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1、压挖掘机半自动控制系统Hirokazu Araya, Masayuki Kagoshima日本工程机械研究室 Kobe Steel, Ltd., Nishi-ku, Kobe Hyogo 651 2271,日本2000.6.7摘 要：一种液压挖掘机半自动控制系统已经研制成功。利用这个系统，操作不熟练的操作人员可以方 便，准确地操作液压挖掘机。人们构建了一个带有控制器的液压挖掘机的数学控制模型，并且 通过模拟实验开发出了一个控制算法。该算法应用于液压挖掘机并且对其有性能进行了评估。 通过正反馈加前馈控制，非线性补偿，状态反馈和增益调度等措施能够得到较高的控制精度、 稳定性能。自然杂志2001年拥
2、有所有版权。关键词：工程机械；液压挖掘机；前馈；状态反馈；操作1简介液压挖掘机是一种工程机械，可作为一大关节机器人。挖掘和装载作业使用这台机器需要高度的技 巧，而且容易引起疲劳，甚至对于相当熟练的操作人员也是如此。另一方面，随着操作人员年龄的增长, 熟练的操作人员数量也因此减少。这种情况需要一种液压挖掘机，它可以任何人（1-5 ）很容易的操作。 液压挖掘机需要高度的技巧原因如下：1. 在这些操作中，两个以上的杠杆必须同时操作并较好的调整。2杠杆操作的动作方向不同于臂杆的组件的运动方向。例如，液压挖掘机的反铲水平动作，我们必须操作三个操作手柄（斗柄，动臂，铲斗）使铲斗的顶 部沿着水平（图1）运动
3、。在这种情况下，杠杆操作指向执行器的方向，但是这个方向，不同于工作方 向。如果操作者只用一个杠杆而其余的是自动操作，操作变得非常容易。我们称这个系统为半自动控制 系统。当我们开发这个半自动控制系统，这两个技术问题必须解决。1. 我们必须使用普通控制阀用于自动控制。2. 我们必须补偿液压挖掘机动态特性，以提高控制精度。我们已经制定了控制算法来解决这些技术问题，并通过实际液压挖掘机实验确认这种控制算法的有 效性。使用此控制算法，我们已经完成了液压挖掘机的半自动控制系统。于是，我们报告了这些项目。2液压挖掘机模型要想学习控制算法，我们就要分析液压挖掘机的数值模型。液压挖掘机其动臂、铲斗关节都是液压驱
4、动的，仿照图2所示。该模型的细节描述如下。图2液压挖掘机模型21动力学模型6假如每个附件是一个刚体，从拉格朗日运动方程得到以下表达式J 0 + Jcos-0)0+ Jcos-0)0+ Jsin(O-0)02+ Jsin(e-0)0 2 一 K sin0=T;11 112122131331212213133111Jcos(0-0)0+ J0 + Jcos(0-0)0-Jsin(0-0)0 2 + Jsin(0-0)0 2 一 K sin0=T;12 12122 2232331212123233222Jcos(0-0)0+ Jcos(0-0 )0+ J0-Jsin(0-0)02 + Jsin(0-
5、0)02 一 K sin0=T (1)13 1312323233 31313123233333这里,J = m 12 + (m + m )l2 +1 ；111 gi 23 11J = m 11 + mil1221 g 231 g 3J = mil133 1 g3J = m 12 + m 12 +1222 g 23 22J = mil233 2 g 3J = m 12 +1333 g 33；K = (m l + m l + ml)g ； K = (m l + ml )g ； K = m l g11 g1 2 13 122 g2 3 333 g3g是重力加速度；0）铰接点角度；T）是提供的扭矩；*
6、组件的长度；转轴中心到重心之距；mi组件的质量；人重心处 的转动惯量（下标i=1 3；依次表示吊臂、斗柄、铲斗）。2.2液压力模型图3液压缸和滑阀模型各关节是由一个液压缸驱动的，液压缸的流量是由滑阀控制如图3所示。我们可以设想如下:1阀门的开启面积是与阀芯位移成正比；2. 没有液压油泄漏；3. 在液压油流经管道压力不会下降；4. 液压缸的头部和杆部的有效截面积是相 同。在这个问题中，对于每个关节，我们有以下液压缸的压力流量特性方程:Ah = K X ,；P -sgn(X )P - Y P(2)i ioi i sii 1i K 1i这时，K = cB、所 P = P - Poii1i1i2i其中
7、，A=有效截面积缸;h=液压缸的长度;X=阀芯位置;P =供应压力；P二液压缸盖侧压力；P =iiisi1i2i活塞杆端压力；v=液压缸和管道的油量;B=滑阀宽度;Y =液压油密度；K表=油体积弹性模量;c =流量系ii数。2.3链接关系在图1所示的模型，液压缸长度的变化率和其臂杆的旋转角速度的关系，给出如下:1）吊臂OA OC sin + 卩)1 1 11f1(01) = 0 =- -0OA； + OC + 2OA1 OC cos(0 + P )2）斗柄OAOC sin(0 -0 +P +a )0 )=2 02-0iOA2 + OC2 + 2OA OC cos(0*22 2 2 2 2 2
8、2 20 +p +a )1 2 23）铲斗当OD = OB = BC = CD 时.33333333*hA B B C sin(0 -0 + y a3= 3333323:230 -032扭矩的关系从2.3节的链接关系，供应扭矩T给出如下，同时考虑到气缸摩擦：iT =-f (0 )Pl A + f (0 ,0 )Pl A + f (0 ,0 )Pl A - (C f (0 )0 + sgn(0 )F)f (0 )；11 11 12 1 21 23 2 3 3 3c1 1 1 11111少，0）=+0 ”)- -7b2 + BC2 + 2AB BC cos(0 -0 +y -a +0”)33333
9、333323322.4工2 一以吧)P2A2 *2f2(01，02)(022 T)T =-f (0 ,0 )Pl A - C f (0 ,0 )(0 -0 ) + sgn(0 -0 )F f (0 ,0 )33 2 33 3c3 3 2 3 3 23 2 3 3 2 3其中，C是粘滞摩擦系数和F是动力，即液压缸的动摩擦力。cii2.5阀芯的响应特性阀芯动作对于控制特性上有很大的影响。因此我们假设阀芯有与相关的输入相对应的下列一阶延 迟。(5)X =1 Xi T +1 ispi这里,Xi是一个参考输入位移,Tspi是一个时间常数。3角度控制系统如图4所示，根据定位反馈可以知道，角度0基本上随着参
10、考角度的变化而变化。为了获得更精确 的控制，非线性补偿和状态反馈被加入到的位置反馈。我们将讨论这些算法的详细情，如下所示。3.1非线性补偿图4控制系统方框图（8 ）在普通的自动化控制系统中，新的控制装置如伺服阀正在被采用。在我们的半自动化系统中，为了 实现手动和自动操作并存，我们必须使用主控制阀，这将在在手动操作中使用。在这些阀门，阀芯位移 和过流面积的关系是非线性的。然后，在自动运行中，通过这种关系，阀芯位移可以通过所要求的过流 面积逆运算求出，同时对非线性进行补偿（图5）。3.2图呂非线性补偿状态反馈Xio,根据在第2节讨论的模型，如果斗柄角度控制的动态特性是在一个特定的标准条件（阀芯位移
11、 缸压差P迪，和斗柄角度叭。）附近是线性，闭环传递函数表示为cKc0 二p0y1 a s 3 + a s 2 + a s + K 1210p其中，K是位置反馈增益，而：Pf (0 )A丄 C f (0 )a 二 i io i+io0 K jP -P2A (P P )；01si1101 si110X J + J COS0 + J cos(0+0)C f (0 )Va 二 10 111221323 +去4 10 11 2A f (0 )(P P )AKK P P1 1 10 s1110101s1110V J + J COS0 + J cos(0 +0)a 二 1412213基3 -2 Af(0 )
12、KK1 1 1001 s1110该系统具有相对较小的系数，所以响应是呈振荡的。举例来说，如果我们的大型SK-16液压挖掘 机，X10的是0,系数如下给出，a0 =2.7X10-2 , a 1 =6.0 X 10-6 , a2 =1.2X10-3。添加增益Ka的加 速度反馈，到这里(图4上的循环)，闭环传递函数可表示为：2cKc0 二p0(7)1 as3 + (a + K )s2 + as + K r121a0p加入这个因素，s2的系数变大，因此，系统趋于稳定。通过这种方式，加速度反馈有效的提高的响 应特性。然而，一般人难以准确检测加速度。为了克服这一困难，液压缸压力反馈应用于加速度反馈， 而不
13、是在图4中的低速循环。在这种情况下，液压缸压力可以通过测量出来的液压缸压强计算得出，并 过滤其低频率部分7,8。这就是所谓的压力反馈。4.伺服控制系统当一个关节是手动操作，而另一个关节要自动地随着手动操作，这时就需要伺服控制系统。例如，图6,在控制系统中，吊杆保持臂末端高度z (可以通过计算e和e得出)与参考输入z相同。为了获得12r更准确的控制,下面将介绍控制措施。/Id趴*舗几teZr4.1前馈控制图6控制系统方框图（Z）从图1能够计算出z,我们得到：(8)Z 二 l cos 0 +1 cos 01 1 2 2鉴于等式（8）两边都关于时间，我们有以下的关系,心Z 1 sin 0心0 = 一
14、 2 011 sin 01 sin 02iiii该右边第一项可以被视为表达式（反馈部分），就是将Z表达。1的，而右手边第二项的表达式（前0 0馈部分），通过这个表达式我们可以算出当2变化时0 1变化多少。事实上，0 2是由A0 2的不同值确定。为了优化正反馈，添加了正反馈增益Kff。还可能有一种方法来检测和使用斗柄操作杆的位置（如角度）取代斗柄角速度，因为斗柄被与操作 杆的位置近似成正比的角速度驱动着。4.2基于位置的自适应增益调度类似于液压挖掘机的关节机器人，其动态特性对位置是很敏感的。因此，它是难以在所有的位置稳 定地以恒定增益控制机器。为了解决这个问题，基于位置的自适应增益调度并入反馈环中（图6）。如图0，0，7所示，自适应放大系数（K或K ）作为函数的两个变量，1和Z， 2是斗柄的伸长量，Z是铲斗的高z e度。5仿真结果反铲水平动作控制的模拟实验是将本文第4节所描述的控制算法用在本文第2节所讨论的液压挖掘 机的模型上。（在SK16大型液压
