WY100液壓履帶挖掘機總體及工作裝置設計及運動仿真【說明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真】

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其中，Cci是粘滯摩擦系數(shù);Fi是液壓缸的動摩擦力。 2.5 滑閥的反應特性 滑閥動作對液壓挖掘機的控制特性產(chǎn)生會很大的影響。因而，假定滑閥相對參考輸入有以下的一階延遲。 其中， 是滑芯位移的參考輸入； 是時間常數(shù)。 3 角度控制系統(tǒng) 如圖4所示，θ角基本上由隨動參考輸入角θγ通過位置反饋來控制。為了獲得更精確的控制，非線性補償和狀態(tài)反饋均加入位置反饋中。以下詳細討論其控制算法。 3.1 非線性補償 在普通的自動控制系統(tǒng)中，常使用如伺服閥這一類新的控制裝置。在半自動控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)自控與手控的協(xié)調(diào)，必須使用手動的主控閥。這一類閥中，閥芯的位移與閥的開度是非線性的關系。因此，自動控制操作中，利用這種關系，閥芯位移可由所要求的閥的開度反推出來。同時，非線性是可以補償?shù)模▓D5）。 3.2 狀態(tài)反饋 建立在第2節(jié)所討論的模型的基礎上，若動臂角度控制動態(tài)特性以一定的標準位置逼近而線性化（滑芯位移X 10，液壓缸壓力差P 110，動臂夾角 θ10），則該閉環(huán)傳遞函數(shù)為 其中，Kp是位置反饋增益系數(shù)； 由于系統(tǒng)有較小的系數(shù)a1,所以反應是不穩(wěn)定的。例如，大型液壓挖掘機SK-16中。X10是0，給出的系數(shù)a0=2.7 10 ,a1=6.0 10 ,a2=1.2 10 .加上加速度反饋放大系數(shù)Ka，因而閉環(huán)（圖4 的上環(huán)）的傳遞函數(shù)就是 加入這個因素,系數(shù)S 就變大，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定?？梢?，利用加速度反饋來提高反應特性效果明顯。 但是，一般很難精確的測出加速度。為了避免這個問題，改用液壓缸力反饋取代加速度反饋（圖4的下環(huán)）。于是，液壓缸力由測出的缸內(nèi)的壓力計算而濾掉其低頻部分[7，8]。這就是所謂的壓力反饋。 4 伺服控制系統(tǒng) 當一聯(lián)軸器是手動操控，而其它的聯(lián)軸器是因此而被隨動作控制時，這必須使用伺服控制系統(tǒng)。例如，如圖6所示，在反鏟水平動作控制中，動臂的控制是通過保持斗柄底部Z（由θ1與θ2計算所得）與Zr 的高度。為了獲得更精確的控制引入以下控制系統(tǒng)。 4.1 前饋控制 由圖1計算Z，可以得到 將方程（8）兩邊對時間求導，得到以下關系式， 右邊第一個式子看作是表達式（反饋部分）將 替換成 1，右邊第二個式子是表達式（前饋部分）計算當θ2手動地改變時，θ1的改變量。 實際上，用不同的△θ2值可確定 1。通過調(diào)整改變前饋增益Kff，可實現(xiàn)最佳的前饋率。 采用測量斗柄操作手柄的位置（如角度）取代測斗柄的角速度，因為驅(qū)動斗柄的角速度與操作手柄的位置近似成比例。 4.2 根據(jù)位置自適應增益調(diào)度 類似液壓挖掘機的鉸接式機器人，其動態(tài)特性對位置非常敏感。因此，要在所有位置以恒定的增益穩(wěn)定的控制機器是困難的。為了解決這個難題，根據(jù)位置的自適應增益調(diào)度并入反饋環(huán)中（圖6）。如圖7所示，自適應放大系數(shù)（KZ或Kθ）作為函數(shù)的兩個變量， 2和Z 、 2表示斗柄的伸長量，Z是表示鏟斗的高度。 5 模擬實驗結論 反鏟水平動作控制的模擬實驗是將本文第4節(jié)所描述的控制算法用在本文第2節(jié)所討論的液壓挖掘機的模型上。（在SK-16大型液壓挖掘機進行模擬實驗。）圖8表示其中一組結果?？刂葡到y(tǒng)啟動5秒以后，逐步加載擾動。圖9表示使用前饋控制能減少控制錯誤的產(chǎn)生. 6 半自動控制系統(tǒng) 建立在模擬實驗的基礎上，半自動控制系統(tǒng)已制造出來，應用在SK-16型挖掘機上試驗。通過現(xiàn)場試驗可驗證其操作性。這一節(jié)將討論該控制系統(tǒng)的結構與功能。 6.1 結構 圖10的例子中，控制系統(tǒng)由控制器、傳感器、人機接 口和液壓系統(tǒng)組成。 控制器是采用16位的微處理器，能接收來自動臂、斗柄、鏟斗傳感器的角度輸入信號，控制每一操作手柄的位置，選擇相應的控制模式和計算其實際改變量，將來自放大器的信號以電信號形式輸出結果。液壓控制系統(tǒng)控制產(chǎn)生的液壓力與電磁比例閥的電信號成比例，主控閥的滑芯的位置控制流入液壓缸液壓油的流量。 為獲得高速度、高精度控制，在控制器上采用數(shù)字處理芯片，傳感器上使用高分辨率的磁編碼器。除此之外，在每一液壓缸上安裝壓力傳感器以便獲得壓力反饋信號。 以上處理后的數(shù)據(jù)都存在存儲器上，可以從通信端口中讀出。 6.2 控制功能 控制系統(tǒng)有三種控制模式，能根據(jù)操作桿 和選擇開關自動切換。其具體功能如下。 （1）反鏟水平動作模式：用水平反鏟切換開關，在手控斗柄推動操作中，系統(tǒng)自動的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平運動。在這種情況下，當斗柄操作桿開始操控時，其參考位置是從地面到斗柄底部的高度。對動臂操作桿的手控操作能暫時中斷自動控制，因為手控操作的優(yōu)先級高于自動控制。 （2）鏟斗水平舉升模式：用鏟斗水平舉升切換開關，在手控動臂舉升操作中，系統(tǒng)自動控制鏟斗。保持鏟斗角度等于其剛開始舉升時角度以阻止原材料從鏟斗中泄漏。 （3）手控操作模式：當既沒有選擇反鏟水平動作模式，也沒有選擇鏟斗水平舉升模式時，動臂，斗柄，鏟斗都只能通過手動操作。 系統(tǒng)主要采用C語言編程來實現(xiàn)這些功能，以構建穩(wěn)定模組提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。 7 現(xiàn)場試驗結果與分析 通過對系統(tǒng)進行現(xiàn)場試驗，證實該系統(tǒng)能準確工作。核實本文第3、4節(jié)所闡述的控制算法的作用，如下所述。 7.1 單個組件的自動控制測試 對于動臂、斗柄、鏟斗每一組件，以±5o的梯度從最初始值開始改變其參考角度值，測量其反應，從而確定第3節(jié)所描述的控制算法的作用。 7.1.1 非線性補償?shù)淖饔? 圖11 表明動臂下降時的測試結果。因為電液系統(tǒng)存在不靈敏區(qū)，當只有簡單的位置反饋而無補償時（圖11中的關）穩(wěn)態(tài)錯誤仍然存在。加入非線性補償后（圖11中的開）能減少這種錯誤的產(chǎn)生。 7.1.2 狀態(tài)反饋控制的作用 對于斗柄和鏟斗，只需位置反饋就可獲得穩(wěn)定響應，但是增加加速度或壓力反饋能提高響應速度。以動臂為例，僅只有位置反饋時，響應趨向不穩(wěn)定。加入加速度或壓力反饋后，響應的穩(wěn)定性得到改進。例如，圖12表示動臂下降時，采用壓力反饋補償時的測試結果。 7.2 反鏟水平控制測試 在不同的控制和操作位置下進行控制測驗，觀察其控制特性，同時確定最優(yōu)控制參數(shù)（如圖6所示的控制放大系數(shù)）。 7.2.1 前饋控制作用 在只有位置反饋的情況下，增大放大系數(shù)Kp，減少△Z錯誤，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，導致系統(tǒng)延時，例如圖13所示的“關”，也就是Kp不能減小。采用第4.1節(jié)所描述的斗柄臂桿前饋控制能減少錯誤而不致于增大Kp。如圖示的“開”。 7.2.2 位置的補償作用 當反鏟處在上升位置或者反鏟動作完成時，反鏟水平動作趨于不穩(wěn)定。不穩(wěn)定振蕩可根據(jù)其位置改變放大系數(shù)Kp來消除，如第4.2節(jié)所討論的。圖14 表示其作用，表明反鏟在離地大約2米時水平動作結果。與不裝補償裝置的情況相比較，圖中的關表示不裝時，開的情況具有補償提供穩(wěn)定響應。 7.2.3 控制間隔的作用 關于控制操作的控制間隔的作用，研究結果如下： 1.當控制間隔設置在超過100ms時，不穩(wěn)定振蕩因運動的慣性隨位置而加劇。 2.當控制間隔低于50ms時，其控制操作不能作如此大提高。 因此，考慮到計算精度，控制系統(tǒng)選定控制間隔為50ms。 7.2.4 受載作用 利用控制系統(tǒng)，使液壓挖掘機執(zhí)行實際挖掘動作，以研究其受載時的影響。在控制精度方面沒 有發(fā)現(xiàn)與不加載荷時有很大的不同。 8 結論 本文表明狀態(tài)反饋與前饋控制組合，使精確控制液壓挖掘機成為可能。同時也證實了非線性補償能使普通控制閥應用在自動控制系統(tǒng)中。因而應用這些控制技術，允許即使是不熟練的司機也能容易和精確地操控液壓挖掘機。 將這些控制技術應用在其它結構的機器上，如履帶式起重機，能使普通結構的機器改進成為可讓任何人容易操控的機器。 參考文獻 [1] J. 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