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應(yīng)用整體滑動面重型機器人挖掘機的延時控制
摘要
從下面的問題觀點出發(fā)，挖掘機的控制是很困難的：機械結(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，挖掘機的尺寸越大，挖掘機的鏈接的長度和質(zhì)量越大;重型挖掘機參數(shù)越多種多樣。應(yīng)用完整滑動原理制成的開關(guān)動作時間延遲控制器（TDCSA）應(yīng)用在這篇論文中作為21噸重型挖掘機的控制器。通過分析實驗，我們表明，對TDCSA的開關(guān)動作應(yīng)用完整滑動面原理比使用PD型的滑動面原理要好。該控制器在以一個熟練操作者操作速度前提下被應(yīng)用在了21噸挖掘機的直線運動中了。為凹凸不平的表面和大范圍的接縫運動所設(shè)計的實驗表明該控制器具有良好的性能。 2002 Elsevier科學有限公司保留所有權(quán)利。
關(guān)鍵詞：時間延時控制器；動作開關(guān);機器人挖掘機；軌跡控制
1.介紹
液壓挖掘機是一個多功能的施工機械。在建筑行業(yè)的工人使用它進行作業(yè)，如開挖，傾倒垃圾，整理，起重等等。然而，操作者必須被訓練多年才能快速熟練的完成這些任務(wù)。液壓挖掘機有三個鏈接：拉桿、動臂和鏟斗;但操作者只有講個胳膊。因此，對于初學者同時操作三個鏈接來完成工作不是容易的事。此外，因為操作者不得不承擔各種各樣的危險以及惡劣的工作環(huán)境，所以高級操作工的數(shù)量正在減少。出于這個原因，研究液壓挖掘機的自動控制對改善生產(chǎn)力，效率，和安全是很有必要的。
幾位研究人員已經(jīng)對液壓挖掘機的自動化進行了研究（辛格，1997年）。在實現(xiàn)自動化的幾個考驗中，Bradley 和Seward（1998）開發(fā)了（LUCIE）并將它應(yīng)用到了挖掘的自動化。 Stentz，Bares，Singh和Rowe（1998）開發(fā)了一個完整的卸載貨物的系統(tǒng)并將它應(yīng)用在了一個25噸的液壓挖掘機上。Zhang和Li實現(xiàn)了一個13噸的液壓挖掘機在工作速度下的直線運動的自動化。即使一個熟練的操作工在長時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。
從下面的幾個問題來看，液壓挖掘機的控制是很困難的：機器構(gòu)造參數(shù)的多樣化,液壓傳動裝置的各種非線性，與土地接觸的不平衡性。在機械構(gòu)造方面，慣性力和重力隨接觸縫的運動變化很大。大體積組裝和復(fù)雜連接的液壓傳動裝置有各種各樣的非線性組成部分。出于這個原因，在挖掘機控制上存在各種各樣困難。
圖 1 直線運動 圖 2 Robex210lc-3挖掘機
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)嶒炑芯俊＞湍７卵芯縼碚f，現(xiàn)在，Chiba和Takeda(1982)應(yīng)用一個最好的控制方案來控制挖掘機的操作。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PID控制器。在實驗研究方面，Lee（1995）將一個模糊的應(yīng)用錯誤反應(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)用到一個小型挖掘機上。Chang和Lee（2002）在挖掘機動態(tài)學基礎(chǔ)上使用延時控制器(TDC)和補償控制器，并且將它應(yīng)用到一個13噸的挖掘機的直線運動上，并以0.5m/s的速度工作，這個工作速度是一個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小型挖掘機的相對低速條件下。在上述實驗研究工作中，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，并且重型挖掘機的參數(shù)越多。因此，重型挖掘機的控制相對小型挖掘機的控制變得更加困難。重型挖掘機需要一個良好的控制器。
在這篇論文中，通過對直線運動的追蹤控制實驗，我們將延時控制器應(yīng)用在一個21噸的挖掘機的控制上，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。TDCSA由Chang和Park(1998)發(fā)明，由一個TDC和一個轉(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)，證明了他們的計算方法的無用性。相反，我們將繼續(xù)開展在挖掘機方面的實驗。
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21噸挖掘機的實驗中得以證明，最后結(jié)論將在第五段得出。
2. 挖掘機系統(tǒng)的概要
這部分主要描述了挖掘機的特性。更多關(guān)于挖掘機模型的細節(jié)能在Chang和Lee的研究中發(fā)現(xiàn)。在這篇論文中，轉(zhuǎn)動裝置和行走裝置并不被認為是直線運動。因為挖掘機由操縱裝置和傳動裝置組成，這兩部分的特點將會簡要描述。
2.1控制器
在運動方程中，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，因為動臂和鏟斗的重量在這項研究中重達2.67噸，并且連接點轉(zhuǎn)角范圍較大。在直線運動中，每個慣性力和重力變化范圍都很大。圖3中就展現(xiàn)了一個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 動臂和斗桿的慣性力和重力
2.2液壓傳動裝置
在這篇論文中應(yīng)用的挖掘機的液壓傳動裝置至少有三種非線性：閥特性、死區(qū)和時間滯后。
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挖掘機中應(yīng)用的卷盤閥的幾何學是一個重疊的形狀，正如在圖4所示，這也引起了死區(qū)的非線性。這個重疊區(qū)域是為操作者的便利所設(shè)計。因此，當卷軸放在重疊區(qū)域時，這個閥便關(guān)閉，著引起了死區(qū)的非線性。這部分重疊區(qū)域大約占整個排水量的30%。
2.2.3時間滯后
因為泵的輸出壓力要達到推動連接物開啟的壓力。這一部分時間的消耗使得一個和死區(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間消耗的。這一現(xiàn)象只有當 吊桿連接開始移動時才出現(xiàn)。當泵的輸出壓力達到閥開啟壓力時，它將消失。此外，這一現(xiàn)象能通過補償器得到補償，這一內(nèi)容將在3.2部分介紹
3、控制器設(shè)計
一個挖掘機有以下非線性：在操縱器上的慣性力和重力的多樣性；閥特性的非線性；傳動裝置的死區(qū)和時間滯后性。這篇論文所討論的在21噸挖掘機和13噸挖掘機之間的顯著不同點存在于挖掘機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噸的挖掘機更為嚴峻。需要一個比TDC更優(yōu)良的控制器來控制21噸挖掘機的直線運動。
為了控制21噸的挖掘機，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)和時間滯后引起了大量追蹤錯誤。因此，需要正確補償方法。出于那個原因，我們設(shè)計了兩種控制器:第一個是應(yīng)用ISS作為根本控制的TDCSA，第二個是克服死區(qū)和時間滯后的補償器。
3.1TDCSA的設(shè)計
3.1.1使用ISS的TDCSA
為了將控制器應(yīng)用到挖掘機上，（A.5)被重組成下列形式：注意到M是一個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，代表不確定性和時間多變的原因，表示如下:
估計量 H(t)可以通過使用公式（1)和H(t)是一個連續(xù)作用這一事實而得到。更具體點，當L足夠小時，然后，更多關(guān)于條件的穩(wěn)定性和TDC的實際能在Youcef-Toumi和Ito和Hsia和Hao的研究中發(fā)現(xiàn)。
TDCSA在對TDC實現(xiàn)滑動模型控制基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)換機能，表示如下 ：
這里s代表滑動表面，Kw是一個轉(zhuǎn)換矩陣。TDCSA有下面錯誤表示方法
在公式（10)中，我們能看到轉(zhuǎn)換機能能減少TDE的錯誤。
3.1.2應(yīng)用完整滑動表面的TDCSA的穩(wěn)定性分析
為了整個系統(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估計的錯誤量要大。
3.1.3飽和度功能
TDCSA使用轉(zhuǎn)換機能補償TDE的錯誤，但這個轉(zhuǎn)換機能引起了一個交流問題。因此，我們使用一個飽和度功能來減少交流問題。這個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，得到了一個擁有飽和度的功能的TDCSA，表示如下：
如果選擇了一個大的邊界層，各種交流將會減少，但是追蹤錯誤將會增加，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，我們將學習ISS的必要性和優(yōu)勢。
3.1.4.1完整滑動面的必要性
TDCSA有TDC和SMC的想換機能組成。由此它在比較預(yù)期的TDC的動力學的錯誤和滑動面衍生物方面變得很必要。更具體一點，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完整滑動面的優(yōu)勢
對于邊界層內(nèi)的滑動面，使用PDSS的TDCSA的轉(zhuǎn)換機能和使用ISS的TDCSA的轉(zhuǎn)換機能得到了公式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，每一個閉環(huán)錯誤動態(tài)學表示如下
3.2補償器設(shè)計
補償器是用來克服死區(qū)和時間滯后的。
因為來自油缸卷軸的重疊區(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：
為了補償時間滯后，Chang和Lee根據(jù)油泵和液壓缸的不同壓力設(shè)計了補償器。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就慢慢減少油壓直到0.
整個有TDCSA輸入和補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：注意是動臂和斗桿的輸入控制量。
4. 實驗
為了計算在真正情形下應(yīng)用ISS的TDCSA,我們已經(jīng)在重型挖掘機上進行了真實的測試。這項工作的主要焦點是在空地上的直線運動。當然，我們已經(jīng)將這一直線運動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挖掘機現(xiàn)在已經(jīng)有了如下詳細說明：重21噸，控制器總長度10.06m，吊桿、動臂和鏟斗總重2.67噸。在這實驗中，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速度進行工作。
4.1實驗設(shè)備
圖8展示了挖掘機的全部控制系統(tǒng)。吊桿、動臂和鏟斗的軌道均在一個DSP的控制器中計算出來。每一個連接物的控制器輸入根據(jù)控制律在一個DSP控制器中計算出來。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)壓力使每一個主要閥的卷軸移動，因此使每一個連接物移動，在這里，DSP控制器的頻率樣本取為100赫茲。