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。     

液压挖掘机工作装置运动轨迹的智能控制及示教再现

运用模糊智能控制方法对单斗液压挖掘机的动臂和铲土工作装置的运动过程进行跟踪,通过微机的智能化分析学习,实现轨迹控制和示教再现。它对提高单斗液压挖掘机的自控水平和工作效率具有较大意义。文中主要讨论了示教再现原理,系统组成和系统编程。     

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。     

Stewart液压平台轨迹跟踪自适应滑模控制

Stewart液压平台是一个多输入多输出（MIMO）非线性系统,其耦合运动过程中存在参数不确定性与干扰影响其轨迹跟踪精度,针对此问题,考虑了系统参数的不确定性,利用Backstepping方法结合滑模控制与自适应控制的优点,推导得到系统的多级自适应滑模控制器,以增强系统运行过程中对运动与力的跟踪性能.利用AMESim与MATLAB的联合仿真方法进行验证,与传统基于各缸位置偏差的比例 积分 微分（PID）控制器相比,结果表明,该方法在系统参数不确定所引起的干扰下,能更有效地降低各缸的位置和力的跟踪误差,从而提高了运动平台末端的动态跟踪精度.     

基于ADAMS的液压挖掘机工作装置的仿真分析

基于Pro/E软件建立的三维模型,利用ADMAS软件对液压挖掘机的工作装置进行了运动学和动力学仿真分析.通过运动学仿真分析,得到了最大挖掘半径、最大挖掘深度和最大挖掘高度等基本作业参数.通过动力学仿真分析,得到了各铰接点处的受力情况及相关曲线,从而为铲斗、斗杆和动臂等的强度分析提供了依据.     

基于组合挖掘的反铲液压挖掘机工作装置优化设计

为了解决挖掘机在实际作业过程中挖掘力不足、燃油经济性差等常见问题,综合分析和比较国内外先进的挖掘机挖掘性能参数,提出基于组合挖掘的挖掘机工作装置优化设计新方法.挖掘机的组合挖掘方式包括基于作业路径上的多段单缸挖掘轨迹的组合和基于可行区域内离散点的双缸同时主动复合作用两种.建立优化数学模型,通过遗传算法求解多目标函数.优化结果显示:挖掘机的挖掘性能在习惯作业路径上最大挖掘力提高了10%,双缸复合挖掘时工作油缸的充分发挥比例提高了13%以及最大复合挖掘力提高了8%,证明了新优化方法在提高挖掘性能上的可行性.     

液压挖掘机工作装置的动力学仿真

在Catia软件中建立挖掘机工作装置的三维模型,基于机械系统动力学自动分析(ADAMS)软件,建立虚拟样机模型,并进行动力学仿真分析.对油缸添加Step函数,实现挖掘机虚拟样机在典型姿态下的挖掘过程仿真,考察挖掘机在某些工况下的挖掘性能,进一步得出动臂、斗杆、铲斗等构件各铰接点处的受力情况及响应曲线.同时,对挖掘机油缸在额定液压下的最大铲斗挖掘力进行校核.研究表明,所测挖掘机工作装置各铰接点的受力情况符合挖掘实际工况.     

小型液压挖掘机工作装置虚拟样机的仿真与分析

利用PRO/E软件建立液压挖掘机工作装置的三维实体模型,并导入到ADAMS中,添加约束建立虚拟样机。计算各个油缸位移的step函数、铲斗齿尖受力的step函数和物料重力的step函数,并进行动力学仿真,得到几个主要铰接点处的受力曲线,为液压挖掘机工作装置的强度分析和结构优化提供了依据。运用模拟测力计的原理,对虚拟样机斗杆油缸的最大挖掘力进行仿真测试。计算出斗杆油缸的最大挖掘力,将计算结果与仿真结果进行了对比分析,为挖掘机挖掘力的测试提供了一条新途径。     

液压挖掘机工作臂的自适应控制

讨论了应用自适应控制对液压挖掘机工作臂位置进行控制,采用自适应控制设计挖掘机工作臂的位置控制器,克服了在工程机械车辆中存在的只通过简化计算而得到的数学模型与实际控制对象不符的问题,并在Simulink环境下对液压挖掘机工作臂的迹线控制进行了仿真试验研究.仿真运算,证实了方法的有效性,建立了与工作臂实际位置相符的数学模型,保证系统平稳地沿希望迹线运行.     

液压挖掘机反铲装置特殊工作尺寸及挖掘轨迹包络图

本文介绍了用坐标转换计算斗齿位置和特殊工作尺寸以及相应的三组液压缸长度的方法,建立了挖掘轨迹包络曲线的数学模型,提出了包络图面积的计算方法,并给出实例.     

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

     

基于终端滑模的移动机器人轨迹跟踪控制

分析了具有不确定性非完整约束移动机器人系统的轨迹跟踪问题。在运动学模型分析的基础上,利用非奇异终端滑模技术,提出了一种新的轨迹跟踪控制算法,该算法消除了传统滑模控制带来的奇异问题。基于后退方法的思想设计系统状态变量,将系统分解为低阶子系统处理,简化了控制律的设计。结合Lyapunov方法,证明了在该控制律作用下,对满足一定速度条件的期望轨迹,移动机器人完全能够实现轨迹跟踪。仿真实验结果表明了该方法的有效性。     

基于滑模控制的四旋翼飞行器鲁棒三维轨迹跟踪

近年来,无人自主飞行器在军事和民用的众多领域引起了人们的关注,而其轨迹跟踪任务一直是一个热门研究课题。本文提出了一种鲁棒滑模控制,用于控制四旋翼无人机在存在扰动和参数不确定的情况下进行三维轨迹跟踪。首先,建立了一个具有6个方位的四旋翼飞行器的非线性动力学模型。然后,设计了针对质量、惯性和刚度不确定因素的滑模控制器。通过在Matlab Simulink和Universal Mechanism软件系统中进行建模模拟,验证了控制器的三维跟踪效果。最后,使用Pelican四旋翼平台进行了进一步的实验验证,在水平和垂直轴上施加扰动以验证其鲁棒性。仿真和实物验证结果都表明,四旋翼飞行器对特定轨迹的跟踪效果和鲁棒性是令人满意的,证实了所提出的滑模控制算法的正确性和有效性。     

基于单神经元的液压挖掘机自适应PID节能控制

在分析单神经元PID特性的基础上,设计了基于单神经元的液压挖掘机自适应PID节能控制器。该控制器通过神经元的自学习,对传统PID控制器的比例、积分、微分系数进行在线调整,实现了挖掘机功率匹配自适应控制。仿真结果显示单神经元PID自适应控制器具有较强的鲁棒性。     

均热炉温度模糊滑模迭代学习控制算法

针对具有不确定性的重复非线性均热炉温度控制系统,提出基于模糊滑模迭代学习控制算法。该算法以系统的滑模函数作为模糊控制器的输入,以模糊控制器的输出作为迭代学习控制的控制增量。将滑模控制算法引入到迭代学习控制中能够加速迭代学习控制的收敛速度,利用模糊控制能够减小滑模控制所引起的抖动问题。通过仿真可以看出,模糊滑模迭代学习控制算法能够实现系统快速收敛,该算法比单纯反馈控制具有更好的控制效果。     

带有指令滤波的板球系统反步滑模控制的研究

为解决滑模控制中出现的抖振现象影响板球系统轨迹跟踪控制性能的问题,提出了一种结合指令滤波的板球系统反步滑模控制方法。首先建立板球系统数学模型,根据系统误差方程设计总滑模控制规律。然后组建带有指令滤波的复合系统,设计误差反步控制器。最后利用Lyapunov理论证明了整个闭环系统的全局渐进稳定性。仿真结果表明,该方法有效的抑制抖振现象,进一步加强了抗干扰能力。     

滑模变结构控制在机械臂跟踪轨迹控制中的应用

针对滑模变结构控制中存在的抖动现象,通过调整控制律设计了一种新的抑制抖动的滑模变结构控制方法。该控制方法与常规滑模变结构法、饱和函数法相比,不仅满足了平滑控制量的要求,而且较饱和函数法控制精度高。仿真实例验证了该设计方法的正确性。     

低抖振非奇异终端滑模控制

为了解决常规滑模控制中产生的抖振,同时利用终端滑模控制中快速收敛的优良特性,针对一类二阶仿射非线性系统,将非奇异终端滑动流形和终端到达律同时应用到滑模控制设计中,得到低抖振非奇异终端滑模控制,并证明其具有较强的鲁棒性.