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南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
系 部: 機(jī)械工程系
專(zhuān) 業(yè): 機(jī)械工程及自動(dòng)化
姓 名: 鄭銘
學(xué) 號(hào): 05010152
外文出處: Semi-automatic control
system for hydraulic shovel
附 件: 1.外文資料翻譯譯文;2.外文原文。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ):
簽名:
年 月 日
注:請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。
附件1:外文資料翻譯譯文
液壓挖掘機(jī)的半自動(dòng)控制系統(tǒng)
1.引言
液壓挖掘機(jī),被看作一個(gè)大型鉸接式機(jī)器人,是一種工程機(jī)械。使用這臺(tái)機(jī)器挖掘和裝載作業(yè)需要一個(gè)高水平的技能,即便是熟練的司機(jī)也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的疲勞。另一方面,隨著操作者年齡增大,熟練司機(jī)的數(shù)量因而也將會(huì)減少。這種局勢(shì)要求必須開(kāi)發(fā)出一種讓任何人都能容易操控的液壓挖掘機(jī)[1-5]。
液壓挖掘機(jī)之所以要求較高的操作技能,其理由如下。
1.液壓挖掘機(jī)的操作,至少有兩個(gè)操作手柄必須同時(shí)操作和調(diào)整。
2.操作手柄的運(yùn)動(dòng)方向與臂桿組件的運(yùn)動(dòng)方向不同。
例如,在液壓挖掘機(jī)的水平動(dòng)作,我們必須同時(shí)操控三個(gè)操作手柄(動(dòng)臂,斗柄,鏟斗)使鏟斗的頂部沿著水平面(圖1)運(yùn)動(dòng)。在這種情況下,操作手柄的操作表明了執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向,但是這種方向與運(yùn)動(dòng)方向不同。
如果司機(jī)只要操控一個(gè)操作桿,而其它自由桿臂自由自動(dòng)操作,操作變得很容易。這就是所謂的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。
當(dāng)我們開(kāi)發(fā)這個(gè)半自動(dòng)化控制系統(tǒng),這兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題必須得到解決。
1. 我們必須使用普通控制閥自動(dòng)控制。
2. 我們必須補(bǔ)償液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)特性提高精度控制。
我們已經(jīng)制定了一個(gè)控制算法來(lái)解決這些技術(shù)問(wèn)題,通過(guò)在液壓挖掘機(jī)上試驗(yàn)證實(shí)了該控制算法的作用。而且我們已采用這種控制算法,設(shè)計(jì)出了液壓挖掘機(jī)的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。具體闡述如下。
2.液壓挖掘機(jī)的模型
為了研究控制算法,我們必須分析液壓挖掘機(jī)的數(shù)學(xué)模型。液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗柄、鏟斗都是由液壓力驅(qū)動(dòng),其模型如圖2所示。模型的具體描述如下。
2.1 動(dòng)態(tài)模型[6]
假定每一臂桿組件都是剛體,由拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程可得以下表達(dá)式: 其中
g是重力加速度;θi鉸接點(diǎn)角度;τi是提供的扭矩;li組件的長(zhǎng)度;lgi轉(zhuǎn)軸中心到重心之距;mi組件的質(zhì)量;Ii是重心處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(下標(biāo)i=1-3;依次表示動(dòng)臂,斗柄,鏟斗)。
2.2 挖掘機(jī)模型
每一臂桿組件都是由液壓缸驅(qū)動(dòng),液壓缸的流量是滑閥控制的,如圖3所示。我們可以假設(shè)如下:
1.液壓閥的開(kāi)度與閥芯的位移成比例。
2.是否漏油。
3.液壓油流經(jīng)液壓管道時(shí)無(wú)壓力損失。
4.液壓缸的頂部與桿的兩側(cè)同樣都是有效區(qū)域。
在這個(gè)問(wèn)題上,對(duì)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(dāng)
時(shí);
其中,Ai是液壓缸的有效橫截面積;hi是液壓缸的長(zhǎng)度;Xi是滑芯的位置;Psi是供給壓力;P1i是液壓缸的頂邊壓力;P2i是液壓缸的桿邊壓力;Vi是在液壓缸和管道的油量;Bi是滑閥的寬度;γ是油的密度;K是油分子的黏度;c是流量系數(shù)。
2.3 連桿關(guān)系
在圖1所示模型中,液壓缸長(zhǎng)度改變率與桿臂的旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系如下:
(1)動(dòng)臂
(2)斗柄
(3)鏟斗
當(dāng) 時(shí),
2.4 扭矩關(guān)系
從2.3節(jié)的連桿關(guān)系可知,考慮到液壓缸的摩擦力,提供的扭矩τi如下
其中,Cci是粘滯摩擦系數(shù);Fi是液壓缸的動(dòng)摩擦力。
2.5 滑閥的反應(yīng)特性
滑閥動(dòng)作對(duì)液壓挖掘機(jī)的控制特性產(chǎn)生會(huì)很大的影響。因而,假定滑閥相對(duì)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(shí)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(dòng)參考輸入角θγ通過(guò)位置反饋來(lái)控制。為了獲得更精確的控制,非線(xiàn)性補(bǔ)償和狀態(tài)反饋均加入位置反饋中。以下我們將討論這些細(xì)節(jié)的算法如下。
3.1 非線(xiàn)性補(bǔ)償
在普通的自動(dòng)控制系統(tǒng)中,常使用如伺服閥這一類(lèi)新的控制裝置。在半自動(dòng)控制系統(tǒng)中,為了實(shí)現(xiàn)自控與手控的協(xié)調(diào),我們必須使用手動(dòng)的主控閥。這一類(lèi)閥中,閥芯的位移與閥的開(kāi)度是非線(xiàn)性的關(guān)系。因此,自動(dòng)控制操作中,利用這種關(guān)系,閥芯位移可由所要求的閥的開(kāi)度反推出來(lái)。同時(shí),非線(xiàn)性是可以補(bǔ)償?shù)模▓D5)。
3.2 狀態(tài)反饋
建立在第2節(jié)所討論的模型的基礎(chǔ)上,若動(dòng)臂角度控制動(dòng)態(tài)特性以一定的標(biāo)準(zhǔn)位置逼近而線(xiàn)性化(滑芯位移X 10,液壓缸壓力差P 110,動(dòng)臂夾角 θ10),則該閉環(huán)傳遞函數(shù)為
其中,Kp是位置反饋增益系數(shù);
由于系統(tǒng)有較小的系數(shù)a1,所以反應(yīng)是不穩(wěn)定的。例如,大型液壓挖掘機(jī)SK-16中。X10是0,給出的系數(shù)a0=2.710,a1=6.010,a2=1.210.加上加速度反饋放大系數(shù)Ka,因而閉環(huán)(圖4 的上環(huán))的傳遞函數(shù)就是
加入這個(gè)因素,系數(shù)S就變大,系統(tǒng)趨于穩(wěn)定??梢?jiàn),利用加速度反饋來(lái)提高反應(yīng)特性效果明顯。
但是,一般很難精確的測(cè)出加速度。為了避免這個(gè)問(wèn)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(cè)出的缸內(nèi)的壓力計(jì)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(dāng)一聯(lián)軸器是手動(dòng)操控,而其它的聯(lián)軸器是因此而被隨動(dòng)作控制時(shí),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(dòng)作控制中,動(dòng)臂的控制是通過(guò)保持斗柄底部Z(由θ1與θ2計(jì)算所得)與Zr 的高度。為了獲得更精確的控制引入以下控制系統(tǒng)。
4.1 前饋控制
由圖1計(jì)算Z,可以得到
將方程(8)兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo),得到以下關(guān)系式,
右邊第一個(gè)式子看作是表達(dá)式(反饋部分)將替換成1,右邊第二個(gè)式子是表達(dá)式(前饋部分)計(jì)算當(dāng)θ2手動(dòng)地改變時(shí),θ1的改變量。
實(shí)際上,用不同的△θ2值可確定1。通過(guò)調(diào)整改變前饋增益Kff,可實(shí)現(xiàn)最佳的前饋率。
采用測(cè)量斗柄操作手柄的位置(如角度)取代測(cè)斗柄的角速度,因?yàn)轵?qū)動(dòng)斗柄的角速度與操作手柄的位置近似成比例。
4.2 根據(jù)位置自適應(yīng)增益調(diào)度
類(lèi)似液壓挖掘機(jī)的鉸接式機(jī)器人,其動(dòng)態(tài)特性對(duì)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(jī)器是困難的。為了解決這個(gè)難題,根據(jù)位置的自適應(yīng)增益調(diào)度并入反饋環(huán)中(圖6)。如圖7所示,自適應(yīng)放大系數(shù)(KZ或Kθ)作為函數(shù)的兩個(gè)變量,2和Z 、2表示斗柄的伸長(zhǎng)量,Z是表示鏟斗的高度。
5 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論
反鏟水平動(dòng)作控制的模擬實(shí)驗(yàn)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(jī)的模型上。(在SK-16大型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。)圖8表示其中一組結(jié)果。控制系統(tǒng)啟動(dòng)5秒以后,逐步加載擾動(dòng)。圖9表示使用前饋控制能減少控制錯(cuò)誤的產(chǎn)生。
6 半自動(dòng)控制系統(tǒng)
建立在模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,半自動(dòng)控制系統(tǒng)已制造出來(lái),應(yīng)用在SK-16型挖掘機(jī)上試驗(yàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可驗(yàn)證其操作性。這一節(jié)將討論該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。
6.1 結(jié)構(gòu)
圖10的例子中,控制系統(tǒng)由控制器、傳感器、人機(jī)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(lái)自動(dòng)臂、斗柄、鏟斗傳感器的角度輸入信號(hào),控制每一操作手柄的位置,選擇相應(yīng)的控制模式和計(jì)算其實(shí)際改變量,將來(lái)自放大器的信號(hào)以電信號(hào)形式輸出結(jié)果。液壓控制系統(tǒng)控制產(chǎn)生的液壓力與電磁比例閥的電信號(hào)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(hào)。
以上處理后的數(shù)據(jù)都存在存儲(chǔ)器上,可以從通信端口中讀出。
6.2 控制功能
控制系統(tǒng)有三種控制模式,能根據(jù)操作桿
和選擇開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換。其具體功能如下。
反鏟水平動(dòng)作模式:用水平反鏟切換開(kāi)關(guān),在手控斗柄推動(dòng)操作中,系統(tǒng)自動(dòng)的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平運(yùn)動(dòng)。在這種情況下,當(dāng)斗柄操作桿開(kāi)始操控時(shí),其參考位置是從地面到斗柄底部的高度。對(duì)動(dòng)臂操作桿的手控操作能暫時(shí)中斷自動(dòng)控制,因?yàn)槭挚夭僮鞯膬?yōu)先級(jí)高于自動(dòng)控制。
鏟斗水平舉升模式:用鏟斗水平舉升切換開(kāi)關(guān),在手控動(dòng)臂舉升操作中,系統(tǒng)自動(dòng)控制鏟斗。保持鏟斗角度等于其剛開(kāi)始舉升時(shí)角度以阻止原材料從鏟斗中泄漏。
手控操作模式:當(dāng)既沒(méi)有選擇反鏟水平動(dòng)作模式,也沒(méi)有選擇鏟斗水平舉升模式時(shí),動(dòng)臂,斗柄,鏟斗都只能通過(guò)手動(dòng)操作。
系統(tǒng)主要采用C語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能,以構(gòu)建穩(wěn)定模組提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。
7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與分析
通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),證實(shí)該系統(tǒng)能準(zhǔn)確工作。核實(shí)本文第3、4節(jié)所闡述的控制算法的作用,如下所述。
7.1 單個(gè)組件的自動(dòng)控制測(cè)試
對(duì)于動(dòng)臂、斗柄、鏟斗每一組件,以±5o的梯度從最初始值開(kāi)始改變其參考角度值,測(cè)量其反應(yīng),從而確定第3節(jié)所描述的控制算法的作用。
7.1.1 非線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)淖饔?
圖11 表明動(dòng)臂下降時(shí)的測(cè)試結(jié)果。因?yàn)殡娨合到y(tǒng)存在不靈敏區(qū),當(dāng)只有簡(jiǎn)單的位置反饋而無(wú)補(bǔ)償時(shí)(圖11中的關(guān))穩(wěn)態(tài)錯(cuò)誤仍然存在。加入非線(xiàn)性補(bǔ)償后(圖11中的開(kāi))能減少這種錯(cuò)誤的產(chǎn)生。
7.1.2 狀態(tài)反饋控制的作用
對(duì)于斗柄和鏟斗,只需位置反饋就可獲得穩(wěn)定響應(yīng),但是增加加速度或壓力反饋能提高響應(yīng)速度。以動(dòng)臂為例,僅只有位置反饋時(shí),響應(yīng)趨向不穩(wěn)定。加入加速度或壓力反饋后,響應(yīng)的穩(wěn)定性得到改進(jìn)。例如,圖12表示動(dòng)臂下降時(shí),采用壓力反饋補(bǔ)償時(shí)的測(cè)試結(jié)果。
7.2 反鏟水平控制測(cè)試
在不同的控制和操作位置下進(jìn)行控制測(cè)驗(yàn),觀(guān)察其控制特性,同時(shí)確定最優(yōu)控制參數(shù)(如圖6所示的控制放大系數(shù))。
7.2.1 前饋控制作用
在只有位置反饋的情況下,增大放大系數(shù)Kp,減少△Z錯(cuò)誤,引起系統(tǒng)不穩(wěn)定,導(dǎo)致系統(tǒng)延時(shí),例如圖13所示的“關(guān)”,也就是Kp不能減小。采用第4.1節(jié)所描述的斗柄臂桿前饋控制能減少錯(cuò)誤而不致于增大Kp。如圖示的“開(kāi)”。
7.2.2 位置的補(bǔ)償作用
當(dāng)反鏟處在上升位置或者反鏟動(dòng)作完成時(shí),反鏟水平動(dòng)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)Kp來(lái)消除,如第4.2節(jié)所討論的。圖14 表示其作用,表明反鏟在離地大約2米時(shí)水平動(dòng)作結(jié)果。與不裝補(bǔ)償裝置的情況相比較,圖中的關(guān)表示不裝時(shí),開(kāi)的情況具有補(bǔ)償提供穩(wěn)定響應(yīng)。
7.2.3 控制間隔的作用
關(guān)于控制操作的控制間隔的作用,研究結(jié)果如下:
1.當(dāng)控制間隔設(shè)置在超過(guò)100ms時(shí),不穩(wěn)定振蕩因運(yùn)動(dòng)的慣性隨位置而加劇。
2.當(dāng)控制間隔低于50ms時(shí),其控制操作不能作如此大提高。
因此,考慮到計(jì)算精度,控制系統(tǒng)選定控制間隔為50ms。
7.2.4 受載作用
利用控制系統(tǒng),使液壓挖掘機(jī)執(zhí)行實(shí)際挖掘動(dòng)作,以研究其受載時(shí)的影響。在控制精度方面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與不加載荷時(shí)有很大的不同。
8 結(jié)論
本文表明狀態(tài)反饋與前饋控制組合可以精確控制液壓挖掘機(jī)。同時(shí)也表明非線(xiàn)性補(bǔ)償能使普通控制閥應(yīng)用在自動(dòng)控制系統(tǒng)中。使用這些控制技術(shù),允許即使是不熟練的司機(jī)也能容易和準(zhǔn)確地操控液壓挖掘機(jī)。
我們將這些控制技術(shù)應(yīng)用在其它結(jié)構(gòu)的機(jī)器上,如履帶式起重機(jī),能使傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)器改進(jìn)成為可讓任何人容易操控的機(jī)器。
參 考 文 獻(xiàn)
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附件2:外文原文(復(fù)印件)