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文檔簡介
1、<p> 液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng)</p><p> Hirokazu Araya ,Masayuki Kagoshima</p><p> 日本機械工程研究實驗室Kobe Steel, Ltd., Nishi-ku, Kobe Hyogo 651 2271,</p><p> 2000年7月27日</p><p><
2、;b> 摘要</b></p><p> 開發(fā)出了一種應(yīng)用于液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng)。采用該系統(tǒng),即使是不熟練的操作者也能容易和精確地操控液壓挖掘機。構(gòu)造出了具有控制器的液壓挖掘機的精確數(shù)學(xué)控制模型,同時通過模擬實驗研發(fā)出了其控制算法,并將其應(yīng)用在液壓挖掘機上,由此可以估算出它的工作效率。依照此法,可通過正反饋及前饋控制、非線性補償、狀態(tài)反饋和增益調(diào)度等各種手段獲得較高的控制精度和穩(wěn)定性能。
3、自然雜志2001 版權(quán)所有</p><p> 關(guān)鍵詞:施工機械;液壓挖掘機;前饋;狀態(tài)反饋;操作</p><p><b> 1.引言</b></p><p> 液壓挖掘機,被稱為大型鉸接式機器人,是一種施工機械。采用這種機器進(jìn)行挖掘和裝載操作,要求司機要具備高水平的操作技能,即便是熟練的司機也會產(chǎn)生相當(dāng)大的疲勞。另一方面,隨著操作者年齡
4、增大,熟練司機的數(shù)量因而也將會減少。開發(fā)出一種讓任何人都能容易操控的液壓挖掘機就非常必要了[1-5]。</p><p> 液壓挖掘機之所以要求較高的操作技能,其理由如下。</p><p> 1.液壓挖掘機的操作,至少有兩個操作手柄必須同時操作并且要協(xié)調(diào)好。</p><p> 2.操作手柄的動作方向與其所控的臂桿組件的運動方向不同。</p><
5、;p> 例如,液壓挖掘機的反鏟水平動作,必須同時操控三個操作手柄(動臂,斗柄,鏟斗)使鏟斗的頂部沿著水平面(圖1)運動。在這種情況下,操作手柄的操作表明了執(zhí)行元件的動作方向,但是這種方向與工作方向不同。</p><p> 如果司機只要操控一個操作桿,而其它自由桿臂自動的隨動動作,操作就變得非常簡單。這就是所謂的半自動控制系統(tǒng)。</p><p> 開發(fā)這種半自動控制系統(tǒng),必須解決
6、以下兩個技術(shù)難題。</p><p> 自動控制系統(tǒng)必須采用普通的控制閥。</p><p> 液壓挖掘機必須補償其動態(tài)特性以提高其控制精度。</p><p> 現(xiàn)已經(jīng)研發(fā)一種控制算法系統(tǒng)來解決這些技術(shù)問題,通過在實際的液壓挖掘機上試驗證實了該控制算法的作用。而且我們已采用這種控制算法,設(shè)計出了液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng)。具體闡述如下。</p>&l
7、t;p> 2.液壓挖掘機的模型</p><p> 為了研究液壓挖掘機的控制算法,必須分析液壓挖掘機的數(shù)學(xué)模型。液壓挖掘機的動臂、斗柄、鏟斗都是由液壓力驅(qū)動,其模型如圖2所示。模型的具體描述如下。</p><p> 2.1 動態(tài)模型[6] </p><p> 假定每一臂桿組件都是剛體,由拉格朗日運動方程可得以下表達(dá)式: 其中
8、 </p><p> g是重力加速度;θi鉸接點角度;τi是提供的扭矩;li組件的長度;lgi轉(zhuǎn)軸中心到重心之距;mi組件的質(zhì)量;Ii是重心處的轉(zhuǎn)動慣量(下標(biāo)i=1-3;依次表示動臂,斗柄,鏟斗)。</p><p><b> 2.2 挖掘機模型</b></p><p> 每一臂桿組件都是由液壓缸驅(qū)動,液壓缸的流量是滑閥控制的,如圖3所
9、示??勺魅缦录僭O(shè):</p><p> 1.液壓閥的開度與閥芯的位移成比例。</p><p> 2.系統(tǒng)無液壓油泄漏。</p><p> 3.液壓油流經(jīng)液壓管道時無壓力損失。</p><p> 4.液壓缸的頂部與桿的兩側(cè)同樣都是有效區(qū)域。</p><p> 在這個問題上,對于每一臂桿組件,從液壓缸的壓力流量特性
10、可得出以下方程:</p><p><b> 當(dāng)</b></p><p><b> 時;</b></p><p> 其中,Ai是液壓缸的有效橫截面積;hi是液壓缸的長度;Xi是滑芯的位置;Psi是供給壓力;P1i是液壓缸的頂邊壓力;P2i是液壓缸的桿邊壓力;Vi是在液壓缸和管道的油量;Bi是滑閥的寬度;γ是油的密度;K
11、是油分子的黏度;c是流量系數(shù)。</p><p><b> 2.3 連桿關(guān)系</b></p><p> 在圖1所示模型中,液壓缸長度改變率與桿臂的旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系如下:</p><p><b> (1)動臂</b></p><p><b> (2)斗柄</b></p
12、><p><b> (3)鏟斗 </b></p><p><b> 當(dāng) 時,</b></p><p><b> 2.4 扭矩關(guān)系</b></p><p> 從2.3節(jié)的連桿關(guān)系可知,考慮到液壓缸的摩擦力,提供的扭矩τi如下</p><p>
13、其中,Cci是粘滯摩擦系數(shù);Fi是液壓缸的動摩擦力。</p><p> 2.5 滑閥的反應(yīng)特性 </p><p> 滑閥動作對液壓挖掘機的控制特性產(chǎn)生會很大的影響。因而,假定滑閥相對參考輸入有以下的一階延遲。</p><p> 其中,是滑芯位移的參考輸入;是時間常數(shù)。</p><p><b> 3 角度控制系統(tǒng)</b
14、></p><p> 如圖4所示,θ角基本上由隨動參考輸入角θγ通過位置反饋來控制。為了獲得更精確的控制,非線性補償和狀態(tài)反饋均加入位置反饋中。以下詳細(xì)討論其控制算法。</p><p><b> 3.1 非線性補償</b></p><p> 在普通的自動控制系統(tǒng)中,常使用如伺服閥這一類新的控制裝置。在半自動控制系統(tǒng)中,為了實現(xiàn)自控與
15、手控的協(xié)調(diào),必須使用手動的主控閥。這一類閥中,閥芯的位移與閥的開度是非線性的關(guān)系。因此,自動控制操作中,利用這種關(guān)系,閥芯位移可由所要求的閥的開度反推出來。同時,非線性是可以補償?shù)模▓D5)。</p><p><b> 3.2 狀態(tài)反饋</b></p><p> 建立在第2節(jié)所討論的模型的基礎(chǔ)上,若動臂角度控制動態(tài)特性以一定的標(biāo)準(zhǔn)位置逼近而線性化(滑芯位移X 10,
16、液壓缸壓力差P 110,動臂夾角 θ10),則該閉環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p> 其中,Kp是位置反饋增益系數(shù);</p><p> 由于系統(tǒng)有較小的系數(shù)a1,所以反應(yīng)是不穩(wěn)定的。例如,大型液壓挖掘機SK-16中。X10是0,給出的系數(shù)a0=2.710,a1=6.010,a2=1.210.加上加速度反饋放大系數(shù)Ka,因而閉環(huán)(圖4 的上環(huán))的傳遞函數(shù)就是</p><p
17、> 加入這個因素,系數(shù)S就變大,系統(tǒng)趨于穩(wěn)定??梢?,利用加速度反饋來提高反應(yīng)特性效果明顯。</p><p> 但是,一般很難精確的測出加速度。為了避免這個問題,改用液壓缸力反饋取代加速度反饋(圖4的下環(huán))。于是,液壓缸力由測出的缸內(nèi)的壓力計算而濾掉其低頻部分[7,8]。這就是所謂的壓力反饋。</p><p><b> 4 伺服控制系統(tǒng)</b></p&
18、gt;<p> 當(dāng)一聯(lián)軸器是手動操控,而其它的聯(lián)軸器是因此而被隨動作控制時,這必須使用伺服控制系統(tǒng)。例如,如圖6所示,在反鏟水平動作控制中,動臂的控制是通過保持斗柄底部Z(由θ1與θ2計算所得)與Zr 的高度。為了獲得更精確的控制引入以下控制系統(tǒng)。</p><p><b> 4.1 前饋控制</b></p><p> 由圖1計算Z,可以得到<
19、/p><p> 將方程(8)兩邊對時間求導(dǎo),得到以下關(guān)系式,</p><p> 右邊第一個式子看作是表達(dá)式(反饋部分)將替換成1,右邊第二個式子是表達(dá)式(前饋部分)計算當(dāng)θ2手動地改變時,θ1的改變量。</p><p> 實際上,用不同的△θ2值可確定1。通過調(diào)整改變前饋增益Kff,可實現(xiàn)最佳的前饋率。</p><p> 采用測量斗柄操作
20、手柄的位置(如角度)取代測斗柄的角速度,因為驅(qū)動斗柄的角速度與操作手柄的位置近似成比例。</p><p> 4.2 根據(jù)位置自適應(yīng)增益調(diào)度</p><p> 類似液壓挖掘機的鉸接式機器人,其動態(tài)特性對位置非常敏感。因此,要在所有位置以恒定的增益穩(wěn)定的控制機器是困難的。為了解決這個難題,根據(jù)位置的自適應(yīng)增益調(diào)度并入反饋環(huán)中(圖6)。如圖7所示,自適應(yīng)放大系數(shù)(KZ或Kθ)作為函數(shù)的兩個變
21、量,2和Z 、2表示斗柄的伸長量,Z是表示鏟斗的高度。</p><p><b> 5 模擬實驗結(jié)論</b></p><p> 反鏟水平動作控制的模擬實驗是將本文第4節(jié)所描述的控制算法用在本文第2節(jié)所討論的液壓挖掘機的模型上。(在SK-16大型液壓挖掘機進(jìn)行模擬實驗。)圖8表示其中一組結(jié)果。控制系統(tǒng)啟動5秒以后,逐步加載擾動。圖9表示使用前饋控制能減少控制錯誤的產(chǎn)生
22、.</p><p><b> 6 半自動控制系統(tǒng)</b></p><p> 建立在模擬實驗的基礎(chǔ)上,半自動控制系統(tǒng)已制造出來,應(yīng)用在SK-16型挖掘機上試驗。通過現(xiàn)場試驗可驗證其操作性。這一節(jié)將討論該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。</p><p><b> 6.1 結(jié)構(gòu)</b></p><p> 圖
23、10的例子中,控制系統(tǒng)由控制器、傳感器、人機接口和液壓系統(tǒng)組成。</p><p> 控制器是采用16位的微處理器,能接收來自動臂、斗柄、鏟斗傳感器的角度輸入信號,控制每一操作手柄的位置,選擇相應(yīng)的控制模式和計算其實際改變量,將來自放大器的信號以電信號形式輸出結(jié)果。液壓控制系統(tǒng)控制產(chǎn)生的液壓力與電磁比例閥的電信號成比例,主控閥的滑芯的位置控制流入液壓缸液壓油的流量。</p><p> 為
24、獲得高速度、高精度控制,在控制器上采用數(shù)字處理芯片,傳感器上使用高分辨率的磁編碼器。除此之外,在每一液壓缸上安裝壓力傳感器以便獲得壓力反饋信號。</p><p> 以上處理后的數(shù)據(jù)都存在存儲器上,可以從通信端口中讀出。</p><p><b> 6.2 控制功能</b></p><p> 控制系統(tǒng)有三種控制模式,能根據(jù)操作桿</p&
25、gt;<p> 和選擇開關(guān)自動切換。其具體功能如下。</p><p> ?。?)反鏟水平動作模式:用水平反鏟切換開關(guān),在手控斗柄推動操作中,系統(tǒng)自動的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平運動。在這種情況下,當(dāng)斗柄操作桿開始操控時,其參考位置是從地面到斗柄底部的高度。對動臂操作桿的手控操作能暫時中斷自動控制,因為手控操作的優(yōu)先級高于自動控制。</p><p> ?。?)鏟斗水平舉升
26、模式:用鏟斗水平舉升切換開關(guān),在手控動臂舉升操作中,系統(tǒng)自動控制鏟斗。保持鏟斗角度等于其剛開始舉升時角度以阻止原材料從鏟斗中泄漏。</p><p> ?。?)手控操作模式:當(dāng)既沒有選擇反鏟水平動作模式,也沒有選擇鏟斗水平舉升模式時,動臂,斗柄,鏟斗都只能通過手動操作。</p><p> 系統(tǒng)主要采用C語言編程來實現(xiàn)這些功能,以構(gòu)建穩(wěn)定模組提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。</p>&l
27、t;p> 7 現(xiàn)場試驗結(jié)果與分析</p><p> 通過對系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗,證實該系統(tǒng)能準(zhǔn)確工作。核實本文第3、4節(jié)所闡述的控制算法的作用,如下所述。</p><p> 7.1 單個組件的自動控制測試</p><p> 對于動臂、斗柄、鏟斗每一組件,以±5º的梯度從最初始值開始改變其參考角度值,測量其反應(yīng),從而確定第3節(jié)所描述的控制
28、算法的作用。</p><p> 7.1.1 非線性補償?shù)淖饔?lt;/p><p> 圖11 表明動臂下降時的測試結(jié)果。因為電液系統(tǒng)存在不靈敏區(qū),當(dāng)只有簡單的位置反饋而無補償時(圖11中的關(guān))穩(wěn)態(tài)錯誤仍然存在。加入非線性補償后(圖11中的開)能減少這種錯誤的產(chǎn)生。</p><p> 7.1.2 狀態(tài)反饋控制的作用</p><p> 對于斗柄
29、和鏟斗,只需位置反饋就可獲得穩(wěn)定響應(yīng),但是增加加速度或壓力反饋能提高響應(yīng)速度。以動臂為例,僅只有位置反饋時,響應(yīng)趨向不穩(wěn)定。加入加速度或壓力反饋后,響應(yīng)的穩(wěn)定性得到改進(jìn)。例如,圖12表示動臂下降時,采用壓力反饋補償時的測試結(jié)果。</p><p> 7.2 反鏟水平控制測試</p><p> 在不同的控制和操作位置下進(jìn)行控制測驗,觀察其控制特性,同時確定最優(yōu)控制參數(shù)(如圖6所示的控制放大
30、系數(shù))。</p><p> 7.2.1 前饋控制作用</p><p> 在只有位置反饋的情況下,增大放大系數(shù)Kp,減少△Z錯誤,引起系統(tǒng)不穩(wěn)定,導(dǎo)致系統(tǒng)延時,例如圖13所示的“關(guān)”,也就是Kp不能減小。采用第4.1節(jié)所描述的斗柄臂桿前饋控制能減少錯誤而不致于增大Kp。如圖示的“開”。</p><p> 7.2.2 位置的補償作用</p><
31、p> 當(dāng)反鏟處在上升位置或者反鏟動作完成時,反鏟水平動作趨于不穩(wěn)定。不穩(wěn)定振蕩可根據(jù)其位置改變放大系數(shù)Kp來消除,如第4.2節(jié)所討論的。圖14 表示其作用,表明反鏟在離地大約2米時水平動作結(jié)果。與不裝補償裝置的情況相比較,圖中的關(guān)表示不裝時,開的情況具有補償提供穩(wěn)定響應(yīng)。</p><p> 7.2.3 控制間隔的作用</p><p> 關(guān)于控制操作的控制間隔的作用,研究結(jié)果如下
32、: </p><p> 1.當(dāng)控制間隔設(shè)置在超過100ms時,不穩(wěn)定振蕩因運動的慣性隨位置而加劇。</p><p> 2.當(dāng)控制間隔低于50ms時,其控制操作不能作如此大提高。</p><p> 因此,考慮到計算精度,控制系統(tǒng)選定控制間隔為50ms。</p><p> 7.2.4 受載作用</p><p>
33、利用控制系統(tǒng),使液壓挖掘機執(zhí)行實際挖掘動作,以研究其受載時的影響。在控制精度方面沒有發(fā)現(xiàn)與不加載荷時有很大的不同。</p><p><b> 8 結(jié)論</b></p><p> 本文表明狀態(tài)反饋與前饋控制組合,使精確控制液壓挖掘機成為可能。同時也證實了非線性補償能使普通控制閥應(yīng)用在自動控制系統(tǒng)中。因而應(yīng)用這些控制技術(shù),允許即使是不熟練的司機也能容易和精確地操控液壓
34、挖掘機。</p><p> 將這些控制技術(shù)應(yīng)用在其它結(jié)構(gòu)的機器上,如履帶式起重機,能使普通結(jié)構(gòu)的機器改進(jìn)成為可讓任何人容易操控的機器。</p><p><b> 參考文獻(xiàn)</b></p><p> [1] J. Chiba, T. Takeda, Automatic control in construction machines, Jo
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37、<p> [5] H. Araya et al., Automatic control system for hydraulic excavator, R&D Kobe Steel Engineering Reports 37 2 1987 74–78.</p><p> [6] P.K. Vaha, M.J. Skibniewski, Dynamic model of exca
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