機械專業(yè)外文文獻翻譯-外文翻譯---液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng) 中文
《機械專業(yè)外文文獻翻譯-外文翻譯---液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng) 中文》由會員分享,可在線閱讀,更多相關《機械專業(yè)外文文獻翻譯-外文翻譯---液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng) 中文(16頁珍藏版)》請在裝配圖網上搜索。
液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng) 本機械工程研究實驗室 51 2271, 2000年 7月 27日 摘要 開發(fā)出了一種應用于液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng)。采用該系統(tǒng),即使是不熟練的操作者也能容易和精確地操控液壓挖掘機。構造出了具有控制器的液壓挖掘機的精確數(shù)學控制模型,同時通過模擬實驗研發(fā)出了其控制算法,并將其應用在液壓挖掘機上,由此可以估算出它的工作效率。依照此法,可通過 正反饋及前饋控制、非線性補償、狀態(tài)反饋和增益調度等各種手段獲得較高的控制精度和穩(wěn)定性能。自然雜志 2001 版權所有 關鍵詞:施工機械;液壓挖掘機;前饋;狀態(tài)反饋;操作 1.引言 液壓挖掘機,被稱為大型鉸接式機器人,是一種施工機械。采用這種機器進行挖掘和裝載操作,要求司機要具備高水平的操作技能,即便是熟練的司機也會產生相當大的疲勞。另一方面,隨著操作者年齡增大,熟練司機的數(shù)量因而也將會減少。開發(fā)出一種讓任何人都能容易操控的液壓挖掘機就非常必要了 [1 液壓挖掘機之所以要求較高的操作技能,其理由如下。 少有兩個操作手柄必須同時操作并且要協(xié)調好。 例如,液壓挖掘機的反鏟水平動作,必須同時操控三個操作手柄(動臂,斗柄,鏟斗)使鏟斗的頂部沿著水平面(圖 1)運動。在這種情況下,操作手柄的操作表明了執(zhí)行元件的動作方向,但是這種方向與工作方向不同。 如果司機只要操控一個操作桿,而其它自由桿臂自動的隨動動作,操作就變得非常簡單。這就是所謂的半自動控制系統(tǒng)。 開發(fā)這種半自動控制系統(tǒng),必須解決以下兩個技術難題。 1. 自動控制系統(tǒng)必須采用普通的 控制閥。 2. 液壓挖掘機必須補償其動態(tài)特性以提高其控制精度。 現(xiàn)已經研發(fā)一種控制算法系統(tǒng)來解決這些技術問題,通過在實際的液壓挖掘機上試驗證實了該控制算法的作用。而且我們已采用這種控制算法,設計出了液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng)。具體闡述如下。 2.液壓挖掘機的模型 為了研 究液壓挖掘機的控制算法 ,必須分析液壓挖掘機的數(shù)學模型。液壓挖掘機的動臂、斗柄、鏟斗都是由液壓力驅動,其模型如圖 2所示。模型的具體描述如下。 態(tài)模型 [6] 假定每一臂桿組件都是剛體,由拉格朗日運動方程可得以下表達式: 其中 g 是重力加速度; θi 鉸接點角度; τi 是提供的扭矩; 件的長度; 件的質量; 重心處的轉動慣量 (下標 i=1次表示動臂,斗柄,鏟斗 )。 掘機模型 每一臂桿組件都是由液壓缸驅動,液壓缸的流量是滑閥控制的,如圖 3所示??勺魅缦录僭O: 在這個問題上,對于每一臂桿組件,從液壓缸的壓力流量特性可得出以下方程: 當 時; 其中, 液壓缸的長度 ;在液壓缸和管道的油量;γ 是油的密度; 桿關系 在圖 1所示模型中,液壓缸長度改變率與桿臂的旋轉角 速度的關系如下: (1)動臂 (2)斗柄 (3)鏟斗 當 時, 矩關系 從 慮 到液壓缸的摩擦力,提供的扭矩 τi 如下 其中, 閥的反應特性 滑閥動作對液壓挖掘機的控制特性產生會很大的影響。因而,假定滑閥相對參考輸入有以下的一階延遲。 其中, 是滑芯位移的參考輸入; 是時間常數(shù)。 3 角度控制系統(tǒng) 如圖 4所示, θ 角基本上由隨動參考輸入角 θγ 通過位置反饋來控制。為了獲得更精確的控制,非線性補償和狀態(tài)反饋均加入位置反饋中。以下詳細討論其控制算法。 線性補償 在普通的自動控制系統(tǒng)中,常使用如伺服閥這一類新的控制裝置。在半自動控制系統(tǒng)中,為了實現(xiàn)自控與手控的協(xié)調,必須使用手動的主控閥。這一類閥中,閥芯的位移與閥的開度是非線性的關系。因此,自動控制操作中,利用這種關系,閥芯位移可由所要求的閥的開度反推出來。同時,非線性是可以補償?shù)模▓D 5)。 態(tài)反饋 建立在第 2節(jié)所討論的模型的基礎上,若動臂角度控制動態(tài)特性以一定的標準位置逼近而線性化(滑芯位移 X 10,液壓缸壓力差 P 110,動臂夾角 θ10 ),則該閉環(huán)傳遞函數(shù)為 其中, 由于系統(tǒng)有較小的系數(shù) 以反應是不穩(wěn)定的。例如,大型液壓挖掘機 ,給出的系數(shù) 0 ,0 ,0 而閉環(huán)(圖 4 的上環(huán))的傳遞函數(shù)就是 加入這個因素 ,系數(shù) S 就變大,系統(tǒng)趨于穩(wěn)定??梢?,利用加速度反饋來提高反應特性效果明顯。 但是,一般很難精確的測出加速度。為了避免這個問題,改用液壓缸力反饋取代加速度反饋(圖 4 的下環(huán))。于是,液壓缸力由測出的缸內的壓力計算而濾掉其低頻部分 [7, 8]。這就是所謂的壓力反饋。 4 伺服控制系統(tǒng) 當一聯(lián)軸器是手動操控,而其它的聯(lián)軸器是因此而被隨動作控制時,這必須使用伺服控制系統(tǒng)。例如,如圖 6所示,在反鏟水平動作控制中,動臂的控制是通過保持斗柄底部 Z(由 θ1 與 θ2 計算所得)與 高度。為了獲得更精確的控制引入以下控制系統(tǒng)。 饋控制 由圖 1計算 Z,可以得到 將方程( 8)兩邊對時間求導,得到以下關系式, 右邊第一個式子看作是表達式(反饋部分)將 替換成 1,右邊第二個式子是表達式(前饋部分)計算當 θ2 手動地改變時, θ1 的改變量。 實際上,用不同的 △θ2 值可確定 1。通過調整改變前饋增益 實現(xiàn)最佳的前饋率。 采用測量斗柄操作手柄的位置(如角度)取代測斗柄的角速度,因為驅動斗柄的角速度與操作手柄的位置近似成比例。 據(jù)位置自適應增益調度 類似液壓挖掘機的鉸接式機器人,其動態(tài)特性對位置非常敏感。因此,要在所有位置以恒定的增益穩(wěn)定的控制機器是困難的。為了解決這個難題,根據(jù)位置的自適應增益調度并入反饋環(huán)中(圖 6)。如圖 7所示,自適應放大系數(shù)( 作為函數(shù)的兩個變量, 2和 Z 、 2表示斗柄的伸長量, 5 模擬 實驗結論 反鏟水平動作控制的模擬實驗是將本文第 4 節(jié)所描述的控制算法用在本文第 2節(jié)所討論的液壓挖掘機的模型上。(在 型液壓挖掘機進行模擬實驗。)圖 8 表示其中一組結果。控制系統(tǒng)啟動 5秒以后,逐步加載擾動。圖 9表示使用前饋控制能減少控制錯誤的產生 . 6 半自動控制系統(tǒng) 建立在模擬實驗的基礎上,半自動控制系統(tǒng)已制造出來,應用在 過現(xiàn)場試驗可驗證其操作性。這一節(jié)將討論該控制系統(tǒng)的結構與功能。 構 圖 10的例子中,控制系統(tǒng)由控制器、傳感器、人機接 口和液壓系統(tǒng)組成。 控制器是采用 16 位的微處理器,能接收來自動臂、斗柄、鏟斗傳感器的角度輸入信號,控制每一操作手柄的位置,選擇相應的控制模式和計算其實際改變量,將來自放大器的信號以電信號形式輸出結果。液壓控制系統(tǒng)控制產生的液壓力與電磁比例閥的電信號成比例,主控閥的滑芯的位置控制流入液壓缸液壓油的流量。 為獲得高速度、高精度控制,在控制器上采用數(shù)字處 理芯片,傳感器上使用高分辨率的磁編碼器。除此之外,在每一液壓缸上安裝壓力傳感器以便獲得壓力反饋信號。 以上處理后的數(shù)據(jù)都存在存儲器上,可以從通信端口中讀出。 制功能 控制系統(tǒng)有三種控制模式,能根據(jù)操作桿 和選擇開關自動切換。其具體功能如下。 ( 1)反鏟水平動作模式:用水平反鏟切換開關,在手控斗柄推動操作中,系統(tǒng)自動的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平運動。在這種情況下,當斗柄操作桿開始操控時,其參考位置是從地面到斗柄底部的高度。對動臂操作桿的手控操作能暫時中斷自動控制,因為手控操作的優(yōu)先級高于自動控制 。 ( 2)鏟斗水平舉升模式:用鏟斗水平舉升切換開關,在手控動臂舉升操作中,系統(tǒng)自動控制鏟斗。保持鏟斗角度等于其剛開始舉升時角度以阻止原材料從鏟斗中泄漏。 ( 3)手控操作模式:當既沒有選擇反鏟水平動作模式,也沒有選擇鏟斗水平舉升模式時,動臂,斗柄,鏟斗都只能通過手動操作。 系統(tǒng)主要采用 構建穩(wěn)定模組提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。 7 現(xiàn)場試驗結果與分析 通過對系統(tǒng)進行現(xiàn)場試驗,證實該系統(tǒng)能準確工作。核實本文第 3、 4節(jié)所闡述的控制算法的作用,如下所述。 個組件的自動控制測試 對于動臂 、斗柄、鏟斗每一組件,以 ±5o 的梯度從最初始值開始改變其參考角度值,測量其反應,從而確定第 3節(jié)所描述的控制算法的作用。 線性補償?shù)淖饔? 圖 11 表明動臂下降時的測試結果。因為電液系統(tǒng)存在不靈敏區(qū),當只有簡單的位置反饋而無補償時(圖 11 中的關)穩(wěn)態(tài)錯誤仍然存在。加入非線性補償后(圖 11 中的開)能減少這種錯誤的產生。 態(tài)反饋控制的作用 對于斗柄和鏟斗,只需位置反饋就可獲得穩(wěn)定響應,但是增加加速度或壓力反饋能提高響應速度。以動臂為例,僅只有位置反饋時,響應趨向不穩(wěn)定。加入加速度或壓力反饋后,響應的穩(wěn)定性得到改進。例如,圖 12 表示動臂下降時,采用壓力反饋補償時的測試結果。 鏟水平控制測試 在不同的控制和操作位置下進行控制測驗,觀察其控制特性,同時確定最優(yōu)控制參數(shù)(如圖 6所示的控制放大系數(shù))。 饋控制作用 在只有位置反饋的情況下,增大放大系數(shù) 少 △Z 錯誤,引起系統(tǒng)不穩(wěn)定,導致系統(tǒng)延時,例如圖 13 所示的 “ 關 ” ,也就是 能減小。采用第 p。如圖示的 “ 開 ” 。 置的補償作用 當反鏟處在上升位置或者反鏟動作完成時,反鏟水平動作趨 于不穩(wěn)定。不穩(wěn)定振蕩可根據(jù)其位置改變放大系數(shù) 第 14 表示其作用,表明反鏟在離地大約 2米時水平動作結果。與不裝補償裝置的情況相比較,圖中的關表示不裝時,開的情況具有補償提供穩(wěn)定響應。 制間隔的作用 關于控制操作的控制間隔的作用,研究結果如下: 00穩(wěn)定振蕩因運動的慣性隨位置而加劇。 0控制操作不能作如此大提高。 因此,考慮到計算精度,控制系統(tǒng)選定控制間隔為 50 載作用 利用控制系統(tǒng),使液壓挖掘機執(zhí)行實際 挖掘動作,以研究其受載時的影響。在控制精度方面沒 有發(fā)現(xiàn)與不加載荷時有很大的不同。 8 結論 本文表明狀態(tài)反饋與前饋控制組合,使精確控制液壓挖掘機成為可能。同時也證實了非線性補償能使普通控制閥應用在自動控制系統(tǒng)中。因而應用這些控制技術,允許即使是不熟練的司機也能容易和精確地操控液壓挖掘機。 將這些控制技術應用在其它結構的機器上,如履帶式起重機,能使普通結構的機器改進成為可讓任何人容易操控的機器。 參考文獻 [1] J. T. in 1 8 1982 40– 46. [2] H. A. in 7 3 1975 55– 62. [3] T. et of 2 2 1985 42– 51. [4] T. Y. of 2 1 1986 69– 75. [5] H. et R&D 7 2 1987 74– 78. [6] of 2 1990 [7] H. of of 3 7 1982 1– 8. [8] et On of a 991 207– 212.- 配套講稿:
如PPT文件的首頁顯示word圖標,表示該PPT已包含配套word講稿。雙擊word圖標可打開word文檔。
- 特殊限制:
部分文檔作品中含有的國旗、國徽等圖片,僅作為作品整體效果示例展示,禁止商用。設計者僅對作品中獨創(chuàng)性部分享有著作權。
- 關 鍵 詞:
- 機械 專業(yè) 外文 文獻 翻譯 液壓 挖掘機 半自動 控制系統(tǒng) 中文
裝配圖網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
鏈接地址:http://appdesigncorp.com/p-18615.html