3854 支座體加工工藝及關(guān)鍵工序工裝設(shè)計(jì),支座,加工,工藝,關(guān)鍵,癥結(jié),樞紐,工序,工裝,設(shè)計(jì) 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯系　　部： 機(jī)械工程系 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 姓 名： 鄭銘 學(xué) 號(hào)： 05010152 外文出處： Semi-automatic control system for hydraulic shovel 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：簽名： 年 月 日注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。附件 1：外文資料翻譯譯文液壓挖掘機(jī)的半自動(dòng)控制系統(tǒng)1．引言液壓挖掘機(jī)，被看作一個(gè)大型鉸接式機(jī)器人，是一種工程機(jī)械。使用這臺(tái)機(jī)器挖掘和裝載作業(yè)需要一個(gè)高水平的技能，即便是熟練的司機(jī)也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的疲勞。另一方面，隨著操作者年齡增大，熟練司機(jī)的數(shù)量因而也將會(huì)減少。這種局勢(shì)要求必須開(kāi)發(fā)出一種讓任何人都能容易操控的液壓挖掘機(jī)[1-5]。液壓挖掘機(jī)之所以要求較高的操作技能，其理由如下。1.液壓挖掘機(jī)的操作，至少有兩個(gè)操作手柄必須同時(shí)操作和調(diào)整。2.操作手柄的運(yùn)動(dòng)方向與臂桿組件的運(yùn)動(dòng)方向不同。例如，在液壓挖掘機(jī)的水平動(dòng)作，我們必須同時(shí)操控三個(gè)操作手柄（動(dòng)臂，斗柄，鏟斗）使鏟斗的頂部沿著水平面（圖 1）運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，操作手柄的操作表明了執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向，但是這種方向與運(yùn)動(dòng)方向不同。如果司機(jī)只要操控一個(gè)操作桿，而其它自由桿臂自由自動(dòng)操作，操作變得很容易。這就是所謂的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)我們開(kāi)發(fā)這個(gè)半自動(dòng)化控制系統(tǒng)，這兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題必須得到解決。 1. 我們必須使用普通控制閥自動(dòng)控制。 2. 我們必須補(bǔ)償液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)特性提高精度控制。我們已經(jīng)制定了一個(gè)控制算法來(lái)解決這些技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)在液壓挖掘機(jī)上試驗(yàn)證實(shí)了該控制算法的作用。而且我們已采用這種控制算法，設(shè)計(jì)出了液壓挖掘機(jī)的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。具體闡述如下。2．液壓挖掘機(jī)的模型為了研究控制算法,我們必須分析液壓挖掘機(jī)的數(shù)學(xué)模型。液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗柄、鏟斗都是由液壓力驅(qū)動(dòng)，其模型如圖 2 所示。模型的具體描述如下。2.1 動(dòng)態(tài)模型[6] 假定每一臂桿組件都是剛體，由拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程可得以下表達(dá)式： 其中 g 是重力加速度；θi 鉸接點(diǎn)角度；τi 是提供的扭矩；li 組件的長(zhǎng)度；lgi 轉(zhuǎn)軸中心到重心之距；mi 組件的質(zhì)量；Ii 是重心處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(下標(biāo) i=1-3;依次表示動(dòng)臂，斗柄，鏟斗)。2.2 挖掘機(jī)模型每一臂桿組件都是由液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸的流量是滑閥控制的，如圖 3 所示。我們可以假設(shè)如下：1.液壓閥的開(kāi)度與閥芯的位移成比例。2.是否漏油。 3.液壓油流經(jīng)液壓管道時(shí)無(wú)壓力損失。4.液壓缸的頂部與桿的兩側(cè)同樣都是有效區(qū)域。在這個(gè)問(wèn)題上，對(duì)于每一臂桿組件，從液壓缸的壓力流量特性可得出以下方程：當(dāng)時(shí)；其中，Ai 是液壓缸的有效橫截面積;hi 是液壓缸的長(zhǎng)度;Xi 是滑芯的位置；Psi 是供給壓力;P1i 是液壓缸的頂邊壓力；P2i 是液壓缸的桿邊壓力；Vi 是在液壓缸和管道的油量；Bi 是滑閥的寬度；γ 是油的密度；K 是油分子的黏度；c 是流量系數(shù)。2.3 連桿關(guān)系在圖 1 所示模型中，液壓缸長(zhǎng)度改變率與桿臂的旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系如下：(1)動(dòng)臂(2)斗柄(3)鏟斗 當(dāng) 時(shí)，2.4 扭矩關(guān)系從 2.3 節(jié)的連桿關(guān)系可知，考慮到液壓缸的摩擦力，提供的扭矩 τi 如下其中，Cci 是粘滯摩擦系數(shù);Fi 是液壓缸的動(dòng)摩擦力。2.5 滑閥的反應(yīng)特性 滑閥動(dòng)作對(duì)液壓挖掘機(jī)的控制特性產(chǎn)生會(huì)很大的影響。因而，假定滑閥相對(duì)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(shí)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(dòng)參考輸入角 θγ 通過(guò)位置反饋來(lái)控制。為了獲得更精確的控制，非線(xiàn)性補(bǔ)償和狀態(tài)反饋均加入位置反饋中。以下我們將討論這些細(xì)節(jié)的算法如下。3.1 非線(xiàn)性補(bǔ)償在普通的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常使用如伺服閥這一類(lèi)新的控制裝置。在半自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)自控與手控的協(xié)調(diào)，我們必須使用手動(dòng)的主控閥。這一類(lèi)閥中，閥芯的位移與閥的開(kāi)度是非線(xiàn)性的關(guān)系。因此，自動(dòng)控制操作中，利用這種關(guān)系，閥芯位移可由所要求的閥的開(kāi)度反推出來(lái)。同時(shí)，非線(xiàn)性是可以補(bǔ)償?shù)模▓D 5） 。3.2 狀態(tài)反饋建立在第 2 節(jié)所討論的模型的基礎(chǔ)上，若動(dòng)臂角度控制動(dòng)態(tài)特性以一定的標(biāo)準(zhǔn)位置逼近而線(xiàn)性化（滑芯位移 X 10，液壓缸壓力差 P 110，動(dòng)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(yīng)是不穩(wěn)定的。例如，大型液壓挖掘機(jī) 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?2??6??3?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(gè)因素,系數(shù) S 就變大，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定?？梢?jiàn)，利用加速度反饋來(lái)提2高反應(yīng)特性效果明顯。但是，一般很難精確的測(cè)出加速度。為了避免這個(gè)問(wèn)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(cè)出的缸內(nèi)的壓力計(jì)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(dāng)一聯(lián)軸器是手動(dòng)操控，而其它的聯(lián)軸器是因此而被隨動(dòng)作控制時(shí)，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(dòng)作控制中，動(dòng)臂的控制是通過(guò)保持斗柄底部 Z（由 θ1 與 θ2 計(jì)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(jì)算 Z，可以得到將方程（8）兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到以下關(guān)系式，右邊第一個(gè)式子看作是表達(dá)式（反饋部分）將 替換成 1，右邊第二個(gè)式子.Z.?是表達(dá)式（前饋部分）計(jì)算當(dāng) θ2 手動(dòng)地改變時(shí)，θ1 的改變量。實(shí)際上，用不同的△θ2 值可確定 1。通過(guò)調(diào)整改變前饋增益 Kff，可實(shí)現(xiàn)最佳的前饋率。采用測(cè)量斗柄操作手柄的位置（如角度）取代測(cè)斗柄的角速度，因?yàn)轵?qū)動(dòng)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(yīng)增益調(diào)度類(lèi)似液壓挖掘機(jī)的鉸接式機(jī)器人，其動(dòng)態(tài)特性對(duì)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(jī)器是困難的。為了解決這個(gè)難題，根據(jù)位置的自適應(yīng)增益調(diào)度并入反饋環(huán)中（圖 6） 。如圖 7 所示，自適應(yīng)放大系數(shù)（KZ 或Kθ）作為函數(shù)的兩個(gè)變量， 2 和 Z 、 2 表示斗柄的伸長(zhǎng)量，Z 是表示鏟斗的高度。5 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論反鏟水平動(dòng)作控制的模擬實(shí)驗(yàn)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(jī)的模型上。 （在 SK-16 大型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。 ）圖8 表示其中一組結(jié)果?？刂葡到y(tǒng)啟動(dòng) 5 秒以后，逐步加載擾動(dòng)。圖 9 表示使用前饋控制能減少控制錯(cuò)誤的產(chǎn)生。 6 半自動(dòng)控制系統(tǒng)建立在模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，半自動(dòng)控制系統(tǒng)已制造出來(lái)，應(yīng)用在 SK-16 型挖掘機(jī)上試驗(yàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可驗(yàn)證其操作性。這一節(jié)將討論該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。6.1 結(jié)構(gòu)圖 10 的例子中，控制系統(tǒng)由控制器、傳感器、人機(jī)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(lái)自動(dòng)臂、斗柄、鏟斗傳感器的角度輸入信號(hào)，控制每一操作手柄的位置，選擇相應(yīng)的控制模式和計(jì)算其實(shí)際改變量，將來(lái)自放大器的信號(hào)以電信號(hào)形式輸出結(jié)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(hào)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(hào)。以上處理后的數(shù)據(jù)都存在存儲(chǔ)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(kāi)關(guān)自動(dòng)切換。其具體功能如下。反鏟水平動(dòng)作模式：用水平反鏟切換開(kāi)關(guān)，在手控斗柄推動(dòng)操作中，系統(tǒng)自動(dòng)的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，當(dāng)斗柄操作桿開(kāi)始操控時(shí)，其參考位置是從地面到斗柄底部的高度。對(duì)動(dòng)臂操作桿的手控操作能暫時(shí)中斷自動(dòng)控制，因?yàn)槭挚夭僮鞯膬?yōu)先級(jí)高于自動(dòng)控制。鏟斗水平舉升模式：用鏟斗水平舉升切換開(kāi)關(guān)，在手控動(dòng)臂舉升操作中，系統(tǒng)自動(dòng)控制鏟斗。保持鏟斗角度等于其剛開(kāi)始舉升時(shí)角度以阻止原材料從鏟斗中泄漏。手控操作模式：當(dāng)既沒(méi)有選擇反鏟水平動(dòng)作模式，也沒(méi)有選擇鏟斗水平舉升模式時(shí)，動(dòng)臂，斗柄，鏟斗都只能通過(guò)手動(dòng)操作。系統(tǒng)主要采用 C 語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能，以構(gòu)建穩(wěn)定模組提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與分析通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證實(shí)該系統(tǒng)能準(zhǔn)確工作。核實(shí)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(gè)組件的自動(dòng)控制測(cè)試對(duì)于動(dòng)臂、斗柄、鏟斗每一組件，以±5o 的梯度從最初始值開(kāi)始改變其參考角度值，測(cè)量其反應(yīng)，從而確定第 3 節(jié)所描述的控制算法的作用。7.1.1 非線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)淖饔脠D 11 表明動(dòng)臂下降時(shí)的測(cè)試結(jié)果。因?yàn)殡娨合到y(tǒng)存在不靈敏區(qū)，當(dāng)只有簡(jiǎn)單的位置反饋而無(wú)補(bǔ)償時(shí)（圖 11 中的關(guān)）穩(wěn)態(tài)錯(cuò)誤仍然存在。加入非線(xiàn)性補(bǔ)償后（圖 11 中的開(kāi)）能減少這種錯(cuò)誤的產(chǎn)生。7.1.2 狀態(tài)反饋控制的作用對(duì)于斗柄和鏟斗，只需位置反饋就可獲得穩(wěn)定響應(yīng)，但是增加加速度或壓力反饋能提高響應(yīng)速度。以動(dòng)臂為例，僅只有位置反饋時(shí)，響應(yīng)趨向不穩(wěn)定。加入加速度或壓力反饋后，響應(yīng)的穩(wěn)定性得到改進(jìn)。例如，圖 12 表示動(dòng)臂下降時(shí)，采用壓力反饋補(bǔ)償時(shí)的測(cè)試結(jié)果。7.2 反鏟水平控制測(cè)試在不同的控制和操作位置下進(jìn)行控制測(cè)驗(yàn)，觀察其控制特性，同時(shí)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(cuò)誤，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)延時(shí)，例如圖 13 所示的“關(guān)” ，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(cuò)誤而不致于增大 Kp。如圖示的“開(kāi)” 。7.2.2 位置的補(bǔ)償作用當(dāng)反鏟處在上升位置或者反鏟動(dòng)作完成時(shí)，反鏟水平動(dòng)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(lái)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(shí)水平動(dòng)作結(jié)果。與不裝補(bǔ)償裝置的情況相比較，圖中的關(guān)表示不裝時(shí)，開(kāi)的情況具有補(bǔ)償提供穩(wěn)定響應(yīng)。7.2.3 控制間隔的作用關(guān)于控制操作的控制間隔的作用，研究結(jié)果如下： 1.當(dāng)控制間隔設(shè)置在超過(guò) 100ms 時(shí)，不穩(wěn)定振蕩因運(yùn)動(dòng)的慣性隨位置而加劇。2.當(dāng)控制間隔低于 50ms 時(shí)，其控制操作不能作如此大提高。因此，考慮到計(jì)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(jī)執(zhí)行實(shí)際挖掘動(dòng)作，以研究其受載時(shí)的影響。在控制精度方面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與不加載荷時(shí)有很大的不同。8 結(jié)論本文表明狀態(tài)反饋與前饋控制組合可以精確控制液壓挖掘機(jī)。同時(shí)也表明非線(xiàn)性補(bǔ)償能使普通控制閥應(yīng)用在自動(dòng)控制系統(tǒng)中。使用這些控制技術(shù)，允許即使是不熟練的司機(jī)也能容易和準(zhǔn)確地操控液壓挖掘機(jī)。我們將這些控制技術(shù)應(yīng)用在其它結(jié)構(gòu)的機(jī)器上，如履帶式起重機(jī)，能使傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)器改進(jìn)成為可讓任何人容易操控的機(jī)器。參 考 文 獻(xiàn)[1] J. Chiba, T. Takeda, Automatic control in construction machines, Journal of SICE 21 8 1982 40–46.[2] H. Nakamura, A. Matsuzaki, Automation in construction machinery, Hitachi Review 57 3 1975 55–62.[3] T. Nakano et al., Development of large hydraulic excavator,. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review 22 2 1985 42–51.[4] T. Morita, Y. Sakawa, Modeling and control of power shovel, Transactions of SICE 22 1 1986 69–75.[5] H. Araya et al., Automatic control system for hydraulic excavator, R&D Kobe Steel Engineering Reports 37 2 1987 74–78.[6] P.K. Vaha, M.J. Skibniewski, Dynamic model of excavator, Journal of Aerospace Engineering 6 2 1990 April.[7] H. Hanafusa, Design of electro-hydraulic servo system for articulated robot, Journal of the Japan Hydraulics and Pneumatics Society 13 7 1982 1–8.[8] H.B. Kuntze et al., On the model-based control of a hydraulic large range robot, IFAC Robot Control 1991 207–212.附件 2：外文原文（復(fù)印件）