外文翻译--应用整体滑动面重型机器人挖掘机的延时控制 中文版

应用整体滑动面 重型 机器人 挖掘机的延时控制 摘要 从下面的问题观点出发，挖掘机的控制是很困难的：机械结构的参数多样性，来自与地面接触的液压器的非线性和干扰。此外，挖掘机的尺寸越大，挖掘机的链接的长度和质量越大 ；重型挖掘机参数越多种多样。应用完整滑动原理制成的开关动作时间延迟控制器（ TDCSA）应用在这篇论文中作为 21 吨重型挖掘机的控制器。通过分析实验，我们表明，对 TDCSA 的开关动作应用完整滑动面原理比使用PD 型的滑动面原理要好。该控制器在以一个熟练操作者操作速度前提下被应用在了 21 吨挖掘机的直线运动中了。 为凹凸不平的表面和大范围的接缝运动所设计的实验表明该控制器具有良好的性能。 2002 Elsevier 科学有限公司保留所有权利。 关键词：时间延时控制器；动作开关 ；机器人挖掘机；轨迹控制 1.介绍 液压挖掘机 是一个多功能的施工机械 。在建筑行业的工人使用它进行作业，如开挖，倾倒垃圾，整理，起重等等。然而，操作者必须被训练多年才能快速熟练的完成这些任务。液压挖掘机有三个链接： 拉杆、动臂 和铲斗 ；但操作者只有讲个胳膊。因此， 对于初学者同时操作三个链接来完成工作不是容易的事。此外 ，因为操作者不得不承担各种各 样的危险以及恶劣的工作环境，所以高级操作工的数 量正在减少。 出于这个原因， 研究 液压挖掘机的自动控制对改善生产力，效率，和安全是很有必要的。 几位研究人员已经对液压挖掘机的自动化进行了研究（辛格， 1997 年）。在实现自动化的几个考验中， Bradley 和 Seward（ 1998）开发了（ LUCIE）并将它应用到了挖掘的自动化。 Stentz， Bares， Singh 和 Rowe（ 1998）开发了一个完整的卸载货物的系统并将它应用在了一个 25 吨的液压挖掘机上。 Zhang 和 Li 实现了一个 13 吨的液压挖掘机在工作速度下的直线运动的自动化。即使一个熟练的操作工在长时间直线操作的情况下也会产生疲劳从而造成生产力的下降。 从下面的几个问题来看，液压挖掘机的控制是很 困难的：机器构造参数的多样化 ,液压传动装置的各种非线性，与土地接触的不平衡性。在机械构造方面，惯性力和重力随接触缝的运动变化很大。大体积组装和复杂连接的液压传动装置有各种各样的非线性组成部分。出于这个原因，在挖掘机控制上存在各种各样困难。 图 1 直线运动 图 2 Robex210lc-3 挖掘机 为 解决这些问题，一些研究工作 已经被指导分组，他们可能被归为模仿研究或实验研究。就模仿研究来说，现在， Chiba 和 Takeda(1982)应用一个最好的控制方案来控制挖掘机的操作。 Song 和 Koivo（ 1995）在大量变化参数基础上成功应用了提前反馈神经网络和一个 PID 控制器。在实验研究方面， Lee（ 1995）将一个模糊的应用错误反应原理的控制技术和它的衍生物在几何平面上相组合。Yokota,Sasao,和 Ichiryu 使用干扰观察器和 PI 控制器，并且将它应用到一个小型挖掘机上。 Chang 和 Lee（ 2002）在 挖掘机动态学基础上使用延时控制器 (TDC)和补偿控制器，并且将它应用到一个 13 吨的挖掘机的直线运动上，并以 0.5m/s的速度工作，这个工作速度是一个熟练的操作工的工作速度。 然而，几乎所有的以上研究工作都被限制在了一个小型挖掘机的相对低速条件下。在上述实验研究工作中，只有 Chang 和 Lee 的在工作速度条件下表现的好。挖掘机的尺寸越大，它的长度和体积相关性就越多，并且重型挖掘机的参数越多。因此，重型挖掘机的控制相对小型挖掘机的控制变得更加困难。重型挖掘机需要一个良好的控制器。 在这篇论文中，通过对直线运动的追 踪控制实验，我们将延时控制器应用在一个 21 吨的挖掘机的控制上，并且是控制算法得以生效。另外，我们展示了使用 ISS 的 TDCSA 的优点。 TDCSA 由 Chang 和 Park(1998)发明，由一个 TDC 和一个转换器组成。 Chang 和 Park 使用了带有 PDSS 的转换器，还应用了 TDCSA。但是，我们应用 ISS 在转换机能上是为了改善控制功能。然而， Lee 和 Youu 已经通过模拟二线操作控制系统，证明了他们的计算方法的无用性。相反，我们将继续开展在挖掘机方面的实验。 这篇文章的余下部分是按下面的方式组织的。第二部分简要的分 析挖掘机系统的特性。第三部分描述了控制器。所发明的控制器的有效性通过应用在一个21 吨挖掘机的实验中得以证明，最后结论将在第五段得出。 2.挖掘机系统的概要 这部分主要描述了挖掘机的特性。更多关于挖掘机模型的细节能在 Chang和 Lee 的研究中发现。在这篇论文中，转动装置和行走装置并不被认为是直线运动。因为挖掘机由操纵装置和传动装置组成，这两部分的特点将会简要描述。 2.1 控制器 在运动方程中，惯性力、重力和离心力随连接角度的变化而变化。在这些力当中，离心力对控制系统的影响较小。相比较而言，惯性力和重力变化很大，因为动臂和铲斗的重量在这项研究中重达 2.67 吨，并且连接点转角范围较大。在直线运动中，每个惯性力和重力变化范围都很大。图 3 中就展现了一个 0角的斜坡。我们能观察到惯性力和重力变化很大。 （ a) 惯性力 (b) 重力 图 3 动臂和斗杆的惯性力和重力 2.2 液压传动装置 在这篇论文中应用的挖掘机的液压传动装置至少有三种非线性：阀特性、死区和时间滞后。 2.2.1 阀特性 液压阀是将油由油泵转移到液压油缸中的装置。油的流量被流量系数、油缸的截面积和压力的大小所决定。因此，根据油缸的非线性截面积，油缸有不同的非线性特性。 2.2.2 死区 在 Robex210lc-3 挖掘机中应用的卷盘阀的几何学是一个重叠的形状，正如在图 4 所示，这也引起了死区的非线性。这个重叠区域是为操作者的便利所设计。因此，当卷轴放在重叠区域时，这个阀便关闭，着引起了死区的非线性。这部分重叠区域大约占整个排水量的 30%。 2.2.3 时间滞后 因为泵的输出压力要达到推动连接物开启的 压力。这一部分时间的消耗使得一个和死区相似的现象出现了。注意到这一现象在某种程度上是不同于在输送线路上的纯粹时间消耗的。这一现象只有当 吊杆连接开始移动时才出现。当泵的输出压力达到阀开启压力时，它将消失。此外，这一现象能通过补偿器得到补偿，这一内容将在 3.2 部分介绍 3、 控制器设计 一个挖掘机有以下非线性：在操纵器上的惯性力和重力的多样性；阀特性的非线性；传动装置的死区和时间滞后性。这篇论文所讨论的在 21 吨挖掘机和 13吨挖掘机之间的显著不同点存在于挖掘机各连接物 的长度和体积。因此， 21 吨挖掘角度的数据的多样性比 13 吨的挖掘机更为严峻 。需要一个比 TDC 更优良的控制器来控制 21 吨挖掘机的直线运动。 为了控制 21 吨的挖掘机，我们已经考虑了比 TDC 更优良的 TDCSA。然后，为了改善控制器的表现，我们应用了 ISS 来代替 Chang 和 Park 所应用的 PDSS。 在前面提到的非线性中，死区和时间滞后引起了大量追踪错误。因此，需要正确补偿方法。出于那个原因，我们设计了两种控制器 :第一个是应用 ISS 作为根本控制的 TDCSA，第二个是克服死区和时间滞后的补偿器。 3.1TDCSA 的设计 3.1.1 使用 ISS 的 TDCSA 为 了 将 控 制 器 应 用 到 挖 掘 机 上 ，（ A.5) 被 重 组 成 下 列 形 式 ：注意到 M 是一个常量矩阵来代表我们熟知的角度，但是 H(t)有专业术语组成，代表不确定性和时间多变的原因，表示如下 : 估计量 H(t)可以通过使用公式（ 1)和 H(t)是一个连续作用这一事实而得到。更具体点，当 L足够小时，然后，更多关于条件的稳定性和 TDC 的实际能在 Youcef-Toumi 和 Ito 和 Hsia 和 Hao的研究中发现。 TDCSA 在对 TDC 实现滑动模型控制基础上增加了转换机能，表示如下 ： 这里 s 代表滑 动表面， Kw 是一个转换矩阵。 TDCSA 有下面错误表示方法 在公式（ 10)中，我们能看到转换机能能减少 TDE 的错误。 3.1.2 应用完整滑动表面的 TDCSA 的稳定性分析 为了整个系统的稳定性分析，我们使用 Lyapunto 的第二种方法，如果Lyapunto 功能被选为 它的时间衍生物就可表示如下：因此，下面的条件是需要的来使 Lyapunto 得功能时间衍生物被消极的定义为换句话说，转换获得量的大小一定要比 TD估计的错误量要大。 3.1.3 饱和度功能 TDCSA使用转换机能补偿 TDE的错误，但这个转换机能引起 了一个交流问题。因此，我们使用一个饱和度功能来减少交流问题。这个饱和度问题能这样应用：这里是饱和度功能的边界线。最终，得到了一个拥有饱和度的功能的 TDCSA，表示如下： 如果选择了一个大的边界层，各种交流将会减少，但是追踪错误将会增加，所以合适的边界层的选择是必要的。 3.1.4ISS 的必要性和优势 在这一部分通过与 PDSS 的比较，我们将学习 ISS 的必要性和优势。 3.1.4.1 完整滑动面的必要性 TDCSA 有 TDC 和 SMC 的想换机能组成。由此它在比较预期的 TDC 的动力学的错误和滑动面衍生物方面变得 很必要。更具体一点， ISS 给出如下形式它 的 衍 生 物 变 成 了通过比较， PDSS 被表示为 它的衍生物与图 3 是不同的。 3.1.4.2 完整滑动面的优势 对于边界层内的滑动面，使用 PDSS 的 TDCSA 的转换机能和使用 ISS 的 TDCSA的转换机能得到了公式 16 和公式 17 将公式 16 和公式 17 分别比较，重组公式 15 便得到公式 18 和 19 从公式 18 和 19 中，每一个闭环错误动态学表示如下 3.2 补偿器设计 补偿器是用来克服死区和时间滞后的。 因为来自油缸卷轴的重叠区域的死区的尺寸是固定的，我们经 TDCSA 输入增加了死区尺寸，表示如下： 为了补偿时间滞后， Chang 和 Lee 根据油泵和液压缸的不同压力设计了补偿器。在这篇论文中，证如图 7 所示那样，我们给控制律增加了固定值，直到油泵的压力足够大来开启连接物。然后一旦连接物开始移动就慢慢减少油压直到 0. 整个有 TDCSA 输入和补偿输入所组成的控制输出有以下表现形式得出如下公式： 注意 是动臂和斗杆的输入控制量。 4.实验 为了计算在真正情形下应用 ISS 的 TDCSA,我们已经在重 型挖掘机上进行了真实 的测试。这项工 作的主要焦点是在空地上的直线运动。当然，我们已经将这一直线运动通过铲斗和地面的接触应用到了刮平地面的上 。过去的 Hyundai Robex210lc-3 挖掘机现在已经有了如下详细说明：重 21 吨，控制器总长度10.06m，吊杆、动臂和铲斗总重 2.67 吨。在这实验中，铲斗的平均速度设定