1、液压挖掘机的半自动控制系统摘要开发出了一种应用于液压挖掘机的半自动控制系统。采用该系统，即使是不熟练的操作者也能容易和精确地操控液压挖掘机。构造出了具有控制器的液压挖掘机的精确数学控制模型，同时通过模拟实验研发出了其控制算法，并将其应用在液压挖掘机上，由此可以估算出它的工作效率。依照此法，可通过正反馈及前馈控制、非线性补偿、状态反馈和增益调度等各种手段获得较高的控制精度和稳定性能。自然杂志 2001 版权所有关键词：施工机械；液压挖掘机；前馈；状态反馈；操作1引言液压挖掘机，被称为大型铰接式机器人，是一种施工机械。采用这种机器进行挖掘和装载操作，要求司机要具备高水平的操作技能，即便是熟练的司机
2、也会产生相当大的疲劳。另一方面，随着操作者年龄增大，熟练司机的数量因而也将会减少。开发出一种让任何人都能容易操控的液压挖掘机就非常必要了1-5。液压挖掘机之所以要求较高的操作技能，其理由如下。1.液压挖掘机的操作，至少有两个操作手柄必须同时操作并且要协调好。2.操作手柄的动作方向与其所控的臂杆组件的运动方向不同。例如，液压挖掘机的反铲水平动作，必须同时操控三个操作手柄（动臂，斗柄，铲斗）使铲斗的顶部沿着水平面（图 1）运动。在这种情况下，操作手柄的操作表明了执行元件的动作方向，但是这种方向与工作方向不同。如果司机只要操控一个操作杆，而其它自由杆臂自动的随动动作，操作就变得非常简单。这就是所谓的
3、半自动控制系统。开发这种半自动控制系统，必须解决以下两个技术难题。1. 自动控制系统必须采用普通的控制阀。2. 液压挖掘机必须补偿其动态特性以提高其控制精度。现已经研发一种控制算法系统来解决这些技术问题，通过在实际的液压挖掘机上试验证实了该控制算法的作用。而且我们已采用这种控制算法，设计出了液压挖掘机的半自动控制系统。具体阐述如下。2液压挖掘机的模型为了研究液压挖掘机的控制算法,必须分析液压挖掘机的数学模型。液压挖掘机的动臂、斗柄、铲斗都是由液压力驱动，其模型如图 2 所示。模型的具体描述如下。2.1 动态模型6 假定每一臂杆组件都是刚体，由拉格朗日运动方程可得以下表达式： 其中 g 是重力加
4、速度；i 铰接点角度；i 是提供的扭矩；li 组件的长度；lgi 转轴中心到重心之距；mi 组件的质量；Ii 是重心处的转动惯量(下标 i=1-3;依次表示动臂，斗柄，铲斗)。2.2 挖掘机模型每一臂杆组件都是由液压缸驱动，液压缸的流量是滑阀控制的，如图 3 所示。可作如下假设：1.液压阀的开度与阀芯的位移成比例。2.系统无液压油泄漏。3.液压油流经液压管道时无压力损失。4.液压缸的顶部与杆的两侧同样都是有效区域。在这个问题上，对于每一臂杆组件，从液压缸的压力流量特性可得出以下方程：当时；其中，Ai 是液压缸的有效横截面积;hi 是液压缸的长度;Xi 是滑芯的位置；Psi是供给压力;P1i 是
5、液压缸的顶边压力；P2i 是液压缸的杆边压力；Vi 是在液压缸和管道的油量；Bi 是滑阀的宽度； 是油的密度；K 是油分子的黏度；c 是流量系数。2.3 连杆关系在图 1 所示模型中，液压缸长度改变率与杆臂的旋转角速度的关系如下：(1)动臂(2)斗柄(3)铲斗 当 时，2.4 扭矩关系从 2.3 节的连杆关系可知，考虑到液压缸的摩擦力，提供的扭矩 i 如下其中，Cci 是粘滞摩擦系数;Fi 是液压缸的动摩擦力。2.5 滑阀的反应特性 滑阀动作对液压挖掘机的控制特性产生会很大的影响。因而，假定滑阀相对参考输入有以下的一阶延迟。其中， 是滑芯位移的参考输入； 是时间常数。3 角度控制系统如图 4
6、所示， 角基本上由随动参考输入角 通过位置反馈来控制。为了获得更精确的控制，非线性补偿和状态反馈均加入位置反馈中。以下详细讨论其控制算法。3.1 非线性补偿在普通的自动控制系统中，常使用如伺服阀这一类新的控制装置。在半自动控制系统中，为了实现自控与手控的协调，必须使用手动的主控阀。这一类阀中，阀芯的位移与阀的开度是非线性的关系。因此，自动控制操作中，利用这种关系，阀芯位移可由所要求的阀的开度反推出来。同时，非线性是可以补偿的（图 5） 。3.2 状态反馈建立在第 2 节所讨论的模型的基础上，若动臂角度控制动态特性以一定的标准位置逼近而线性化（滑芯位移 X 10，液压缸压力差 P 110，动臂夹
7、角 10） ，则该闭环传递函数为其中，Kp 是位置反馈增益系数；由于系统有较小的系数 a1,所以反应是不稳定的。例如，大型液压挖掘机SK-16 中。X10 是 0，给出的系数 a0=2.7 10 ,a1=6.0 10 ,a2=1.2 10 .加上263加速度反馈放大系数 Ka，因而闭环（图 4 的上环）的传递函数就是加入这个因素,系数 S 就变大，系统趋于稳定。可见，利用加速度反馈来2提高反应特性效果明显。但是，一般很难精确的测出加速度。为了避免这个问题，改用液压缸力反馈取代加速度反馈（图 4 的下环） 。于是，液压缸力由测出的缸内的压力计算而滤掉其低频部分7，8。这就是所谓的压力反馈。4 伺
8、服控制系统当一联轴器是手动操控，而其它的联轴器是因此而被随动作控制时，这必须使用伺服控制系统。例如，如图 6 所示，在反铲水平动作控制中，动臂的控制是通过保持斗柄底部 Z（由 1 与 2 计算所得）与 Zr 的高度。为了获得更精确的控制引入以下控制系统。4.1 前馈控制由图 1 计算 Z，可以得到将方程（8）两边对时间求导，得到以下关系式，右边第一个式子看作是表达式（反馈部分）将 替换成 1，右边第二个式.Z.子是表达式（前馈部分）计算当 2 手动地改变时，1 的改变量。实际上，用不同的2 值可确定 1。通过调整改变前馈增益 Kff，可实现最佳的前馈率。采用测量斗柄操作手柄的位置（如角度）取代
9、测斗柄的角速度，因为驱动斗柄的角速度与操作手柄的位置近似成比例。4.2 根据位置自适应增益调度类似液压挖掘机的铰接式机器人，其动态特性对位置非常敏感。因此，要在所有位置以恒定的增益稳定的控制机器是困难的。为了解决这个难题，根据位置的自适应增益调度并入反馈环中（图 6） 。如图 7 所示，自适应放大系数（KZ 或 K）作为函数的两个变量， 2和 Z 、 2表示斗柄的伸长量，Z 是表示铲斗的高度。5 模拟实验结论反铲水平动作控制的模拟实验是将本文第 4 节所描述的控制算法用在本文第 2 节所讨论的液压挖掘机的模型上。 （在 SK-16 大型液压挖掘机进行模拟实验。）图 8 表示其中一组结果。控制系统启动 5 秒以后，逐步加载扰动。图 9 表示使用前馈控制能减少控制错误的产生.
