第1讲 工程机械机电液一体化技术概述

1.1 工程机械机电液一体化技术
(3) 主要相关技术 从技术构成来看机电液一体化技术，主 要包括如下几种核心技术： a. 传感技术 b. 信息处理技术 c. 液压传动技术 d. 接口技术 e. 自动控制技术
1.1 工程机械机电液一体化技术
(3) 主要相关技术 a. 传感技术 传感技术是机电液一体化的关键性技术之一， 它是工程机械施工作业过程中的视觉与感觉系统。 传感器技术自身就是一门多学科、知识密集的应用 技术。作为一个独立器件，传感器的发展正进入集 成化、智能化研究阶段。 例：压力传感器，流量传感器、倾角传感器等
1.1 工程机械机电液一体化技术
(2) 主要组成要素 实例：挖掘机SWE85E 动力系统：柴油发动机， 液压泵（带LUDV系统、 双柱塞泵合一）
LUDV控制系统，是指负载独立流量分配系统，将压力 补偿阀置于主阀之后，对系统压力进行阀后补偿。
1.1 工程机械机电液一体化技术
(2) 主要组成要素 d. 执行系统 执行系统的功能应是根据控制信息和指 令完成所要求的动作。执行机构是运动部件， 它将输入的各种形式的能量转换为机械能。
(1) 电子监控、检测及诊断 远程系统：通过远程传输系统(GPRS， WLAN等）将采集的各类车载信号数据传输到 远程服务器，对数据进行保存、分析，实现 工程机械设备的集中监控、管理及远程诊断， 并能通过远程传输系统（比如短信）将故障 或维护信息发送机主。
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
服服
服服服服 服服服
(3) 主要相关技术 d. 接口技术 机电液一体化系统是机械、电子、信息等性能 各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子 系统之间的接口极其重要。 接口(Interface)是各子系统或要素之间的分界 面。子系统之间进行数据交换或传输，必须通过这 个分界面。接口性能是决定系统综合性能好坏的重 要因素。 例：CANBUS接口，RS-232接口等
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
(2) 节能环保 以挖掘机上研究应用 最为广泛，主要内容包括 负荷敏感控制、泵－发动 机功率匹配控制、负流量 控制、正流量控制等等
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
(2) 节能环保 负荷敏感(Load-Sensing, LS)控制方式： 可以使泵的输出压力和流量自动适应负载的 要求，大幅度提高液压系统效率；在大中型 挖掘机上，采用负荷敏感工作的液压系统日 趋成为主流。
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
(1) 电子监控、检测及诊断 应用实例： 卡特彼勒的装载机：三级报警系统、电子检测系 统、发动机自动控制装置； 小松的挖掘机：电子检测装置包括11个自动报警 检测项目，发动机、液压系统、电气系统等工况 的瞬时状态检测；
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
1.1 工程机械机电液一体化技术
(3) 主要相关技术 b. 信息处理技术 信息处理技术包括信 息的输入、识别、变换、 运算、存储和输出等技术。 对于机电液一体化系统， 信息的处理需要实时、准 确。 信息处理的硬件设备 主要包括计算机、可编程 序控制器，键盘，显示器 等；
1.1 工程机械机电液一体化技术
1.1 工程机械机电液一体化技术
(2) 主要组成要素 实例：挖掘机SWE85E 控制系统：EPEC2023控 制器，自适应控制程序， 运动学正解/反解程序， 电液比例换向阀，控制 手柄等
1.1 工程机械机电液一体化技术
(2) 主要组成要素 b. 检测系统 检测系统的功能主要是在设备运行过程中对设 备自身和外界环境的各种参数及状态信号进行检测， 变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、 处理后产生相应的控制信息。 检测系统通常由专门的传感器、仪器仪表以及 接口电路构成。
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
(3) 智能控制 ABG的7820型智能摊铺 机、三一的LTU90A智能 摊铺机具备自动找平、 直线行走等等功能，其 控制系统采用了模糊 PID控制算法；
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
(3) 智能控制 小松的PC型电控挖掘机采用了滑模控制，具 备实用毛笔写字的功能；
(2) 节能环保
力士乐的GLB控制系统，结合发动机的转速，直接控 制泵的吸收功率； 日立建机的ELLE控制系统，实现了泵和柴油机的联 合调节； 山河智能的SWE系列挖掘机，采用恒功率-变功率调 节，使发动机功率得到充分吸收；

1.2 机电液一体化技术主要研究方向
(3) 智能控制 智能控制技术是机电液一体化技术的关键 技术，应用前景非常广泛。主要包括模糊PID 控制、自适应控制、滑模控制、神经网络控 制等等。
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
(2) 节能环保
泵-发动机功率匹配控制：通过柴油机不同的转 速来实现不同的功率输出，适应不同的工作要求。 发动机的多段功率控制并不是简单地将柴油机调速 杆置于几个特定的位置上，而是调节泵的吸收扭矩， 使柴油机稳定地运行在经济工况点上。
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
山河智能的SWE85E型电控挖掘机采用了自适
应预测控制，可以实现直线挖掘。
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
(4) 嵌入式系统 嵌入式系统（Embedded System）被定义为： 以应用为中心，以计算机技术为基础，软件和硬件 均可根据需要进行裁剪，以适应系统的功能、实时 性、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用 计算机系统。 嵌入式系统可分为软件系统和硬件系统两个方面。
嵌入式系统是一种"完全嵌入受控器件内部，为特定应用而 设计的专用计算机系统"，根据英国电气工程师协会的定义， 嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运 作的设备。
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
(4) 嵌入式系统 嵌入式软件系统：一般都是实时操作系统(Real Time Operating System，RTOS），常用的有 VxWorks、Linux、Windows CE、uCos、QNX等等
现代工程机械上机电液一体化技术的研究方向 非常多样，主要的研究方向包括如下几个方面： (1) 电子监控、检测及诊断 (2) 节能环保 (3) 智能控制 (4) 嵌入式系统 (5) 无线控制和无人驾驶 (6) 虚拟现实技术
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
(1) 电子监控、检测及诊断 研究和应用主要集中于机载系统和远程系 统两个部分。 机载系统：电子检测与监控技术可以通过 一些基本的传感器信号对工程机械的动力、 传动、工作装置等的运行状态进行检测和显 示，通过人工或车载计算机对异常状态进行 分析、诊断。
1.1 工程机械机电液一体化技术
(1)工程机械的发展 第二个阶段，20世纪50年代中期，液压 传动技术得到了迅速发展，并被应用于工程 机械，使得工程机械找到理想的传动形式， 推动了工程机械的飞速发展。 传动形式的液压化是工程机械由传统结 构形式向现代结构发展的一次重大飞跃。
1.1 工程机械机电液一体化技术
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1.2 机电液一体化技术主要研究方向
(2) 节能环保 应用实例： 日立的EX系列挖掘机：最早采用负荷敏感系统的挖 掘机之一，实现了无冲击作业，提高了作业效率； 小松挖掘机：采用了封闭式中央负荷敏感系统，能 够提供平稳、精确的控制操作，达到最佳作业效率； 山河智能SWE系列挖掘机：采用了负荷敏感系统，提 高了挖掘机动作的协调性，提高了作业效率。
1.1 工程机械机电液一体化技术
(2) 主要组成要素 实例：挖掘机SWE85E 检测系统：压力传感器、 流量传感器、倾角传感 器、转速传感器等； CAN总线，RS-485总线， 总线转换接口等
1.1 工程机械机电液一体化技术
(2) 主要组成要素 c. 动力系统 根据一定的要求，为系统提供能量和动 力，使系统正常运行。用尽可能小的动力输 入获得尽可能大的功能输出，是机电液一体 化产品的显著特征之一。
服服服 服服服
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
(1) 电子检测、监控以及诊断 应用实例： 小松的挖掘机：通过WLAN并结合中继站实现远程数 据传输，进行状态监控，控制挖掘机的动作； 三一的机群智能化：结合WLAN和GPRS实现机群GPS数 据、状态数据的传输； 山河智能的SWE型挖掘机：通过短信和GPRS实现GPS 信息、压力信息、油料信息，实现状态监控；

VxWorks：实时性最好的一款嵌入式软件系统，属 于高端的嵌入式系统，体积小，功能强，但价格 较贵； 应用：战略导弹、火星探测器
1.1 工程机械机电液一体化技术
(2) 主要组成要素 实例：挖掘机SWE85E 执行系统：液压缸（分 别驱动动臂、斗杆、铲 斗、推土铲），液压马 达（分别驱动行走、回 转）等
1.1 工程机械机电液一体化技术
(2) 主要组成要素 e. 机械本体 机械本体包括机械传动装置和机械结构装置， 其主要功能是使系统零部件按照一定的空间和时间 关系装配在一定的位置上，并保持特定的关系。 为了充分发挥机电液一体化的优点，必须使机 械本体部分具有较高的强度、轻量化和高可靠性。
1.1 工程机械机电液一体化技术
(2) 主要组成要素 实例：挖掘机SWE85E 机械本体：车架，驾驶 室、底盘、工作装置等 等
1.1 工程机械机电液一体化技术
(2) 主要组成要素 实例：挖掘机SWE85E 控制系统：EPEC2023控制器，自适应控制程序，电 液比例换向阀，控制手柄等 检测系统：压力传感器、流量传感器、倾角传感器、 转速传感器等；CAN总线，RS-485总线，总线转换电 路等 动力系统：发动机，液压泵等 执行系统：液压缸，液压马达等 机械本体：车架，驾驶室、底盘等
(1) 工程机械的发展 第三个阶段，20世纪的后期至今，机电 一体化技术开始与工程机械的液压和液力传 动技术相结合，称之为机电液一体化技术。
1.1 工程机械机电液一体化技术
(2) 主要组成要素 机电液一体化技术 分为五大要素或称为五 大系统： a. 控制系统 b. 检测系统 c. 动力系统 d. 执行系统 e. 机械本体
工程机械机电液一体化
第1讲 工程机械机电液一体化技术概述
1. 1、工程机械机电液一体化技术 1.2、机电液一体化技术的主要研究方向
1.1 工程机械机电液一体化技术
(1) 工程机械的发展 工程机械的每一次技术的进步都与现代化工业 技术的发展息息相关的，工程机械发展阶段主要包 括三个阶段。 第一个阶段，19世纪后期，汽油机（奥托, 1876）和柴油机（鲁道夫· 狄塞尔，1892）出现；第 一次世界大战后，他们被先后应用于工程机械，极 大的改善了工程机械的动力性能。
1.1 工程机械机电液一体化技术
(3) 主要相关技术 e. 自动控制技术 在机电液一体化技术中，自动控制主要 是解决如何提高产品的精度、提高施工效率、 提高设备的有效利用率等几个主要方面的问 题。其主要技术关键，在于现代控制理论在 机电一体化技术中的工程化与实用化、优化 控制模型的建立。
1.2 机电液一体化技术主要研究方向
动力系统
检测系统
控制系统
执行系统
机械本体
1.1 工程机械机电液一体化技术
(2) 主要组成要素 五大要素与人身体的部位的类比 控制系统－大脑 检测系统－各种感觉、神经系统等 动力系统－心脏 执行系统－手、脚等 机械本体－骨架
1.1 工程机械机电液一体化技术
(2) 主要组成要素 a. 控制系统 控制系统是机电液一体化系统的核心部分，包 括了硬件部分和软件部分。 硬件：由计算机、可编程序控制器、数控装置 以及计算机外部设备等组成。 软件：将来自传感器的检测信号和外部输入命 令进行储存、加工、分析，根据处理结果，按照一 定的控制程序发出相应的指令控制整个系统的运行。
(3) 主要相关技术 c. 液压传动技术 液压传动技术是用液体作为 工作介质来传递能量和进行控制 的传动方式。尤其是电液比例控 制技术和伺服控制技术出现以后， 进一步提升了液压系统的性能、 精度、响应速度，这些对机电液 一体化产品的性能与效率具有至 关重要的影响。 例：电液比例阀、电液伺服阀
1.1 工程机械机电液一体化技术