探讨现代机械工程中自动控制系统的运用问题

丁美玲

摘 要：自动控制系统在现代化机械工程中发挥着重要作用，首先对二者的发展做了简单介绍，并分析了当前自动控制系统的研究内容，以及近些年取得的显著成果。然后以旋挖钻机为例，从桅杆垂直、回转定位、自停系统三方面对自控系统的实际应用进行了仔细分析。

关键词：自动控制系统 旋挖钻机 传感器 回转定位

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（a）-0055-03

在人类发展史中，劳动器具的应用推动了生产力的发展。随着经济水平的增长，劳动器具越来越先进，可代替人工做许多工作，在人类生产生活中的作用越来越突出。工业革命之后，机械由木结构迅速朝金属结构过渡，制造工艺也实现了从凭借经验到利用科学的转变，为现代化机械工程奠定了基础。在经济技术的推动下，20世纪40年代经典控制论形成，并逐步发展壮大；计算机和自动化技术则使得机械工程有了进一步发展，并实现了自动化控制，为各个生产领域均做出了巨大贡献。在当前时代，生产工艺日益复杂，为实现高效、高质生产，必须熟练应用自动控制系统，并不断创新改进。

1 机械工程及其重大意义

人类在利用、改造大自然为自身服务时，最初多依靠双手完成各项工作。显然这是不够的，因为人力极其有限，伴随着需求的增加，人们的开拓领域越来越广，仅依靠双手在很多方面都受到限制。各种机械器具便在此背景下出现，并不断更新改进，机械能够完成人们用双手无法完成的事，而且效率和质量更佳。经过千百年的演变，积累了大量经验，机械工程规模扩大，研究愈发深入，应用更为广泛，是各个行业都不可或缺的重要组成部分。直至进入现代社会，机械工程开始引进现代化高新技术，机械装置在精度、质量各方面都进入到全新阶段。如今，可上游宇宙天空、下潜大洋深层，远窥百亿光年、近察细胞分子。此外，机械工程在军事、建筑、农业、生物、医疗、勘探等诸多领域都有着广泛应用。

2 自动控制系统的发展

现代化机械工程的一个明显特点，就是建立有自动控制系统，实现了自动化控制。所谓自动控制系统，即在无人直接参与的情况下，通过对多种高新技术的应用，能够自动完成生产任务，或能够按照设定程序自动操作的控制系统。系统包括控制器、执行机构、被控对象以及变送器4部分，按照控制原理，可分为开环和闭环两种，在社会各方面都有使用。

自动控制系统的产生是生产水平和经济技术发展到一定阶段的必然产物，如计算机技术、电子技术等。尤其是21世纪以来，自动控制系统在机械工程中的应用受到高度重视。早些时期，自动控制系统多依靠机械装置实现自动控制；当前则主要通过各种专用和通用的单片机，以及工业级控制计算机等控制器来实现；随着科技的进步和研究的深入，自控系统正朝着智能化方向迈进，在将来应用纳米光电子元件、光电子计算机等装置，系统将更稳定，反应越来越快，精确性也更高。

在20世纪40年代经典控制论出现后，以模拟量自控系统为主，但系统输入、输出为单变量；随后朝着多变量发展，实际生产控制中会产生大量的数据，需要快速运算，计算机技术的兴起使此问题得到了很好的解决。到80年代，线性自动控制系统产生，与能够寻求一个最优控制向量作用而使自动化机械系统状态或输出满足某种最优准则的最优自控系统；至90年代，计算机、自动化和电子技术飞速发展，相关研究越来越多，自控系统也进一步改进，实现了自适应控制系统的建立，即根据外部环境的动态变化，该系统可自动调节，始终满足某种最优准则。进入21世纪后，机械工程变得更加复杂，在实际制造加工中，遇到许多非线性的难题，因无法准确构建相应的数学模型，自动控制系统也就难以取得较好的效果。智能控制便应运而生，且倍受青睐，其发展空间十分广阔，是今后的主流。

3 关于自动控制系统的研究内容

3.1 功能设计

自动控制系统在当前机械工程中的作用不言而喻，随着人们对机械制造、加工、应用等方面要求的不断提高，自动控制系统还需改进，实现更多功能。较为常见的一些功能有自助决策、人机交互、信息实时转换和分析、科学规划、远程通信和远程控制、对控制软件的支持等，是目前自控系统功能的研究重点。但其实际研究过程较为艰难，因为自控系统是多种学科的知识和理论的综合应用，包括机械、计算机、物理、软件、电子信息、通讯、数学、人工智能、人机工程以及心理学等诸多学科。

3.2 控制功能计算机

计算机是实现自动控制功能的基础设备，机械工程涉及面较广，不同行业都有与其自身相适应的自控系统。被控对象的用途、功能、体积、参数等因素各有差异，在选择控制功能计算机时，应具体而定。一般而言，当被控机械系统的规模较小时，监视控制量为开关量和少量数据信息的模拟量，实现控制要求较为简单，多采用PLC或单片机；当被控机械系统的规模较大，或要处理海量数据信息时，多选择工控机。系统总线是其基础结构，以并行数字通信方式为主，负责控制模板与计算机CPU间的数据传递交换工作。当前应用较多且发展速度最快的系统总线有STD、VME、PC几种；当被控机械系统为多层次、且较复杂时，分布式自动控制系统无疑是最好的选择，它通过分析各级控制对象的特点，分别采用单片机、PLC总线工控机以及微型计算机等来完成不同的功能。在计算机的选择中，除了以上因素，还需考虑具体的指令、字长等。另外，如果设计任务是已经给定的，选结合实际需要制定多种选择方案，经对比后确定最佳方案。

3.3 控制软件

软件是支撑自控系统运行的关键，包括两大部分：（1）应用软件。即为满足各种领域，主要是光机电系统的需求而提供的软件。在可构建数学模型的情况下，通常会先建立微分方程，接着建立传递函数或状态空间表达式。为提高系统质量，各项性能指标均能顺利实现，可选择MATLAB进行分析；（2）系统软件。由操作系统、驱动、数据库、诊断系统、网络连接等构成，如Windows系列操作平台等。主要负责计算机软硬件的协调，对计算机进行调度维护。随着技术的不断进步，系统软件在今后将更加完善，应用软件也进一步实现标准化，设计出多功能和多参数的软件。endprint

3.4 人性化操作界面

人机交流是自动控制系统必须具备的前提条件，且人占据着主导地位，负责系统的操作研发等工作。设计系统的硬件和各种管控程序时，在保证其安全性的同时，还应考虑操作的方便简捷。通过合理设计，确保人的最终决策功能得到最大发挥，使系统能够为人的正确决策提供多种作业辅助手段，同时强调人的特性和限度。科学设计相关接口，如信息接口、物理接口等，以方便系统同执行元件及其他动力源的连接。智能接口在信息处理方面更具优势，是当前研究的重点，而且人性化操作界面也是当前自控系统的重点部分。

3.5 现场总线

即安装在现场设备与自控装置之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。典型的有基金会现场总线FF、控制器局域网CAN、HART等。例如CAN总线广泛应用于机械制造等领域，具有高抗电磁干扰、高错误检出性，可提供较高数据传输速率，进而顺利实现实时控制；目前研究进一步增大CAN总线传输距离，但尚有一些困难问题未能得到解决。

4 自动控制系统的相关研究成果

4.1 传感器技术

传感器在现代化机械工程中发挥着重要作用，与后续操作密切相关，进而影响到控制效果。为提高自动控制水平，需保证传感器的性能符合要求：首先，自身质量比较稳定。如在外界冲击力较大时，传感器不会有大的损伤；具备防止环境污染的功能；能够适应高温高湿环境。其次，传感器还应具备准确、快速地获取各种有效信息的能力。从国内现状来看，此类传感器在实验室内可以实现，但在实际大型机械设备上应用时，其效果难以得到充分发挥。由于性能的不稳定，将对工程机械一体化的发展形成阻碍。

4.2 可靠性技术

工程施工条件越来越恶劣，以至于机械设备在作业时常会发生剧烈振动，使得最终效果受到影响。包括动力源处的液压装置、外界的负荷和冲击等都会对机械使用效果不利。所以，控制系统必须具备极强的耐震性。工程中很多基础材料，如水分、砂石、污染物等，可能会因施工进入机械装置中，这就要求系统具备良好的密封性。此外，系统还应具备抗干扰能力，不会受外部噪音、环境的影响。

4.3 微机控制技术

计算机技术在不断发展进步，硬件控制功能日益完善，已经能够完全满足现代化机械工程要求；软件控制也取得显著成果，积极引进各种控制算法，如蚂蚁集群算法等。

5 旋挖钻机及其自动控制系统

5.1 工程实例

某住宅小区占地75000 m2，计划建设10栋现代化住宅楼，采用框架剪刀墙表结构，高度均为32层，设有2层地下室，现代简约风格，另有两层裙房。地基土质也粉质粘土和黏土居多，为提高地基承载力，桩基工程采用旋挖钻孔成桩技术进行施工。经实际调查发现，施工的难点在于：（1）孔壁易发生坍塌；（2）成孔过程中沉渣较多，加大了清孔难度；（3）粘土层易堵塞钻斗，且很难甩出；粘土层较硬时，效率比较低。

5.2 旋挖钻机及其自动控制系统

旋挖钻机是建筑工程成孔环节中常见的机械设备，成孔深、效率高、质量好、噪音少，在路桥施工、水利建设等方面有着极为广泛的应用。主要由滑轮架、桅杆、钻杆、转盘、回转机构、调垂油缸、上车、钻具和底盘等几部分组成。如图1所示。

随着市场竞争的加剧，企业若想提高旋挖效率和适量，需建立起自动控制系统。主要包括以下几部分：

（1）桅杆姿态检测及桅杆控制。

通过显示器按键选择进入自动纠偏模式，并借助手柄对立桅及倒桅速度加以控制。通过控制器的自动调节，实现左右油缸的同步；进入自动立桅模式后，由控制器自动立桅，调平OK后延时5 s退出自动立桅模式；进入自动倒桅模式，同样由控制器自动倒桅，桅杆Y轴角若在5 s时发生变化，停止自动倒桅；若桅杆前后角及左右角均小于3°，可进入自动调垂模式，调平OK后延时5 s，退出该模式。

（2）回转定位。

通过显示器设置自动回转定位开，且钻头要高于地面30 cm，然后按下手柄上自动回转定位按钮，控制器自动控制车体与原来相反方向回转到定位位置。

（3）主卷浮动控制。

按下主卷浮动按钮，主卷制动阀与浮动阀打开，主卷靠钻杆和钻头的自重自动跟进。

（4）深度测量。

在额头滑轮测深方式：利用编码器计数，然后经精密计算，最终将深度值显示在显示器上。虽然器件的安装工作较为简单，精确却不高。在卷扬测深方式：与上同，虽然每次换钢丝绳时均需重新标定参数，较为繁琐，但其精度比较高。深度的显示方式：将旋挖的孔深度、平均深度以及钻头所处位置的结果显示在显示器上。

6 自动控制系统在旋挖钻机中的实际应用

鉴于以往经验，为提高成孔质量，该工程提前对旋挖型钻机的自动化控制系统进行详细设计。在此主要从以下三方面进行详细分析。

6.1 桅杆垂直自动控制系统

在钻进过程中，旋挖钻机的桅杆必须呈垂直状，否则极易影响钻孔效果。此工程现场有多处不平整，桅杆必将出现倾斜的情况，所以应对此加以调节。在此自动控制系统中，有两个调平缸，由负荷传感泵驱动，当钻桅发生倾斜时，予以纠正，使其恢复垂直状。调平缸由电液比例阀独立控制。该系统包括微处理器控制器、调节机构、信号处理器、电控手柄、油缸、传感器等组成。采用的是双轴倾角传感器，安装在桅杆上，负责倾斜角度的测量工作，然后借助PLC内部的A/D模块进行转化后，与给出的信号进行比较，从而产生角度偏差。控制器利用相关算法对此结果加以调平处理，而后将PWM控制信号输出，经由D/A转换器，将信号向油缸传递。再利用电液比例阀，构成闭环电液比例控制系统，对桅杆倾斜加以控制。

PLC控制器是自动调垂控制系统的核心和关键部分，在此选择的是Hesmor系列，具有诸多优势，如在严重振动、温度变化频繁以及强电磁干扰的情况下依旧可以正常工作。除了发动机，均使用的是该系列中的HC-G16控制器，主频为40 MHz，512KbytesRAM，XC167CPU，共有2个CAN接口和13个AI/DI口。endprint

6.2 自动回转定位系统

旋挖机在施工中经常会有车回转的操作，包括启动、回转和转动3个环节，此过程中回转的负荷有较大的变化。其定位是否精确与钻孔成桩效果密切相关，为此必须建立自动回转定位系统。回转系统由转台主体、回转支承、钻桅支承和回转减速机等部分构成，对其有几点要求：尽量将能量损失降至最低；回转力矩应控制在规定值内，角加速度符合要求；定位必须精确，不得有过大的误差。其中，精确定位尤为关键。

自动回转定位系统是在电液比例控制技术、信号反馈控制技术以及CAN-BUS总线通讯技术的基础上建立起来的。包括控制器、显示器、回转开关、编码器等装置，显示器上设置有“孔位确定”按钮，钻头回转任意角度排渣后，按下“自动回转”按钮，编码器可对回转方向和位置进行检测，将结果输送至控制器。经过相关计算后，控制器将PWM信号输出，对回转电液比例阀加以控制，从而使钻具能够自动对准孔位，同时其转动角度呈现在显示器上。系统原理如图2所示。

6.3 主卷过载保护与钻具触地自停系统

在实际作业中，取土返回时，若钻头触地后未能及时停机，则卷扬机将继续工作，导致钢丝绳一直下放，出现乱绳情况，影响到钢丝绳的使用寿命；若钢丝绳承受过大的压力，必须及时停止卷扬工作，否则极易出现安全事故。

在自停系统中，传感器负责卷扬荷载信息的搜集，控制器对其安全程度加以判断。一旦出现异常，传感器的信号会有所变动，控制器则发出停止的指令。系统的软硬件结构中，手柄与主控阀间设置有电磁阀，销轴传感器的信号输入端和输出端分别与滑轮和车载控制器信号输入端相连接，车载控制器信号输出端通过继电器分别与先导电磁阀及自停选择开关相连。过载与触地自停系统硬件包括显示器、控制器、传感器、电磁阀等。电路原理如图3所示。

7 结语

机械工程为人类社会发展做出了巨大贡献，随着制造、加工等行业工作量的增大，以及质量要求的提高，必须采用自动控制系统。通过自动控制系统，可有效提高工作效率，是实现机电一体化的关键技术。在今后的发展中，自动控制技术还需不断改进，朝着智能化的方向发展。

参考文献

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[9] 丁艳玲，刘星桥.基于模糊控制的多电机系统仿真与实验研究[J].微电机，2008，24（10）：102-104.

[10] 胡长胜，李冰.无钻杆旋挖钻机工作装置监控系统研制[D].哈尔滨工业大学，2011.endprint

6.2 自动回转定位系统

旋挖机在施工中经常会有车回转的操作，包括启动、回转和转动3个环节，此过程中回转的负荷有较大的变化。其定位是否精确与钻孔成桩效果密切相关，为此必须建立自动回转定位系统。回转系统由转台主体、回转支承、钻桅支承和回转减速机等部分构成，对其有几点要求：尽量将能量损失降至最低；回转力矩应控制在规定值内，角加速度符合要求；定位必须精确，不得有过大的误差。其中，精确定位尤为关键。

自动回转定位系统是在电液比例控制技术、信号反馈控制技术以及CAN-BUS总线通讯技术的基础上建立起来的。包括控制器、显示器、回转开关、编码器等装置，显示器上设置有“孔位确定”按钮，钻头回转任意角度排渣后，按下“自动回转”按钮，编码器可对回转方向和位置进行检测，将结果输送至控制器。经过相关计算后，控制器将PWM信号输出，对回转电液比例阀加以控制，从而使钻具能够自动对准孔位，同时其转动角度呈现在显示器上。系统原理如图2所示。

6.3 主卷过载保护与钻具触地自停系统

在实际作业中，取土返回时，若钻头触地后未能及时停机，则卷扬机将继续工作，导致钢丝绳一直下放，出现乱绳情况，影响到钢丝绳的使用寿命；若钢丝绳承受过大的压力，必须及时停止卷扬工作，否则极易出现安全事故。

在自停系统中，传感器负责卷扬荷载信息的搜集，控制器对其安全程度加以判断。一旦出现异常，传感器的信号会有所变动，控制器则发出停止的指令。系统的软硬件结构中，手柄与主控阀间设置有电磁阀，销轴传感器的信号输入端和输出端分别与滑轮和车载控制器信号输入端相连接，车载控制器信号输出端通过继电器分别与先导电磁阀及自停选择开关相连。过载与触地自停系统硬件包括显示器、控制器、传感器、电磁阀等。电路原理如图3所示。

7 结语

机械工程为人类社会发展做出了巨大贡献，随着制造、加工等行业工作量的增大，以及质量要求的提高，必须采用自动控制系统。通过自动控制系统，可有效提高工作效率，是实现机电一体化的关键技术。在今后的发展中，自动控制技术还需不断改进，朝着智能化的方向发展。

参考文献

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[9] 丁艳玲，刘星桥.基于模糊控制的多电机系统仿真与实验研究[J].微电机，2008，24（10）：102-104.

[10] 胡长胜，李冰.无钻杆旋挖钻机工作装置监控系统研制[D].哈尔滨工业大学，2011.endprint

6.2 自动回转定位系统

旋挖机在施工中经常会有车回转的操作，包括启动、回转和转动3个环节，此过程中回转的负荷有较大的变化。其定位是否精确与钻孔成桩效果密切相关，为此必须建立自动回转定位系统。回转系统由转台主体、回转支承、钻桅支承和回转减速机等部分构成，对其有几点要求：尽量将能量损失降至最低；回转力矩应控制在规定值内，角加速度符合要求；定位必须精确，不得有过大的误差。其中，精确定位尤为关键。

自动回转定位系统是在电液比例控制技术、信号反馈控制技术以及CAN-BUS总线通讯技术的基础上建立起来的。包括控制器、显示器、回转开关、编码器等装置，显示器上设置有“孔位确定”按钮，钻头回转任意角度排渣后，按下“自动回转”按钮，编码器可对回转方向和位置进行检测，将结果输送至控制器。经过相关计算后，控制器将PWM信号输出，对回转电液比例阀加以控制，从而使钻具能够自动对准孔位，同时其转动角度呈现在显示器上。系统原理如图2所示。

6.3 主卷过载保护与钻具触地自停系统

在实际作业中，取土返回时，若钻头触地后未能及时停机，则卷扬机将继续工作，导致钢丝绳一直下放，出现乱绳情况，影响到钢丝绳的使用寿命；若钢丝绳承受过大的压力，必须及时停止卷扬工作，否则极易出现安全事故。

在自停系统中，传感器负责卷扬荷载信息的搜集，控制器对其安全程度加以判断。一旦出现异常，传感器的信号会有所变动，控制器则发出停止的指令。系统的软硬件结构中，手柄与主控阀间设置有电磁阀，销轴传感器的信号输入端和输出端分别与滑轮和车载控制器信号输入端相连接，车载控制器信号输出端通过继电器分别与先导电磁阀及自停选择开关相连。过载与触地自停系统硬件包括显示器、控制器、传感器、电磁阀等。电路原理如图3所示。

7 结语

机械工程为人类社会发展做出了巨大贡献，随着制造、加工等行业工作量的增大，以及质量要求的提高，必须采用自动控制系统。通过自动控制系统，可有效提高工作效率，是实现机电一体化的关键技术。在今后的发展中，自动控制技术还需不断改进，朝着智能化的方向发展。

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[9] 丁艳玲，刘星桥.基于模糊控制的多电机系统仿真与实验研究[J].微电机，2008，24（10）：102-104.

[10] 胡长胜，李冰.无钻杆旋挖钻机工作装置监控系统研制[D].哈尔滨工业大学，2011.endprint