挖掘機工作裝置的設(shè)計與仿真(含ProE三維圖運動仿真動畫、CAD圖紙和說明書)
中文翻譯挖掘機工作裝置的設(shè)計與仿真摘要:開發(fā)出了一種應(yīng)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(gòu)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(yīng)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(diào)度等各種手段獲得較高的控制精度和穩(wěn)定性能。關(guān)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(chǎn)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。液壓挖掘機之所以要求較高的操作技能,其理由如下:1.液壓挖掘機的操作,至少有兩個操作手柄必須同時操作并且要協(xié)調(diào)好。2.操作手柄的動作方向與其所控的臂桿組件的運動方向不同。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。圖1挖掘機反鏟水平動作與機架模型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(shù)難題。自動控制系統(tǒng)必須采用普通的控制閥。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(jīng)研發(fā)一種控制算法系統(tǒng)來解決這些技術(shù)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(shè)計出了液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng)。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(qū)動,其模型如圖2.1所示。模型的具體描述如下:圖2.1液壓挖掘機模型2.1 動態(tài)模型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;i鉸接點角度;i是提供的扭矩;li組件的長度;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)動慣量(下標i=1-3;依次表示動臂,斗柄,鏟斗)。2.2 挖掘機模型每一臂桿組件都是由液壓缸驅(qū)動,液壓缸的流量是滑閥控制的,如圖3所示。可作如下假設(shè): 1.液壓閥的開度與閥芯的位移成比例。 2.系統(tǒng)無液壓油泄漏。 3.液壓油流經(jīng)液壓管道時無壓力損失。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:其中,Ai是液壓缸的有效橫截面積;hi是液壓缸的長度;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;是油的密度;K是油分子的黏度;c是流量系數(shù)。圖2.2 液壓缸和滑閥模型2.3 連桿關(guān)系 在圖1所示模型中,液壓缸長度改變率與桿臂的旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系如下:(1) 動臂(2)斗柄 (3)鏟斗 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i如下 其中,Cci是粘滯摩擦系數(shù);Fi是液壓缸的動摩擦力。2.5 滑閥的反應(yīng)特性 滑閥動作對液壓挖掘機的控制特性產(chǎn)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3.1所示,角基本上由隨動參考輸入角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。圖3.1控制系統(tǒng)方框圖3.1 非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(diào),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(guān)系。因此,自動控制操作中,利用這種關(guān)系,閥芯位移可由所要求的閥的開度反推出來。同時,非線性是可以補償?shù)模▓D3.2)。 (a)滑閥行程與開度關(guān)系圖 (b)補償函數(shù) 圖3.2非線性補償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 10),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)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??梢姡眉铀俣确答亖硖岣叻磻?yīng)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。于是,液壓缸力由測出的缸內(nèi)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1與2計算所得)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計算Z,可以得到將方程(8)兩邊對時間求導,得到以下關(guān)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2手動地改變時,1的改變量。實際上,用不同的2值可確定1。通過調(diào)整改變前饋增益Kff,可實現(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(qū)動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(yīng)增益調(diào)度并入反饋環(huán)中(圖4.1)。如圖4.2所示,自適應(yīng)放大系數(shù)(KZ或K)作為函數(shù)的兩個變量,2和Z 、2表示斗柄的伸長量,Z是表示鏟斗的高度。圖4.1 控制系統(tǒng)方框圖圖4.2根據(jù)位置的增益調(diào)度5. 模擬實驗結(jié)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SK-16大型液壓挖掘機進行模擬實驗。)圖5.1表示其中一組結(jié)果。控制系統(tǒng)啟動5秒以后,逐步加載擾動。圖5.2表示使用前饋控制能減少控制錯誤的產(chǎn)生。圖5.1反鏟水平運動模擬實驗結(jié)論圖5.2前饋控制在減少Z錯誤方向的作用圖 6 半自動控制系統(tǒng) 建立在模擬實驗的基礎(chǔ)上,半自動控制系統(tǒng)已制造出來,應(yīng)用在SK-16型挖掘機上試驗。通過現(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(jié)構(gòu)與功能。6.1 結(jié)構(gòu) 圖6.1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(yīng)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(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。圖6.1控制系統(tǒng)略圖 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。6.2 控制功能控制系統(tǒng)有三種控制模式,能根據(jù)操作桿和選擇開關(guān)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(guān),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(guān),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C語言編程來實現(xiàn)這些功能,以構(gòu)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(jié)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。7.1 單個組件的自動控制測試對于動臂、斗柄、鏟斗每一組件,以5的梯度從最初始值開始改變其參考角度值,測量其反應(yīng),從而確定第3節(jié)所描述的控制算法的作用。7.1.1 非線性補償?shù)淖饔脠D7.1 表明動臂下降時的測試結(jié)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穩(wěn)態(tài)錯誤仍然存在。加入非線性補償后能減少這種錯誤的產(chǎn)生。圖7.1動臂轉(zhuǎn)角非線性補償?shù)淖饔?.1.2 狀態(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(yīng),但是增加加速度或壓力反饋能提高響應(yīng)速度。以動臂為例,僅只有位置反饋時,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。例如,圖7.2表示動臂下降時,采用壓力反饋補償時的測試結(jié)果。圖7.2動臂轉(zhuǎn)角壓力反饋控制的作用7.2 反鏟水平控制測試 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)。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錯誤,引起系統(tǒng)不穩(wěn)定,導致系統(tǒng)延時,例如圖7.3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誤而不致于增大Kp。圖7.3關(guān)于控制Z錯誤的前饋控制作用7.2.2 位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)Kp來消除,如第4.2節(jié)所討論的。圖7.4表示其作用,表明反鏟在離地大約2米時水平動作結(jié)果。與不裝補償裝置的情況相比較,圖中的關(guān)表示不裝時,開的情況具有補償提供穩(wěn)定響應(yīng)。圖7.4關(guān)于控制Z錯誤的自適應(yīng)放大控制的作用 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.當控制間隔設(shè)置在超過100ms時,不穩(wěn)定振蕩因運動的慣性隨位置而加劇。2.當控制間隔低于50ms時,其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50ms。7.2.4 受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(jié)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(yīng)用在自動控制系統(tǒng)中。因而應(yīng)用這些控制技術(shù),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(shù)應(yīng)用在其它結(jié)構(gòu)的機器上,如履帶式起重機,能使普通結(jié)構(gòu)的機器改進成為可讓任何人容易操控的機器。
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