液压挖掘机的半自动控制系统

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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

2、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

3、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

4、、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是重力加速度；θi铰接点角度；τi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

5、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；γ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τi如下其中，Cci是粘

6、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所示，θ角基本上由随动参考输入角θγ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

7、，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X10，液压缸压力差P110，动臂夹角θ10），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=2.710,a1=6.010,a2=1.210.加上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,

8、系数S就变大，系统趋于稳定。可见，利用加速度反馈来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