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机电工程学院毕业设计外文资料翻译设计题目: 散粮入仓机回转机构设计及受力分析译文题目: 关于车载式混凝土泵的臂架的闭环检测和开环控制方法学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 正文：外文资料译文 附 件： 外文资料原文 指导教师评语：签名： 年 月 日关于车载式混凝土泵的臂架的闭环检测和开环控制方法摘要：在本文中，将为车载式混凝土泵车提出一种闭环检测开环控制方法。在工作过程中，长的，轻质的臂架系统不可避免的会出现震动。减弱该震动不是很容易，而且它甚至可能被控制单元获得，这将导致工作效率和工作质量降低。为了解决这些问题，首先本文将对比开环控制和闭环控制，结果显示开环控制有稳定的输出但是存在着固定的误差。这些不足之处可以通过本文所介绍的方法来弥补，本文通过使用闭环检测来矫正计划开始增益和开环增益。而且，本文通过传感器建立了适合纠正过的角度数据的过滤和曲线模型，这将大大的减少震动的来源相互间的关联。随后，本文将用仿真的结果来验证本文所提出的方法。关键词：闭环检测和开环控制 过滤和曲线拟合 混凝土泵车的臂架 减弱震动1 简介：作为一种浇筑混凝土的大型工业设备，车载式混凝土泵车已经被广泛的应用于高楼大厦,桥梁,高速公路和水下保护项目上。因为使用合适的混凝土泵车可以提高效率和增加产品和服务的质量，更多的建筑工地正在考虑选择混凝土泵车 1，而且他们也关注泵的质量的控制方法 2。由于所有的这些原因随着建筑规模和范围的扩展而变化，车载式混凝土泵车的设计就变得需要远见了。臂架系统是车载式混凝土泵车的重要组成部分，它的作用是支撑输送浇筑混凝土的管道。这个设计可以使混凝土输送管道的末端随着臂架的移动而轻松的移动。臂架的状态可以直接的影响到一个车载式混凝土泵车的工作的效率，稳定性，可靠性和使用寿命。目前设计臂架系统的趋势包括大型化，复杂结构和智能操作。在这个标准下，长的，质量轻的多臂系统可以非常好的满足建筑的高要求。尽管如此，对这种臂架系统的控制还存在着问题 3-6。另外，液压系统的影响，臂架变形和不可预测的环境变化会导致震动和臂架末端位置的不精确。现在，大多数的车载式混凝土泵车仅仅可以进行人工操作，这对体力和工人的技术要求都比较高，而且还有一定的危险性。这将为以减少或者消除震动和来自控制者的干扰为目的的自动操作系统提供了非常好的发展优势。最近几年，很多出版的文章都已经关注到自动操作系统的设计和减少震动的方法了。在这些设计和方法之间，自动控制理论相对于建筑上的机器人学已经得到提倡和发展 7。肖和伊莱特通过使用大量的软件开发环境和有限元分析方法很生动的表示出臂架的模型和动力学特征 8,9，这对于臂架研究贡献是很大的。尽管臂架的刚性运动微分方程是基于多动体力学理论和拉格朗日方程，灵活的模型更加的精确和复杂 10-12，这些模型都是在混凝土浇筑发生的变形的模拟状态下建立的 13-15。在控制方法中，粒子群算法适用于计算每个关节点的最终角度值，自适应鲁棒 PD 用于提示轨迹合成与重力补偿 18,19。用于测量角度大小的传感器安装在一种智能臂架系统上，但是有些条件会限制臂架的动作 20。X.Yi 和 W.Yiet al 已经介绍了两种不同的装置，这些装置可用于减少震动 21,22。X.Yi 已经发明了减震液压缸和它的控制单元，然而 W.Yi 和他的同事通过测试模块和控制臂架液压缸活塞的位置来掌握震动的幅度。然而，以上提到的两种方法都需要增加车载式混凝土泵车的高度和体积，这都会显著地增加装备的成本。因此，本文的目的就是为臂架系统开发一种自动控制方法，这将使由震动带来的影响减弱。而且，这种方法还可以通过车载式混凝土泵车上的 PLC 来执行，在必要的时候而不需要其他任何设备。为了达到这个目的，本文已经用公式表达出一种闭环检测和开环控制的方法，这种方法可以得到更好的结果，这包括从开环控制得到的稳定的输出和由闭环检测得到的矫正的追踪数据。由于这种方法的运用，通过过滤和曲线拟合可以长久地减少震动对采集到的角度值的影响。在这篇文章的第二章中，本文将描述即将讨论的方法；在第三章中本文将首先比较闭环控制和开环控制，然后假设用闭环检测去减少由开环控制带来的固定误差；在第四章中，本文将提出并讨论过滤和曲线拟合算法；第五章中包括四种控制方法带来的相似的结果和控制影响，四种控制方法包括开环控制，闭环控制，开环控制和闭环检测，还有补充的过滤和曲线拟合方法；最后，在第六章中，将得出本文的结论。2.系统描述本文所要研究的系统是一种 46 米长的 5 个臂架的系统，包括旋转机构，5个臂架，液压缸，输送管和终点站的软管液压缸的作用是使臂架伸出收回。当液压缸处在完全伸出的状态时，臂架达到了最大角度。整个臂架系统可以轻松地安装和传送混凝土到合适的角度。旋转机构可以使臂架系统工作的范围达到一个大的 类似球体的浇筑空间。2.1 液压系统模型被脉冲调制（PWM）和高速开闭阀（HSV）控制的液压缸因为其简单的结构，低成本，小的油污染和数控被广泛的运用与建筑机械中。HSV 通常被用作导向阀，这是由于它有小的容许流量，然而液压方向阀经常被用作 HSV 的力量放大级。液压系统的最后控制可以认为是通过改变方向阀的位移来调整 PWM HSV 的工作周期。根据 HSV，方向阀和液压缸的特征方程 23,24，液压系统的数学模型可以表述为下方程；212 1()=s+)(+)qvxnmnvckAYs Dsk（ ）（1）在上式中 y 代表液压缸， 代表 PWM 的工作周期 和 分别是 和 的d()YsDyd拉普拉斯变换， 和 分别代表 HSV 的流量增益系数和流量压力系数； ，1qkc vA和 分别代表阀芯的区域，阀芯弹簧弹性系数和方向阀的流量增益； 代表vk m者活塞的平均面积； 和 是液压缸的相关参数。通过数学模型(1),本文可以n知道液压缸的位置 被 工作周期 控制着。yd图1.5臂架结构图2.2液压缸和连接角的位移之间的联系然后本文来描述一下液压缸和连接角之间位移的关系。由于所有的臂架仅仅可以在一个平面内动作，通过旋转平面坐标可以得到空间坐标。图1展现了五臂架的结构图。假设臂架是均匀的。 ， =1,5表示两个臂架之间的角度。i车载式混凝土泵的震动部分是一种复杂的固耦合系统，它组成了臂架的灵活性和混凝土脉动。王和陈等对臂架系统的震动机构进行了深入的研究25,26。通过测试本文可以建立有限元分析的模型和得到相应的震动阻尼反应。图2将展现灵活地臂架系统的原理图。假设 是臂架的尖端。尖端的纵向位移 有震动ippiy阻尼如下式：-=sin(2/),=1.,5itpiyATe（2）式子2中， 和臂架角度变化值 如下的关系式：piyi=(+),piiyl1.,5（3）式中 代表臂架的长度， 代表着由于臂架震动带来的从臂架 机架到尖il il端的长度变化。因为振动位移比臂架浇筑时的位移要小的多， 可以忽略不计。il近似的，像 是 的下标一样， 有相同的阻尼震动形式。通过图1和图2，本piyi文可以将角度灵活性的影响用如下的公式来表达：(4)22-1.+l=arcos()iii iy=1,.5两个相邻的臂架之间的最大角度可以用实用数学式 来表达。比如，arcos（ ） i在第一个臂架和水平面的最大夹角是90，这就是说 ,在第一个0190（ ）和第二个臂架之间最大夹角是 ，就是说 ,于是可得到，180arcs8（ ） 2, 和 。0arcos180（ ） 3arcos24（ ） o4（ ） 5虽然本文知道在方程（4）中 阻尼震动部分，但是本文还很难确定臂架工i作过程中的振幅 和周期 。这些参数与特殊的机械结构，混凝土的效率，工iAiT作环境还有其他因素联系很密切。因此在未知参数 设计一个令人满意的控制i系统是值得考虑的。结合方程(1) 和 (4),如果合适的 PWM工作周期用于驱动液压缸的位移，臂架的角度也会随之发生变化，这也将形成控制系统。3.闭环检测和开环控制3.1开环控制开环控制是一种简单的算法，这将计算合适的控制输出，控制输出将根据现实的模型或者是没有来自控制平面的反馈信息的反馈数据。在接收到有远程控制发送的想要得到的位置的命令，PLC通过逆运算可以输出每个臂架要达到的角度。如果 和 分别代表第 个臂架在瞬时 和 时所要达到的()idk(+1)idik+1角度，开环控制系统就有如下的数学模型：, (5)()=()-(ipididkk=1.5该式中 代表工作周期， 代表开环增益。图3为开环控制方块图。idpi开环控制作为臂架自动化模型的一个重要优势是它可以很容易的实现。由于在方程（5）中第 个臂架的要求的角度 和开环增益 不会随着臂架的震i idpik动而发生变化，震动不会对开环控制产生影响，控制输出会保持稳定。然而，开环控制在跟踪精度方面弱化了，这将对理想指标和实际指标之间的固定误差产生影响。图2.臂架柔性原理图图3开环控制方框图3.2闭环控制闭环控制要求角度指标要得到实时的纠正，控制系统被设计成可以使用理想指数和实际指数之间误差。角度传感器可以设置在两个相邻的臂架间。同理代表着在瞬时 时第 个臂架的理想角度， 代表着在瞬时 时第 个()idkki ()ikki臂架由传感器测得的数据。它们之间的误差可以表示为：, (6) ()=-()iidiek=1.5通过合适的方法，闭环控制有如下的数学模型：式中 代表闭环增益。图四为闭环控制方框图。cpik, ()=()icpidke1.5（7） 图4.闭环控制方框图反馈控制是一种消除臂架理想动作和实际动作之间误差的方法。因为这种方法不依赖于控制机构的模型，当选择控制参数时就确定了闭环系统，一组臂架结构可以达到静态指数。这是闭环控制被广泛的在工业系统中使用的主要原因。然后本文将分析合适的控制方程(7)的稳定性和选择的控制增益 。根据没有cpik考虑未知数 的方程（4）， ( )可以直接的由 计算得到。所以首先进行iiy0i数学换算将角度数据转换成液压缸位移参数如下式：, 2-1.-1.2()=+cos()idiiiidykllk=1.5， -.-1.2()s()iiiiiyl,.i（8） 于是角度误 差就转变成位移误差;， ()=-()yiidiekyk=1,.5（9） 闭环控制就可以被写成:， ()=()icpyidke1,.5i（10）用控制输出方程(10) 可以描述液压系统方程(1) ，伴随着的特征方程包含：, (11) 4321+=0iiiicpyiassabk1.5式中 , , , 42=imvA32=()imvnvA212=(+imnvcnvaAkA和 , 是要被确定的控制增益。根据罗斯判据，为11lncak12iqvxnbkcpyi了是系统稳定而达到足够的和必要的情形， 应该满足：cpyik, (12)4132(-)0l重新设置的轨迹点将会 代替预先设置的理想角度序列： ()=0,(+1)=(,.idiididkk(15)nii 5所以基于闭环检测上的开环控制有如下数学模型：(16) ()=(+1)-(,=.,5ipiididdkk式中 和 分别代表着经调整过的开环增益和设置过得角度。图5是闭环pikid检测和开环控制的框图。图5.闭环检测和开环控制方框图图5表明闭环检测主要用于调整 开环增益 和设置的角度 。接下来本pikid文将讨论闭环检测算法的稳定性。由于作为起始点的被设置过的角度 是由实i际角度重新设置的，得到的指数可以认为是预设的，算法的稳定性不会受到影响。另一方面，开环增益 的调整规律将会在方程（14）中体现，当控制工作pik循环大的时候或者相反时，开环增益就会减少。所以在某种排列中 的变化仅pik仅与l 有关。在一定的排列中 的最大值和最小值可以计算臂架系统的开环稳pik定性，闭环检测算法的稳定性也会被确定。本文这篇文章所讨论的臂架系统已经被检测，显示出开环控制的稳定性非常的好。综上所述如果l的值不是很大的话，闭环检测的算法是很稳定的。然而，对于两种参数的选择需要强调是闭环检测期T和角度误差的临界值。两种由于在每个简单的期间内都去执行闭环检测是不必要的，T经常选择是简单期间20-30倍。临界值 最好不太大，同时闭环检测应该更加的敏感，这样可以更合适的调整轨迹和增益，而且，控制输出应该变化的很频繁。尽管如此，临界值也应该不能太大，这是因为控制精度会减少，误差会相应的增加。本文测得的指数显示 适合的值为1。4.过滤和曲线拟合本文所提出的闭环检测和开环控制被证明是一种关于臂架系统的实用的控制算法，这是因为它比其他方法有更好的实现形式。然而，这种控制方法还需要优化。例如，图5表示测得的角度 ，这纠正了没有进过任何处理的臂架信号，i而被直接的用于闭环检测中。为了校正它，对于测得的角度进行的过滤和曲线拟合可以用于减弱由震动带来的干扰。因为过滤和曲线拟合算法需要通过PLC来实现，所以相关的要求包括：（1）一个好的过滤器，这个过滤器可以过滤出高频震动，而且可以存储臂架的运动轨迹；（2）一种实时的算法，这种算法既不是很复杂，同时又要有高的效率；（3）收敛性能，在考虑到保证系统收敛时能够包含所有可能的情形。因此本文决定采用基于最小二乘法的曲线拟合。假设M点的坐是( , ), ( , ), ( , )都在一个直线的附近。X 和z构成一种线性关系如：1xz2mxz (17)=+zaxb式中 代表倾斜度， 代表着补偿量，它们都是要求得系数。当用线性关系式ab（17）来描述( , ) ,算得的 和实际值 之间的误差是：ixzziz(18) =-(+),=1.iiiEaxbm显然，误差越小曲线拟合的精度就越高。一下列出了最小误差平方和：(19)22=1-MiiIzx本文用最小二乘法可以确定系数a和b。用最大值规律本文可以得到：控制系统应该按照经过实时纠正的角度值进行工作。当实际的角度值一次达到M 时，曲线拟合就会起作用，接下来的运动趋势将根据拟合方程（ 17）可以预测到。如果实际的角度值被扰动的很厉害时，曲线拟合可以通过预测的值得到。同时，为了避免曲线存在差别，本文应该对预测的值和实际角度的值进行比较。如果经过过滤和拟合后的曲线设为 ，包含M角度值的组合 应该被x拟合， 代表经过纠正的预测点的值， 代表着预测角度的值， 是要计算的QNj数值，进行过滤和曲线拟合算法的步骤如下：开始第一步：如果被传感器得到的纠正过的角度值大于 ，转向第三步。同时第二步继续进行。第二步：按照顺序将收集到的角度值存入数列 中， 代表着设计的理想轨迹。x第三步：如果 比 值大，转入第四步。同时第五步继续进行。QM第四步：通过M的值预测纠正数值来拟合曲线，重新建立 角度值。重新设置N和 。j第五步：如果算得的值 比 大，转入第六步。同时第七步继续进行。jN第六步：用数列 中的角度值 来对曲线拟合，预测角度值 。重新设置 。xMj第七步：删除数列 中的第一个值，将其他的数值向前移。 为要表示的x Mx值而空起来。第八步：如果在传感器测量时有干扰信号，第九步继续。同时转入第十步。第九步： 和 与预测的角度值都相等。Mx第十步：如果被测得的角度值变化太大时，或者与预测值有很大不同时，第十一步继续，转入第十二步。第十一步： 和 分别和所预测值的和与测得角度分别相等。 加1.x Q第十二步： 和 都与测得到角度值相等。重新设置 。第十三步：为了处理下一个测得的点， 加1。j结束图6.过滤和曲线拟合方框图图6中的方框图表示过滤和曲线拟合的增量。经过过滤和拟合的测得的角度值会用于闭环检测中。最终，在闭环检测中的震动因素就被消除了。在过滤和曲线拟合过程中，对于参数 和 的选择应该得到重视是因为：MN1)当明显的震动发生时更多的拟合点和更大的误差会导致 值过小：2）另一方面，要得到大的 值就需要更大的数据库空间和更加快的工作速度。与M相同，太小的 值会导致消除震动不力，然而太大的N 值可以导致更大的预测误差。预测与修正的点 的作用是在分歧中保证算法的正确性。如果被预测的值Q不被修正，当震动太大时，被预测和测量的角度值的加权和会被选为过滤曲线，这将导致估计值的不精确。因此在许多相同的工作期间，过滤曲线和真实的曲线离得很远。 的好处就是当 计算某些数值时以拖拽过滤曲线到正确的轨迹Q上，本文就可以认为测得值可以作为真实值。5.仿真为了证实以上所提及的方法的影响，本文用PLC作为控制系统的核心工业个人电脑可作为测试的分支作为臂架仿真的。开环控制，闭环控制，基于闭环检测的开环控制和过滤和曲线拟合的控制算法5.1.建立测试工作台拥有安全完整性水平的独特的PLC在建筑机械中一定会被使用到。这种特殊的PLC抵抗的了撞击和震动，并可以确保独立的系统模块的安全性。本文选择了上海自动控制科技公司的高性能的控制器TTC100作为本文提出的方法的承载器。这种控制器有很多的I/O端口和CAN界面，这可以满足本文的设计要求。为了降低测试的成本和风险，于是人们开发出了仿真软件在IPC上展示臂架系统的运行情况。测试平台会在图7中展示出来。控制方法会在IPC上运行，PWM信号会被传导到IPC中。接下来IPC 将模仿臂架的角度变化，并接下来实时的通过CAN线将角度值返回到IPC中。在测试过程中臂架的震动情形会被全部考虑到。根据以前发表的文字来看，液压冲击往往出现在导向阀反向动作时。这将导致在传输管道的脉冲压力的冲击，这是震动的主要来源25,26。对于第 个臂架，一种有随机振幅 （震动i wiA幅度在23）和周期 的逐渐衰减的信号代替周期性的扰动信号。数=0.3swiT学表达式为：. (22) - -sin(2/)sin(18.5)t ti iAeAe5.2 测试结果例如，本文在测试平台上拿第15节臂架的角度从0度变化到60度来模拟和比较4种不同的控制方法。控制设备的参数会在表格1中展显出来5.2.1.模型1开环控制（方程5）会在PLC中模拟。对于不同增益的跟踪角度的曲线，跟踪误差和控制输出会在图8中展示出来。显然，小的开环增益可以带来小的控制工作周期和大的固定误差。但是太大的开环增益可以导致执行机构的饱和。而开环控制的结果却是始终如一的（方程5）。像图8中所示，用方法1时，输出时稳定的。这表明臂架的震动和开环控制关联不大。然而，图8（a）和（b）也表明跟踪角度也存在较大的误差。因此，方法1不是实用的理想方法。注：这里用到的控制输出是PWM的工作周期。一组可能的数值代表臂架公转是液压缸的移动，一组副的数值表明液压缸的移动导致臂架的反转。图7测试平台（1）IPC（2）交互平台和接线（3）PLC表1.仿真参数5.2.2.方法2将闭环控制方法在PLC 中运行，控制增益由方程（12）和（13）来确定。跟踪的角度和误差将会分别的展示在图9的（a）和（ b）中。显然随着从传感器收集的数据的增加，闭环控制比开环控制展现出更小的固有误差。对于方法2中和 对应的输出会在图9（c）和（d）中风别的表示出来。从中可=8cpik10cpi以很容易的看出随着震动的变化闭环控制输出变化的很快，而随着闭环增益的增加，输出会变化的更快。这将会加重液压系统的负担和潜在的风险。5.2.3.方法3将闭环检测开环控制（方程16）置于PLC中运行。图10将展示跟踪的角度，跟踪误差，控制输出和增益变化。与图8（a）中的开环控制相比较，图10（a ）表明使用方法3后，固有误差减少的非常的值得注意，这表明基础平面角度，重新设置的角度和实际角度有 , 和 的数据。而且，在图=501Tms=2n.1i10（c）中控制输出变化的频繁程度比在图9（c ）中更大。这可能是由于对开环增益合适调整和根据闭环检测对角度 的设置。虽然方法3比方法1和方法2更id加的实用，跟踪性能还不是很完美。在这种方法中角度偏差临界值和闭环检测周期T 是两大参数。图10（b）表明大的 可以导致大的跟踪误差，图 10（c ）揭示出小的 可以导致控制输出变化的很快。在不同闭环检测期间T的 的曲 pik线会在图10（d）中表示出来。本文可以从图中得到小的 可以导致闭环检测和T快速变化，然而，控制输出可能不会很顺利；反过来说，大的T将拉长两个pik闭环检测间隔和降低方法的敏感性。图 8（a ）开环控制测试结果（b）相应的角度（c）相应的控制输出5.2.4.方法4过滤和曲线拟合会被传感器加入到处理角度数值中。在M=34时对原始设计的角度值和重新设计的角度值的比较会在=3,N6QM图11(a)中展现出来。图11 （b）-(d)表示的是跟踪误差，控制输出，和 的调整pik值。图11（a ）和（b）表明角度值更加的光滑，更加的接近重新设计的值。图11（c）表明控制输出是很合适的，提出的算法也是很有效地。在M的不同值时对曲线拟合误差进行比较会在图11（e）中展现出来，从图中表明更大的M值可以使曲线拟合更加的有效，然而，这需要包括存储空间和运行时间在内的更大的系统资源。在不同的 值下的本地过滤的角度值也会在图11（f）中表示出来，N从图中本文可以看出更大的N值可以使过滤产生更好的影响，然而同样 N值的增加也意味着更多的预测点和可能导致的预测误差的增加。6.结论为了给车载式混凝土泵的臂架开发一种最理想的控制方法，本文先后分析了液压系统和节点角度的特征，然后提出了基于过滤和曲线拟合的闭环检测和开环控制，这种过滤和曲线拟合是在比较在臂架震动情况下的开环和闭环控制的预测值和实际值之后得到的。本文的测试结果表明本文提出的控制方法在给出流畅的输出上比其他的控制方法表现的更好。另外这种控制方法可以在可以通过PLC来实时的运用，这可以实现建筑工程的需要。下一步的工作将会在实际的臂架系统上进行检测，通过一些极限案例来找到它的限制，进行冲突检测，完善方法。图9（ a）闭环控制结果（b）相应的角度（c）相应误差（d）控制输出图10（a）闭环检测和开环控制测试结果（b）相应的角度（c ）控制输出(d)开环增益图11增加过滤曲线拟合的测试结果（a）过滤角度（b）相应误差（c ）控制输出（d）开环增益（e）拟合误差( f)实际过滤角度感谢：本文的这项工作得到了江苏省，徐州建筑机械公司的研究院和江苏省主要科技成就转变的资金支持。本文还要感谢丁磊博士为本文这篇文章的翻译进行校对。参考文献1 S. 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