聯液壓挖掘赴機工作裝書置運動軌次跡的智能評化模糊控閱制摘要：本文介紹用微機控制液壓挖掘機作業運動的原理及工作裝置，應用模糊控制算法，通過微機控制電液系統，使驅動元件的動作跟蹤工作機構的運動，從而實現工作裝置的運動軌跡控制。關鍵詞：液壓挖掘機運動軌跡模糊控制液壓挖掘機是一種在土建施工中廣泛應用的土方機械。其工作過程常伴有強烈的振動、噪聲、粉塵等，駕駛員常處于高度緊張狀態下操作，勞動強度大，極易疲勞。近年來，隨著施工機械化迅速發展，越來越迫切需要實現挖掘機作業操作的自動化、智能化。液壓挖掘機的機械液壓系統具有較大的慣性質量，包含許多非線性因素，動態特性變化大且不穩定，在施工中每一具體操作的內容和要求都不確定，很難形成一定規律，對駕駛員的操作技能要求較高。因此，實現挖掘機作業的自動化，并不是僅靠簡單動作的自動化和順序控制就能實現的。采用一般的控制算法是很難滿足控制要求的，需要將各種控制技術綜合應用。為了使挖掘機能達到熟練駕駛員的判斷能力和作業效果，本文將模糊控制理論應用于挖掘機軌跡控制中，將反映熟練駕駛員的操縱規律作為控制算法輸入計算機，通過模糊推理控制，達到熟練駕駛員的作業水平。1液壓挖掘機的工作裝置以我校機電一體化實驗室的液壓挖掘機模型為例。其工作裝置的結構見圖1，液壓及電液控制原理圖見圖2。1．工作臺2．動臂液壓缸3．動臂4．斗桿液壓缸5．斗桿6．鏟斗液壓缸7．鏟斗圖11．控制器2．電液控制器3．斗桿角位移傳感器4．鏟斗液壓缸5．斗桿液壓缸6．動臂液壓缸7．動臂角位移傳感器圖2鏟斗齒尖的運動軌跡由動臂、斗桿、鏟斗三個桿件的復合運動合成。齒尖軌跡的每一位置都可由動臂相對轉臺、斗桿相對動臂、鏟斗相對斗桿的轉角來唯一表示［1］，齒尖的運動軌跡控制可通過對這三個角度的控制來實現。本實驗裝置中，動臂相對轉臺的鉸點，斗桿相對動臂的鉸點上分別安裝了角位移傳感器，用以檢測其各個時刻的位置轉角。由于經費問題，本裝置在控制過程中僅對動臂、斗桿進行控制，將鏟斗鎖死。通過編程計算或人工示教的方式，可獲得對應于齒尖的任意運動軌跡的動臂和斗桿的角度序列，且對應于齒尖的一定運動軌跡，動臂和斗桿的各位置角度間存在一定的函數關系。例如，當完成直線水平挖掘時，動臂的相對位角Φ1和斗桿的相對位角Φ2間的函數關系Φ2＝f（Φ1）可用圖3曲線表示。2基于角度的模糊控制系統模糊控制方法，以專家掌握的定性知識為基礎，用模糊數學的方法，建立系統輸入與輸出的模糊集以及它們之間的模糊關系，生成非解析的控制規律映射模型，從而擺脫對精確模型的依賴。對于挖掘機這類工程建設機械，由于其機械液壓結構復雜，存在許多非線性因素，控制系統的準確數學模型很難建立。況且對于一個熟練的挖掘機駕駛員來說，他并不需要分析系統的模型結構，而只是憑借自己的經驗，通過一些不精確的觀察，執行一些不精確的操作，就能很好地駕駛一臺挖掘機，完成規定的軌跡操作。因此，可采用模糊控制理論，將熟練駕駛員的操作規律作為算法輸入計算機，通過模糊推理控制，實現熟練駕駛員的作業水平。挖掘機的模糊控制系統由四個部分組成，模糊控制系統框圖見圖4。1．計算控制變量2．模糊量化處理3．模糊控制規則4．模糊推理決策5．非模糊化處理6．執行機構7．被控對象8．傳感器圖4(1)模糊控制器：選用MCS-51系列單片機作為CPU，將依據熟練駕駛員的操作經驗形成的控制規律以一定的模糊控制規則的形式存儲在單片機中。(2)輸入／輸出接口裝置：模糊控制器通過輸入接口從被控對象獲得其位置信號，并將模糊控制器決策輸出經數模轉換為模擬信號，送給執行機構—電液比例閥。在I／O接口裝置中，除A／D、D／A轉換外，還應包括必要的電平轉換線路。(3)被控對象及執行機構：主要是動臂及動臂液壓缸，斗桿及斗桿液壓缸，及安裝在其上的電液比例閥。(4)傳感器：選用電阻式角位移傳感器，分辨率為0.5°。3基于角度控制的模糊控制器模糊控制器的原理見圖5。模糊控制器的輸入信號為角度偏差E（N）及角度偏差的變化率EC（N），輸出信號為U（N），經轉換后作為被控對象的輸入信號U（t），被控對象的輸出為y(t)，經采樣其離散信號為Y（N），被控制量設定值連續信號為r(t)，其離散信號為R（N）。前文已提到，對應一定的齒尖運動軌跡，每一時刻都可由動臂、斗桿的相對位置唯一確定。以此作為被控制量的目標轉角R（N），由角位移傳感器測得這一時刻的實際值Y（N），由此可得這一時刻的角度偏差E（N）＝R（N）－Y（N），角度位置偏差變化率EC（N）＝E（N）－E（N－1），按照模糊控制規則，進行模糊推理，決策出控制變量的一個模糊子集，再按照最大隸屬度原則進行非模糊化，得出這一時刻的控制輸出量U（N）。模糊控制規則的建立，主要依據人們的長期實踐經驗，這也正是模糊控制體現人工智能之處，通過對挖掘機的整個作業過程的觀察和手動控制的大量實踐，根據掌握的一些經驗數據，采用Mamdian方法，推理合成控制規則。這個控制規則可表現為：當誤差為負大時，若誤差的變化為負，則這時誤差有增大的趨勢，應盡快消除已有的負大誤差，所以控制量應取正大。當誤差為負而誤差變化為正，這時工裝已具有減少誤差的趨勢，應盡快消除誤差而又不超調，控制量應取正中或正??；而當誤差變化為正大時，則取控制量為0。當誤差為負中，控制量選取同誤差為負大時。當誤差為負小，工裝接近目標位置，這時若誤差變化為負，應選擇控制量為正中；若誤差變化為正，應選控制量為正小即可。總之，當誤差為大或較大，選擇控制量應以盡快消除誤差為主，當誤差為較小，選擇控制量應以防止超調，不影響系統的穩定性為主。當誤差為正時的控制規律，與誤差為負時的控制規律基本一致，只是符號不同，具體控制規律見表1。按照表中的控制規律，可得出模糊關系陣R＝（EI×ECj×UI,j），其隸屬度函數可表示為：μR（e,ec,u）＝（μEi（e）∧μEcj(ec)∧μUij（u））式中：μEi(e)、μEcj（ec）、μUij(u)分別為E、EC、U的隸屬度函數。按照最大隸屬度原則對關系矩陣R進行清晰化，可得控制規則表［1］。根據經驗的不斷總結、更新，控制規則表也應不斷修改?？蓪⑦@一規則表以表格的形式存儲在單片機中，則在每次實施角度控制時，根據已得的偏差及偏差變化率，將其離散化，通過查表，將得到的結果在輸出量上進行清晰化，最后得到的結果即為作用在被控制對象上的控制量。4結論采用模糊控制算法進行挖掘機軌跡控制，具有較強的適應性、靈