液压挖掘机臂的造型与控制

液压挖掘机臂的造型与控制摘要：为了找到一个可行的方式去控制挖掘机臂和实现自主控制，动态模型的机械臂被当作是一个平面机械，根据拉格朗日方程，它有三个自由度。改进之后的挖掘机装有比例阀，它将相关传感器（三个倾斜仪）和计算机控制系统（EPEC的运动控制器）联系在一起，这样，电液比例系统的整个非线性数学模型得以实现。基于自适应鲁棒控制器近似阀门的非线性增益系数不连续的投影，我们提出了整个系统的非线性处理，误差处理是通过鲁棒控制器的反馈和鲁棒控制器的设计完成的。机械臂运动控制实验表明，通过控制器，跟踪可以达到更好的效果而且角跟踪的最大误差必须小于四度。1.简介液压挖掘机是一种多功能的工程机械，通常用于挖掘、倾倒、表面处理、提升及其他工作。然而，液压挖掘机的驾驶者必须有多年训练经验才能工作起来又快又娴熟。每个液压挖掘机有三个铰接件：动臂、斗杆和铲斗。操纵者只有两只手，所以，对于初学习者来说同时精确控制三个铰接件并不是一件容易的事。此外，驾驶者必须在各种危险的环境下，有时甚至得在尘土非常多的环境下工作，这对于他们的健康将有非常大的危害。因为这些原因，研究液压挖掘机的自动化对于提高生产力，生产效率和安全是很有必要的，目前，挖掘机的自动化研究已在各地广泛进行。在所有的被用作发展复杂多变任务的基础的基本元素中，挖掘机动力臂控制目前是最重要最基本方面，挖掘机自动化过程中存在以下问题：机械结构中的变量参数、各种非线性液压执行机构和地面的扰动。为了解决这些问题，已经进行了许多研究，这些研究要么按照基于规则的研究分类要么按照基于研究的模型分类。本篇论文提出了一种不连续检验，它是基于接近非线性增益系数的自适应鲁棒控制器以及整个系统的非线性，误差处理是通过鲁棒控制器的反馈和鲁棒控制器的设计，最后，臂的运动控制实验被用来证明此方案的可行性。挖掘机机械臂的模型2.1机械臂的动力模型机械臂由控制系统、液压传动系统和挖掘机机械臂组成。机械臂包含动臂、斗杆和铲斗。图1.展示了液压挖掘机动力臂的原理图，其中指定了变量02、划、04代表动臂、斗杆、铲斗各自之间的铰接角度。图1.基本坐标系上的0。(％，y°，z°点用来描述铲斗尖端的位置，01(叫，y1,Z］、02(x2，y2,z2、。3(x3，y3，z3各自代表每一个节点。驾驶室的转角©J并没有在图1.中显示出来，因为在此研究中没有考虑它。在图1.中，q表示连接件i极坐标系中的重心位置，02代表动臂关于水平面的链接角，023=02+03代表斗杆链接角，0234=62+63+&4代表铲斗链接角。动力模型可以根据拉格朗日方程来求解。以动臂为例，动臂的动力学方程如下：Dc+叫厶232+Gc32+叫叫£=新P1A1-P2A2-TC，&2,^2⑴2这里，DC=I2+m2丫孑++mIrcos3+a这里，DC=I2+m2丫孑+32344333+2肌°厶2r4C0S°34++I4+肌4卞+2^4厶25°+2肌°厶2r4C0S°34+Gc=yC0S°2+a2+m3+叫“2C0S°2+yC0S°23+偽+m4^L3C0S323+仃C0S°234+伤气=厶2C2+L3C23+厶4C234厶2=厶2C0S°2+L3C0S°23+L4C0S°2342+厶2Sin$+厶3Sin°23+L4Sin°2342且i=2、3、4P1和P2是动臂在顶端和连杆处各自的压力;坷和码是活塞在两处的横截面积;Tt，02，02是总的扰动力矩;I2、I3、I4分别是动臂、斗杆、铲斗相对于挖掘机重心的转动惯量;m2、m3、m4分别是三者的质量;m厶是铲斗中未知负载的质量。图1.挖掘机的图解模型以及其控制器和传感器的位置2.2电液比例系统模型2.2.1液压缸连续性方程液压挖掘机臂的驱动缸是由力士乐XS14阀门控制的。方向阀的节流面积由比例溢流阀输出压力决定，而输出压力是有控制器输出电流决定的。液压系统模型如图2.所示我们做了如下假设：比例阀是一个对称的三位四通阀，其中阀的静区也是对称的，而且流动的是紊流。在输送线路阀门和执行机构之间的动态特性可以忽略不计。液压缸容积内每处压力相等，温度和体积弹性模量是常数。油液泄漏是层流。油液被认为是可压缩的。在工程机械方面是不允许外泄漏情况发生的，而且随着密封技术的发展，外泄漏现象已经逐渐消失。所以，外泄漏现象可以被忽略。之后，y可以用Q2来表示，油液的连续性方程如下：Pi=:Qi—CkX—P?-Ai穿2⑵

P2=时cKP,—p2-Q2+列竝叭(3)2叫ki2 2 2de22这里 Qi和Q2供应和回流到缸里的流量；%和V2各自是从液压缸流出和流入液压缸的容积；叭是有效体积弹性模量；CK是内泄漏细数，它被假定为一个常数以简化系统模型;2・2・2电液比例阀的流动方程负载独立流量分配液压系统被应用于挖掘机自动化。根据负载独立流量分配系统，流动方程如下所示：Qi=Q2=CWK!dQi=Q2=CWK!d/ '—CW/dK[t2AP=p22P,—P,/P1r2P2—P,p4)<0>0(5)<0这里，Pr表示回油压力；AP是负载传感阀的弹簧压力;cd表示流体增益系数；W表示该梯度孔的面积Xy表示绕轴方向的位移;P是油的密度；%是比例阀的额外电流；t是比例阀的可控电流;

yAP□0q2订三I图2.改进之后的LUDV液压系统图解根据负载独立流量分配系统理论，APyAP□0q2订三I图2.改进之后的LUDV液压系统图解根据负载独立流量分配系统理论，AP在方程组（4）中接近常数，所以，方RexrothSX14valvekm.ComefromshuttlevalveJConnectwithOther—""PressureconripensevalvesPressurecompcnscLoadsenseI-valve(」shifting)JjComefromproptionalrelitfvalveZZTShouttlevalve_d“Cpnnectwithother'Actuators程组可以被简化为0=KJAP人（6）匕=C.W,是阀的流量增益系数，且fAP=2APqq p在本片论文中，比例方向控制阀有一个相当大的静区，而且Kd由实验证明是非线性的，实际阀门净开放量xnav如下定义：navX-X,,X>X,vavaXQx= 0—xdsxyxd⑺xd是阀门静区X+X,,X<—X,vav d

-0,8 -0.4 0 0.4 0.8Controlcurrent图3.比例阀的非线性流动增益1-理论曲线2-实际曲线实际试验测试结果在图3.中显示出了非线性流量增益，而且流量增益可近似用两条线画出来以简化模型，为了方便控制，阀的流量Q可以如下表示：Q(花,AP=Qm(X“,AP+Q(花,AP ⑻Qim=51呵1叱Xn(wQ2m=Cd2%“2Xnav (9)Qm是某些简化的流量映射函数，将被用于控制器设计；Q是流量投影的模型误差，受鲁棒控制器的反馈调节。一般而言，%和〈2同一工作状态是常数。自适应鲁棒控制器根据挖掘机模型，自动挖掘机的控制主要难题如下：系统的动力非线性偏差严重；系统参量是不确定的，例如，rnL収(有效体积弹性模量)和由于外界附加震动7；(系统的总扰动)。此外，非模型化摩擦也是不确定的。在本篇论文中，参数的非线性和不确定性是根据自适应鲁棒控制器的不连续

投影决定的。在图3.中，这条线是用来表示静区弥补，它是以过原点与x轴成45度的轴对称的正曲线。流量投影误差得以补偿。卩、代和©关系如下:1q1=] 1+鼻mDe厶T§2=D+ml2c leq3=叭=q】,q2,q3被定义为位置参量点然后方程组3=^i2 De然后方程组3=^i2 DeP1A1—P2A2—GCe2+岸叫一土Ug+口2+TC32,°2(10)P=^3(—CP—P—A―—0+Q+QVK1 2 1dB2 1M 112P=佥(A丄0—Q—Q+C(P—PV2302 1M 2icQ222%和是已知数。g和g分别是q的估计值和预估误差。方程组（11）是适应法律结构所需要的。(11)这里，r表示对角矩阵；T是自适应功能矩阵，T=（T］，T2，T3T；Pro»（）表示不连续投影。的轨假定定义P厶=P1A1—P2A2P可以被当作是方程组（10）的输入。这一步的目的是得到一个Pld关于P厶的实际控制规则，以便输出误差勺=02—32d能够接近于零以达到相对高的轨迹追踪精确度的轨假定饥=九一方1巧，九-■ 02d—妇巧*n几X°Jn几X°J，根据李雅普诺夫定理，可以得到一下方程：F"LPS+P“、GLP丸:f皿—鲁（戯〕〜牛（-怜号仃+寺叽一示+眦L*P®=%虫+P3点iFg：=2-学（耳1十屜站矗〉0（1?）9i^：i这里k2sl是一个控制增益用于以后合成，PLds2是一个函数，它满足以下条件:z3=卩厂％被假定为输入误差，之后，实际产生的控制规则使得z3z3=卩厂％被假定为输入误差，之后，实际产生的控制规则使得z3接近于0•根据方程组（10）和方程组（12），可以得出方程组（14）：这里九，=也':J%，是匕可计算部分；小心十“―山—匚卜營d，是S的误差部分，这个误差部分是通过鲁棒反馈的方法；丛Q1M+dQ2M=Ql被当作方程组（14）中的有效输入。叫 V2在这个过程中，为了是耳接近P加，Q厶的有效输入乞〃必须提高。所以乞〃（控制方程）和5（自适应方程）如下定义：

QuU、^2*Pi±P?*91』)=Q,^+Qur6=E—9*3芯QlJu—^Qldf如Qm=Qs+Qm$'j^i— 'j^i— （触一虽碧）可，（15）乐=氓徽-詩尚緩几YU»+診卜瓷0+鈔徽+3Tk3sl是以后合成的控制增益；Plds2是满足下列条件的任意方程:场［鼻尸w+驻&—址丫啊一2Pw/魁■门€野旳Q葩M° （⑹在Q厶在Q厶d增加以前，有效轴向位移可以根据方程组（4）（5）和（9）按如下计算:化被假定与It成正比，即百=KIt，之后'K（工®十血儿:—>02（f）=K工;=v0, 龙阿一。(18)K{h神一兀）,j:w<0(18)在方程组（11）中假设t=t3，k2sl和k3sl被选出来满足以下条件:fefi2*11JV?（I21阳2I2FG陀r+yHlVzIIE.最后，通过方程组（18）可以达到很高的精确度，它可以作为控制准则

/一Proportionalvalve1Proporttonalvalve2IPilotsystem图/一Proportionalvalve1Proporttonalvalve2IPilotsystem图4.改进之后的电液系统挖掘机VariablepumpBoomcylinderKexrothSx14valve4.实验4.1挖掘机实验综述1）在最初SWE-85挖掘机液压系统的基础上，电液先导控制系统已经取代了液压先导控制系统（改进后的液压系统如图4.所示，本篇论文以挖掘机动臂的液压系统为例进行研究，并且斗杆、铲斗的液压系统与动臂一样）。在电液先导控制系统中，在最初的SX-14主阀的基础上增加一个比例安全阀就得到了先导式电液比例阀，液压先导处理被电气处理代替。通过电气处理柄上的按钮，操纵者可以在手动控制和计算机控制之间转化。被改进之后的挖掘机系统依然是LUDV系统。所以这种实验挖掘机不仅便于控制而且能够节省能源。2）图5.展示了自动挖掘机控制系统的计算机硬件图。它由两个杆和几个传感器组成。有一个倾角仪（精度为0.05度）和一个压力传感器分别用于测量链接角和气缸压力。控制过程中，高一级的控制器计算出相对于参考轨迹的参考角度然后将它送到低一级的控制器（EPEC控制器的运动如图1.中所示）。根据这些命令，

测量到的角度以及气缸的压力，低一级控制器计算出铲斗的位置命令，将他们与参考数据相比较；然后根据这些位置误差，第一季的控制器输出脉冲电流，而这正是比例安全阀的控制电流。然后通过调节主阀的节流口面积，控制液压缸，以及调整机械臂的角度，这些位置误差开始趋于0。也就是说调整实际角度去追踪参考角度。这样，就实现了挖掘机的控制回路系统。图5.控制系统的硬件结构4.2实验结果动臂的运动控制实验是在自动挖掘机上实验得到的。动臂的参考角度是正弦曲线即如图6.所示的虚线（x轴表示时间，,轴表示动臂的角度）。它的振幅为40度，平均值为-2度。基于本文中所提自适应鲁棒控制器以及根据图3.中数据得到的静区的补偿，实际控制角度（图6.中的实线）得以实现。最大控制误差是3.75度。2010202681020102026810图6.动臂角度控制实验1-参