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應(yīng)用整體滑動(dòng)面重型機(jī)器人挖掘機(jī)的延時(shí)控制
摘要
從下面的問題觀點(diǎn)出發(fā),挖掘機(jī)的控制是很困難的:機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù)多樣性,來自與地面接觸的液壓器的非線性和干擾。此外,挖掘機(jī)的尺寸越大,挖掘機(jī)的鏈接的長度和質(zhì)量越大;重型挖掘機(jī)參數(shù)越多種多樣。應(yīng)用完整滑動(dòng)原理制成的開關(guān)動(dòng)作時(shí)間延遲控制器(TDCSA)應(yīng)用在這篇論文中作為21噸重型挖掘機(jī)的控制器。通過分析實(shí)驗(yàn),我們表明,對TDCSA的開關(guān)動(dòng)作應(yīng)用完整滑動(dòng)面原理比使用PD型的滑動(dòng)面原理要好。該控制器在以一個(gè)熟練操作者操作速度前提下被應(yīng)用在了21噸挖掘機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)中了。為凹凸不平的表面和大范圍的接縫運(yùn)動(dòng)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)表明該控制器具有良好的性能。 2002 Elsevier科學(xué)有限公司保留所有權(quán)利。
關(guān)鍵詞:時(shí)間延時(shí)控制器;動(dòng)作開關(guān);機(jī)器人挖掘機(jī);軌跡控制
1.介紹
液壓挖掘機(jī)是一個(gè)多功能的施工機(jī)械。在建筑行業(yè)的工人使用它進(jìn)行作業(yè),如開挖,傾倒垃圾,整理,起重等等。然而,操作者必須被訓(xùn)練多年才能快速熟練的完成這些任務(wù)。液壓挖掘機(jī)有三個(gè)鏈接:拉桿、動(dòng)臂和鏟斗;但操作者只有講個(gè)胳膊。因此,對于初學(xué)者同時(shí)操作三個(gè)鏈接來完成工作不是容易的事。此外,因?yàn)椴僮髡卟坏貌怀袚?dān)各種各樣的危險(xiǎn)以及惡劣的工作環(huán)境,所以高級操作工的數(shù)量正在減少。出于這個(gè)原因,研究液壓挖掘機(jī)的自動(dòng)控制對改善生產(chǎn)力,效率,和安全是很有必要的。
幾位研究人員已經(jīng)對液壓挖掘機(jī)的自動(dòng)化進(jìn)行了研究(辛格,1997年)。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的幾個(gè)考驗(yàn)中,Bradley 和Seward(1998)開發(fā)了(LUCIE)并將它應(yīng)用到了挖掘的自動(dòng)化。 Stentz,Bares,Singh和Rowe(1998)開發(fā)了一個(gè)完整的卸載貨物的系統(tǒng)并將它應(yīng)用在了一個(gè)25噸的液壓挖掘機(jī)上。Zhang和Li實(shí)現(xiàn)了一個(gè)13噸的液壓挖掘機(jī)在工作速度下的直線運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化。即使一個(gè)熟練的操作工在長時(shí)間直線操作的情況下也會產(chǎn)生疲勞從而造成生產(chǎn)力的下降。
從下面的幾個(gè)問題來看,液壓挖掘機(jī)的控制是很困難的:機(jī)器構(gòu)造參數(shù)的多樣化,液壓傳動(dòng)裝置的各種非線性,與土地接觸的不平衡性。在機(jī)械構(gòu)造方面,慣性力和重力隨接觸縫的運(yùn)動(dòng)變化很大。大體積組裝和復(fù)雜連接的液壓傳動(dòng)裝置有各種各樣的非線性組成部分。出于這個(gè)原因,在挖掘機(jī)控制上存在各種各樣困難。
圖 1 直線運(yùn)動(dòng) 圖 2 Robex210lc-3挖掘機(jī)
為解決這些問題,一些研究工作已經(jīng)被指導(dǎo)分組,他們可能被歸為模仿研究或?qū)嶒?yàn)研究。就模仿研究來說,現(xiàn)在,Chiba和Takeda(1982)應(yīng)用一個(gè)最好的控制方案來控制挖掘機(jī)的操作。Song和Koivo(1995)在大量變化參數(shù)基礎(chǔ)上成功應(yīng)用了提前反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)PID控制器。在實(shí)驗(yàn)研究方面,Lee(1995)將一個(gè)模糊的應(yīng)用錯(cuò)誤反應(yīng)原理的控制技術(shù)和它的衍生物在幾何平面上相組合。Yokota,Sasao,和Ichiryu使用干擾觀察器和PI控制器,并且將它應(yīng)用到一個(gè)小型挖掘機(jī)上。Chang和Lee(2002)在挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)學(xué)基礎(chǔ)上使用延時(shí)控制器(TDC)和補(bǔ)償控制器,并且將它應(yīng)用到一個(gè)13噸的挖掘機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)上,并以0.5m/s的速度工作,這個(gè)工作速度是一個(gè)熟練的操作工的工作速度。
然而,幾乎所有的以上研究工作都被限制在了一個(gè)小型挖掘機(jī)的相對低速條件下。在上述實(shí)驗(yàn)研究工作中,只有Chang和Lee的在工作速度條件下表現(xiàn)的好。挖掘機(jī)的尺寸越大,它的長度和體積相關(guān)性就越多,并且重型挖掘機(jī)的參數(shù)越多。因此,重型挖掘機(jī)的控制相對小型挖掘機(jī)的控制變得更加困難。重型挖掘機(jī)需要一個(gè)良好的控制器。
在這篇論文中,通過對直線運(yùn)動(dòng)的追蹤控制實(shí)驗(yàn),我們將延時(shí)控制器應(yīng)用在一個(gè)21噸的挖掘機(jī)的控制上,并且是控制算法得以生效。另外,我們展示了使用ISS的TDCSA的優(yōu)點(diǎn)。TDCSA由Chang和Park(1998)發(fā)明,由一個(gè)TDC和一個(gè)轉(zhuǎn)換器組成。Chang和Park使用了帶有PDSS的轉(zhuǎn)換器,還應(yīng)用了TDCSA。但是,我們應(yīng)用ISS在轉(zhuǎn)換機(jī)能上是為了改善控制功能。然而,Lee和Youu已經(jīng)通過模擬二線操作控制系統(tǒng),證明了他們的計(jì)算方法的無用性。相反,我們將繼續(xù)開展在挖掘機(jī)方面的實(shí)驗(yàn)。
這篇文章的余下部分是按下面的方式組織的。第二部分簡要的分析挖掘機(jī)系統(tǒng)的特性。第三部分描述了控制器。所發(fā)明的控制器的有效性通過應(yīng)用在一個(gè)21噸挖掘機(jī)的實(shí)驗(yàn)中得以證明,最后結(jié)論將在第五段得出。
2. 挖掘機(jī)系統(tǒng)的概要
這部分主要描述了挖掘機(jī)的特性。更多關(guān)于挖掘機(jī)模型的細(xì)節(jié)能在Chang和Lee的研究中發(fā)現(xiàn)。在這篇論文中,轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和行走裝置并不被認(rèn)為是直線運(yùn)動(dòng)。因?yàn)橥诰驒C(jī)由操縱裝置和傳動(dòng)裝置組成,這兩部分的特點(diǎn)將會簡要描述。
2.1控制器
在運(yùn)動(dòng)方程中,慣性力、重力和離心力隨連接角度的變化而變化。在這些力當(dāng)中,離心力對控制系統(tǒng)的影響較小。相比較而言,慣性力和重力變化很大,因?yàn)閯?dòng)臂和鏟斗的重量在這項(xiàng)研究中重達(dá)2.67噸,并且連接點(diǎn)轉(zhuǎn)角范圍較大。在直線運(yùn)動(dòng)中,每個(gè)慣性力和重力變化范圍都很大。圖3中就展現(xiàn)了一個(gè)0°角的斜坡。我們能觀察到慣性力和重力變化很大。
(a) 慣性力 (b) 重力
圖 3 動(dòng)臂和斗桿的慣性力和重力
2.2液壓傳動(dòng)裝置
在這篇論文中應(yīng)用的挖掘機(jī)的液壓傳動(dòng)裝置至少有三種非線性:閥特性、死區(qū)和時(shí)間滯后。
2.2.1閥特性
液壓閥是將油由油泵轉(zhuǎn)移到液壓油缸中的裝置。油的流量被流量系數(shù)、油缸的截面積和壓力的大小所決定。因此,根據(jù)油缸的非線性截面積,油缸有不同的非線性特性。
2.2.2死區(qū)
在Robex210lc-3挖掘機(jī)中應(yīng)用的卷盤閥的幾何學(xué)是一個(gè)重疊的形狀,正如在圖4所示,這也引起了死區(qū)的非線性。這個(gè)重疊區(qū)域是為操作者的便利所設(shè)計(jì)。因此,當(dāng)卷軸放在重疊區(qū)域時(shí),這個(gè)閥便關(guān)閉,著引起了死區(qū)的非線性。這部分重疊區(qū)域大約占整個(gè)排水量的30%。
2.2.3時(shí)間滯后
因?yàn)楸玫妮敵鰤毫σ_(dá)到推動(dòng)連接物開啟的壓力。這一部分時(shí)間的消耗使得一個(gè)和死區(qū)相似的現(xiàn)象出現(xiàn)了。注意到這一現(xiàn)象在某種程度上是不同于在輸送線路上的純粹時(shí)間消耗的。這一現(xiàn)象只有當(dāng) 吊桿連接開始移動(dòng)時(shí)才出現(xiàn)。當(dāng)泵的輸出壓力達(dá)到閥開啟壓力時(shí),它將消失。此外,這一現(xiàn)象能通過補(bǔ)償器得到補(bǔ)償,這一內(nèi)容將在3.2部分介紹
3、控制器設(shè)計(jì)
一個(gè)挖掘機(jī)有以下非線性:在操縱器上的慣性力和重力的多樣性;閥特性的非線性;傳動(dòng)裝置的死區(qū)和時(shí)間滯后性。這篇論文所討論的在21噸挖掘機(jī)和13噸挖掘機(jī)之間的顯著不同點(diǎn)存在于挖掘機(jī)各連接物的長度和體積。因此,21噸挖掘角度的數(shù)據(jù)的多樣性比13噸的挖掘機(jī)更為嚴(yán)峻。需要一個(gè)比TDC更優(yōu)良的控制器來控制21噸挖掘機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)。
為了控制21噸的挖掘機(jī),我們已經(jīng)考慮了比TDC更優(yōu)良的TDCSA。然后,為了改善控制器的表現(xiàn),我們應(yīng)用了ISS來代替Chang和Park所應(yīng)用的PDSS。
在前面提到的非線性中,死區(qū)和時(shí)間滯后引起了大量追蹤錯(cuò)誤。因此,需要正確補(bǔ)償方法。出于那個(gè)原因,我們設(shè)計(jì)了兩種控制器:第一個(gè)是應(yīng)用ISS作為根本控制的TDCSA,第二個(gè)是克服死區(qū)和時(shí)間滯后的補(bǔ)償器。
3.1TDCSA的設(shè)計(jì)
3.1.1使用ISS的TDCSA
為了將控制器應(yīng)用到挖掘機(jī)上,(A.5)被重組成下列形式:注意到M是一個(gè)常量矩陣來代表我們熟知的角度,但是H(t)有專業(yè)術(shù)語組成,代表不確定性和時(shí)間多變的原因,表示如下:
估計(jì)量 H(t)可以通過使用公式(1)和H(t)是一個(gè)連續(xù)作用這一事實(shí)而得到。更具體點(diǎn),當(dāng)L足夠小時(shí),然后,更多關(guān)于條件的穩(wěn)定性和TDC的實(shí)際能在Youcef-Toumi和Ito和Hsia和Hao的研究中發(fā)現(xiàn)。
TDCSA在對TDC實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)模型控制基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)換機(jī)能,表示如下 :
這里s代表滑動(dòng)表面,Kw是一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣。TDCSA有下面錯(cuò)誤表示方法
在公式(10)中,我們能看到轉(zhuǎn)換機(jī)能能減少TDE的錯(cuò)誤。
3.1.2應(yīng)用完整滑動(dòng)表面的TDCSA的穩(wěn)定性分析
為了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析,我們使用Lyapunto的第二種方法,如果Lyapunto功能被選為它的時(shí)間衍生物就可表示如下:
因此,下面的條件是需要的來使Lyapunto得功能時(shí)間衍生物被消極的定義為換句話說,轉(zhuǎn)換獲得量的大小一定要比TD估計(jì)的錯(cuò)誤量要大。
3.1.3飽和度功能
TDCSA使用轉(zhuǎn)換機(jī)能補(bǔ)償TDE的錯(cuò)誤,但這個(gè)轉(zhuǎn)換機(jī)能引起了一個(gè)交流問題。因此,我們使用一個(gè)飽和度功能來減少交流問題。這個(gè)飽和度問題能這樣應(yīng)用:
這里φ是飽和度功能的邊界線。最終,得到了一個(gè)擁有飽和度的功能的TDCSA,表示如下:
如果選擇了一個(gè)大的邊界層,各種交流將會減少,但是追蹤錯(cuò)誤將會增加,所以合適的邊界層的選擇是必要的。
3.1.4ISS的必要性和優(yōu)勢
在這一部分通過與PDSS的比較,我們將學(xué)習(xí)ISS的必要性和優(yōu)勢。
3.1.4.1完整滑動(dòng)面的必要性
TDCSA有TDC和SMC的想換機(jī)能組成。由此它在比較預(yù)期的TDC的動(dòng)力學(xué)的錯(cuò)誤和滑動(dòng)面衍生物方面變得很必要。更具體一點(diǎn),ISS給出如下形式它的衍生物變成了通過比較,PDSS被表示為它的衍生物與圖3是不同的。
3.1.4.2完整滑動(dòng)面的優(yōu)勢
對于邊界層內(nèi)的滑動(dòng)面,使用PDSS的TDCSA的轉(zhuǎn)換機(jī)能和使用ISS的TDCSA的轉(zhuǎn)換機(jī)能得到了公式16和公式17
將公式16和公式17分別比較,重組公式15便得到公式18和19
從公式18和19中,每一個(gè)閉環(huán)錯(cuò)誤動(dòng)態(tài)學(xué)表示如下
3.2補(bǔ)償器設(shè)計(jì)
補(bǔ)償器是用來克服死區(qū)和時(shí)間滯后的。
因?yàn)閬碜杂透拙磔S的重疊區(qū)域的死區(qū)的尺寸是固定的,我們經(jīng)TDCSA輸入增加了死區(qū)尺寸,表示如下:
為了補(bǔ)償時(shí)間滯后,Chang和Lee根據(jù)油泵和液壓缸的不同壓力設(shè)計(jì)了補(bǔ)償器。在這篇論文中,證如圖7所示那樣,我們給控制律增加了固定值,直到油泵的壓力足夠大來開啟連接物。然后一旦連接物開始移動(dòng)就慢慢減少油壓直到0.
整個(gè)有TDCSA輸入和補(bǔ)償輸入所組成的控制輸出有以下表現(xiàn)形式得出如下公式:注意是動(dòng)臂和斗桿的輸入控制量。
4. 實(shí)驗(yàn)
為了計(jì)算在真正情形下應(yīng)用ISS的TDCSA,我們已經(jīng)在重型挖掘機(jī)上進(jìn)行了真實(shí)的測試。這項(xiàng)工作的主要焦點(diǎn)是在空地上的直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然,我們已經(jīng)將這一直線運(yùn)動(dòng)通過鏟斗和地面的接觸應(yīng)用到了刮平地面的上。過去的Hyundai Robex210lc-3挖掘機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)有了如下詳細(xì)說明:重21噸,控制器總長度10.06m,吊桿、動(dòng)臂和鏟斗總重2.67噸。在這實(shí)驗(yàn)中,鏟斗的平均速度設(shè)定在0.5m/s,只有專家級別的操作者能以這個(gè)速度進(jìn)行工作。
4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備
圖8展示了挖掘機(jī)的全部控制系統(tǒng)。吊桿、動(dòng)臂和鏟斗的軌道均在一個(gè)DSP的控制器中計(jì)算出來。每一個(gè)連接物的控制器輸入根據(jù)控制律在一個(gè)DSP控制器中計(jì)算出來。通過使用產(chǎn)生的軌道和測量角度,得到的控制輸入通過一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換,然后操縱電力部分的壓力減小閥。從EPPR閥出來的先導(dǎo)壓力使每一個(gè)主要閥的卷軸移動(dòng),因此使每一個(gè)連接物移動(dòng),在這里,DSP控制器的頻率樣本取為100赫茲。
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