挖掘機(jī)工作裝置的模糊控制及實(shí)驗(yàn)研究

張孝天

摘 要：液壓挖掘機(jī)因其高性價(jià)比、高適應(yīng)性等特點(diǎn)，已結(jié)成為應(yīng)用最為廣泛的一類土石方施工設(shè)備。然而目前在我國(guó)普遍使用的液壓挖掘機(jī)絕大多數(shù)靠操作工手動(dòng)操作，這種作業(yè)方式耗費(fèi)大量的人力、物力，并且難以保證高精度的作業(yè)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；工作裝置；模糊控制；實(shí)驗(yàn)研究

礦用液壓挖掘機(jī)的工作裝置由動(dòng)臂、斗桿、連桿和鏟斗組成，屬于典型的復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)，受液壓伺服系統(tǒng)的本質(zhì)非線性、系統(tǒng)的參數(shù)不確定性、系統(tǒng)的機(jī)械諧振及未建模動(dòng)態(tài)等因素影響，液壓挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)的精確控制較為困難，所以眾多學(xué)者采用模糊控制等智能控制策略來(lái)解決該問題。

一、挖掘機(jī)工作裝置軌跡描述

軌跡控制要求是保證工作裝置空間回轉(zhuǎn)軌跡越過環(huán)境障礙，到達(dá)卸土位置和返回新的挖掘位置。軌跡控制方法符合操作者的控制經(jīng)驗(yàn)，避免執(zhí)行元件過多的調(diào)整，控制量選為工作裝置最低點(diǎn)的高度和轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)角度。

二、挖掘機(jī)工作裝置的模糊控制

（一）模糊變量確定。挖掘機(jī)工作裝置軌跡模糊變量包括以下兩種：第一，液壓油缸工作速度V。液壓油缸工作速度V由線位移傳感器測(cè)的位移l（t）求得，即：；第二，液壓閥開度。液壓閥開度為操縱控制量，根據(jù)控制電壓的值確定，即：，式中u（t）為控制電壓的值，U為控制電壓范圍。

（二）控制策略。挖掘機(jī)工作裝置最低點(diǎn)的高度由斗桿控制單元、動(dòng)臂控制單元共同實(shí)現(xiàn)或單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。從結(jié)構(gòu)特性和運(yùn)動(dòng)特性分析，動(dòng)臂油缸伸縮與工作裝置回轉(zhuǎn)高度增減相對(duì)應(yīng)，油缸伸出，動(dòng)臂抬升，工作裝置回轉(zhuǎn)高度增加；反之，降低。而斗桿油缸的伸縮有斗桿與動(dòng)臂所處的相對(duì)位置有關(guān)，如圖1所示，其控制策略的確定要考慮這一問題。

斗桿油缸的伸縮與回轉(zhuǎn)高度的關(guān)系如下：時(shí)，斗桿油缸伸出增加，斗桿油缸收縮減小；時(shí)，斗桿油缸伸出減小，斗桿油缸收縮增加。當(dāng)動(dòng)臂控制單元可實(shí)現(xiàn)預(yù)定的軌跡高度時(shí)，動(dòng)臂單元完成；當(dāng)斗桿控制單元可實(shí)現(xiàn)預(yù)定的軌跡高度時(shí)，斗桿單元完成；當(dāng)單一控制單元不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的軌跡高度時(shí)，動(dòng)臂單元和斗桿單元共同完成。

（三）參量間模糊關(guān)系分析。第一，根據(jù)預(yù)定軌跡采樣結(jié)果，確定分速度。根據(jù)預(yù)定軌跡采樣結(jié)果，確定分速度，即確定兩個(gè)分速度間的模糊比例關(guān)系。模糊變量為垂直方向速度、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)角速度；第二，根據(jù)分速度，確定動(dòng)臂角速度。最低點(diǎn)的速度，其中為到動(dòng)臂鉸點(diǎn)距離LD0與水平方向夾角，從而可確定動(dòng)臂角速度。到動(dòng)臂鉸點(diǎn)距離LD0和角可通過檢測(cè)系統(tǒng)獲得，垂直方向速度為推理確定的值；第三，根據(jù)動(dòng)臂角速度，確定油缸線速度。模糊變量為：動(dòng)臂角速度、油缸線速度；第四，根據(jù)油缸線速度，確定閥的開度（控制電壓）。模糊變量為：油缸線速度、閥的開度U。

三、挖掘機(jī)工作裝置的實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證所提出的模糊控制方法和由此方法構(gòu)成的控制系統(tǒng)的控制效果，進(jìn)行了實(shí)測(cè)和仿真實(shí)驗(yàn)。圖2和圖3為空間軌跡正弦跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖4和圖5為空間軌跡梯形軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，軌跡跟蹤效果良好。控制電壓的時(shí)間歷程表明，在軌跡跟蹤過程中，動(dòng)臂和斗桿油缸實(shí)現(xiàn)了相互協(xié)調(diào)。回轉(zhuǎn)速度根據(jù)動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)要求自動(dòng)調(diào)整，證明提出的速度間模糊協(xié)調(diào)控制方法是可行有效的。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空間軌跡控制中，動(dòng)臂油缸與回轉(zhuǎn)馬達(dá)的協(xié)調(diào)控制模糊方法可行有效，可以提高液壓挖掘機(jī)工作裝置控制的自動(dòng)化出程度。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋贊洲.CLG920C挖掘機(jī)工作裝置軌跡控制系統(tǒng)研究[D].浙江大學(xué)，2013.endprint