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　　液壓挖掘機是一種在土建施工中廣泛應用的土方機械。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展，越來越迫切需要實現挖掘機作業操作的自動化、智能化。

　　液壓挖掘機的機械液壓系統具有較大的慣性質量，包含許多非線性因素，動態特性變化大且不穩定，在施工中每一具體操作的內容和要求都不確定，很難形成一定規律，對駕駛員的操作技能要求較高。因此，實現挖掘機作業的自動化，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綜合應用。為了使挖掘機能達到熟練駕駛員的判斷能力和作業效果，本文將模糊控制理論應用于挖掘機軌跡控制中，將反映熟練駕駛員的操縱規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。其工作裝置的結構見圖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、鏟斗三個桿件的復合運動合成。齒尖軌跡的每一位置都可由動臂相對轉臺、斗桿相對動臂、鏟斗相對斗桿的轉角來唯一表示[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。

　　本實驗裝置中，動臂相對轉臺的鉸點，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角。由于經費問題，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，可獲得對應于齒尖的任意運動軌跡的動臂和斗桿的角度序列，且對應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關系。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間的函數關系Φ2=f(Φ1)可用圖3曲線表示。

　　2　基于角度的模糊控制系統

　　模糊控制方法，以專家掌握的定性知識為基礎，用模糊數學的方法，建立系統輸入與輸出的模糊集以及它們之間的模糊關系，生成非解析的控制規律映射模型，從而擺脫對精確模型的依賴。

　　對于挖掘機這類工程建設機械，由于其機械液壓結構復雜，存在許多非線性因素，控制系統的準確數學模型很難建立。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的模型結構，而只是憑借自己的經驗，通過一些不精確的觀察，執行一些不精確的操作，就能很好地駕駛一臺挖掘機，完成規定的軌跡操作。因此，可采用模糊控制理論，將熟練駕駛員的操作規律作為算法輸入計算機，通過模糊推理控制，實現熟練駕駛員的作業水平。

　　挖掘機的模糊控制系統由四個部分組成，模糊控制系統框圖見圖4。

　　1.計算控制變量　2.模糊量化處理　3.模糊控

　　制規則　4.模糊推理決策　5.非模糊化處理

　　6.執行機構　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，將依據熟練駕駛員的操作經驗形成的控制規律以一定的模糊控制規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數模轉換為模擬信號，送給執行機構—電液比例閥。在I/O接口裝置中，除A/D、D/A轉換外，還應包括必要的電平轉換線路。

　　(3)被控對象及執行機構：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。