作業(yè)性能，節(jié)

約鋼材，提高高空作業(yè)車的可靠性都有重要意義。

1.1.3動力裝置

動力裝置是高空作業(yè)車的動力源。由于高空作業(yè)車采用汽車底盤作為行走機構，通

常不再另外設置動力源，而是直接采用汽車底盤發(fā)動機作為整車的動力源。高空作業(yè)裝

置需要的功率不大，一般約10kw到20kw,而載重汽車底盤發(fā)動機的功率根據(jù)載重量不

同從50kw一直到150kw以上，且高空作業(yè)裝置工作時不允許底盤行駛，因此底盤發(fā)動

機的動力足以保證高空作業(yè)裝置工作。因為高空作業(yè)裝置需要功率不大，通常高空作業(yè)

車采用變速箱取力方式，通過安裝在底盤變速箱側面的取力器取出發(fā)動機的動力，并驅

動液壓油泵向高空作業(yè)裝置供油。取力系統(tǒng)中還設置控制裝置，在底盤行駛時，取力器

沒有輸出，液壓油泵不工作，需要進行高空作業(yè)時，取力器輸出，油泵工作。

1.1.4控制系統(tǒng)

高空作業(yè)車控制系統(tǒng)解決各機構怎樣運動的問題。如動力傳遞的方向，各機構運動

速度的快慢，以及使機構啟動停止等?？刂葡到y(tǒng)包括操縱裝置、執(zhí)行元件和安全裝置。

當今的高空作業(yè)車全部采用電氣液壓操縱，因此控制裝置包括各種液壓操作閥，電控裝

置等，以實現(xiàn)機構的起動、調(diào)速、換向、制動和停止。執(zhí)行元件包括變幅用的液壓油缸、回

轉馬達、油泵等，用來推動結構件實現(xiàn)動作。安全裝置包括各種傳感器、行程開關、

報警器、液壓鎖止閥，用來檢測危險工況，保證工作安全。

高空作業(yè)車舉升臂機構是高空作業(yè)車的工作機構，對舉升臂各個關節(jié)的控制目前一

般采用液壓控制系統(tǒng)。其中對關節(jié)運動頻繁且需要速度可調(diào)的舉升臂關節(jié)，可采用伺服

閥控制的液壓馬達或油缸系統(tǒng)，以及比例閥控制的液壓馬達或油缸系統(tǒng)實現(xiàn)舉升臂速度

的調(diào)節(jié)。但由于電液伺服器件價格過于昂貴，對油質(zhì)要求十分嚴格，控制損失（閥壓降）

2

山東科技大學碩士學位論文緒論

較大，使伺服閥很難在舉升臂液壓控制系統(tǒng)中應用。由于比例閥相對于伺服閥具有結構

緊湊、廉價、節(jié)能、抗污染、適應大功率控制及具有一定控制精度的優(yōu)點，另一方面，

開關型換向閥如電磁閥等雖然更為簡單便宜，但其控制精度太低，不能調(diào)速，因而比例

閥在舉升臂速度控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。

1.2電液比例控制技術概況

1.2.1電液比例技術的發(fā)展背景及特點

現(xiàn)代電液控制技術的發(fā)展追溯到二次大戰(zhàn)時期。由于軍事需要，對武器和飛機的自

動控制系統(tǒng)的研究取得了很大的進步。戰(zhàn)爭后期，噴氣技術取得突破性進展。由于噴氣

式飛行器速度很高，因此對控制系統(tǒng)的快速性、動態(tài)精度和功率一重量比都提出了更高的

要求。工程需要是現(xiàn)代電液控制技術發(fā)展的推動力。1940年底在飛機上首先出現(xiàn)了電液伺

服系統(tǒng)，其滑閥由伺服電機拖動，慣量很大，限制了系統(tǒng)的動態(tài)特性。50年代初出現(xiàn)

了高速響應的永磁式力矩馬達。50年代后期又出現(xiàn)了以噴嘴擋板閥作為先導級的電液

伺服閥，使電液伺服系統(tǒng)成為當時響應最快、控制精度最高的伺服系統(tǒng)。60年代各種結

構的伺服閥相繼問世，電液伺服閥技術已日臻成熟。60年代后期人們對工藝過程控制提

出了更高的要求。現(xiàn)代電子技術特別是微電子集成技術和計算機技術的發(fā)展，為工程控

制系統(tǒng)提供了充分而且廉價的現(xiàn)代電子裝置，各類民用工程對電液控制技術的需求更加

迫切和廣泛。傳統(tǒng)的電液伺服閥對流體介質(zhì)的清潔度要求十分苛刻，制造成本和維修費

用較高，系統(tǒng)能耗也較大，難以為各工業(yè)用戶所接受，而傳統(tǒng)的開關控制又不能滿足高

質(zhì)量控制系統(tǒng)的要求。因此，人們希望開發(fā)出一種可靠、廉價、控制精度和響應特性均

能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)實際需要的電液控制技術也

從1967年瑞士布林格爾公司生產(chǎn)KL比例復合閥起，到70年代初日本油研公司申

請了壓力和流量比例閥二項專利為止，是比例閥的誕生時期。這一階段的比例閥，僅是

將比例型的電一機械轉換器（如比例電磁鐵）用于工業(yè)液壓閥，以代替開關電磁鐵或調(diào)節(jié)手

柄，閥的結構原理和設計準則幾乎沒有變化，大多不含受控反饋閉環(huán)，其工作頻寬僅

在5Hz之間，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)在4~7%之間，多用于開環(huán)控制。

1975-1980年間，比例技術的發(fā)展進入了第二階段。采用各種內(nèi)反饋原理的比例元件

大量問世，耐高壓比例電磁鐵和比例放大器在技術上也日趨成熟，比例元件的工作頻

寬已達5~15HZ,穩(wěn)態(tài)滯環(huán)也減小到3%左右。其應用領域日漸擴大，開環(huán)閉環(huán)均可適

3

山東科技大學碩士學位論文緒論

用叫

80年代以來，比例技術的發(fā)展進入了第三階段。比例元件的設計原理進一步完善，

采用了壓力、流量、位移內(nèi)反饋及電校正等手段。在80年代末、90年代初，隨著電子

技術的高速發(fā)展，比例技術出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。除了因制造成本所限，比例閥在中位仍保

留死區(qū)以外，它的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性均已和工業(yè)伺服閥無異。另一項重大進展是，比例技

術開始和插裝閥相結合，形成了80年代電液比例插裝技術。同時，由于傳感器和電子器

件的小型化，還出現(xiàn)了電液一體化的比例元件，電液比例技術逐步形成了80年代的集成

化趨勢。同時電液比例容積元件，各類比例控制泵和執(zhí)行元件也相繼出現(xiàn)。

因此，從電液比例技術的發(fā)展過程可以看出，電液比例技術發(fā)展到目前階段，己經(jīng)

能用伺服比例閥替代傳統(tǒng)的伺服閥，用于大多數(shù)的工業(yè)控制中。由于伺服比例閥在使用

時對油液清潔度的要求只需NAS7~9級⑸，而價格又遠低于相同參數(shù)的伺服閥，使其

進入市場的競爭能力很強。從而采用新的伺服比例閥替代噴嘴擋板閥在工業(yè)領域是理所

當然的事情，在國內(nèi)推廣也只是時間的問題，這將給用戶帶來明顯的經(jīng)濟效益。

1.2.2電液比例系統(tǒng)及其組成

電液比例控制的核心是比例閥。電子放大器根據(jù)一個輸入電信號電壓值的大小轉換

成相應的電流信號，這個電流信號作為輸入量被送入比例電磁鐵，電磁鐵將此電流轉換

為作用于滑閥芯/錐閥芯上的力，以克服彈簧的彈力。電流增大，輸出的力相應增大，該

力或位移又作為輸入量加給液壓閥，后者產(chǎn)生一個與前者成比例的流量或壓力。電磁鐵

斷電后，復位彈簧使閥芯返回中位。通過這樣的轉換，輸入電信號的變化，不但可以控

制執(zhí)行器和工作部件的運動方向，而且可對其作用力和運動速度進行無級的調(diào)節(jié)，使系

統(tǒng)的輸出量與給定值保持在允許的范圍之內(nèi)，與此同時輸出功率被大幅度的放大。其控

制系統(tǒng)框圖見圖1.1⑹。

由圖1.1可知組成電液比例控制系統(tǒng)的基本元件有：指令元件、比較元件、比例放

大器、比例閥、液壓執(zhí)行元件及檢測反饋元件等。以上各組成部分中，液壓控制元件（如

比例閥）、執(zhí)行元件和負載的作用是密切相關的，把三者的關系稱之為液壓動力機構。此

外，系統(tǒng)中還可能含有各種校正裝置，用來改善系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。

4

山東科技大學碩士學位論文緒論

圖1.1電液比例控制系統(tǒng)

Fig.1.1Electrohydraulicproportionalcontrolsystem

1.2.3電液比例控制系統(tǒng)的特點

電液比例控制是指用輸入的電信號來調(diào)制液壓參數(shù)，使之連續(xù)成比例的變化。可用

于開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)中，以實現(xiàn)對各種運動進行快速、穩(wěn)定和精確的控制。比例控制技

術是在開關技術和伺服控制技術之間的過渡技術。從控制特性看，更接近伺服控制系統(tǒng)；從

抗污染、可靠性和經(jīng)濟性看，更接近開關控制系統(tǒng)。因此它兼有二者的許多優(yōu)點。具

有控制原理簡單、控制精度高、抗污染能力強、價格適中等特點，受到人們的普遍重視。它

是在普通液壓閥基礎上，用比例電磁鐵取代閥的調(diào)節(jié)機構或普通電磁鐵，采用比例放

大器控制比例電磁鐵，實現(xiàn)對比例閥連續(xù)控制，從而實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)壓力、流量及方向

的無級調(diào)節(jié)。

它的主要優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）可明顯地簡化液壓系統(tǒng)，減少液壓元件的使用，實現(xiàn)復雜程序控制；

2）利用電信號便于遠距離傳輸，實現(xiàn)自控、程控、遙控；

3）工作平穩(wěn)，利用反饋可以提高控制精度或實現(xiàn)特定的控制目標；

4）能按輸入電信號的正負和數(shù)值大小同時實現(xiàn)液流的流量、壓力的比例控制，從而對

執(zhí)行器件實現(xiàn)方向、速度和力的連續(xù)控制，并易實現(xiàn)無級調(diào)速；

5）結構簡單，元件少，維護和保養(yǎng)方便；

6）便于機電一體化的實現(xiàn)。

5

山東科技大學碩士學位論文緒論

電液比例控制的主要缺點是：與開關控制相比，其成本較高，技術較復雜;與伺服

系統(tǒng)相比，其控制精度低，組成的閉環(huán)系統(tǒng)易產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀態(tài)。

1.3電液比例控制技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.3.1電液比例控制技術的國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外電液比例技術的研究始于本世紀四十年代到七十年代投入了廣泛的工業(yè)應用，至

今己形成完整的產(chǎn)品品種、規(guī)格系列，并對己成熟的產(chǎn)品，為進一步擴大應用，在保

持原基本性能與技術指標的前提下，向著簡化結構、提高可靠性、降低制造成本的方向

發(fā)展網(wǎng)。

國外電液比例技術己經(jīng)成熟，并有了推廣運用，比如波克蘭叉車使用了電液比例控

制系統(tǒng)，又如德國博世公司開發(fā)的農(nóng)業(yè)拖拉機液壓提升器電子控制系統(tǒng)，引入了比例閥

等。

液壓工業(yè)己成了全球性的工業(yè)，國際液壓界一些著名公司如美國的派克漢尼汾公司、德

國的力士樂公司等居世界領先地位。電液比例控制的理論研究和技術的發(fā)展是液壓工

業(yè)領域發(fā)展的大趨勢，是液壓工業(yè)又一個新的技術熱點和增長點。

1.3.2電液比例控制技術的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

對于電液比例控制技術，國內(nèi)不僅己開展研究而且己經(jīng)達到廣泛的實際應用，但目

前國內(nèi)的制造和技術還落后于國際水平。我國電液比例技術到七十年代中期開始發(fā)展，

在國內(nèi)的應用、尤其在工程機械上的開發(fā)應用才剛起步。總的來看，我國電液伺服比例

技術與國際水平相比有較大差距，主要表現(xiàn)在：缺乏主導系列產(chǎn)品，現(xiàn)有產(chǎn)品型號規(guī)格

雜亂，品種規(guī)格不全，各類比例泵、比例閥等，國內(nèi)設計生產(chǎn)的品種少，并缺乏足夠的

工業(yè)性試驗研究；在控制技術方面，自動化程度不高，性能水平較低，質(zhì)量不穩(wěn)定，可

靠性較差等，都有礙于該項技術進一步地擴大應用，急待盡快提高。

1.3.3電液比例控制技術的國外發(fā)展趨勢陰口。1

國外近年來,電液比例技術的發(fā)展趨勢：

(1)提高控制性能，適應機電液一體化主機的發(fā)展。提高電液比例閥及遠控多路閥

的性能使之適應野外工作條件，并發(fā)展低成本比例閥。

(2)比例技術與二通和三通插裝技術相結合，形成了比例插裝技術，此外出現(xiàn)比例

容積控制，為中、大功率控制系統(tǒng)節(jié)能提供新手段。

6

山東科技大學碩士學位論文緒論

⑶電子控制器向著專用集成電路方向發(fā)展，實現(xiàn)小型化、組合化，并達到高可靠

性目的。

（4）電液比例閥向通用化、模塊化、組合化、集成化方向發(fā)展，以實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟生

產(chǎn)，降低制造成本，開發(fā)變量泵控制專用電液比例閥，以及閥與泵的結構性能

匹配設計。

（5）電液比例技術的主要基礎元件的相互銜接愈來愈密切，零部件通用化程度不斷

提高。

1.4課題背景與意義

山東科技大學機器人研究中心承擔了國家863計劃課題"配電作業(yè)帶電作業(yè)機器人”

和山東省重大科技項目"新型帶電作業(yè)機器人”的研究與設計。該項目是為了克服當今

電力行業(yè)人工帶電作業(yè)危險性大、經(jīng)濟效益損失較大等缺陷，提高帶電作業(yè)的自動化、

智能化水平而設計的。本論文以此為背景，通過對提供配電帶電作業(yè)機器人作業(yè)平臺的

高空作業(yè)車舉升臂系統(tǒng)的分析與研究，結合電液比例技術，設計一套電液比例控制系統(tǒng)，適

應于高空作業(yè)車舉升臂液壓驅動系統(tǒng)。

本論文根據(jù)高空作業(yè)車舉升臂各關節(jié)的特點，設計液壓驅動系統(tǒng)。以電液比例閥控

馬達速度控制系統(tǒng)為研究對象，通過分析系統(tǒng)結構及負載的特性，構建系統(tǒng)傳遞函數(shù)，

分析其動態(tài)特性，分析減小比例閥中位死區(qū)的方法，達到改善高空作業(yè)車舉升臂液壓驅

動系統(tǒng)性能的目的。

1.5論文主要內(nèi)容

針對高空作業(yè)車舉升臂的特點，設計液壓驅動系統(tǒng)，并就比例閥控馬達系統(tǒng)的數(shù)學

模型，減小比例閥中位死區(qū)的方法，控制系統(tǒng)設計等幾個問題做以下工作。

1）對高空作業(yè)車舉升臂的機構特點，電液比例控制系統(tǒng)發(fā)展背景、特點、現(xiàn)狀以及國

內(nèi)外發(fā)展趨勢進行調(diào)研；

2）建立高空作業(yè)車舉升臂的運動學模型，這是分析和研究舉升臂液壓驅動系統(tǒng)和控制

系統(tǒng)的基礎。

3）根據(jù)需要頻繁操作的高空作業(yè)車舉升臂腰部回轉關節(jié)和伸縮臂伸縮關節(jié)動作特點，

設計液壓驅動系統(tǒng)。

4）建立比例閥控馬達位置閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學模型。

5）分析比例閥的死區(qū)特性，研究減小比例閥中位死區(qū)影響的方法。并將減小中位死

7

山東科技大學碩士學位論文緒論

區(qū)影響的線性化方法應用于比例閥控馬達位置閉環(huán)PID控制系統(tǒng)。

6）比例閥控馬達閉環(huán)系統(tǒng)的軟硬件設計。

7）對設計的液壓驅動系統(tǒng)方案及液壓馬達控制系統(tǒng)進行調(diào)試和實驗。

8）總結及展望。

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山東科技大學碩士學位論文高空作業(yè)車舉升臂的運動學建模

2高空作業(yè)車舉升臂的運動學建模

2.1高空作業(yè)車概述

本論文所涉及的高空作業(yè)車整機包括汽車底盤在內(nèi)，共有七個系統(tǒng)部件組成（如圖

2-1）:移動行走系統(tǒng)部件（含汽車底盤）、腰部回轉機構部件、伸縮臂機構部件、俯仰機構

部件、作業(yè)支撐平臺部件、液壓控制系統(tǒng)部件、電器控制及操作系統(tǒng)部件。

圖2.1升降系統(tǒng)機構組成

Fig.2.1Structureofrise-dropsystem其中舉升臂機構共有五個自由

度。下面我們根據(jù)分析關節(jié)式機器人的方法來分析舉升臂的運動學模型。

機器人的運動學主要研究機器人相對于機座坐標系的運動和時間的關系，重點研究

關節(jié)變量與機器人末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)的關系。機器人的運動學模型是對機器人進行

運動學分析和研究的基礎。

2.2D-H表示法

在諸多機器人運動學模型采用的對機器人連桿進行幾何描述的方法中，Denavit-

Hartenburg表示方法（簡稱D-H法）⑼是一種應用比較廣泛的方法。D-H模型表示了對

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山東科技大學碩士學位論文高空作業(yè)車舉升臂的運動學建模

機器人連桿和關節(jié)進行建模的一種常用方法，可用于任何機器人構型，而不管機器人的

結構順序和復雜程度如何，而且D-H表示法有其附加的好處，使用它已經(jīng)開發(fā)了許多技

術口2][13][14]05][16]。

D-H表示法中D-H坐標系的建立是關健。D-H坐標系是一種建立桿坐標系的方法11刀。

以轉動關節(jié)聯(lián)接的桿系為例，如圖2.2所示。定義an為關節(jié)n的軸線與關節(jié)n+1的軸

線間公垂線的長度；?為垂直于an的平面內(nèi)上述兩軸線間的夾角；dn為關節(jié)軸n與n

+1的公垂線及軸n與n-1的公垂線之間沿軸n的距離；a為垂直于關節(jié)軸n的平面內(nèi)

上述兩公垂線的夾角。按D-H法，取坐標系n的乙軸與關節(jié)軸n+1重合；Xn軸沿an從

關節(jié)n指向關節(jié)n+1;Yn軸可按右手法則確定，圖中一般不畫出；n系的原點位于an與

關節(jié)軸n十1的交點處。

圖2.2DH方法描述機器人轉動關節(jié)連桿示意圖

Fig.2.2SketchmapofDHmethoddepictstheturningjoints

如果定義上述坐標系〃相對于坐標系〃1的變換矩陣為連桿變換矩陣4,則

4

等于四個坐標變換對應的齊次矩陣乘積，即：

4a4AO

CSOOOOoaOOO

n

?Oo

C

qOOM4ooOSO

oOMno

OO

OoOCO

S