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，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,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滤掉其低频部分[7，8]。这就是所谓的压力反馈。

4 伺服控制系统

    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θ1与θ2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，右边第二个式子是表达式（前馈部分）计算当θ2手动地改变时，θ1的改变量。

实际上，用不同的△θ2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Kθ）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.

6 半自动控制系统

    建立在模拟实验的基础上，半自动控制系统已制造出来，应用在SK-16型挖掘机上试验。通过现场试验可验证其操作性。这一节将讨论该控制系统的结构与功能。

6.1 结构

    图10的例子中，控制系统由控制器、传感器、人机接口和液压系统组成。

    控制器是采用16位的微处理器，能接收来自动臂、斗柄、铲斗传感器的角度输入信号，控制每一操作手柄的位置，选择相应的控制模式和计算其实际改变量，将来自放大器的信号以电信号形式输出结果。液压控制系统控制产生的液压力与电磁比例阀的电信号成比例，主控阀的滑芯的位置控制流入液压缸液压油的流量。

    为获得高速度、高精度控制，在控制器上采用数字处理芯片，传感器上使用高分辨率的磁编码器。除此之外，在每一液压缸上安装压力传感器以便获得压力反馈信号。

    以上处理后的数据都存在存储器上，可以从通信端口中读出。

6.2 控制功能

控制系统有三种控制模式，能根据操作杆

和选择开关自动切换。其具体功能如下。

   （1）反铲水平动作模式：用水平反铲切换开关，在手控斗柄推动操作中，系统自动的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平运动。在这种情况下，当斗柄操作杆开始操控时，其参考位置是从地面到斗柄底部的高度。对动臂操作杆的手控操作能暂时中断自动控制，因为手控操作的优先级高于自动控制。

   （2）铲斗水平举升模式：用铲斗水平举升切换开关，在手控动臂举升操作中，系统自动控制铲斗。保持铲斗角度等于其刚开始举升时角度以阻止原材料从铲斗中泄漏。

（3）手控操作模式：当既没有选择反铲水平动作模式，也没有选择铲斗水平举升模式时，动臂，斗柄，铲斗都只能通过手动操作。

    系统主要采用C语言编程来实现这些功能，以构建稳定模组提高系统的运行稳定性。

7 现场试验结果与分析

    通过对系统进行现场试验，证实该系统能准确工作。核实本文第3、4节所阐述的控制算法的作用，如下所述。

7.1 单个组件的自动控制测试

对于动臂、斗柄、铲斗每一组件，以±5º的梯度从最初始值开始改变其参考角度值，测量其反应，从而确定第3节所描述的控制算法的作用。

7.1.1 非线性补偿的作用

图11 表明动臂下降时的测试结果。因为电液系统存在不灵敏区，当只有简单的位置反馈而无补偿时（图11中的关）稳态错误仍然存在。加入非线性补偿后（图11中的开）能减少这种错误的产生。

7.1.2 状态反馈控制的作用

    对于斗柄和铲斗，只需位置反馈就可获得稳定响应，但是增加加速度或压力反馈能提高响应速度。以动臂为例，仅只有位置反馈时，响应趋向不稳定。加入加速度或压力反馈后，响应的稳定性得到改进。例如，图12表示动臂下降时，采用压力反馈补偿时的测试结果。

7.2 反铲水平控制测试

    在不同的控制和操作位置下进行控制测验，观察其控制特性，同时确定最优控制参数（如图6所示的控制放大系数）。

7.2.1 前馈控制作用

在只有位置反馈的情况下，增大放大系数Kp，减少△Z错误，引起系统不稳定，导致系统延时，例如图13所示的“关”，也就是Kp不能减小。采用第4.1节所描述的斗柄臂杆前馈控制能减少错误而不致于增大Kp。如图示的“开”。

7.2.2 位置的补偿作用

当反铲处在上升位置或者反铲动作完成时，反铲水平动作趋于不稳定。不稳定振荡可根据其位置改变放大系数Kp来消除，如第4.2节所讨论的。图14 表示其作用，表明反铲在离地大约2米时水平动作结果。与不装补偿装置的情况相比较，图中的关表示不装时，开的情况具有补偿提供稳定响应。

7.2.3 控制间隔的作用

关于控制操作的控制间隔的作用，研究结果如下：

1.当控制间隔设置在超过100ms时，不稳定振荡因运动的惯性随位置而加剧。

2.当控制间隔低于50ms时，其控制操作不能作如此大提高。

因此，考虑到计算精度，控制系统选定控制间隔为50ms。

7.2.4 受载作用

利用控制系统，使液压挖掘机执行实际挖掘动作，以研究其受载时的影响。在控制精度方面没有发现与不加载荷时有很大的不同。

8 结论

    本文表明状态反馈与前馈控制组合，使精确控制液压挖掘机成为可能。同时也证实了非线性补偿能使普通控制阀应用在自动控制系统中。因而应用这些控制技术，允许即使是不熟练的司机也能容易和精确地操控液压挖掘机。

将这些控制技术应用在其它结构的机器上，如履带式起重机，能使普通结构的机器改进成为可让任何人容易操控的机器。

参考文献

[1] J. Chiba, T. Takeda, Automatic control in construction machines, Journal of SICE 21 8 1982 40–46.

[2] H. Nakamura,  A. Matsuzaki,  Automation in construction machinery, Hitachi Review 57 3 1975 55–62.

[3] T. Nakano et al., Development of large hydraulic excavator,. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review 22 2 1985 42–51.

[4] T. Morita,  Y. Sakawa, Modeling and control of power shovel, Transactions of SICE 22 1 1986 69–75.

[5] H. Araya et al., Automatic control system for hydraulic excavator, R&D Kobe Steel Engineering Reports 37 2  1987 74–78.

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[7] H. Hanafusa, Design of electro-hydraulic servo system for articulated robot, Journal of the Japan Hydraulics and Pneumatics Society 13 7 1982 1–8.

[8] H.B. Kuntze et al.,  On the model-based control of a hydraulic large range robot, IFAC Robot Control 1991 207–212.