Improved control of intelligent excavator using proportional-integral-plus gain scheduling

Consider the design and implementation of an electro-hydraulic control system for a robotic excavator, namely the Lancaster University computerized and intelligent excavator (LUCIE). The excavator was developed to autonomously dig trenches without human intervention. One stumbling block is the achievement of adequate, accurate, quick and smooth movement under automatic control, which is difficult for traditional control algorithm, e.g. PI/PID. A gain scheduling design, based on the true digital proportional-integral-plus (PIP) control methodology, was utilized to regulate the nonlinear joint dynamics. Simulation and initial field tests both demonstrated the feasibility and robustness of proposed technique to the uncertainties of parameters, time delay and load disturbances, with the excavator arm directed along specified trajectories in a smooth, fast and accurate manner. The tracking error magnitudes for oblique straight line and horizontal straight line are less than 20 mm and 50 mm, respectively, while the velocity reaches 9 m/min.     

Disturbance observer based position tracking of electro-hydraulic actuator

A nonlinear controller based on an extended second-order disturbance observer is presented to track desired position for an electro-hydraulic single-rod actuator in the presence of both external disturbances and parameter uncertainties. The proposed extended second-order disturbance observer deals with not only the external perturbations, but also parameter uncertainties which are commonly regarded as lumped disturbances in previous researches. Besides, the outer position tracking loop is designed with cylinder load pressure as output; and the inner pressure control loop provides the hydraulic actuator the characteristic of a force generator. The stability of the closed-loop system is provided based on Lyapunov theory. The performance of the controller is verified through simulations and experiments. The results demonstrate that the proposed nonlinear position tracking controller, together with the extended second-order disturbance observer, gives an excellent tracking performance in the presence of parameter uncertainties and external disturbance.     

大型斗轮挖掘机上部结构静动力分析

以ＷＤＬ９５０（３０／５）型斗轮挖掘机的为样机，建立了其上部有限元模型，并对其进行了静动力分析，进而通过动力响应的计算给出斗轮机主要部位采用不同动力系统的参考值。     

板球系统的非线性摩擦补偿控制

为提高位置控制精度,提出了基于非线性观测器的板球系统摩擦非线性补偿控制方法。在扩展的系统状态空间中构造了非线性状态观测器估计摩擦力。由输入输出精确反馈线性化和最优控制理论设计了考虑摩擦补偿的镇定位置控制器。根据变结构控制理论设计了可精确消除摩擦的跟踪位置控制器。仿真结果说明了上述摩擦非线性补偿控制方法的可行性。镇定控制实验表明非线性摩擦补偿控制明显减小了稳态位置偏差。跟踪控制实验表明摩擦补偿控制明显提高了轨迹跟踪控制精度。     

一种新型摩擦电液加载系统的设计与验证

为解决传统负载模拟器受到被加载对象运动干扰的问题,提高实验室环境下负载模拟的精度,提出用执行机构或伺服驱动系统带载测试的摩擦电液加载方案.分析传统电液负载模拟器加载性能受被测试设备运动干扰的影响,设计一种基于摩擦加载的主动式电液力矩伺服加载系统.根据加载原理,建立摩擦加载系统的数学模型,分析数学模型结果表明,理想情况下摩擦加载方案不受被加载机构运动的影响.鉴于实际过程中系统存在多种变化参数,特别是具有不确定性和时变性的摩擦,仿真分析摩擦因数变化时摩擦电液加载系统的加载性能.仿真结果表明:传统电液负载模拟器受被测试设备运动影响很大,使得传统电液负载模拟器性能很难进一步提升;相对被动加载的传统模拟器性能,尽管摩擦因数会受相对运动、负载压力和温度等因素的影响在一定范围内变化,但摩擦电液加载系统仍能保持较高的力矩模拟精度.     

单斗反铲液压挖掘机铲斗方位域研究之一——《挖掘范圍的标记描述和区域的划分》

本文将单斗液压挖掘机的工作装置,简化为以铲斗尖为活动支承的四连杆机构方法得铲斗的方位域是结构参数、初始位置、运动范围和支承点(铲斗尖)位置的函数。且根据求铲斗方位域的方法不同,将整个挖掘范围划分为四个区,十九个子域,从而为方位域研究打下了基础。     

智能电液执行机构控制器的设计

针对具有新型阀门的电液执行机构,设计了以单片机ATmega16L为控制和接收远程控制信号的核心部件,有效地实现了阀门控制、实时显示阀位、阀门状态监测、故障诊断、失效保护及给定值无扰动切换的软件判定等多种功能.     

挖掘机铲斗强度分析

以WY100C 液压挖掘机(斗容量为1 m³)为样机, 对挖掘机反铲工作装置--- 铲斗应用Pro/ E 建立实体模型, 并应用Pro/M ECH ANICA 模块对挖掘机铲斗的设计模型在受最大应力的危险工况下进行有限元强度分析。分析结果表明, 挖掘机铲斗的前部斗齿、斗后壁耳板的根部、铰接处和补强区域是最危险的部分, 设计时应重点考虑其强度要求, 其它部分相对较安全。挖掘机反铲工作装置-铲斗的强度分析为铲斗的设计及改善铲斗的性能提供了理论依据。     

Continuous rotary motor electro-hydraulic servo system based on the improved repetitive controller

In order to suppress the periodic interference of the continuous rotary electro-hydraulic servo motor,this paper makes the motor tracking the periodic signals with high accuracy,and improves the influence of friction interference to the performance of continuous rotary electro-hydraulic servo motor.The mathematic model of the electro-hydraulic position servo system of the continuous rotary motor was established,and the compound control method was adopted based on the repetitive control,feed forward and PID to suppress the friction interference.Through the simulation,the result confirms that the compound control method decreases the tracking error of the system,increases the robust performance of the system and improves the performance of the continuous rotary electro-hydraulic servo motor.     

液压挖掘机铲斗的轨迹跟踪控制

为了降低液压挖掘机进行精整作业时的手动操作难度,对某型液压挖掘机的工作装置进行了二自由度的动力学分析,建立了其动力学方程;通过测试试验,给出了控制阀死区补偿方法,PID参数设置方法和数值;并在上述参数下进行了仿真实验。结果表明,当铲斗末端跟踪的设定水平直线长度为2500 mm,铲斗水平跟踪速度为107 mm/s时,其精度可以控制在120mm之内,达到一般熟练工人的程度,证明了该控制方案是可行的。     

基于Pro/E的液压挖掘机反铲工作装置运动仿真

采用传统的运动分析方法绘制挖掘机铲斗包络图存在工作量大、不精确和不直观等缺点。利用Pro/E 对液压挖掘机反铲工作装置进行了建模和装配, 首先分析了挖掘机的运动过程和各工况位置, 然后用Pro/ E 中的Mechanism 模块进行了机构运动学仿真, 通过对挖掘机各连接轴的设置, 找到挖掘机动臂、斗杆和铲斗的各极限位置, 得到了挖掘机铲斗斗尖运动包络图。运动仿真的结果不仅可以以动画的形式表现, 也可以以参数的形式输出,得到挖掘机的工作参数。这样可知零件之间是否干涉, 还可获知挖掘机的设计是否满足性能要求, 为改善整机性能提供设计依据。     

Adaptive Sliding Mode Control for the Excavator Manipulator

挖掘机滑模自适应轨迹控制研究

徐国胜,吕广明,陆念力

（哈尔滨工业大学 机电学院,哈尔滨 150001）

创新点说明：

1） 挖掘机的动力学模型考虑了各机械臂的重量及形状,并给出了动力学各元素的显示表达,

(1)

式中, 为斜对称矩阵,这也是考虑挖掘机形状与重量的表达式所具有的。

2） 滑模控制算法的符号函数采用sigmoid 函数代替,通过李雅普诺夫理论得到自适应控制率,调节切换项比例因子,使之跟踪参数误差导致的输入误差,且消除抖振。

3） 轨迹规划,考虑以定切削角进行整平作业生成铲斗轨迹。

研究目的：

挖掘机技术文档参数与装配实机存在误差,该误差不能得到合理估计,但显然是有界的。由于滑模变结构对于模型误差,负载扰动等具有鲁棒性,对于控制处于复杂工作环境的挖掘机轨迹而言非常适用,但滑模切换项容易引起抖振现象,而切换项又是滑模变结构鲁棒适应性所必要的,一般切换项的比例因子要大于模型误差,才能使整体控制系统稳定。但较大的比例因子引起的抖振也愈剧烈,导致对挖掘轨迹自动控制的效果不够理想,为此,探究自适应算法补偿有界误差项进行解决。

研究方法：

首先建立更加符合挖掘机实际情况的动力学模型,其次将滑模控制引入对挖掘机的轨迹控制中。为了低乃至消除抖振,采用sigmoid函数替代切换项符号函数,并通过李雅普诺夫理论得到自适应控制率,自适应调节切换项比例因子,使之补偿挖掘机技术文档参数与实机参数误差导致的控制输入误差,最后与传统滑模控制进行仿真对比。

研究结果：

自适应滑模控制效果达到或优于传统滑模控制,且消除抖振,切换项能很好地补偿参数误差导致的输入误差。

结论：

采用本文自适应滑模控制算法对挖掘机轨迹控制效果相比传统滑模控制消除了抖振现象,取得良好控制效果。该方法摒弃了传统滑模控制需要建模误差界大小的先验知识,对于有界建模误差的系统均能适用。不需估计挖掘机建模误差,符合挖掘机控制实际。

关键词：动力学;自适应滑模控制;挖掘机

     

基于销轴传感器的挖掘阻力测量方法

针对反铲挖掘机挖掘阻力难以直接测量的问题,提出了一种利用销轴传感器测量铲斗与斗杆之间的相互作用力,反推挖掘阻力的间接测量方法.首先,分析挖掘阻力的特性,基于牛顿-欧拉方程建立铲斗动力学模型.然后,针对某反铲挖掘机的常态挖掘过程,设计一种基于弯矩测量的销轴传感器,搭建油压、位移、力同步采集测试平台;再通过弹簧测力计在斗齿尖施加模拟载荷,采集数据并计算挖掘阻力.最后,对比计算挖掘阻力与模拟挖掘阻力,验证测量方法的有效性.对比结果表明:计算挖掘阻力与模拟挖掘阻力之间的误差为8.6%,本测量方法能有效地测量斗齿尖挖掘阻力.     

直驱容积控制电液伺服系统模型与动态特性

为了研究直接驱动容积控制电液伺服系统动态响应特性不高的原因,分别建立直驱容控电液驱动系统的电机控制、液压动力机构和液压执行机构等子系统的力学模型,并建立直驱容控电液伺服作动器的数学模型.利用MATLAB软件对系统主要部件进行数值仿真分析.结果表明,系统动态特性不高的根本原因是泵控动力机构的动态特性不高.对系统各组成部件...     

High precise control method for a new type of piezoelectric electro-hydraulic servo valve

A new type of piezoelectric electro-hydraulic servo valve system was proposed. And then multilayer piezoelectric actuator based on new piezoelectric ceramic material was used as the electricity-machine converter of the proposed piezoelectric electro-hydraulic servo valve. The proposed piezoelectric electro-hydraulic servo valve has ascendant performance compared with conventional ones. But the system is of high nonlinearity and uncertainty, it cannot achieve favorable control performance by conventional control method. To develop an efficient way to control piezoelectric electro-hydraulic servo valve system, a high-precise fuzzy control method with hysteresis nonlinear model in feedforward loop was proposed. The control method is separated into two parts: a feedforward loop with Preisach hysteresis nonlinear model and a feedback loop with high-precise fuzzy control. Experimental results show that the hysteresis loop and the maximum output hysteresis by the PID control method are 4.22% and 2.11 μm, respectively; the hysteresis loop and the maximum output hysteresis by the proposed control method respectively are 0.74% and 0.37 μm, respectively; the maximum tracking error by the PID control method for sine wave reference signal is about 5.02%, the maximum tracking error by the proposed control method for sine wave reference signal is about 0.85%.     

液压挖掘机铲斗轨迹跟踪的鲁棒控制

首先给出了挖掘机工作装置的两自由度动力学方程模型;然后基于滑模控制原理设计了状态观测器,并在此基础上根据反演法设计了挖掘机工作装置的带滑模观测器的变结构控制器;最后在改造后的挖掘机上进行了试验,并给出了所设计的控制器和常规PID控制器跟踪设定直线的效果。试验结果表明,使用常规PID控制器所得到的跟踪误差大于40 mm;而使用作者设计的控制器其跟踪误差可以控制在30 mm之内。对比结果表明,所设计的控制器对设定直线的跟踪具有良好的动态特性,对系统的不确定性具有较强的鲁棒性。     

Adaptive high precision position control of servo actuator with friction compensation using LuGre model

Adaptive control of servo actuator with nonlinear friction compensation is addressed.LuGre dynamic friction model is adopted to characterize the nonlinear friction and a new kind of sliding-mode observer is designed to estimate the internal immeasurable state of LuGre model.Based on the estimated friction state,adaptive laws are designed to identify the unknown model parameters and the external disturbances,and the system stability and asymptotic trajectory tracking performance are guaranteed by Lyapunov function.The position tracking performance is verified by the experimental results.     

摩擦加载式电液负载模拟器大幅值加载机构

为在紧凑的结构尺寸下利用现有的摩擦材料大幅度提高摩擦加载式电液负载模拟器的加载幅值,提出利用大幅值力矩加载机构进行加载的方法.给出加载机构的工作原理,设计并研制一个加载机构样机;利用ABAQUS软件建立该机构的有限元模型,并对该机构进行动态热-力耦合仿真研究,验证该机构的可行性,研究摩擦热的产生特征及其对该机构的影响,发现实际应用时需要对该机构进行充分的散热;利用研制的加载机构,将原有的单向摩擦加载式电液负载模拟器样机改造为大幅值摩擦加载式电液负载模拟器,基于改造的负载模拟器,在PID控制器控制下进行了大幅值力矩加载实验.实验结果表明:改造后的负载模拟器能够精确跟踪高达70 N·m的力矩,该机构能够按设计预期将原有负载模拟器样机力矩加载幅值提高3倍左右,验证了该机构的有效性.     

摩擦加载式电液负载模拟器力矩加载实验

为研究加载结构对摩擦加载式电液负载模拟器力矩加载性能的影响,介绍该负载模拟器的加载原理,搭建单向摩擦加载式电液负载模拟器实验样机.建立该负载模拟器的线性数学模型;设计PID+前馈的控制器,在提高控制精度同时避免引入多余力矩抑制补偿;实验研究弹簧刚度、摩擦盘摩擦性能等对力矩加载性能的影响;着重研究该负载模拟器在强舵机干扰条件下的小幅值力矩加载性能.实验结果表明:摩擦加载式力矩加载方法在结构上不存在多余力矩,能够获得高性能的力矩加载结果.优化弹簧刚度,选用摩擦性能优良的摩擦盘材料,以及设计高性能的控制器均可以提高力矩加载性能.     

一类摩擦非线性系统的PID控制和摩擦补偿控制的实验比较研究

研究一类高度非线性摩擦特性影响下的控制系统的定位控制问题 .针对负载扭矩变化而造成摩擦特性的变化 ,采用PID控制和摩擦补偿控制对阀控液压马达控制系统的定位控制进行实验对比分析 .实验结果表明 ,常规比例控制由于受摩擦的影响产生较大的稳态误差 ,而积分控制的引入可减小稳态误差 ,但却引起系统产生极限环振荡和较长的调节时间 ;简单的定摩擦补偿在恒定的负载扭矩下可以有效地减小稳态误差 ,但是当负载扭矩大范围变化时 ,稳态定位精度将大大降低 ;基于误差和误差变化的动态摩擦补偿 ,在负载扭矩大范围变化的条件下均获得了高精度的定位控制 .