外文翻譯--應(yīng)用整體滑動(dòng)面重型機(jī)器人挖掘機(jī)的延時(shí)控制 中文版

應(yīng)用整體滑動(dòng)面 重型 機(jī)器人 挖掘機(jī)的延時(shí)控制 摘要 從下面的問(wèn)題觀點(diǎn)出發(fā)，挖掘機(jī)的控制是很困難的：機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù)多樣性，來(lái)自與地面接觸的液壓器的非線性和干擾。此外，挖掘機(jī)的尺寸越大，挖掘機(jī)的鏈接的長(zhǎng)度和質(zhì)量越大 ；重型挖掘機(jī)參數(shù)越多種多樣。應(yīng)用完整滑動(dòng)原理制成的開關(guān)動(dòng)作時(shí)間延遲控制器（ TDCSA）應(yīng)用在這篇論文中作為 21 噸重型挖掘機(jī)的控制器。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)，我們表明，對(duì) TDCSA 的開關(guān)動(dòng)作應(yīng)用完整滑動(dòng)面原理比使用PD 型的滑動(dòng)面原理要好。該控制器在以一個(gè)熟練操作者操作速度前提下被應(yīng)用在了 21 噸挖掘機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)中了。 為凹凸不平的表面和大范圍的接縫運(yùn)動(dòng)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)表明該控制器具有良好的性能。 2002 Elsevier 科學(xué)有限公司保留所有權(quán)利。 關(guān)鍵詞：時(shí)間延時(shí)控制器；動(dòng)作開關(guān) ；機(jī)器人挖掘機(jī)；軌跡控制 1.介紹 液壓挖掘機(jī) 是一個(gè)多功能的施工機(jī)械 。在建筑行業(yè)的工人使用它進(jìn)行作業(yè)，如開挖，傾倒垃圾，整理，起重等等。然而，操作者必須被訓(xùn)練多年才能快速熟練的完成這些任務(wù)。液壓挖掘機(jī)有三個(gè)鏈接： 拉桿、動(dòng)臂 和鏟斗 ；但操作者只有講個(gè)胳膊。因此， 對(duì)于初學(xué)者同時(shí)操作三個(gè)鏈接來(lái)完成工作不是容易的事。此外 ，因?yàn)椴僮髡卟坏貌怀袚?dān)各種各 樣的危險(xiǎn)以及惡劣的工作環(huán)境，所以高級(jí)操作工的數(shù) 量正在減少。 出于這個(gè)原因， 研究 液壓挖掘機(jī)的自動(dòng)控制對(duì)改善生產(chǎn)力，效率，和安全是很有必要的。 幾位研究人員已經(jīng)對(duì)液壓挖掘機(jī)的自動(dòng)化進(jìn)行了研究（辛格， 1997 年）。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的幾個(gè)考驗(yàn)中， Bradley 和 Seward（ 1998）開發(fā)了（ LUCIE）并將它應(yīng)用到了挖掘的自動(dòng)化。 Stentz， Bares， Singh 和 Rowe（ 1998）開發(fā)了一個(gè)完整的卸載貨物的系統(tǒng)并將它應(yīng)用在了一個(gè) 25 噸的液壓挖掘機(jī)上。 Zhang 和 Li 實(shí)現(xiàn)了一個(gè) 13 噸的液壓挖掘機(jī)在工作速度下的直線運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化。即使一個(gè)熟練的操作工在長(zhǎng)時(shí)間直線操作的情況下也會(huì)產(chǎn)生疲勞從而造成生產(chǎn)力的下降。 從下面的幾個(gè)問(wèn)題來(lái)看，液壓挖掘機(jī)的控制是很 困難的：機(jī)器構(gòu)造參數(shù)的多樣化 ,液壓傳動(dòng)裝置的各種非線性，與土地接觸的不平衡性。在機(jī)械構(gòu)造方面，慣性力和重力隨接觸縫的運(yùn)動(dòng)變化很大。大體積組裝和復(fù)雜連接的液壓傳動(dòng)裝置有各種各樣的非線性組成部分。出于這個(gè)原因，在挖掘機(jī)控制上存在各種各樣困難。 圖 1 直線運(yùn)動(dòng) 圖 2 Robex210lc-3 挖掘機(jī) 為 解決這些問(wèn)題，一些研究工作 已經(jīng)被指導(dǎo)分組，他們可能被歸為模仿研究或?qū)嶒?yàn)研究。就模仿研究來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在， Chiba 和 Takeda(1982)應(yīng)用一個(gè)最好的控制方案來(lái)控制挖掘機(jī)的操作。 Song 和 Koivo（ 1995）在大量變化參數(shù)基礎(chǔ)上成功應(yīng)用了提前反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和一個(gè) PID 控制器。在實(shí)驗(yàn)研究方面， Lee（ 1995）將一個(gè)模糊的應(yīng)用錯(cuò)誤反應(yīng)原理的控制技術(shù)和它的衍生物在幾何平面上相組合。Yokota,Sasao,和 Ichiryu 使用干擾觀察器和 PI 控制器，并且將它應(yīng)用到一個(gè)小型挖掘機(jī)上。 Chang 和 Lee（ 2002）在 挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)學(xué)基礎(chǔ)上使用延時(shí)控制器 (TDC)和補(bǔ)償控制器，并且將它應(yīng)用到一個(gè) 13 噸的挖掘機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)上，并以 0.5m/s的速度工作，這個(gè)工作速度是一個(gè)熟練的操作工的工作速度。 然而，幾乎所有的以上研究工作都被限制在了一個(gè)小型挖掘機(jī)的相對(duì)低速條件下。在上述實(shí)驗(yàn)研究工作中，只有 Chang 和 Lee 的在工作速度條件下表現(xiàn)的好。挖掘機(jī)的尺寸越大，它的長(zhǎng)度和體積相關(guān)性就越多，并且重型挖掘機(jī)的參數(shù)越多。因此，重型挖掘機(jī)的控制相對(duì)小型挖掘機(jī)的控制變得更加困難。重型挖掘機(jī)需要一個(gè)良好的控制器。 在這篇論文中，通過(guò)對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的追 蹤控制實(shí)驗(yàn)，我們將延時(shí)控制器應(yīng)用在一個(gè) 21 噸的挖掘機(jī)的控制上，并且是控制算法得以生效。另外，我們展示了使用 ISS 的 TDCSA 的優(yōu)點(diǎn)。 TDCSA 由 Chang 和 Park(1998)發(fā)明，由一個(gè) TDC 和一個(gè)轉(zhuǎn)換器組成。 Chang 和 Park 使用了帶有 PDSS 的轉(zhuǎn)換器，還應(yīng)用了 TDCSA。但是，我們應(yīng)用 ISS 在轉(zhuǎn)換機(jī)能上是為了改善控制功能。然而， Lee 和 Youu 已經(jīng)通過(guò)模擬二線操作控制系統(tǒng)，證明了他們的計(jì)算方法的無(wú)用性。相反，我們將繼續(xù)開展在挖掘機(jī)方面的實(shí)驗(yàn)。 這篇文章的余下部分是按下面的方式組織的。第二部分簡(jiǎn)要的分 析挖掘機(jī)系統(tǒng)的特性。第三部分描述了控制器。所發(fā)明的控制器的有效性通過(guò)應(yīng)用在一個(gè)21 噸挖掘機(jī)的實(shí)驗(yàn)中得以證明，最后結(jié)論將在第五段得出。 2.挖掘機(jī)系統(tǒng)的概要 這部分主要描述了挖掘機(jī)的特性。更多關(guān)于挖掘機(jī)模型的細(xì)節(jié)能在 Chang和 Lee 的研究中發(fā)現(xiàn)。在這篇論文中，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和行走裝置并不被認(rèn)為是直線運(yùn)動(dòng)。因?yàn)橥诰驒C(jī)由操縱裝置和傳動(dòng)裝置組成，這兩部分的特點(diǎn)將會(huì)簡(jiǎn)要描述。 2.1 控制器 在運(yùn)動(dòng)方程中，慣性力、重力和離心力隨連接角度的變化而變化。在這些力當(dāng)中，離心力對(duì)控制系統(tǒng)的影響較小。相比較而言，慣性力和重力變化很大，因?yàn)閯?dòng)臂和鏟斗的重量在這項(xiàng)研究中重達(dá) 2.67 噸，并且連接點(diǎn)轉(zhuǎn)角范圍較大。在直線運(yùn)動(dòng)中，每個(gè)慣性力和重力變化范圍都很大。圖 3 中就展現(xiàn)了一個(gè) 0角的斜坡。我們能觀察到慣性力和重力變化很大。 （ a) 慣性力 (b) 重力 圖 3 動(dòng)臂和斗桿的慣性力和重力 2.2 液壓傳動(dòng)裝置 在這篇論文中應(yīng)用的挖掘機(jī)的液壓傳動(dòng)裝置至少有三種非線性：閥特性、死區(qū)和時(shí)間滯后。 2.2.1 閥特性 液壓閥是將油由油泵轉(zhuǎn)移到液壓油缸中的裝置。油的流量被流量系數(shù)、油缸的截面積和壓力的大小所決定。因此，根據(jù)油缸的非線性截面積，油缸有不同的非線性特性。 2.2.2 死區(qū) 在 Robex210lc-3 挖掘機(jī)中應(yīng)用的卷盤閥的幾何學(xué)是一個(gè)重疊的形狀，正如在圖 4 所示，這也引起了死區(qū)的非線性。這個(gè)重疊區(qū)域是為操作者的便利所設(shè)計(jì)。因此，當(dāng)卷軸放在重疊區(qū)域時(shí)，這個(gè)閥便關(guān)閉，著引起了死區(qū)的非線性。這部分重疊區(qū)域大約占整個(gè)排水量的 30%。 2.2.3 時(shí)間滯后 因?yàn)楸玫妮敵鰤毫σ_(dá)到推動(dòng)連接物開啟的 壓力。這一部分時(shí)間的消耗使得一個(gè)和死區(qū)相似的現(xiàn)象出現(xiàn)了。注意到這一現(xiàn)象在某種程度上是不同于在輸送線路上的純粹時(shí)間消耗的。這一現(xiàn)象只有當(dāng) 吊桿連接開始移動(dòng)時(shí)才出現(xiàn)。當(dāng)泵的輸出壓力達(dá)到閥開啟壓力時(shí)，它將消失。此外，這一現(xiàn)象能通過(guò)補(bǔ)償器得到補(bǔ)償，這一內(nèi)容將在 3.2 部分介紹 3、 控制器設(shè)計(jì) 一個(gè)挖掘機(jī)有以下非線性：在操縱器上的慣性力和重力的多樣性；閥特性的非線性；傳動(dòng)裝置的死區(qū)和時(shí)間滯后性。這篇論文所討論的在 21 噸挖掘機(jī)和 13噸挖掘機(jī)之間的顯著不同點(diǎn)存在于挖掘機(jī)各連接物 的長(zhǎng)度和體積。因此， 21 噸挖掘角度的數(shù)據(jù)的多樣性比 13 噸的挖掘機(jī)更為嚴(yán)峻 。需要一個(gè)比 TDC 更優(yōu)良的控制器來(lái)控制 21 噸挖掘機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)。 為了控制 21 噸的挖掘機(jī)，我們已經(jīng)考慮了比 TDC 更優(yōu)良的 TDCSA。然后，為了改善控制器的表現(xiàn)，我們應(yīng)用了 ISS 來(lái)代替 Chang 和 Park 所應(yīng)用的 PDSS。 在前面提到的非線性中，死區(qū)和時(shí)間滯后引起了大量追蹤錯(cuò)誤。因此，需要正確補(bǔ)償方法。出于那個(gè)原因，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種控制器 :第一個(gè)是應(yīng)用 ISS 作為根本控制的 TDCSA，第二個(gè)是克服死區(qū)和時(shí)間滯后的補(bǔ)償器。 3.1TDCSA 的設(shè)計(jì) 3.1.1 使用 ISS 的 TDCSA 為 了 將 控 制 器 應(yīng) 用 到 挖 掘 機(jī) 上 ，（ A.5) 被 重 組 成 下 列 形 式 ：注意到 M 是一個(gè)常量矩陣來(lái)代表我們熟知的角度，但是 H(t)有專業(yè)術(shù)語(yǔ)組成，代表不確定性和時(shí)間多變的原因，表示如下 : 估計(jì)量 H(t)可以通過(guò)使用公式（ 1)和 H(t)是一個(gè)連續(xù)作用這一事實(shí)而得到。更具體點(diǎn)，當(dāng) L足夠小時(shí)，然后，更多關(guān)于條件的穩(wěn)定性和 TDC 的實(shí)際能在 Youcef-Toumi 和 Ito 和 Hsia 和 Hao的研究中發(fā)現(xiàn)。 TDCSA 在對(duì) TDC 實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)模型控制基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)換機(jī)能，表示如下 ： 這里 s 代表滑 動(dòng)表面， Kw 是一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣。 TDCSA 有下面錯(cuò)誤表示方法 在公式（ 10)中，我們能看到轉(zhuǎn)換機(jī)能能減少 TDE 的錯(cuò)誤。 3.1.2 應(yīng)用完整滑動(dòng)表面的 TDCSA 的穩(wěn)定性分析 為了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，我們使用 Lyapunto 的第二種方法，如果Lyapunto 功能被選為 它的時(shí)間衍生物就可表示如下：因此，下面的條件是需要的來(lái)使 Lyapunto 得功能時(shí)間衍生物被消極的定義為換句話說(shuō)，轉(zhuǎn)換獲得量的大小一定要比 TD估計(jì)的錯(cuò)誤量要大。 3.1.3 飽和度功能 TDCSA使用轉(zhuǎn)換機(jī)能補(bǔ)償 TDE的錯(cuò)誤，但這個(gè)轉(zhuǎn)換機(jī)能引起 了一個(gè)交流問(wèn)題。因此，我們使用一個(gè)飽和度功能來(lái)減少交流問(wèn)題。這個(gè)飽和度問(wèn)題能這樣應(yīng)用：這里是飽和度功能的邊界線。最終，得到了一個(gè)擁有飽和度的功能的 TDCSA，表示如下： 如果選擇了一個(gè)大的邊界層，各種交流將會(huì)減少，但是追蹤錯(cuò)誤將會(huì)增加，所以合適的邊界層的選擇是必要的。 3.1.4ISS 的必要性和優(yōu)勢(shì) 在這一部分通過(guò)與 PDSS 的比較，我們將學(xué)習(xí) ISS 的必要性和優(yōu)勢(shì)。 3.1.4.1 完整滑動(dòng)面的必要性 TDCSA 有 TDC 和 SMC 的想換機(jī)能組成。由此它在比較預(yù)期的 TDC 的動(dòng)力學(xué)的錯(cuò)誤和滑動(dòng)面衍生物方面變得 很必要。更具體一點(diǎn)， ISS 給出如下形式它 的 衍 生 物 變 成 了通過(guò)比較， PDSS 被表示為 它的衍生物與圖 3 是不同的。 3.1.4.2 完整滑動(dòng)面的優(yōu)勢(shì) 對(duì)于邊界層內(nèi)的滑動(dòng)面，使用 PDSS 的 TDCSA 的轉(zhuǎn)換機(jī)能和使用 ISS 的 TDCSA的轉(zhuǎn)換機(jī)能得到了公式 16 和公式 17 將公式 16 和公式 17 分別比較，重組公式 15 便得到公式 18 和 19 從公式 18 和 19 中，每一個(gè)閉環(huán)錯(cuò)誤動(dòng)態(tài)學(xué)表示如下 3.2 補(bǔ)償器設(shè)計(jì) 補(bǔ)償器是用來(lái)克服死區(qū)和時(shí)間滯后的。 因?yàn)閬?lái)自油缸卷軸的重疊區(qū)域的死區(qū)的尺寸是固定的，我們經(jīng) TDCSA 輸入增加了死區(qū)尺寸，表示如下： 為了補(bǔ)償時(shí)間滯后， Chang 和 Lee 根據(jù)油泵和液壓缸的不同壓力設(shè)計(jì)了補(bǔ)償器。在這篇論文中，證如圖 7 所示那樣，我們給控制律增加了固定值，直到油泵的壓力足夠大來(lái)開啟連接物。然后一旦連接物開始移動(dòng)就慢慢減少油壓直到 0. 整個(gè)有 TDCSA 輸入和補(bǔ)償輸入所組成的控制輸出有以下表現(xiàn)形式得出如下公式： 注意 是動(dòng)臂和斗桿的輸入控制量。 4.實(shí)驗(yàn) 為了計(jì)算在真正情形下應(yīng)用 ISS 的 TDCSA,我們已經(jīng)在重 型挖掘機(jī)上進(jìn)行了真實(shí) 的測(cè)試。這項(xiàng)工 作的主要焦點(diǎn)是在空地上的直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，我們已經(jīng)將這一直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)鏟斗和地面的接觸應(yīng)用到了刮平地面的上 。過(guò)去的 Hyundai Robex210lc-3 挖掘機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)有了如下詳細(xì)說(shuō)明：重 21 噸，控制器總長(zhǎng)度10.06m，吊桿、動(dòng)臂和鏟斗總重 2.67 噸。在這實(shí)驗(yàn)中，鏟斗的平均速度設(shè)定