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本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 外文翻譯 中文題目： 1/5 號規(guī)格自動挖掘機的線性、非線性 和經(jīng)典的控制器 英文題目： of a 1/5 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 1 1/5 號規(guī)格 自動挖掘 機的線性、非線性和經(jīng)典的控制器 摘要 ： 這篇 論文是研究 機械手 各種控制系統(tǒng)的論文， 介紹了一種自動操作器的規(guī)格模式。機器 人臂膀已經(jīng)在蘭開斯特大學(xué)機械研究教學(xué)里得到發(fā)展。論文考慮了經(jīng)典和現(xiàn)代兩種方法的應(yīng)用，包括： 由傳統(tǒng) 則控制的比例積分 (制 ;線性比例積分正 (制 ,它可以理解為對傳統(tǒng) 法的合理 擴展 ;還有一個建立在一半線性模式結(jié)構(gòu)上的新型非線性 計，其中參數(shù)作為一個變量改變的函數(shù)而變化 有為提高閉環(huán)性的潛力。 建筑是對于許多工業(yè)部門的主要經(jīng)濟上的意義。激烈的競爭，熟練勞力的不足和科技的進步都是落后于建筑業(yè)快速變 化的主要力量，也是自動化的一個動機 [1]?；诓僮魃系耐诰驒C的例子包括一般的運土、挖掘和打板樁。 一個小的規(guī)模，挖掘和打樁結(jié)構(gòu) 正需要發(fā)展并 限制挖掘機。全自動化或部分自動化能夠提供諸多好處，它可以降低對操作員技術(shù)的依靠性，而且會降低操作員的勞動負(fù)荷，這兩者都可能會在連續(xù)性和質(zhì)量的提高上作出不小的貢獻。 然而，對于開發(fā)者們一直持續(xù)的絆腳石就是在自動控制下如何作到足夠快地運作。這里，一個主要研究問題是去獲得在熟練人工操作員提高的基礎(chǔ)上的電腦控制反應(yīng)時間。這就為設(shè)計者提供了一個極大的挑戰(zhàn)，研究者們正在選擇使用 眾多方法 的一個很寬的范圍；可見例子 [2， 3， 4]。 此論文考慮到了一個實驗機械手，是更廣泛知名的蘭開斯特大學(xué)計算機智能挖掘機 （ 的 1/5 規(guī)格的代表，而它已經(jīng)發(fā)展為建筑地 [4， 5]上作為挖掘工具。 不管它的小規(guī)格和輕重量， 1/5 模式與 有相似的運動學(xué)和動力學(xué)上的道具，因此也為新控制策略的發(fā)展提供了一個富有價值的實驗床。在這點上，本論文提出了經(jīng)典和現(xiàn)代兩種方法，包括：由傳統(tǒng) 則 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 2 控制的比例積分 (制 ;線性比例積分正 (制 , 它可以理解為對傳統(tǒng) 6， 7]的合理擴展 ;還有一個建立在一半線性模式結(jié)構(gòu)上的新型非線性 計，其中參數(shù)作為一個變量改變的函數(shù)而變化 [8]。 對這個研究更進一步，文章簡要地介紹了 機械手的應(yīng)用， 作為 一個工具用于在 蘭開斯特大學(xué) 有關(guān)機械的學(xué)習(xí)和教育。實際上，實驗室指示者為大學(xué)生和研究生都提供了眾多的學(xué)習(xí)機會和單獨的研究方案。完善挖掘系統(tǒng)的發(fā)展需要對技術(shù)領(lǐng)域有一個完備的知識認(rèn)識，包括傳感器、激發(fā)器、計算機硬件、電子學(xué)、水力學(xué)、機械學(xué)和智能控制。 這里，控制系統(tǒng)設(shè)計需要一個 有關(guān)決定適當(dāng)末端受動器軌線的高級規(guī)則的分等級方法，以致挖掘一個指定尺寸的 溝渠。在實踐中，控制器也應(yīng)該包括安全模數(shù)和在土壤中處理障礙物的工具 [4]。最后，高級的運算法則外加每個聯(lián)接點的適當(dāng)?shù)图?控制，是當(dāng)前論文的著重點。 機械手與 ， 5]有一個相似的排列，除了用于采沙坑的挖掘和工作臺的實驗室 1/5 規(guī)格模式。與圖 由四個聯(lián)接點構(gòu)成，包括 箍用角條 、 俯角條 、 回轉(zhuǎn)角和鏟角。它們中的三個是由水壓汽缸開動，而只有 回轉(zhuǎn)鏈接是基于一個與簡約變速器有關(guān)的水壓旋轉(zhuǎn)激勵器：詳細(xì)資料見 [9]。 聯(lián)接器的速度由實用電壓信號手段控制。因此，整個鉆探設(shè)備已經(jīng)由多重輸入輸出異 步實時控制系統(tǒng)支持，它考慮到了通過在寫入 ++中密碼有標(biāo)準(zhǔn)組件的多重任務(wù)處理的程序。 計算機硬件有一個 96個人電腦。 聯(lián)接角直接由與每一個聯(lián)接樞軸同中心的裝備旋轉(zhuǎn)分壓計測量。每 一個分壓器的輸出信號同地面線路來傳輸，伴隨有由于環(huán)境電子噪聲造成的最小信號畸變。 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 3 圖 1：顯示有四個控制聯(lián)接的實驗挖掘機原理圖 這些信號發(fā)送給高級線性儀器中有在促進 A/D 轉(zhuǎn)換的訓(xùn)練卡里的放大器中。這里，輸入信號的范圍在訓(xùn)練之后就不會超過 ± 5V。這個 A/D 轉(zhuǎn)換器是一個高性能的 16 通道多元的連續(xù)近似值轉(zhuǎn)換器，具有在 小于 25轉(zhuǎn)換的能力。目前僅有八個可利用的通道在被使用。因此將來，合并另外的傳感器進入系統(tǒng)將不成問題；例如一個探測障礙物的照相機，可以作為高級控制系統(tǒng)的一部分，或者壓力傳感器。 電子管標(biāo)度實際上提供了一個有意義的輸入值的臂聯(lián)接。這個標(biāo)度是基于滿足輸入要求的每一個聯(lián)接的正常輸入電壓，范圍是從最高可能向下速度的1000。這里，零的輸入要求對應(yīng)于無運動。注明，沒有這種電子管標(biāo)度，臂會由于每一個聯(lián)接運載的載荷而逐漸 松馳下去。 在開環(huán)模式 中 ， 臂是用手驅(qū)動去挖掘溝渠的， 操作員運用兩個相似的操作桿，每個都有兩個自由度。第一個操作桿被用作去驅(qū)動 箍用角鏈接和回轉(zhuǎn)鏈接而另一個用做移動浸漬聯(lián)接和鏟聯(lián)接。照這樣，一個熟練的操作員為完成任務(wù)同時地移動四個聯(lián)接。比較下，這里的目的是去設(shè)計一個無人工干涉的自動挖掘計算機控制系統(tǒng) 。 運動學(xué)平衡的目的是考慮到在三維空間中鏟的空間位置和方向的控制。既 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 4 然這樣，工具端可能會跟隨計劃 軌道編程，同時鏟角分別與控制和釋放沙子相諧調(diào)。在這點上，圖 1 顯示的是實驗挖掘機和它的尺寸， (聯(lián)接角 )和接長度），這里 i=1， 2， 3， 4分別為箍用角條 、俯角條、回轉(zhuǎn)角和鏟角。任何一個操作員的運動學(xué)分析通常需要同類的臂的工具結(jié)構(gòu)變換矩陣的發(fā)展。這被用做找到有關(guān)同等系統(tǒng)的鏟的位置、方向、速度和加速度，在特定的聯(lián)合變換向量 [10]。這種分析代表性地基于著名的 定，而它主要用于由一個每一個接合點都有一個自由度的開環(huán)構(gòu)成的機械操作者，如此[9]。 在軌線計劃程序中指定 ﹛ X,Y,Z﹜ ,如末端受動器的方位利用一個等同系統(tǒng)在工作臺上初始化 ,不有鏟的方向 ,隨之的反轉(zhuǎn)運 動學(xué)運算法則 由 于 ]而得 出。 這里 的 ,且 同時 道計劃 一個溝渠的挖掘機在挖掘操作過程中需要兩個“連續(xù)通道”（ 一個更簡單的“點 動，此時鏟子為了卸載而從溝渠中搬出。特別的是，每個挖掘周期都可以被分成四個明顯的階段，如下：布置鏟來穿透土層（ 挖掘過程沿著指定的空間長度（ 一個水平垂直線上； 掘起從空 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 5 間中收集到的沙子到卸載的一邊（ 卸下沙子（ 圖 對于當(dāng)前的例子， 設(shè) 和 分別表示末端受動器的最初和最后的位置，而此運動需在 然這樣，工具端統(tǒng)一直線軌跡是， 這里 處 和 。特別的是，速度剖面第一個斜面在進行到一個恒定速度之前以一個等加速度向上移動，最后以一個等減速度向下滑到零。在統(tǒng)一的直線運動的過程中，速度剖面是 來成形。通過求積分，速度分配函數(shù)將是 。 對于這個特別的應(yīng)用，實驗挖掘機有所約束，只允許挖掘鏟的長度和深度分別不會超過 60050 解出鏟的預(yù)定軌道。值得注意的是每一個挖掘軌道由掘地點（ 270， ﹣ 150， 0）跟隨，利用 80度的方向。這個過程由另一個 卸載區(qū)以 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 6 坐標(biāo)（ 100， ﹣ 100，﹣ 400） 定位鏟。挖掘周期的最后一步是卸載過程，有一個﹣ 30度方位的坐標(biāo)（ 600， ﹣ 100，﹣ 700）。 工程教育最重要的特征之一是將理論知識和實踐經(jīng)驗得到結(jié)合。因此，實驗室實驗在支持學(xué)生學(xué)習(xí)中扮有非常重要的角色。然而，還有幾個因素通常阻礙學(xué)生們與機械系 統(tǒng)得到“從做中學(xué)”的機會。這包括它們的高費用、熟練技術(shù)支持的較弱而必需的供應(yīng)。 雖然如此，機械的利用卻潛在地為許多不同的工程學(xué)科包括機械學(xué)、電子學(xué)、控制學(xué)和計算機工程提供了一個極好的基礎(chǔ)，見例 [11， 12， 13， 14]。自動機械為基礎(chǔ)工程問題的示范提供了一個很好的工具，而它們也促進了在創(chuàng)造力、集體諧做、工程設(shè)計、系統(tǒng)統(tǒng)合和問題解決等方面技術(shù)的發(fā)展。 在這點上， 規(guī)格示例在蘭開斯特大學(xué)機械學(xué)上提供了研究和教學(xué)的支持。它是為信號處理和實時控制 各種方法中的一個實驗臺；而且為大學(xué)生和研究生提供了許多學(xué)習(xí)機會和單獨的計劃。例如，因為在開環(huán)模式下僅有幾秒來收集實驗數(shù)據(jù)，機械臂為示范比較對于系統(tǒng)識別的機械的和數(shù)據(jù)庫兩種方法提供了一個很好的實驗例子。 關(guān)于控制系統(tǒng)設(shè)計，各種各樣經(jīng)典和現(xiàn)代的方法都是可行的。但是，當(dāng)前的作者們認(rèn)為 一個對現(xiàn)代控制 理論提供了一個具有深刻見解的介紹。這里，非最小狀態(tài)空間（ 式都用公式表示了，以便通過控制過程測定的輸入輸出信號使完整的變態(tài)數(shù)回饋控制得到實現(xiàn)， 而不會對確定性狀態(tài)的重建器或一個隨機的 6， 7]。的確，智能控制中 用機械臂只是作為一個設(shè)計例子。 每一個聯(lián)接點的基準(zhǔn) 系統(tǒng)被 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 7 置于比例控制下而且通過漸多的增益有穩(wěn)定性的限制直至獲得永久的振動。在這種方式下獲得的“最終增益”隨后也用作確定控制增益。另一種方法是運用一個 [15]描述。 線性 時另外的動態(tài)回饋和輸 入補償在過程有第二個指令或更高動態(tài)或大于一個采樣間隔的單純時間托延時被引入 。然而，與經(jīng)典的方法形成對比， 法的范圍，這里人工調(diào)諧的奇特之處由電極分配或線性二次（ 計所替代 [6， 7]。 最后，許多最近的出版物都為非線性 建立在對隨之的態(tài)獨立參量（ 式 [8]的識別上。 這里 別是輸出和輸入變量，而 a i﹛ （ i=1,2,? ,n）和 j=1, ? ,m）是態(tài)獨立參量。后者假定為一個非最小狀態(tài)向量 的函數(shù)。 對于 通常對限制模式（ 8）是足夠的，狀態(tài)如。（ 8）中的 這里非最小狀態(tài)參量定義如下 而且 是命令輸入 和輸出 之間的積分誤差。 依靠這個積分誤差狀態(tài)，固有的模式 1伺服機構(gòu)性能得到引入。為了簡短， 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 8 這里被省略了但在例 [9， 16]中被定義。 狀態(tài)變量回饋控制運算法則 隨后被定義為 這里 在每一個采樣距離通過可電極分配或一個 線性 于后一種方法，最近的研究用一種“凍結(jié)參數(shù)”系統(tǒng)定義為一個 去定義 9]， 離散時間代數(shù) 最后，要注明的是當(dāng) 6]得到發(fā)展 ,對非線性 對于線性 環(huán)實驗是第一個為應(yīng)用電壓和最初環(huán)境范圍的操作，全部都建立在一個 此情況下， 簡化精確的工具變數(shù) (算法則 [17],提出了一個 采樣時間延續(xù)的第一指令線性模式 ,見 ,yk=a1 bT 一個對每一個聯(lián)接點的近似表示 1000范圍之內(nèi)的規(guī)則電壓值 ,同時 {a1,時間不變參量 為一個綜合者，因規(guī)格化的電壓已經(jīng)被校準(zhǔn)以使當(dāng) 時無移動。事實上， 1被確定為一個初值，以使僅僅分子參量 是在實際中為線性 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 9 圖 化 就 浸入角和鏟角聯(lián)接在控制利用線性 然這樣，運算法則處于 此執(zhí)行結(jié)果與利用經(jīng)典頻率方法調(diào)諧的將被預(yù)期的一樣， 經(jīng)典的和 些不同僅涉及到為將運算法則去迎合規(guī)定的控制目標(biāo)而作的相關(guān)放松。 按照，有 回轉(zhuǎn)和箍用聯(lián)接運用 于許多早期出版物）后一種自動地運用增加的時間差 [9]。當(dāng)然，一個對于這個問題可選擇的解決方案將會引入一個 究者們目前正在調(diào)查與 然而，對于開環(huán)數(shù)據(jù)的進一步分析在上面的線性模式中顯示出了局限性。尤其是， 的值被 10或更多的一個因素來改變，依靠于被應(yīng) 用的電壓值，如果圖 3表示出箍用的情形。這里，許多實驗都在一個范圍內(nèi)的應(yīng)用電壓值內(nèi)操作，在每種情況下， 3圖示了對 結(jié)構(gòu)化這些估計與階式信號輸入量是相反的（可靠的軌跡表現(xiàn)了一個簡單的多項式格式）。 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 10 實際上， 的形式， 這里 圖 4：上部：線性 線），非線性 線）和命令輸入（虛線） 對應(yīng)于箍用角條，相對結(jié)構(gòu)的采樣號。箍用角：相等于控制輸入。 圖 5： 上部：線性 線） ，非線性 線）和命令輸入（虛線）對應(yīng)于俯角，相對結(jié)構(gòu)的采樣號。箍用角：相等于控制輸入 。 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 11 這里增益 f0,k,g1,k和 kI,種方法的完整詳細(xì)資料和相對的俯 角、鏟角和回轉(zhuǎn)聯(lián)接 算法則 ，由 出 。 箍用臂的典型執(zhí)行結(jié)果在圖 里很明顯 算法則比固定的增益有更加精確，線性 算法則（可者相對的經(jīng)典 制器）在控制水平下有發(fā)展了很多。此外，非線性方法產(chǎn)生出了一個相當(dāng)平滑控制輸入信號 。 指出的是線性和非線性控制器被設(shè)計去產(chǎn)生出一個在理論狀態(tài)下的響應(yīng)的相似速度， 在圖 4 中可以看到的不同就歸于在 3）中的變化，此處僅考慮到在 態(tài)中。應(yīng)該指出，這個例子的反應(yīng)時間已經(jīng)被故意增加到對精確的線性 計的實際限制，只是為了強調(diào)這些不同。 圖 5 是一個相似的實驗中俯臂的控制。盡管線性與非線性方法之間的不同通常在每一個聯(lián)接點在檢測時都相當(dāng)小，在空中運動都是孤立的，如圖 5，這些不同在鏟角位置最后在采沙坑中撤離時會增加。在這點上，表 種方法 的反應(yīng)時間， 表現(xiàn)出去完成三個完整溝渠的秒數(shù)，每個包括 9 個挖掘過程。這里，改良的聯(lián)接角控制考慮到了一個快速的 型地產(chǎn)生出一個在挖掘時間里有 10％ 的提高 表 1：完成一個溝渠的時間 最后，圖 行結(jié)果 ，是鏟子的一個循環(huán)，顯示了一個末端受動器的 3D 縱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。這個圖顯示了鏟在第一低速下進入隨后才 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 12 將沙子提取，移位，釋放好容易才完成。 圖 間中末端受動器的處理位置 {X， Y， Z}，還有沿直線的移動點（ 這篇論文已經(jīng)清 楚地描述了實驗當(dāng)中機械斗桿的控制問題，代表了自動挖掘機的 1/5號規(guī)格模式，為蘭開斯特大學(xué)的科研和教學(xué)提供了發(fā)展的機遇。與以前的研究項目相比，發(fā)表的這篇文章充分考慮了礦用自動挖掘機的完全控制系統(tǒng)的執(zhí)行。 古典和現(xiàn)代方法都采用了關(guān)聯(lián)控制，包括齊格勒 性比例積分控制和一個最近開始流行的基于國家統(tǒng)一規(guī)定參數(shù)模型鑒定的非線性比例積分控制。這里，線性比例積分運算法則已被有調(diào)整性的運用到古典和初期為了控制斗干和鏟斗運動角度而出現(xiàn)的現(xiàn)代比例積分控制當(dāng)中。反過來說，回轉(zhuǎn)和箍條連接是 比可能會延遲裝卸時間的高度集中線性比例積分控制要好的一種控制方法。 然而，在這些所有聯(lián)接點的固有非線性有疑問地證實了當(dāng)反饋控制器與運動學(xué)方程相結(jié)合時，去控制末端受動器的位置，尤其是一旦鏟在沙子中移動。事實上，非線性 法增加的復(fù)雜在這里表現(xiàn)出來了假定出改良的閉環(huán)性能。特別的是，完成整個挖掘過程的時間減少了大約 10％ 。最后，利用實驗 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 13 挖掘機獲得的經(jīng)驗最近已經(jīng)被開發(fā)，一個整個的振動層系統(tǒng)中被運用為在一個建筑地點的地面改善，見例 [16]。 感謝 非常感謝工程和物理科學(xué)研究會（ 支持。 在本論文中使用過的統(tǒng)計工具已經(jīng)組合為一個 具箱 [18]，在 件環(huán)境中，下載可得用網(wǎng)址：