挖掘机工作装置液压系统建模与参数估计

1、2008年第27卷12月第12期机械科学与技术MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineeringDecember2008Vol.27No.12挖掘机工作装置液压系统建模与参数估计张大庆,黄志雄,何清华,邹湘伏张大庆222(1湖南山河智能机械股份有限公司,长沙410100;2中南大学机电工程学院,长沙410083)摘要:首先介绍了试验挖掘机机器人改造后的电液比例系统系统(loadindependentflowdistributionsystem)的特点,特性,液压系统的流量方程、;在此基础上,。通,(M)、液压缸负载力(Fl);(Kq)取值

2、范围。关键词;LUDV系统;建模;参数估计中图分类号:TU621;TP24文献标识码:A文章编号:100328728(2008)1221644204ModelingandParameterEstimationoftheHydraulicSystemofanExcavatorsManipulatorZhangDaqing,HuangZhixiong,HeQinghua,ZouXiangfu(1HunanSunwardIntelligentMachineryCo.,LTD,Changsha410100;21222CollegeofMechanicalandElectricalEngineering

3、,CentralSouthUniversity,Changsha410083)Abstract:Theretrofittedelectro2hydraulicsystemforhydraulicroboticexcavatorwasintroduced.Then,accordingtotheprincipleandcharacteristicofLUDV(LoadIndependentFlowDistribution)system,themodelofelectro2hydraulicsystemwasderivedbytakingthehydraulicsystemofaboomasanex

4、ample,combiningthedynamicsofelectro2hydraulicvalvewiththeflowequation,continuousequationandforceequilibriumofthehydraulicsystem;themodelwassimplifiedbasedontheresultsofexperiments.Finally,themodelwasverifiedbyrelativeexperi2ments.Byanalyzingthestructureandload2bearingoftheboom,themethodandequationso

5、festimationforsuchparametersasequivalentmass(M)andbearingforce(Fl)ofhydrauliccylinderweredeveloped;therangeofflowgaincoefficient(Kq)wasgivenonthebasisofexperimentidentification.Keywords:excavator;electro2hydraulicproportionalsystem;LUDVsystem;modeling;parameterestimation液压挖掘机由于具有经济性及适应多种用途的优点,被广泛的应用

6、于包括农业、建筑、及军事等领域,并起到举足轻重的作用,己成为工程机械的主流产品。机电一体化、自动化目前已成为工程机械的发展方向,因此液压挖掘机的自动化也逐渐成为各1,2国的研究重点;其中工作装置的自动控制又成为国内外研究的热点课题收稿日期:2006201206基金项目:国家863计划项目(2003AA430200)资助作者简介:张大庆(1977-),高级工程师,博士,研究方向为工程机械机电一体化,机器人技术,daqing_zh3的轨迹跟踪控制,不同的研究者可能采取不同的控制策略.但无论采用何种控制策略,都要求首先掌握挖掘机工作装置的结构及其液压驱动系统的动、静态特性等先验知识,其控制品质主要取

7、决于专家对挖掘机工作装置及其液压系统各特性中先验知识所掌握的程度。若能获取系统精确的数学模型,则有助于控制系统设计。然而,在建模过程中发现该系统十分复杂,它具有非线性和快时变的特点,即使采用系统辨识的方法,也不能获得收敛的模型参数。国外有很多学者采用了非线性方法建模,虽有不错的效果,但其控制器设计普遍比较复杂,距离工程实。对挖掘机工作装置第12期张大庆等:挖掘机工作装置液压系统建模与参数估计1645际有一定的距离。本文从工程实际的角度对模型进行简化,得到的控制模型易于控制,控制器的实现相对简单,降低控制成本。为此,作者从电液比例阀的动态特性、系统的流量方程、连续性方程和力平衡方程入手,对挖掘机

8、工作装置液压系统的简化模型、模型参数的估算方法和估算公式进行研究。1试验挖掘机简介本文所研究对象为反铲液压挖掘机(见图1)。在进行轨迹控制时,把图1所示的工作装置作为三自由度的机械手来处理(动臂、斗杆及铲斗3个自由度,并在其上分别装有倾角传感器),控制工作装置的末端(即铲斗尖)。控制过程中,液压缸的动作,最终实现工作装置跟踪目标轨迹。为了进行计算机控制,必须对所使用的挖掘机平台进行电液改造。图1挖掘机工作装置示意图本文利用湖南山河智能机械股份有限公司生产的SWE85液压挖掘机为平台进行机器人技术改造。在原系统的基础上,通过加装电比例减压阀,实现电液先导回路取代原来的液压先导回路,并与原机器上的

9、SX214型多路阀一起构成先导式电液比例阀(改造后的电液比例系统如图2所示。由于篇幅限制,本文的分析以动臂装置液压系统为例加以说明,斗杆和铲斗的液压系统与之类似,特此说明);用电手柄取代原有机器的液压先导手柄,而且手柄上装有人工控制和自动控制的切换按钮。改造后的挖掘机的液压系统不变,试验平台采用力士乐公司的负载独立分配系统,该系统的可控性和节能性都非常出色。2电液比例系统模型211电液比例阀动态特性由于系统的电液比例系统由比例减压阀与多路阀组成,因此将电液比例阀阀芯的位移与输入电流之间的传递函数简化为1阶环节。Xv(s)KI=Iv(s)1+bs(1)式中:KI为比例阀的电流增益;b为惯性环节的

10、时间常数;Iv=I(t)-Id,I(t)为比例阀的控制电流,Id为消除搭接量而加入的初始工作电流。1646212电液比例阀的流量方程机械科学与技术第27卷本试验平台SWE85挖掘机液压系统部分采用的是力士乐公司的LUDV系统,由LUDV系统工作4原理可得阀的流量方程,即Q1=CdWXvCdWXv-CdWXvQ1=A1y+V1P1eVP(5)Q2=A2y-eP=1I(t)0(2)I(t)<0式中:A1与A2为液压缸无杆腔、有杆腔活塞有效面积;V1与V2分别为液压缸进出油腔的体积(包括管道和接头的体积);y为活塞的位移;e为有效体积弹性模量。214液压缸的力平衡方程,=1A1-My+Bcy+

11、FlP(P1-Pr)Q2=CdWXv-CdWXvCdWXvP=2(6)(P2-Pr);Bc为活塞和负载的粘性阻;Fl为所有反向负载力,其方向与活塞杆的运动方向相反;M为活塞杆的等效质量。215电液比例系统简化模型I(<0式中:Pr;P为负载敏感阀的弹簧设定压力;Cd为流量系数;W为阀的开口梯度;Xv为芯位移;为油液密度;Q1与Q2和P1与P2分别为液压缸无杆腔、有杆腔流量和压力;P1与P2分别为阀口两端的压差,挖掘机在正常工作中(系统不饱和时),P的设定值为一常数,一般为210MPa。从图4所示的压力测试曲线可以看出,挖掘机在工作过程中,不管负载如何变化,P基本保持在210MPa。从而可

12、见流经阀的流量与换向阀的开口面积成正比,而与负载的大小无关。因此式(2)可以简化为Q1=KqXv(t)I(t)0Kq=CdW对式(4)式(6)进行拉氏变换,可以推导出电液比例系统的简化模型Y(s)=5,6为(7)bIXv(s)+bfsFl(s)s(a0s+a1s+a2)22式中:bI=eKq(A1V2+V1A2/A1);bf=V1V2;a0=V1V2M;a1=BcV1V2;a2=e(V2A1+V1A2)。22(4)3参数估计式中:Kq为阀的流量增益系数,本文中P=210MPa。从上面的建模过程及式(7)中不难看出,系统数学模型中的参数几乎都与挖掘机工作装置的结构、运行状态和位姿有关,这些参数是

13、时变的,因此要获得其精确的数值或是计算公式很困难,本文对上述模型中的关键参数进行近似估算变化范围(本文以动臂液压缸为例)。311液压缸负载等效质量的估计7,8,确定其图4P在实际工作中的取值动臂、斗杆及铲斗一起构成动臂液压缸的负载(假设无外负载),作为运动体,动臂是绕某铰接点转动,而斗杆和铲斗在运动过程中都是相对它们的绞点运动,它们相对于缸体或活塞的运动不是直线运动,即在力平衡方程式(5)中,动臂作为运动体,其运动方向并不是y所指方向。因此,力平衡方程式(5)中的M不能简单认为就是运动体(动臂、斗杆、铲斗)的质量和。设动臂在B点缸体的延伸方向受到包括油缸推213液压缸的连续性方程通常工程机械不

14、允许存在外漏油现象,近年来由于密封技术的发展,已经基本杜绝了外泄现象;实际上作者通过多次试验,发现试验机内泄确实很小。因而可以忽略内外泄的影响。当无杆腔进油,有杆5腔回油时,得到液压缸的连续性方程为第12期张大庆等:挖掘机工作装置液压系统建模与参数估计1647-4力和动臂、斗杆及铲斗等自重在内的合力Fc,B点在该方向的加速度为ac。将Fc分解为沿O1B垂直方向和O1B方向的两个分力Fc1和Fc2,将ac分解为沿O1B垂直方向和O1B方向两个分加速度ac1和ac2,见图1。则以O1为支点,钻臂所受力矩和角加速度为=Fc1O1B=FcO1Bsin=ac1O1B=辨识出:KqKI=21825

15、5;10m/s/A,时间常数b=311946s。因此可以通过试验得到Kq的变化范围。acsinO1B(8)图5动臂液压缸流量图由转动定律=J可得=JFcO1Bsin即FcasinO1B41,(acc=ac相比较可得动点B的等效质量M=O1B2,在建模过程中提出一些,忽略了一些次要因素,获得了系统的简化模型,并利用试验对模型进行了验证。使在此基础上设计切实可行的控制器成为可能。(2)由于所建立的电液比例系统模型中存在一些未知的关键参数,而在后续设计控制器的过程中,必须确定这些参数的值或变化范围;本文就这些关键参数通过理论推导和试验的方法分别给出其取值的变化范围,因而所得到的模型具有实用价值。参考

16、文献1HagaM,etal.DiggingcontrolsystemforhydraulicexcavatorJ.(10)式中:转动惯量J为整个工作装置绕绞点O1的等效转动惯量,其求法可以利用转动惯量的平移法,如图1所示的O1G1、O1G2、O1G3分别为动臂、斗杆、铲斗重心与O1的距离,其中G1、G2、G3可通过试验求出则J=I1+m1O1G1m2O1G2223。+I2+2+I3+m3O1G3(11)Mechatronics,2001,(11):6656762张大庆,何清华,郝鹏等.液压挖掘机铲斗的轨迹跟踪控制J.吉林大学学报,2005,35(5):4904943TafazoliS,etal

17、.J.2002,10(3)4陈欠根,纪云锋,吴万荣.负载独立流量分配(LUDV)控制系统J.液压与气动,2003,(10):10115EryilmazB.ImprovedNonlinearModelingandControlofElectrohydraulicSystemsD.NortheasternUniversity,Boston.Massachusetts,20006张伟汉.阀控非对称油缸控制系统及特性研究D.长春理工ImpedancecontrolofateleoperatedexcavatorIEEETransactionsonControlSystemsTechnology,式中:

18、I1、I2、I3分别为动臂、斗杆、铲斗相对于自身重心的转动惯量。312液压缸上承受反向负载力的估计当工作装置处在任一平衡位置时(不失一般性,本文设为如图1所示的位置),可以列出挖掘机工作装置以O1为支点的力矩平衡方程式=m1gO1G1FlO1Bsin+m2gO1G2+m3gO1G3(12)进而推出动臂液压缸所承受的方向负载力为m1gO1G1+m2gO1G2+m3gO1G3(13)Fl=O1Bsin313参数Kq的估计大学,20027何清华,李力争,周宏兵.双三角钻臂及其液压系统的建模与参数估计J.中南大学学报,2001,32(5):5195228ShahramT,PeterDL,SalcudeanSE.IdentificationofinertialIEEETransac2andfrictionparametersforexcavatorarmsJ.当工作装置在工作过程中,可以利用流量计测得其流量,如图5所示,为测得的动臂液压缸控制阀被加上阶跃电流时的流量曲线,即为动臂液压缸的阶跃响应曲线,该曲线同时验证了式(1)的正确性。通过试验曲线,结合式(1)和式(4),我们