液压挖掘机的半自动控制系统论文

液压挖掘机的半自动控制系统 本机械工程研究实验室 51 2271, 2000年 7月 27日 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。自然杂志 2001 版权所有 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 1 液压挖掘机之所以要求较高的操作技能，其理由如下。 少有两个操作手柄必须同时操作并且要协调好。 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（图 1）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。 现已经研发一种控制算法系统来解决这些技术问题，通过在实际的液压挖掘机上试验证实了该控制算法的 作用。而且我们已采用这种控制算法，设计出了液压挖掘机的半自动控制系统。具体阐述如下。 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，其模型如图 2所示。模型的具体描述如下。 态模型 6 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 下标 i=1次表示动臂，斗柄，铲斗 )。 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，如图 3所示。可作如下假设： 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， 供给压力 ; 是油的密度； 杆关系 在图 1所示模型中，液压缸长度改变率与杆臂的旋转角速度的关系如下： (1)动臂 (2)斗柄 (3)铲斗 当 时， 矩关系 从 虑到液压缸的摩擦力，提供的扭矩 其中， 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 如图 4 所示，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。以下详细讨论其控制算法。 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（图 5）。 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， 由于系统有较小的系数 以反应是不稳定的。例如，大型液压挖掘机。 ，给出的系数 102 ,106 ,103 a，因而闭环（图 4 的上环）的传递函数就是 加入这个因素 ,系数 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（图 4 的下环）。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 7， 8。这就是所谓的压力反馈。 4 伺服控制系统 当一联轴器是手动操控，而其它的联轴器是因此而被随动作控制时，这必须使用伺服控制系统。例如，如图 6所示，在反铲水平动作控制中，动臂的控制是通过保持斗柄底部 Z（由 1 与 2 计算所得）与 高度。为了获得更精确的控制引入以下控制系统。 馈 控制 由图 1计算 Z，可以得到 将方程（ 8）两边对时间求导，得到以下关系式， 右边第一个式子看作是表达式（反馈部分）将 换成 . 1，右边第二个式子是表达式（前馈部分）计算当 2手动地改变时， 1的改变量。 实际上，用不同的 2值可确定 1。通过调整改变前馈增益 实现最佳的前馈率。 采用测量斗柄操作手柄的位置（如角度）取代测斗柄的角速度，因为驱动斗柄的角速度与操作手柄的位置近似成比例。 据位置自适应增益调度 类似液压挖掘机的铰接式机器人，其动态特性对位置非常敏感。因此，要在所有位置以恒定的增益稳定的控制机器是困难的。为了解决这个难题，根据位置的自适应增益调度并入反馈环中（图 6）。如图 7所示，自适应放大系数（ ）作为函数的两个变量， 2和 Z 、 2表示斗柄的伸长量， 5 模拟实验结论 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 型液压挖掘机进行模拟实验。）图 8表示其中一组结果。控制系统启动 5秒以后，逐步加载扰动。图 9表示使用前馈控制能减少控制错误的产生 . 6 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 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。 构 图 10的例子中，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。 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 构建稳定模组提高系统的运行稳定性。 7 现场试验结果与分析 通过对系统进行现场试验，证实该系统能准确工作。核实本文第 3、 4 节所阐述的控制算法的作用，如下所述。 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。 线性补偿的作用 图 11 表明动臂下降时的测试结果。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（图 11 中的关）稳态错误仍然存在。加入非线性补偿后（图 11中的开）能减少这种错误的产生。 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。例如，图 12 表示动臂下降时，采用压力反馈补偿时的测试结果。 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（如图 6所示的控制放大系数）。 馈 控制作用 在只有位置反馈的情况下，增大放大系数 减少 起系统不稳定，导致系统延时，例如图 13所示的“关”，也就是 用第 p。 如图示的“开”。 置的补偿作用 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 第 14 表示其作用，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，图中的关表示不装时，开的情况具有补偿提供稳定 响应。 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： 00，不稳定振荡因运动的惯性随位置而加剧。 0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 50 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。 8 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