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- 内容简介：
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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在0
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