應用整體滑動面 重型 機器人 挖掘機的延時控制 摘要 從下面的問題觀點出發，挖掘機的控制是很困難的：機械結構的參數多樣性，來自與地面接觸的液壓器的非線性和干擾。此外，挖掘機的尺寸越大，挖掘機的鏈接的長度和質量越大 ；重型挖掘機參數越多種多樣。應用完整滑動原理制成的開關動作時間延遲控制器（ TDCSA）應用在這篇論文中作為 21 噸重型挖掘機的控制器。通過分析實驗，我們表明，對 TDCSA 的開關動作應用完整滑動面原理比使用PD 型的滑動面原理要好。該控制器在以一個熟練操作者操作速度前提下被應用在了 21 噸挖掘機的直線運動中了。 為凹凸不平的表面和大范圍的接縫運動所設計的實驗表明該控制器具有良好的性能。 2002 Elsevier 科學有限公司保留所有權利。 關鍵詞：時間延時控制器；動作開關 ；機器人挖掘機；軌跡控制 1.介紹 液壓挖掘機 是一個多功能的施工機械 。在建筑行業的工人使用它進行作業，如開挖，傾倒垃圾，整理，起重等等。然而，操作者必須被訓練多年才能快速熟練的完成這些任務。液壓挖掘機有三個鏈接： 拉桿、動臂 和鏟斗 ；但操作者只有講個胳膊。因此， 對于初學者同時操作三個鏈接來完成工作不是容易的事。此外 ，因為操作者不得不承擔各種各 樣的危險以及惡劣的工作環境，所以高級操作工的數 量正在減少。 出于這個原因， 研究 液壓挖掘機的自動控制對改善生產力，效率，和安全是很有必要的。 幾位研究人員已經對液壓挖掘機的自動化進行了研究（辛格， 1997 年）。在實現自動化的幾個考驗中， Bradley 和 Seward（ 1998）開發了（ LUCIE）并將它應用到了挖掘的自動化。 Stentz， Bares， Singh 和 Rowe（ 1998）開發了一個完整的卸載貨物的系統并將它應用在了一個 25 噸的液壓挖掘機上。 Zhang 和 Li 實現了一個 13 噸的液壓挖掘機在工作速度下的直線運動的自動化。即使一個熟練的操作工在長時間直線操作的情況下也會產生疲勞從而造成生產力的下降。 從下面的幾個問題來看，液壓挖掘機的控制是很 困難的：機器構造參數的多樣化 ,液壓傳動裝置的各種非線性，與土地接觸的不平衡性。在機械構造方面，慣性力和重力隨接觸縫的運動變化很大。大體積組裝和復雜連接的液壓傳動裝置有各種各樣的非線性組成部分。出于這個原因，在挖掘機控制上存在各種各樣困難。 圖 1 直線運動 圖 2 Robex210lc-3 挖掘機 為 解決這些問題，一些研究工作 已經被指導分組，他們可能被歸為模仿研究或實驗研究。就模仿研究來說，現在， Chiba 和 Takeda(1982)應用一個最好的控制方案來控制挖掘機的操作。 Song 和 Koivo（ 1995）在大量變化參數基礎上成功應用了提前反饋神經網絡和一個 PID 控制器。在實驗研究方面， Lee（ 1995）將一個模糊的應用錯誤反應原理的控制技術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，并且將它應用到一個小型挖掘機上。 Chang 和 Lee（ 2002）在 挖掘機動態學基礎上使用延時控制器 (TDC)和補償控制器，并且將它應用到一個 13 噸的挖掘機的直線運動上，并以 0.5m/s的速度工作，這個工作速度是一個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小型挖掘機的相對低速條件下。在上述實驗研究工作中，只有 Chang 和 Lee 的在工作速度條件下表現的好。挖掘機的尺寸越大，它的長度和體積相關性就越多，并且重型挖掘機的參數越多。因此，重型挖掘機的控制相對小型挖掘機的控制變得更加困難。重型挖掘機需要一個良好的控制器。 在這篇論文中，通過對直線運動的追 蹤控制實驗，我們將延時控制器應用在一個 21 噸的挖掘機的控制上，并且是控制算法得以生效。另外，我們展示了使用 ISS 的 TDCSA 的優點。 TDCSA 由 Chang 和 Park(1998)發明，由一個 TDC 和一個轉換器組成。 Chang 和 Park 使用了帶有 PDSS 的轉換器，還應用了 TDCSA。但是，我們應用 ISS 在轉換機能上是為了改善控制功能。然而， Lee 和 Youu 已經通過模擬二線操作控制系統，證明了他們的計算方法的無用性。相反，我們將繼續開展在挖掘機方面的實驗。 這篇文章的余下部分是按下面的方式組織的。第二部分簡要的分 析挖掘機系統的特性。第三部分描述了控制器。所發明的控制器的有效性通過應用在一個21 噸挖掘機的實驗中得以證明，最后結論將在第五段得出。 2.挖掘機系統的概要 這部分主要描述了挖掘機的特性。更多關于挖掘機模型的細節能在 Chang和 Lee 的研究中發現。在這篇論文中，轉動裝置和行走裝置并不被認為是直線運動。因為挖掘機由操縱裝置和傳動裝置組成，這兩部分的特點將會簡要描述。 2.1 控制器 在運動方程中，慣性力、重力和離心力隨連接角度的變化而變化。在這些力當中，離心力對控制系統的影響較小。相比較而言，慣性力和重力變化很大，因為動臂和鏟斗的重量在這項研究中重達 2.67 噸，并且連接點轉角范圍較大。在直線運動中，每個慣性力和重力變化范圍都很大。圖 3 中就展現了一個 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 動臂和斗桿的慣性力和重力 2.2 液壓傳動裝置 在這篇論文中應用的挖掘機的液壓傳動裝置至少有三種非線性：閥特性、死區和時間滯后。 2.2.1 閥特性 液壓閥是將油由油泵轉移到液壓油缸中的裝置。油的流量被流量系數、油缸的截面積和壓力的大小所決定。因此，根據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 在 Robex210lc-3 挖掘機中應用的卷盤閥的幾何學是一個重疊的形狀，正如在圖 4 所示，這也引起了死區的非線性。這個重疊區域是為操作者的便利所設計。因此，當卷軸放在重疊區域時，這個閥便關閉，著引起了死區的非線性。這部分重疊區域大約占整個排水量的 30%。 2.2.3 時間滯后 因為泵的輸出壓力要達到推動連接物開啟的 壓力。這一部分時間的消耗使得一個和死區相似的現象出現了。注意到這一現象在某種程度上是不同于在輸送線路上的純粹時間消耗的。這一現象只有當 吊桿連接開始移動時才出現。當泵的輸出壓力達到閥開啟壓力時，它將消失。此外，這一現象能通過補償器得到補償，這一內容將在 3.2 部分介紹 3、 控制器設計 一個挖掘機有以下非線性：在操縱器上的慣性力和重力的多樣性；閥特性的非線性；傳動裝置的死區和時間滯后性。這篇論文所討論的在 21 噸挖掘機和 13噸挖掘機之間的顯著不同點存在于挖掘機各連接物 的長度和體積。因此， 21 噸挖掘角度的數據的多樣性比 13 噸的挖掘機更為嚴峻 。需要一個比 TDC 更優良的控制器來控制 21 噸挖掘機的直線運動。 為了控制 21 噸的挖掘機，我們已經考慮了比 TDC 更優良的 TDCSA。然后，為了改善控制器的表現，我們應用了 ISS 來代替 Chang 和 Park 所應用的 PDSS。 在前面提到的非線性中，死區和時間滯后引起了大量追蹤錯誤。因此，需要正確補償方法。出于那個原因，我們設計了兩種控制器 :第一個是應用 ISS 作為根本控制的 TDCSA，第二個是克服死區和時間滯后的補償器。 3.1TDCSA 的設計 3.1.1 使用 ISS 的 TDCSA 為 了 將 控 制 器 應 用 到 挖 掘 機 上 ，（ A.5) 被 重 組 成 下 列 形 式 ：注意到 M 是一個常量矩陣來代表我們熟知的角度，但是 H(t)有專業術語組成，代表不確定性和時間多變的原因，表示如下 : 估計量 H(t)可以通過使用公式（ 1)和 H(t)是一個連續作用這一事實而得到。更具體點，當 L足夠小時，然后，更多關于條件的穩定性和 TDC 的實際能在 Youcef-Toumi 和 Ito 和 Hsia 和 Hao的研究中發現。 TDCSA 在對 TDC 實現滑動模型控制基礎上增加了轉換機能，表示如下 ： 這里 s 代表滑 動表面， Kw 是一個轉換矩陣。 TDCSA 有下面錯誤表示方法 在公式（ 10)中，我們能看到轉換機能能減少 TDE 的錯誤。 3.1.2 應用完整滑動表面的 TDCSA 的穩定性分析 為了整個系統的穩定性分析，我們使用 Lyapunto 的第二種方法，如果Lyapunto 功能被選為 它的時間衍生物就可表示如下：因此，下面的條件是需要的來使 Lyapunto 得功能時間衍生物被消極的定義為換句話說，轉換獲得量的大小一定要比 TD估計的錯誤量要大。 3.1.3 飽和度功能 TDCSA使用轉換機能補償 TDE的錯誤，但這個轉換機能引起 了一個交流問題。因此，我們使用一個飽和度功能來減少交流問題。這個飽和度問題能這樣應用：這里是飽和度功能的邊界線。最終，得到了一個擁有飽和度的功能的 TDCSA，表示如下： 如果選擇了一個大的邊界層，各種交流將會減少，但是追蹤錯誤將會增加，所以合適的邊界層的選擇是必要的。 3.1.4ISS 的必要性和優勢 在這一部分通過與 PDSS 的比較，我們將學習 ISS 的必要性和優勢。 3.1.4.1 完整滑動面的必要性 TDCSA 有 TDC 和 SMC 的想換機能組成。由此它在比較預期的 TDC 的動力學的錯誤和滑動面衍生物方面變得 很必要。更具體一點， ISS 給出如下形式它 的 衍 生 物 變 成 了通過比較， PDSS 被表示為 它的衍生物與圖 3 是不同的。 3.1.4.2 完整滑動面的優勢 對于邊界層內的滑動面，使用 PDSS 的 TDCSA 的轉換機能和使用 ISS 的 TDCSA的轉換機能得到了公式 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，每一個閉環錯誤動態學表示如下 3.2 補償器設計 補償器是用來克服死區和時間滯后的。 因為來自油缸卷軸的重疊區域的死區的尺寸是固定的，我們經 TDCSA 輸入增加了死區尺寸，表示如下： 為了補償時間滯后， Chang 和 Lee 根據油泵和液壓缸的不同壓力設計了補償器。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開啟連接物。然后一旦連接物開始移動就慢慢減少油壓直到 0. 整個有 TDCSA 輸入和補償輸入所組成的控制輸出有以下表現形式得出如下公式： 注意 是動臂和斗桿的輸入控制量。 4.實驗 為了計算在真正情形下應用 ISS 的 TDCSA,我們已經在重 型挖掘機上進行了真實 的測試。這項工 作的主要焦點是在空地上的直線運動。當然，我們已經將這一直線運動通過鏟斗和地面的接觸應用到了刮平地面的上 。過去的 Hyundai Robex210lc-3 挖掘機現在已經有了如下詳細說明：重 21 噸，控制器總長度10.06m，吊桿、動臂和鏟斗總重 2.67 噸。在這實驗中，鏟斗的平均速度設定