液壓挖掘機(jī)臂的造型與控制

1、液壓挖掘機(jī)臂的造型與控制摘要：為了找到一個(gè)可行的方式去控制挖掘機(jī)臂和實(shí)現(xiàn)自主控制，動(dòng)態(tài)模型的機(jī)械臂被當(dāng)作是一個(gè)平面機(jī)械，根據(jù)拉格朗日方程，它有三個(gè)自由度。改進(jìn)之后的挖掘機(jī)裝有比例閥，它將相關(guān)傳感器（三個(gè)傾斜儀）和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（EPEC的運(yùn)動(dòng)控制器）聯(lián)系在一起，這樣，電液比例系統(tǒng)的整個(gè)非線性數(shù)學(xué)模型得以實(shí)現(xiàn)?；谧赃m應(yīng)魯棒控制器近似閥門的非線性增益系數(shù)不連續(xù)的投影，我們提出了整個(gè)系統(tǒng)的非線性處理，誤差處理是通過魯棒控制器的反饋和魯棒控制器的設(shè)計(jì)完成的。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)表明，通過控制器，跟蹤可以達(dá)到更好的效果而且角跟蹤的最大誤差必須小于四度。1. 簡介液壓挖掘機(jī)是一種多功能的工程機(jī)械，通常用于

2、挖掘、傾倒、表面處理、提升及其他工作。然而，液壓挖掘機(jī)的駕駛者必須有多年訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)才能工作起來又快又嫻熟。每個(gè)液壓挖掘機(jī)有三個(gè)鉸接件：動(dòng)臂、斗桿和鏟斗。操縱者只有兩只手，所以，對(duì)于初學(xué)習(xí)者來說同時(shí)精確控制三個(gè)鉸接件并不是一件容易的事。此外，駕駛者必須在各種危險(xiǎn)的環(huán)境下，有時(shí)甚至得在塵土非常多的環(huán)境下工作，這對(duì)于他們的健康將有非常大的危害。因?yàn)檫@些原因，研究液壓挖掘機(jī)的自動(dòng)化對(duì)于提高生產(chǎn)力，生產(chǎn)效率和安全是很有必要的，目前，挖掘機(jī)的自動(dòng)化研究已在各地廣泛進(jìn)行。在所有的被用作發(fā)展復(fù)雜多變?nèi)蝿?wù)的基礎(chǔ)的基本元素中，挖掘機(jī)動(dòng)力臂控制目前是最重要最基本方面，挖掘機(jī)自動(dòng)化過程中存在以下問題：機(jī)械結(jié)構(gòu)中的變量參

3、數(shù)、各種非線性液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和地面的擾動(dòng)。為了解決這些問題，已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，這些研究要么按照基于規(guī)則的研究分類要么按照基于研究的模型分類。本篇論文提出了一種不連續(xù)檢驗(yàn)，它是基于接近非線性增益系數(shù)的自適應(yīng)魯棒控制器以及整個(gè)系統(tǒng)的非線性，誤差處理是通過魯棒控制器的反饋和魯棒控制器的設(shè)計(jì)，最后，臂的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)被用來證明此方案的可行性。2. 挖掘機(jī)機(jī)械臂的模型2.1機(jī)械臂的動(dòng)力模型 機(jī)械臂由控制系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和挖掘機(jī)機(jī)械臂組成。機(jī)械臂包含動(dòng)臂、斗桿和鏟斗。 圖1.展示了液壓挖掘機(jī)動(dòng)力臂的原理圖，其中指定了變量2、3、4代表動(dòng)臂、斗桿、鏟斗各自之間的鉸接角度。圖1.基本坐標(biāo)系上的O0x0，y0，

4、z0點(diǎn)用來描述鏟斗尖端的位置，O1x1，y1，z1、O2x2，y2，z2、O3x3，y3，z3各自代表每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。駕駛室的轉(zhuǎn)角（1）并沒有在圖1.中顯示出來，因?yàn)樵诖搜芯恐袥]有考慮它。在圖1.中，Gi表示連接件i極坐標(biāo)系中的重心位置，2代表動(dòng)臂關(guān)于水平面的鏈接角，23=2+3代表斗桿鏈接角，234=2+3+4代表鏟斗鏈接角。動(dòng)力模型可以根據(jù)拉格朗日方程來求解。以動(dòng)臂為例，動(dòng)臂的動(dòng)力學(xué)方程如下：Dc+mLLe22+Gc2+mLgLg2=y2P1A1-P2A2-Tt，2,2（1）這里，DC=I2+m2r22+m3+m4L22+m3l2r3cos4+4+I3+m3r32+m4L32+I4+m4r42

5、+2m4L2L3C3+2m4L3r4cos4+4+2m4L2r4cos34+4GC=m2gr2cos2+2+m3+m4gL2cos2+m3gr3cos23+3+m4gL3cos23+r4cos234+4Lg=L2C2+L3C23+L4C234Le2=L2cos2+L3cos23+L4cos2342+L2sin2+L3sin23+L4sin2342且i=2、3、4P1和P2是動(dòng)臂在頂端和連桿處各自的壓力;A1和A2是活塞在兩處的橫截面積;Tt，2，2是總的擾動(dòng)力矩；I2、I3、I4分別是動(dòng)臂、斗桿、鏟斗相對(duì)于挖掘機(jī)重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m2、m3、m4分別是三者的質(zhì)量；mL是鏟斗中未知負(fù)載的質(zhì)量。圖1

6、.挖掘機(jī)的圖解模型以及其控制器和傳感器的位置2.2電液比例系統(tǒng)模型液壓缸連續(xù)性方程 液壓挖掘機(jī)臂的驅(qū)動(dòng)缸是由力士樂XS14閥門控制的。方向閥的節(jié)流面積由比例溢流閥輸出壓力決定，而輸出壓力是有控制器輸出電流決定的。液壓系統(tǒng)模型如圖2.所示我們做了如下假設(shè)：1） 比例閥是一個(gè)對(duì)稱的三位四通閥，其中閥的靜區(qū)也是對(duì)稱的，而且流動(dòng)的是紊流。2） 在輸送線路閥門和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的動(dòng)態(tài)特性可以忽略不計(jì)。3） 液壓缸容積內(nèi)每處壓力相等，溫度和體積彈性模量是常數(shù)。4） 油液泄漏是層流。油液被認(rèn)為是可壓縮的。在工程機(jī)械方面是不允許外泄漏情況發(fā)生的，而且隨著密封技術(shù)的發(fā)展，外泄漏現(xiàn)象已經(jīng)逐漸消失。所以，外泄漏現(xiàn)象可以

7、被忽略。之后，y可以用Q2來表示，油液的連續(xù)性方程如下：P1=eV1Q1-CKP1-P2-A1y22（2）P2=eV1CKP1-P2-Q2+A2y22（3）這里 Q1和Q2供應(yīng)和回流到缸里的流量；V1和V2各自是從液壓缸流出和流入液壓缸的容積； e是有效體積彈性模量； CK是內(nèi)泄漏細(xì)數(shù)，它被假定為一個(gè)常數(shù)以簡化系統(tǒng)模型；電液比例閥的流動(dòng)方程 負(fù)載獨(dú)立流量分配液壓系統(tǒng)被應(yīng)用于挖掘機(jī)自動(dòng)化。根據(jù)負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)，流動(dòng)方程如下所示：Q1=CdWXV2P1=CdWKIIt2P,It0CdWKIIt2P1-Pr,It<0（4）Q2=CdWXV2P2=-CdWKIIt2P2-Pr, &I

8、t0CdWKIIt2P, &It<0（5）這里，Pr表示回油壓力；P是負(fù)載傳感閥的彈簧壓力；Cd表示流體增益系數(shù)；W表示該梯度孔的面積；XV表示繞軸方向的位移；是油的密度；KI是比例閥的額外電流；It是比例閥的可控電流；圖2.改進(jìn)之后的LUDV液壓系統(tǒng)圖解根據(jù)負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)理論，P在方程組（4）中接近常數(shù)，所以，方程組可以被簡化為Q1=KqfPv（6）Kq=CdW,是閥的流量增益系數(shù)，且fP=2P在本片論文中，比例方向控制閥有一個(gè)相當(dāng)大的靜區(qū)，而且Kd由實(shí)驗(yàn)證明是非線性的，實(shí)際閥門凈開放量Xnav如下定義：Xnavfx=Xv-Xd, Xv>Xd0, &-XdX

9、vXdXv+Xd, &Xv<-Xd（7） Xd是閥門靜區(qū)圖3.比例閥的非線性流動(dòng)增益1-理論曲線 2-實(shí)際曲線實(shí)際試驗(yàn)測試結(jié)果在圖3.中顯示出了非線性流量增益，而且流量增益可近似用兩條線畫出來以簡化模型，為了方便控制，閥的流量Q可以如下表示：QXv，P=QmXv，P+QXv，P (8)Q1m=Cd1Wf1P1Xnav Q2m=Cd2Wf2P2Xnav (9) Qm是某些簡化的流量映射函數(shù)，將被用于控制器設(shè)計(jì)；Q是流量投影的模型誤差，受魯棒控制器的反饋調(diào)節(jié)。一般而言，Cd1和Cd2同一工作狀態(tài)是常數(shù)。3. 自適應(yīng)魯棒控制器根據(jù)挖掘機(jī)模型，自動(dòng)挖掘機(jī)的控制主要難題如下：1） 系統(tǒng)的動(dòng)

10、力非線性偏差嚴(yán)重；2） 系統(tǒng)參量是不確定的，例如，ml,e(有效體積彈性模量)和由于外界附加震動(dòng)Tn（系統(tǒng)的總擾動(dòng)）。此外，非模型化摩擦也是不確定的。在本篇論文中，參數(shù)的非線性和不確定性是根據(jù)自適應(yīng)魯棒控制器的不連續(xù)投影決定的。在圖3.中，這條線是用來表示靜區(qū)彌補(bǔ)，它是以過原點(diǎn)與x軸成45度的軸對(duì)稱的正曲線。流量投影誤差得以補(bǔ)償。ml、e和Tn關(guān)系如下：q1=11+lcDcmLq2=TnDc+mlle2q3=e q=q1,q2,q3被定義為位置參量點(diǎn)然后方程組（1）（4）（5）可以變形為方程組（10）2=q1Dcy2P1A1-P2A2-GC2+q1le2glg-1le2glg+q2+Tt,2,

11、2; (10)P1=q3V1-CKP1-P2-A1y22+Q1M+Q1P2=q3V2A2y22-Q1M-Q2+CicPQ-P2這里Q1和Q2是已知數(shù)。q和q分別是q的估計(jì)值和預(yù)估誤差。方程組（11）是適應(yīng)法律結(jié)構(gòu)所需要的。 (11)這里，表示對(duì)角矩陣；是自適應(yīng)功能矩陣，=1，2，3T；Proj（）表示不連續(xù)投影。定義PL=P1A1-P2A2,PL可以被當(dāng)作是方程組（10）的輸入。這一步的目的是得到一個(gè)Pld關(guān)于PL的實(shí)際控制規(guī)則，以便輸出誤差z1=2-2d能夠接近于零以達(dá)到相對(duì)高的軌跡追蹤精確度。假定，根據(jù)李雅普諾夫定理，可以得到一下方程：這里k2sl是一個(gè)控制增益用于以后合成，PLds2是一

12、個(gè)函數(shù)，它滿足以下條件：(13)z3=pl-pld被假定為輸入誤差，之后，實(shí)際產(chǎn)生的控制規(guī)則使得z3接近于0.根據(jù)方程組（10）和方程組（12），可以得出方程組（14）：這里，是PLd可計(jì)算部分；，是PLd的誤差部分，這個(gè)誤差部分是通過魯棒反饋的方法；A1V1Q1M+A2V2Q2M=QL被當(dāng)作方程組（14）中的有效輸入。在這個(gè)過程中，為了是PL接近PLd，QL的有效輸入QLd必須提高。所以QLd（控制方程）和3（自適應(yīng)方程）如下定義：k3sl是以后合成的控制增益；Plds2是滿足下列條件的任意方程：在QLd增加以前，有效軸向位移可以根據(jù)方程組（4）（5）和（9）按如下計(jì)算：(17) Xv被假定

13、與It成正比，即Xv=K It,之后(18)在方程組（11）中假設(shè)=3，k2sl和k3sl被選出來滿足以下條件：最后，通過方程組（18）可以達(dá)到很高的精確度，它可以作為控制準(zhǔn)則圖4.改進(jìn)之后的電液系統(tǒng)挖掘機(jī)4. 實(shí)驗(yàn)4.1挖掘機(jī)實(shí)驗(yàn)綜述1）在最初SWE-85挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，電液先導(dǎo)控制系統(tǒng)已經(jīng)取代了液壓先導(dǎo)控制系統(tǒng)（改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)如圖4.所示，本篇論文以挖掘機(jī)動(dòng)臂的液壓系統(tǒng)為例進(jìn)行研究，并且斗桿、鏟斗的液壓系統(tǒng)與動(dòng)臂一樣）。在電液先導(dǎo)控制系統(tǒng)中，在最初的SX-14主閥的基礎(chǔ)上增加一個(gè)比例安全閥就得到了先導(dǎo)式電液比例閥，液壓先導(dǎo)處理被電氣處理代替。通過電氣處理柄上的按鈕，操縱者可以在手

14、動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)控制之間轉(zhuǎn)化。被改進(jìn)之后的挖掘機(jī)系統(tǒng)依然是LUDV系統(tǒng)。所以這種實(shí)驗(yàn)挖掘機(jī)不僅便于控制而且能夠節(jié)省能源。2）圖5.展示了自動(dòng)挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件圖。它由兩個(gè)桿和幾個(gè)傳感器組成。有一個(gè)傾角儀（精度為0.05度）和一個(gè)壓力傳感器分別用于測量鏈接角和氣缸壓力?？刂七^程中，高一級(jí)的控制器計(jì)算出相對(duì)于參考軌跡的參考角度然后將它送到低一級(jí)的控制器（EPEC控制器的運(yùn)動(dòng)如圖1.中所示）。根據(jù)這些命令，測量到的角度以及氣缸的壓力，低一級(jí)控制器計(jì)算出鏟斗的位置命令，將他們與參考數(shù)據(jù)相比較；然后根據(jù)這些位置誤差，第一季的控制器輸出脈沖電流，而這正是比例安全閥的控制電流。然后通過調(diào)節(jié)主閥的節(jié)流口

15、面積，控制液壓缸，以及調(diào)整機(jī)械臂的角度，這些位置誤差開始趨于0。也就是說調(diào)整實(shí)際角度去追蹤參考角度。這樣，就實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)的控制回路系統(tǒng)。圖5. 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果 動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)是在自動(dòng)挖掘機(jī)上實(shí)驗(yàn)得到的。動(dòng)臂的參考角度是正弦曲線，即如圖6.所示的虛線（x軸表示時(shí)間，y軸表示動(dòng)臂的角度）。它的振幅為40度，平均值為-2度?；诒疚闹兴嶙赃m應(yīng)魯棒控制器以及根據(jù)圖3.中數(shù)據(jù)得到的靜區(qū)的補(bǔ)償，實(shí)際控制角度（圖6.中的實(shí)線）得以實(shí)現(xiàn)。最大控制誤差是3.75度。圖6.動(dòng)臂角度控制實(shí)驗(yàn)1-參考角度 2-實(shí)際角度5. 結(jié)論1） 被改進(jìn)之后裝有電液比例閥、傳感器以及一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)挖掘機(jī)不僅能適用于計(jì)