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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(wèn)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(lái)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(zhǎng)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(kāi)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(guò)分析實(shí)驗(yàn)，我們表明，對(duì)TDCSA的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(duì)于初學(xué)者同時(shí)操作三個(gè)鏈接來(lái)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(jí)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(duì)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(duì)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(kāi)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(kāi)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(zhǎng)時(shí)間直線操作的情況下也會(huì)產(chǎn)生疲勞從而造成生產(chǎn)力的下降。
從下面的幾個(gè)問(wèn)題來(lái)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(wèn)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(lái)說(shuō)，現(xiàn)在，Chiba和Takeda(1982)應(yīng)用一個(gè)最好的控制方案來(lái)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(guò)對(duì)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(guò)模擬二線操作控制系統(tǒng)，證明了他們的計(jì)算方法的無(wú)用性。相反，我們將繼續(xù)開(kāi)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(jiǎn)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(guò)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(huì)簡(jiǎn)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(duì)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(pán)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(kāi)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(kāi)始移動(dòng)時(shí)才出現(xiàn)。當(dāng)泵的輸出壓力達(dá)到閥開(kāi)啟壓力時(shí)，它將消失。此外，這一現(xiàn)象能通過(guò)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(zhǎng)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(lái)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(lái)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?cè)O(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(lái)代表我們熟知的角度，但是H(t)有專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)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(guò)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(duì)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(lái)使Lyapunto得功能時(shí)間衍生物被消極的定義為換句話(huà)說(shuō)，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(wèn)題。因此，我們使用一個(gè)飽和度功能來(lái)減少交流問(wèn)題。這個(gè)飽和度問(wèn)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(huì)減少，但是追蹤錯(cuò)誤將會(huì)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(shì)
在這一部分通過(guò)與PDSS的比較，我們將學(xué)習(xí)ISS的必要性和優(yōu)勢(shì)。
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(guò)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(shì)
對(duì)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(lái)克服死區(qū)和時(shí)間滯后的。
因?yàn)閬?lái)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(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(lái)開(kāi)啟連接物。然后一旦連接物開(kāi)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(cè)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(guò)鏟斗和地面的接觸應(yīng)用到了刮平地面的上。過(guò)去的Hyundai Robex210lc-3挖掘機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)有了如下詳細(xì)說(shuō)明：重21噸，控制器總長(zhǎng)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(zhuān)家級(jí)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(lái)。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(lái)。通過(guò)使用產(chǎn)生的軌道和測(cè)量角度，得到的控制輸入通過(guò)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(lái)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。