XYY01-130@烟机液压系统总体及压紧部分设计
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XYY01-130@烟机液压系统总体及压紧部分设计,机械毕业设计全套
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液压挖掘机的半自动控制系统 摘要 开发出了一种应用于液压挖掘机的半自动控制系统。采用该系统，即使是不熟练的操作者也能容易和精确地操控液压挖掘机。构造出了具有控制器的液压挖掘机的精确数学控制模型，同时通过模拟实验研发出了其控制算法，并将其应用在液压挖掘机上，由此可以估算出它的工作效率。依照此法，可通过正反馈及前馈控制、非线性补偿、状态反馈和增益调度等各种手段获得较高的控制精度和稳定性能。 关键词：施工机械；液压挖掘机；前馈；状态反馈；操作 1 引言 液压挖掘机，被称为大型铰接式机器人，是一种施工机械。 采用这种机器进行挖掘和装载操作，要求司机要具备高水平的操作技能，即便是熟练的司机也会产生相当大的疲劳。另一方面，随着操作者年龄增大，熟练司机的数量因而也将会减少。开发出一种让任何人都能容易操控的液压挖掘机就非常必要了。 液压挖掘机之所以要求较高的操作技能，其理由如下。 1.液压挖掘机的操作，至少有两个操作手柄必须同时操作并且要协调好。 2.操作手柄的动作方向与其所控的臂杆组件的运动方向不同。 例如，液压挖掘机的反铲水平动作，必须同时操控三个操作手柄（动臂，斗柄，铲斗）使铲斗的顶部沿着水平面运动。在这 种情况下，操作手柄的操作表明了执行元件的动作方向，但是这种方向与工作方向不同。 如果司机只要操控一个操作杆，而其它自由杆臂自动的随动动作，操作就变得非常简单。这就是所谓的半自动控制系统。 开发这种半自动控制系统，必须解决以下两个技术难题。 1. 自动控制系统必须采用普通的控制阀。 2. 液压挖掘机必须补偿其动态特性以提高其控制精度。 2 液压挖掘机的模型 为了研究液压挖掘机的控制算法 ,必须分析液压挖掘机的数学模型。液压挖掘机的动臂、斗柄、铲斗都是由液压力驱动。 nts2.1 动态模型 假定每一臂杆组件都是刚体，由拉格朗日运 动方程可得以下表达式： 其中 g是重力加速度； i铰接点角度； i是提供的扭矩； li组件的长度； lgi转轴中心到重心之距； mi组件的质量； Ii是重心处的转动惯量 (下标 i=1-3;依次表示动臂，斗柄 ，铲斗 )。 2.2 挖掘机模型 每一臂杆组件都是由液压缸驱动，液压缸的流量是滑阀控制的。可作如下假设： 1.液压阀的开度与阀芯的位移成比例。 2.系统无液压油泄漏。 3.液压油流经液压管道时无压力损失。 4.液压缸的顶部与杆的两侧同样都是有效区域。 在这个问题上，对于每一臂杆组件，从液压缸的压力流量特性可得出以下方程： 当 时； 其中， Ai是液压缸的有效横截面积 ;hi是液压缸的长度 ;Xi是滑芯的位置； Psi是供给压力 ;P1i是液压缸的顶边压力； P2i是液压缸的杆边 压力； Vi是在液压缸和管道的油量； Bi是滑阀的宽度； 是油的密度； K是油分子的黏度； c是流量系数。 nts2.3 滑阀的反应特性 滑阀动作对液压挖掘机的控制特性产生会很大的影响。因而，假定滑阀相对参考输入有以下的一阶延迟。 其中， 是滑芯位移的参考输入； 是时间常数。 3 角度控制系统 角基本上由随动参考输入角 通过位置反馈来控制。为了获得更 精确的控制，非线性补偿和状态反馈均加入位置反馈中。 3.1 非线性补偿 在普通的自动控制系统中，常使用如伺服阀这一类新的控制装置。在半自动控制系统中，为了实现自控与 手控的协调，必须使用手动的主控阀。这一类阀中，阀芯的位移与阀的开度是非线性的关系。因此，自动控制操作中，利用这种关系，阀芯位移可由所要求的阀的开度反推出来。同时，非线性是可以补偿的。 3.2 状态反馈 建立在第 2节所讨论的模型的基础上，若动臂角度控制动态特性以一定的标准位置逼近而线性化（滑芯位移 X 10，液压缸压力差 P 110，动臂夹角 10），则该闭环传递函数为 其中， Kp是位置反馈增益系数； 由于系统有较小的系数 a1,所以反应是不稳定的。例如，大型液压挖掘 机SK-16 中。 X10是 0，给出的系数 a0=2.7 102 ,a1=6.0 106 ,a2=1.2 103 .加上加nts速度反馈放大系数 Ka，因而闭环的传递函数就是 加入这个因素 ,系数 S2 就变大，系统趋于稳定。 可见，利用加速度反馈来提高反应特性效果明显。 但是，一般很难精确的测出加速度。为了避免这个问题，改用液压缸力反馈取代加速度反馈。于是，液压缸力由测出的缸内的压力计算而滤掉其低频部分。这就是所谓的压力反馈。 4 半自动控制系统 建立在模拟实验的基础上，半自动控制系统已制造出来，应用在 SK-16型挖掘机上试验。通过现场试验可验证其操作性。这一节将讨论该控制系统的结构与功能。 4.1 结构 控制系统由控制器、传感器、人机接口和液压系统组成。 控制器是采用 16 位的微处理器，能接收来自动臂、斗柄、铲斗传感器的角度输入信号，控制每一操作手柄的位置，选择相应的控制模式和计算其实际改变量，将来自放大器的信号以电信号形式输出结果。液压控制系统控制产生的液压力与电磁比例阀的电信号成比例，主控阀的滑芯的位置控制流入液压缸液压油的流量。 为获得高速度、高精度控制，在控制器上采用数字处理芯片，传感器上使用高分辨率的磁编码器。除此之外，在每一液压缸上安装压力传感器以便获得压力反馈信号。 以上处理后的数据都存在存储器 上，可以从通信端口中读出。 4.2 控制功能 控制系统有三种控制模式，能根据操作杆和选择开关自动切换。其具体功能如下。 （ 1）反铲水平动作模式：用水平反铲切换开关，在手控斗柄推动操作中，系统自动的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平运动。在这种情况下，当斗柄操作杆开始操控时，其参考位置是从地面到斗柄底部的高度。对动臂操作杆的手控操作nts能暂时中断自动控制，因为手控操作的优先级高于自动控制。 （ 2）铲斗水平举升模式：用铲斗水平举升切换开关，在手控动臂举升操作中，系统自动控制铲斗。保持铲斗角度等于其刚开始举升时角度以阻止 原材料从铲斗中泄漏。 （ 3）手控操作模式：当既没有选择反铲水平动作模式，也没有选择铲斗水平举升模式时，动臂，斗柄，铲斗都只能通过手动操作。 系统主要采用 C语言编程来实现这些功能，以构建稳定模组提高系统的运行稳定性。 5 单个组件的自动控制测试 对于动臂、斗柄、铲斗每一组件，以 5的梯度从最初始值开始改变其参考角度值，测量其反应，从而确定第 3节所描述的控制算法的作用。 5 1 非线性补偿的作用 因为电液系统存在不灵敏区，当只有简单的位置反馈而无补偿时 ， 稳态错误仍然存在。加入非线性补偿后能减少这种错误的产生。 5 2 状态反馈控制的作用 对于斗柄和铲斗，只需位置反馈就可获得稳定响应，但是增加加速度或压力反馈能提高响应速度。以动臂为例，仅只有位置反馈时，响应趋向不稳定。加入加速度或压力反馈后，响应的稳定性得到改进。 6 反铲水平控制测试 在不同的控制和操作位置下进行控制测验，观察其控制特性，同时确定最优控制参数。 6 1 前馈控制作用 在只有位置反馈的情况下，增大放大系数 Kp， 减少 Z错误，引起系统不稳定，导致系统延时，也就是 Kp不能减小。采用第 4.1节所描述的斗柄臂杆前馈控制能减少错误而不致于增大 Kp。 6 2 位置的补偿作用 nts当反铲处在上升位置或者反铲动作完成时，反铲水平动作趋于不稳定。不稳定振荡可根据其位置改变放大系数 Kp来消除。其作用表明反铲在离地大约 2米时水平动作结果。与不装补偿装置的情况相比较，不装时开的情况具有补偿提供稳定响应。 6 3 控制间隔的作用 关于控制操作的控制间隔的作用，研究结果如下： 1.当控制间隔设置在超过 100ms时，不稳定振荡因运动的惯性随位置而加剧。 2.当控制间隔低于 50ms时，其控制操作不能作如此大提高。 因此，考虑到计算精度，控制系统选定控制间隔为 50ms。 6 4 受载作 用 利用控制系统，使液压挖掘机执行实际挖掘动作，以研究其受载时的影响。在控制精度方面没有发现与不加载荷时有很大的不同。 7 结论 本文表明状态反馈与前馈控制组合，使精确控制液压挖掘机成为可能。同时也证实了非线性补偿能使普通控制阀应用在自动控制系统中。因而应用这些控制技术，允许即使是不熟练的司机也能容易和精确地操控液压挖掘机。 将这些控制技术应用在其它结构的机器上，如履带式起重机，能使普通结构的机器改进成为可让任何人容易操控的机器。 nts参考文献 1 J. Chiba, T. Takeda, Automatic control in construction machines, Journal of SICE 21 8 1982 4046. 2 H. Nakamura, A. Matsuzaki, Automation in construction machinery, Hitachi Review 57 3 1975 5562. 3 T. Nakano et al., Development of large hydraulic excavator,. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review 22 2 1985 4251. 4 T. Morita, Y. Sakawa, Modeling and control of power shovel, Transactions of SICE 22 1 1986 6975. 5 H. Araya et al., Automatic control system for hydraulic excavator, R&D Kobe Steel Engineering Reports 37 2 1987 7478. 6 P.K. Vaha, M.J. Skibniewski, Dynamic model of excavator, Journal of Aerospace Engineering 6 2 1990 April. 7 H. Hanafusa, Design of electro-hydraulic servo
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