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附錄A 外文翻譯
具有可編程閥的單桿液壓缸的節(jié)能控制和改進(jìn)的工作模式選擇
摘要
本文研究了一種單桿液壓缸的節(jié)能自適應(yīng)魯棒精度運(yùn)動(dòng)控制方法。本研究中使用的可編程閥門是五種比例閥的獨(dú)特組合，它的連接方式是，米和米的流量可以由四個(gè)閥門獨(dú)立控制，以及由第五個(gè)閥門控制的真實(shí)的橫口流量。可編程的閥門將米進(jìn)和米出流分離開來，提供了巨大的靈活性來控制氣缸的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)利用負(fù)載的勢(shì)能和動(dòng)能減少能量的使用。本文研究了可編程閥的不同工作條件，并提出了一種簡(jiǎn)單而有效的方法，即基于理想狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)的可編程閥。
介紹
液壓系統(tǒng)的使用在整個(gè)工業(yè)中都很普遍，因?yàn)樗捏w積比大。液壓系統(tǒng)在建筑和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，非常適合這些應(yīng)用。近年來，趨勢(shì)是用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥代替機(jī)械閥門。電動(dòng)液壓閥的使用意味著復(fù)雜的電子控制可以應(yīng)用于控制系統(tǒng)。由于高度非線性的水力動(dòng)力學(xué)[9]，液壓系統(tǒng)的控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。此外，體積模量等參數(shù)隨油溫變化和部件磨損而發(fā)生劇烈變化。在建筑和農(nóng)業(yè)機(jī)械的情況下，由液壓缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)本身可能是高度非線性的。通常，機(jī)械連接的參數(shù)可能會(huì)有很大的變化，通常是未知的，例如外部負(fù)載。此外，外部擾動(dòng)、泄漏和摩擦等重要的不確定非線性也不清楚，不能精確建模[3]。這些因素對(duì)液壓系統(tǒng)的控制有很大的困難。
電動(dòng)液壓閥的出現(xiàn)和復(fù)雜數(shù)字控制的結(jié)合大大提高了液壓系統(tǒng)的性能。采用傳統(tǒng)的四路換向閥的系統(tǒng)能夠滿足Bu和Yao所示的高性能規(guī)格，但不能同時(shí)提供精確的運(yùn)動(dòng)控制和單個(gè)氣缸腔壓力控制，以實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能。有一個(gè)典型的四路方向控制閥，只有兩個(gè)氣缸狀態(tài)之一(壓力)，是完全可控的，并且有一個(gè)一維的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)。雖然一維內(nèi)部動(dòng)力學(xué)是穩(wěn)定的[3]，但它不能被任何控制策略修改。一旦指定了所需的運(yùn)動(dòng)，控制輸入是唯一確定的，這使得調(diào)節(jié)單個(gè)氣缸腔的壓力不可能節(jié)省能量。其結(jié)果是，雖然可以實(shí)現(xiàn)高性能跟蹤，但同時(shí)高水平的節(jié)能是不能實(shí)現(xiàn)的。無法控制的狀態(tài)是由于在一個(gè)典型的方向控制閥中，米-in和米-out孔是機(jī)械連接在一起的。這是典型的四通方向控制閥的一個(gè)基本缺點(diǎn)。如果這一環(huán)節(jié)被破壞，閥門的靈活性就會(huì)大大提高，從而大大提高液壓效率[6]。
打破米與米之間的機(jī)械連接的技術(shù)是眾所周知的，已經(jīng)在重工業(yè)應(yīng)用中使用了好幾年。通常情況下，閥芯閥被4個(gè)poppet類型的閥門所取代[6]。在整個(gè)移動(dòng)液壓行業(yè)，這一主題有許多細(xì)微的變化。Deere & Company、Moline、IL以及卡特彼勒公司、Joliet、iland和Moog Inc.等公司的專利證明了這項(xiàng)技術(shù)的潛力[7,1,5]。
本研究中使用的閥門配置采用四閥桿式閥桿式閥門，并使附加的閥門能夠?qū)崿F(xiàn)真正的跨端口流動(dòng)。該配置允許獨(dú)立的米進(jìn)，米出控制除了可獲得的跨端口再生流。其結(jié)果是一個(gè)可編程的閥門能夠控制每個(gè)氣缸的狀態(tài)，并為最佳的能源使用提供再生流。本研究中使用的可編程閥配置如圖1所示。
圖1所示.可編程閥布局
可編程閥的使用提供了多個(gè)輸入來控制兩個(gè)氣缸狀態(tài)。其結(jié)果是，兩個(gè)圓柱體，和，都完全可以控制。事實(shí)上，有多種方法來控制兩個(gè)圓柱體的狀態(tài)，這使得實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制和節(jié)省能源的目標(biāo)成為可能。
本研究的目的是研究可編程閥門在實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)動(dòng)跟蹤和高節(jié)能的雙重目標(biāo)方面的簡(jiǎn)單而有效的應(yīng)用。不同于以往的工作，本文提出了一種基于期望狀態(tài)和軌跡的工作模式選擇方法以及當(dāng)前的壓力?？删幊痰拈y門是在一個(gè)機(jī)器人手臂上實(shí)現(xiàn)的，它模仿了一個(gè)典型的液壓系統(tǒng)的工業(yè)反鏟。
具體的控制器結(jié)構(gòu)由任務(wù)級(jí)控制器和閥級(jí)控制器組成。任務(wù)級(jí)控制器計(jì)算所需的氣缸力，確定可編程閥的工作方式。該閥位控制器包括一個(gè)壓力調(diào)節(jié)器算法，以保持低的離側(cè)腔壓力和自適應(yīng)魯棒控制器，以提供有效的運(yùn)動(dòng)控制，盡管存在各種不確定性和非線性。
本文的其余部分組織為:第1節(jié)介紹了實(shí)驗(yàn)設(shè)置和動(dòng)態(tài)模型。第2節(jié)詳細(xì)介紹了所需的基于氣缸的工作模式選擇。第3節(jié)提供了側(cè)壓力調(diào)節(jié)器和工作側(cè)弧運(yùn)動(dòng)控制器。第4節(jié)給出了仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，第5節(jié)給出了結(jié)論。
圖2.液壓機(jī)械手的坐標(biāo)系
1 問題的制定和動(dòng)態(tài)模型
本文重點(diǎn)介紹了三自由度電動(dòng)液壓機(jī)械手臂的臂架運(yùn)動(dòng)控制。系統(tǒng)的坐標(biāo)系、關(guān)節(jié)角和物理參數(shù)如圖2所示。電動(dòng)液壓機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)方程直接取自于Bu和Yao[4]。臂架運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)可以描述。
其中和分別為氣缸的頭和桿端壓力，和分別是氣缸的頭和桿端區(qū)域，表示包括外部擾動(dòng)和摩擦力矩等項(xiàng)的集中擾動(dòng)力矩。
和的重心的坐標(biāo)的坐標(biāo)系,和堅(jiān)持重心的坐標(biāo)的坐標(biāo)系,是貼的質(zhì)量部門,未知的質(zhì)量慣性加載附加到結(jié)束的手臂。為了簡(jiǎn)單起見，假定慣性負(fù)載是一個(gè)點(diǎn)質(zhì)量。慣性矩和重力都依賴于未知元素。因此，慣性矩和重力被分為兩部分。術(shù)語cj和)(2 q G c僅包含可計(jì)算的數(shù)量和術(shù)語)(2 q gl m G L和2e L L m，其中包含未知量L m)。未知的術(shù)語需要通過參數(shù)的適應(yīng)來估計(jì)。忽略氣缸泄漏，可以將圓筒方程寫成[9]。
在和缸總量的頭部和桿端分別為和時(shí)初始控制卷,β是有效體積彈性模量。Q1和Q2分別是供給和回流。
對(duì)于圖1中的可編程閥，Q1和Q2是由下列式子得出，
孔口流量可以描述為
其中為非線性孔板流動(dòng)映射，作為壓降、和孔板開口的函數(shù)，，與傳遞函數(shù)式(6)的命令電壓有關(guān)。
其中固有頻率和阻尼比分別是和。
由于非線性流映射很難準(zhǔn)確地確定，因此假設(shè)
和代表的是近似的閥門映射和1和表示流映射的建模錯(cuò)誤。錯(cuò)誤的影響將通過強(qiáng)有力的反饋來處理。
附錄B 外文原文