液壓挖掘機的半自動控制系統 Hirokazu Araya ,Masayuki Kagoshima 日本機械工程研究實驗室 Kobe Steel, Ltd., Nishi-ku, Kobe Hyogo 651 2271, 2000年 7月 27日 摘要 開發出了一種應用于液壓挖掘機的半自動控制系統。采用該系統，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學控制模型，同時通過模擬實驗研發出了其控制算法，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、狀態反饋和增益調度等各種手段獲得較高的控制精度和穩定性能。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，熟練司機的數量因而也將會減少。開發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 1-5。 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調好。 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。 開發這種半自動控制系統，必須解決以下兩個技術難題。 1. 自動控制系統必須采用普通的控制閥。 2. 液壓挖掘機必須補償其動態特性以提高其控制精度。 現已經研發一種控制算法系統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。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。 2.1 動態模型 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； i鉸接點角度； i是提供的扭矩； li組件的長度； lgi轉軸中心到重心之距； mi組件的質量； Ii是重心處的轉動慣量 (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動，液壓缸的流量是滑閥控制的，如圖 3所示。可作如下假設： 1.液壓閥的開度與閥芯的位移成比例。 2.系統無液壓油泄漏。 3.液壓油流經液壓管道時無壓力損失。 4.液壓缸的頂部與桿的兩側同樣都是有效區域。 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： 當 時； 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。 2.3 連桿關系 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， 2.4 扭矩關系 從 2.3節的連桿關系可知，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 ;Fi是液壓缸的動摩擦力。 2.5 滑閥的反應特性 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。 3 角度控制系統 如圖 4 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，非線性補償和狀態反饋均加入位置反饋中。以下詳細討論其控制算法。 3.1 非線性補償 在普通的自動控制系統中，常使用如伺服閥這一類新的控制裝置。在半自動控制系統中，為了實現自控與手控的協調，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，非線性是可以補償的（圖 5）。 3.2 狀態反饋 建立在第 2節所討論的模型的基礎上，若動臂角度控制動態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），則該閉環傳遞函數為 其中， Kp是位置反饋增益系數； 由于系統有較小的系數 a1,所以反應是不穩定的。例如，大型液壓挖掘機SK-16 中。 X10是 0，給出的系數 a0=2.7 102 ,a1=6.0 106 ,a2=1.2 103 .加上加速度反饋放大系數 Ka，因而閉環（圖 4 的上環）的傳遞函數就是 加入這個因素 ,系數 S2 就變大，系統 趨于穩定。可見，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）。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 當一聯軸器是手動操控，而其它的聯軸器是因此而被隨動作控制時，這必須使用伺服控制系統。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。 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，得到以下關系式， 右邊第一個式子看作是表達式（反饋部分）將 .Z 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。通過調整改變前饋增益 Kff，可實現最佳的前饋率。 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。 4.2 根據位置自適應增益調度 類似液壓挖掘機的鉸接式機器人，其動態特性對位置非常敏感。因此，要在所有位置以恒定的增益穩定的控制機器是困難的。為了解決這個難題，根據位置的自適應增益調度并入反饋環中（圖 6）。如圖 7所示，自適應放大系數（ KZ或 K）作為函數的兩個變量， 2和 Z 、 2表示斗柄的伸長量， Z是表示鏟斗的高度。 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節所描述的控制算法用在本文第2 節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 8表示其中一組結果。控制系統啟動 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 建立在模擬實驗的基礎上，半自動控制系統已制造出來，應用在 SK-16 型挖掘機上試驗。通過現場試驗可驗證其操作性。這一節將討論該控制系統的結構與功能。 6.1 結構 圖 10的例子中，控制系統由控制器、傳感器、人機接口和液壓系統組成。 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。 以上處理后的數據都存在存儲器上，可以從通信端口中讀出。 6.2 控制功能 控制系統有三種控制模式，能根據操作桿 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。 系統主要采用 C語言編程來實現這些功能，以構建穩定模組提高系統的運行穩定性。 7 現場試驗結果與分析 通過對系統進行現場試驗，證實該系統能準確工作。核實本文第 3、 4 節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，從而確定第 3節所描述的控制算法的作用。 7.1.1 非線性補償的作用 圖 11 表明動臂下降時的測試結果。因為電液系統存在不靈敏區，當只有簡單的位置反饋而無補償時（圖 11 中的關）穩態錯誤仍然存在。加入非線性補償后（圖 11中的開）能減少這種錯誤的產生。 7.1.2 狀態反饋控制的作用 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，響應趨向不穩定。加入加速度或壓力反饋后，響應的穩定性得到改進。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。 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，同時確定最優控制參數（如圖 6所示的控制放大系數）。 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 Kp， 減少 Z錯誤，引起系統不穩定，導致系統延時，例如圖 13所示的“關”，也就是 Kp不能減小。采用第 4.1節所描述的斗柄臂桿前饋控制能減少錯誤而不致于增大 Kp。 如圖示的“開”。 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定。不穩定振蕩可根據其位置改變放大系數 Kp來消除，如第 4.2節所討論的。圖 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定 響應。 7.2.3 控制間隔的作用 關于控制操作的控制間隔的作用，研究結果如下： 1.當控制間隔設置在超過 100ms 時，不穩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，控制系統選定控制間隔為 50ms。 7.2.4 受載作用 利用控制系統，使液壓挖掘機執行實際挖掘動作，以研究其受載時的影響。在控制精度方面沒有發現與不加載荷時有很大的不同。 8 結 論 本文表明狀態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. 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