【《挖掘机轨迹跟踪控制器设计案例》1600字】

第页共35页挖掘机轨迹跟踪控制器设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u9251挖掘机轨迹跟踪控制器设计案例 1182511.1元件的数学模型与控制系统框图 213891.1.1电液比例阀的传递函数 2248051.1.2液压缸传递函数 399411.2末端位姿实时显示系统 3159211.3PID轨迹跟踪控制 7图1.1控制系统流程图1.1元件的数学模型与控制系统框图1.1.1电液比例阀的传递函数电液比例阀是实现挖掘机液压控制系统的核心原件之一，可将其视为一个一阶惯性环节，因此其传递函数可以近似表示为：G对于双向比例调速阀2FRE6，根据手册显示电液比例阀的特性是比例阀的额定流量为1Hz。最大线圈输入电流为2200mA。把各项参数带入式1.1得其传递函数为G1.1.2液压缸传递函数对于挖掘机工作装置液压缸，其传递函数为：G式1.3中，ξn为阻尼比，ξn=4βe×A2Vt×m；A-活塞平均面积，单位m2；Kq对于液压缸，其传递函数为：G其余环节可视为比例环节。工作装置的控制系统框图如图1.2所示。图1.2工作装置控制系统框图1.2末端位姿实时显示系统用第三章第四章的多体动力学联合仿真模型，在Simulink模型中调用模块库中的TransformSenor模块可以实现工作装置末端位姿实时显示。图1.3调用位姿传感器模块为显示工作装置末端实时位姿，需要打开位姿传感器模块进行相应设置。勾选Rotation选项卡下的Quaternion，端口Q可输出从动架相对于基架的纯旋转的单元四元数，即可显示相对于基准坐标系的旋转角。勾选Translation选项卡下的X、Y、Z，可创建X、Y、Z，三个输出端口实现末端位置的实时显示，模块设置界面如图1.4所示。图1.4模块设置界面此时搭建的末端显示系统还无法将信息完全显示，需要组合其他模块完成末端位姿显示系统的搭建，搭建好的末端位姿显示系统如图1.5所示。首先使用信号转换模块，将Simulink输出的信号赋予实际物理意义，其中位姿显示部分设置单位为mm，姿态部分设置为角度deg。两部分都需要接入Display模块实现数据的实时输出，其中位置坐标要用Mux总线进行连接实现三维坐标整体输出。图1.5末端位姿显示系统由于在先前的工作中已经将装置模型进行封装，为方便在后续系统调试过程中在主界面观察末端位置输出，这里插入out模块建立一个封装输出接口，搭建好的模型如图1.6所示。图1.6具备末端位置显示功能的控制模型设置仿真模式为默认模式，仿真时长为10s。输入信号采用如图1.7所示的正弦信号激励下的角度输入信号。在主界面子系统与仿真模型的接法如图1.8所示。在启动仿真前，需要将开关按图示界面使封装好的输入信号子系统与仿真模型子系统输入接口相连接。图1.7输入信号子系统图1.8子系统与仿真模型的接法启动仿真后在主界面可以观察到输出的工作装置末端实时坐标。打开封装好的仿真模型，可看到如图1.9所示的位姿显示界面。同时可以观察到在MATLAB主界面工作区输出了仿真过程三维动画，如图1.10所示。图1.9位姿显示界面图1.10三维动画输出1.3PID轨迹跟踪控制本小节主要实现挖掘机工作装置的轨迹跟踪控制。在给模型加入PID控制器前，需要将先前设置的三个转动副驱动方式进行调整。Actuation驱动选项卡中的扭矩改为这里扭矩（Torque）采用“外部提供模式”，驱动运动设置（motion）使用“电脑自动计算模式”，如图1.11所示。图1.11转动副驱动设置在主界面搭建如图1.12所示的PID控制回路。并对每一个转动副进行单独的PID参数调试，最后进行叠加。图1.12仿真控制系统在进行PID参数调试的过程中，采用了PID模块集成的自动调参功能。双击打开PID模块，点击Tune选项，系统会编译模型，并自动调整参数，如图1.13和1.14所示。之后滑动顶端的参数调整器对阶跃响应进行微调。图1.13PID参数自动整定图1.14调整前的阶跃响应经过参数调整，前后的阶跃响应曲线对比如图1.15所示。调整后的PID参数分别为1.6915、0.232、-0.21936。可以看到经过调整后的控制系统响应时间可以调整到0.825s