基于网络控制系统的液压挖掘机伺服控制研究.pdf

由表 3 可以看出， 三变量控制和单变量控制在 重载 时各参数相差不大 ， 主要原 因是此时泵排量和 马达排量都已接近其最大值 ， 三变量控制的优势得 不到体现。 5 结论 本文基 于平板车 的行走驱动 系统提 出三变量 控制方法， 并对其进行试验验证， 得出如下结论 1 系统轻载和适度载荷运行 时， 三变量控制 的功率利用率比单变量控制时提高 1 0 ％～ 2 0 ％。能 量浪费减少， 对提高经济性、 减少排放有重要意义。 2 液压马达转速受负载影响变小 ， 在轻载时 ， 马达的转速可以达到很大的值， 现实意义为 当车辆 轻载行驶时， 最高行驶速度变大， 对作业效率提高 有重要的现实意义。 3 系统的负载响应能力变强 ， 系统的压力能 维持在一个相对较小的范围内， 有助于提高液压系 统效率和液压元器件的使用寿命。 此外 ，系统还 可以在油耗方面进行进 一步研 究。三变量控制容易实现发动机随负载的改变始终 工作在经济点上， 可望预测三变量控制较传统的控 制方法在燃油经济性方面的优势。 参考文献 【 1 】 彭天好， 杨华勇， 傅新． 液压挖掘机全局功率匹配与协调 控制叨．机械工程学报， 2 0 0 1 ， 3 7 1 1 5 0 5 3 ． [ 2 ]姜友山， 邹广德， 徐刚， 等． 全液压推土机发动机与液压 系统的匹配研究【 J ] ． 建筑机械化学报， 2 0 0 9 1 2 4 9 5 1 ． [ 3 ] 李帅． 泵控马达闭式回路调速控制系统特性研究【 D 】 ． 杭 州 浙江大学， 2 0 1 0 ． ‘ 通信地址 黑龙江省哈尔滨工程大学 l 5 公寓 9 0 8室 1 5 0 0 0 1 收稿 日期 2 0 1 2 0 1 1 6 基于网络控制系统的液压挖掘机伺服控制研究 黎波， 严骏 ， 郭刚， 涂群章 ， 钱海波 解放军理工大学工程兵工程学院 摘要 为提升工程装备的远程操控能力 ， 给某电控液压挖掘机引入移动自组网和总线控制系统。 融合控制网与信息网， 构建一个完全网络化的闭环多输入、 多输出控制系统。针对挖掘机电液伺服系统和 网络控制系统的特点， 以z N整定 P I D为基础， 设计了模糊 P I D控制器。通过仿真与试验， 证明模糊 P I D 比z N整定 P I D有更好的响应特陛， 能有效满足具有复杂非线性特征的挖掘机远程伺服系统的要求。 关键词 液压挖掘机 ； 网络控制系统； 移动自组网； 模糊 P I D； 远程伺服控制 为拓展液压挖掘机应用领域 ，适应恶劣环境 ， 降低人力成本 ，提高任务质量 ，业内从 2 0世纪 8 O 年代开始研究液压挖掘机的 自动控制【 ” 。以往 的挖 掘机 自动控制系统通常分两级计算机控制 高层规 划级和底层伺服控制级。高层规划级执行监测和轨 迹规划 ， 底层控制器接受高层规划指令， 执行控制 算法进行反馈控制。底层伺服控制包括铲斗、 斗杆、 动臂和回转关节在内的工作装置 ， 一般都由车载嵌 入式控制器来实现[2- 6 1。近年来 ， 遥控操作挖掘机逐 渐成为热点 ， 有文献开始研究基于无线局域 网的监 控系统[7 1 。 随着计算机技术和通信技术的发展 ， 以网络为 媒介， 融合控制网和信息网的网络控制系统逐渐成 为研究热点 。它通过 网络实现空间分布的传感器 、 执行器和控制器之间的信息交互， 以构成闭环控制 系统。 本文将基于I E E E 8 0 2 ． 1 1 b 标准的移动自组网 MA N E T m o b i l e a d h o c n e t w o r k 和 C A N总线控制网 结合，应用于液压挖掘机工作装置的远程控制， 通 过无线局域网和现场控制网构成反馈控制系统， 使 伺服控制器远离设备现场。在建立液压挖掘机网络 控制 系统模 型的基础 上 ，针对网络控制系统 的时 延、 干扰等问题 ， 设计了模糊 P I D控制器 ， 通过仿真 作者简介 黎波 1 9 8 5 一 ， 男， 四川眉山人， 在读博士。研究方向 机械装备机电控制及 自动化， 特种机器人。 一 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 与试验来验证其有效性 。 1 电液伺服系统模型 挖掘机电液伺服控制系统包括比例减压阀、 阀控液压缸、 角度传感器、 伺服控制器等Ⅲ 。实际电 液伺服控制系统存在着非线性、 未知干扰和参数时 变特性， 为分析方便， 本文建立其线性传递函数。 1 ． 1 电液比例阀传递函数 控制器输出电压 u 经功率放大后驱动先导 比 例减压阀， 先导压力再驱动多路阀芯产生相应开度 。电液 比例阀传递函数可视为一阶系统 G I 1 式中 U v ---- t t H ,d ，为比例阀的有效输入量 ， 为电液 比 例阀的控制电压， 为消除死区的初始工作电压； K 为比例阀增益 ； 6 为时间常数； s 为频率域的复变量。 1 ． 2 阀控液压缸传递函数 如图 1 所示挖掘机的液压系统主回路， 在忽略外 界负载和泄漏的情况下， 阀控液压缸传递函数为[1l 器 2 一 一 了 I ； 。 。 r 。 r1 l ＼． O h z ／ 式 中 tJ厂 一液 压 缸 固 有 频 率 ， 、 ／ 筚； 6 一 阻 尼 比 ，8 h 、 ／ 式中 一阀芯开度 ； K 流量压力系数； A 活塞有效面积 ； 有效体积弹性模量； 一 26一 图 1 阀控液压缸 ， ， 广一 活塞及负载等折算到活塞上的总质量 ； 两个容腔总容积； 一 滑阀流量增益， 、 ／ A p V P 式 中 C 广流量系数 ； 阀口面积梯度 ； p 液压油密度 ； △p 阀口前后压差。 综 上所述 ， 由式 1 和 2 ， 可得到 电液控制 系 统的传递函数为 G G 1 G 而 3 2 挖掘机网络控制系统 、 与传统点对点控制系统相 比， 网络控制系统具 有布线少、 资源共享、 易于扩展和维护、 能远程操作 等优点。以往的工程装备伺服控制系统中， 通常采 用嵌入 式微控制器直接控制执行机构 或采用总线 控制系统[ 2 - 6 j 。本文将基于 I E E E 8 0 2 ． 1 l b标准的移动 自组网引入到基于 C A N总线的现场控制系统上 ， 通 过 C A N ／ T C P网关实现总线和移动 自组网的互联 ， 建 立了基于T C P f I P的远程通信网与现场控制网的无 缝连接。挖掘机网络控制系统结构如 图 2所示 。 图 2挖掘机网络控 制系统示意图 现场总线设 备主要包括 挖掘机动臂 、 斗杆 、 铲 斗关节上安装的 3 个智能倾角传感器 ， C A N ／T C P网 关 ， 集成 C A N控制器及 C A N o p e n协议 的专用 P L C 。 该 P L C不直接执行运动控制算法，而作为 C A N总 线 的一个智能节点 ， 具有驱动电液 阀和采集其他非 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 智能传感器信息的功能。实机中的压力、 行走编码、 回转编码、温度等传感器就是通过 P L C采集信号， 因其与运动控制不直接相关 ， 本文未给出。 系统采用客户端一 服务器端 的应用模式 ， 网络节 点之间采用 T C P 3 P 套接字 传输层和网络层 提供可 靠的数据包传输。 传输层采用 T C P 控制协议， 它提供 可靠的面 向连接的端到端协议 ， 通过创建连接 ， 在发 送者和接受者之间建立一条虚电路 ， 这条虚电路在整 个传输过程中有效， 直到传输被确认后才能被放弃。 在链路层和物理层则通过 C A N 厂 r c P网关实现网间互 联 ， P C机与控制现场通过无线路 由建立连接。 系统中 C A N总线传输速率为 5 0 0 k b ／ s ， 移动自 组网的传输速率在 1 0 0 M b ／ s 左右 ， 足以实现多路反 馈信息及控制信息的无拥塞传递。忽略数据丢包， 则系统时延 成为影响 网络控制系统性 能的主要 因素 ， 主要包含以下三部分 图 3 。 r 。 4 式 中 为传感器 一控制器时延 ， 。 为控制器 一执 行器时延 ， 为控制器计算时延。 L 一 一 一 一 一 [ 一 一 一 一 一 一 1 一一一 ～一一 一● 连续信号 数字信号 图 3 挖掘机 网络控制系统框 图 3 控制仿真与试验 3 ． 1 控制器设计 挖掘机电液伺服系统是典型非线性系统， 在引 入 网络控制系统后 ， 整个 系统更加复杂 。模糊控制 非常适合这类复杂非线性系统[8 - 9 1 ， 但纯粹模糊 推理 控制器设计非 常费日 寸 【 O l ， 本文设计 了一个模 糊 P I D 控制器 ， 其 中基本 P I D控制器参数按式 3 线性传 递函数设计， 利用模糊逻辑进行参数调节以补偿网 络时延和系统非线性 ， 控制器结构如图 4所示【 “ l 。 常规 P I D控制器利 用输入与实 际输 出偏差量 进行控制， 将偏差的比例、 积分和微分通过线性组 合构成控制量。增量式数字 P I D算法为 u k u k - 1 【 e 尼 一 e k 一 1 ] K ,e k Ka [ e k 一 2 e 后 一 1 e |j} 一 2 1 5 图 4 模糊 P I D结构示意图 模糊 P I D通过实时调整 3个参数 以满足不 同 e 和 △ e 对控制参数的要求，使被控对象有良好的动 态性能。增加 主要提高响应速度 ， 但 同时也增加 了系统超调量 ； 增加 K 主要是消除稳 态误差 ， 但 同 时降低了系统稳定性； 适当增加 能改善系统动态 特性。综合考虑 3 个参数的影响， 制定模糊整定规 则如表 1 表 3 所示， 误差 e 及其变化率 △ e 分为 7 表 1 调整规则表 △ △e e NB NM NS ZO PS PM PB NB P B P B P M P M P S Z 0 Z 0 NM P B P B P M P S P S Z O NS NS PM P M PM PS Z0 NS NS ZO PM P S PS ZO NS NS NM P S P S P S Z 0 NS N S NM NM PM P S Z0 NS NS NM NM NB PB Z0 Z0 NS NM NM NB NB 表 2 墨 调整规则表 △ △e e NB NM NS Z O P S P M P B NB NB NB NM NM NS Z 0 Z0 NM NB NB N M NS NS Z O N S NS NM NM NM NS Z0 P S PS ZO NM NM NS Z0 PS P M PM P S N M NS Z0 P S P S P M PB P M Z0 Z 0 P S P S P M P M P B P B Z O Z O P S P M P M P B PB 表 3 调整规则表 △ △e e NB NM NS Z 0 P S P M P B NB P S NS NB NB NB NM P S NM P S NS NB NM NM NS ZO NS Z0 NS NM NM NS NS Z0 ZO ZO NS NS NS NS NS Z0 P S Z 0 Z 0 Z 0 Z 0 Z 0 Z 0 Z0 PM PB NS NS P S PS PS PB P B P B NM NM P M P S P S P B 一 2 7一 蕃一 要 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 级 负大 N B 、 负中 N M 、 负／ J , N S 、 零 z o 、 正大 P B 、 正中 P M 、 正小 P S 。 3 ． 2 仿真与试验分析 根据 实机测量估计 ， 取时 间常数 b 0 ． 2 S ， 液压 缸固有频率 to h 2 9 6 r a d ／ s ， 有效面积A 1 ． 8 1 0 。 。 m ， 阻尼 比 O ． 0 7，增益 K。 K o 2 ． 81 0 m。 S A ， 在 MA T L A B中应用 t r u e t i me工具箱建立 网络控制系 统仿真模型 图5 a 。 通过 z N法 Z i e g l e r N i c h o l s 整定法 整定得到 P I D初始参数为 ／ G 2 o o ， K i 0 ． 1 5 ， K d 0 ．5 。 综合考虑系统稳定性、 响应速度、 稳态精 度和超调量 ，通过试错法 ，取 △ ／ G 一 1 0 01 0 0 ； △ K i 一 0 ． 1 5 ～ 0 ． 1 5 ； A K d 一 0 ．5 ～ 0 ．5 。 系统阶跃响应仿 真结果如 图 5 b 所示 ， 可见 ， 模糊 P I D比 z N整定 P I D有更快的响应速度 ， 响应特性更好。 控制 器节 点 a 系统仿真 S I MU L I N K模型 时 间 ／ s b 仿真结果 图 5 模糊 P I D与 Z N整定 P I D仿真对比 试验样机如图 6 a 所示， 电液比例阀作为挖掘 机工作装置的先导控制模块包括 4 对比例减压阀； 电控箱集成了 P L C、总线接 口及无线路 由器 。在客 户端计算机建立上述控制算法， 对挖掘臂铲斗关节 一 28一 进行阶跃响应试验 。如图 6 b 所示 ， 试验与上述仿 真分析结果基本一致 ， 响应初始时刻 前 2 S 两种控 制方法动态特性相当， 但在响应后段模糊 P I D动态 特性明显改善 ， 响应速度更快 。这进一步证 明了采 用模糊 P I D控制比z N整定 P I D响应性能好， 能有 效满足基于网络控制系统的液压挖掘机伺服控制 。 ／． 、 0 越 a 试验样机 时间 b 试验结果 图 6 模糊 P I D与 Z N整定 P I D试验对比 4 结论 基于 网络 的伺服控制 系统 已成为未来工业控 制发展趋势 ， 它实现方便 ， 开放性好 ， 易于操作 ， 如 本文所采用的移动自组网，还具有远程操控能力。 本文有效地将现场控制网与无线通信网结合 ， 应用 于挖掘机工作装置伺服控制 。通过移动 自组 网与 C A N总线构成的挖掘机网络控制系统， 可控制挖掘 机在一些特殊环境下 自主作业 ， 如战地排雷 、 核废 物处理、 化工废物处理等。 采用模糊 P I D控制器 ， 有效地克服了挖掘机 电 液伺服系统 的非线性和 网络控制系统 引入 的时延 等问题， 具有理论与应用参考价值。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参考文献 [ 1 ]Y a n J u n ， L i B o ， T u Q u n z h a n g ， e t a1 ． A u t o m a t i z a t i o n o f e x c a v a t o r a n d s t u d y of i t s a u t o c o n t rol 【 C ] ／ r r h i r d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Me a s u r i n g Te c h n o l o g y a n d Me c h a t r o n i c s A u t o m a t i o n ， S h ang h a i ， C h i n a ， 2 0 1 1 1 6 0 4 6 0 9 ． [ 2 ]S anj i v S ． T h e s t a t e o f t h e 叫 i n a u t o ma t i o n o f e a r t h mo v i n g [ J ] ． J o u rnal of A e r o s p a c e E n g i n e e ri n g ． 1 9 9 7 ， 1 0 4 1 - 2 9 ． [ 3 ]B R A D L E Y D A， S E WAR D D W． T h e d e v e l o p me n t ， c o n t r o l a n d o p e r a t i o n o f an a u t o n o mo u s r o b o t i c e x c a v a t o r [ J ] ． J o u r n a l of I n t e l l i g e n t and R o b o ti c S y s t e m ， 1 9 8 8 2 1 7 3 - 9 7 ． [ 4 ]S t e n t z A， B a r e s J ， S i n g h S ． R o w e P ， e t a 1 ． A rob o t i c e x c a v a t o r f o r a u t o n o m o u s t r u c k l o a d i n g【 C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f the 1 9 9 8 I E EE J R S J I n t 1 ． C o n f e r e n c e o n I n t e l l i g e n t Ro b o t s a n d S y s t e ms Vi c t o ri a ， B ． C， C a n a d a Oc t o b e r 1 9 9 8 ． [ 5 】 HA Q P ， S A N r 0 S M， N G U YE N Q， e t a 1 ． R o b o ti c e x c a v a t i o n i n c o n s t r u c t i o n a u t o m a t i o n【 J 】 ． I E E E R o b o t i c A u t o m a t i o n Ma g a z i n e ， 2 0 0 2 ， 2 1 2 O 一 2 8 ． [ 6 ] 郭刚， 龚烈航． 液压挖掘机工作装置斗齿轨迹的控制[ J 】 ． 工程机械， 1 9 9 8 6 1 l 一 1 2 ． [ 7 ]Y u H， L i u Y， Ha s an M S ． R e v i e w o f mo d e l i n g a n d r e m o t e c o n t r o l f o r e x c a v a t o r s 叨． I n t ．J ．A d v anc e d M e c h a t r o n i c S y s t e ms ， 2 0 1 0 2 6 8 8 0 ． [ 8 】L e D H， K y o u n g K A， N g u y e n B K， e t a 1 ．T r a j e c t o r y c o n t r o l of e l e c tr o - h y d r a u l i c e x c a v a t o r u s i n g f u z z y s e l f t u n i n g al g o ri t h m w i th n e u r al n e t w o r k Ⅱ ] ． J o u mal o f Me c h ani c al S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy ， 2 0 0 9 2 3 1 4 9 1 6 0 ． [ 9 ]王岩， 孙增圻． 网络控制系统分析与设计【 M ] ． 北京 清华 大学出版社， 2 0 0 9 ． 【 l O l Z h a o Z Y， T o m i z u k a M， I s a k a S ． F u z z y g a i n s c h e d u l i n g of P I D c o n t r o l l e rs [ J ] ． I E E E T r ans a c ti o n s o n F u z z y S y s t e m s ， M a n ， a n d ， C y b e rne ti c s ． 1 9 9 3 ， 2 3 5 1 3 9 2 1 3 9 8 ． 【 1 1 】涂群章， 龚烈航． 挖掘机工作装置模糊参数自整定 P I D 控制【 J 】 ． 矿山机械， 1 9 9 9 1 1 3 4 3 6 ． 通信地址南京市白下区海富巷 1号解放军理工大学工程 兵学院研究生六队 2 1 0 0 0 7 收稿日期 2 0 1 1 - 1 2 0 5 气动人工肌肉仿生行走机构模糊 P I D控制 刘志成 ， 孙大刚 ， 梁建宗 。 1 ． 太原科技大学机械工程学院； 2 ． 四川成都成工工程机械股份有限公司 摘要 以D MS P型人工气动肌腱为履带式工程车辆行走机构的缓冲执行器， 建立四自由度 行走机构主动缓冲减振模型； 以白噪声模拟路面输入， 采用模糊 P I D控制对仿生行走机构的减振特 性进行研究。 并以悬架加速度和位移的最大值、 最小值、 标准差 3项指标进行对比分析。 仿真结果表 明， 在选定的 3种工况下， D M S P型人工气动肌腱缓冲仿生行走机构可显著减小路面激励对悬架的 振动冲击， 提高了整车的减振性能。 关键词 仿生行走机构； 人工气动肌腱 ； 模糊 P I D控制； 减振 履带式工程车辆作业环境恶劣 ， 传统行走机构 缓冲减振器其减振效果有 限， 悬架会受到剧烈 的振 动冲击。主动式仿生缓冲行走机构可随外界 冲击载 荷的不同作自适应调整 ，提高整车的减振性能， 具 有广泛的应用前景。 D M S P型气动人工肌肉是一种新型仿生气动执 行机构， 该机构由一根包裹着特殊纤维格栅网的橡 胶套筒与两端连接接头组成。其工作原理是 ， 充气 后其橡胶管产生径向膨胀并轴向收缩， 从而产生轴 向拉力， 而放气时则无轴向力的产生， 该机构是一 种单 向主动力输 出机构 ；气动人工肌 肉 P n e u ma i c A r t i fi c i a l Mu s c l e ， 以下缩写 为 P A M ， 与其它 主动执 行机构相 比具有 以下特点【 输出力 ／自重 比大 拉 伸力是 同直径普通气缸 的 1 0倍 ； 结构 简单 ， 质量 轻 ； 动态特性好； 无黏着、 滑动现象； 刚度可变、 气流 量小 ； 强非线性 。 以 P A M为履带式工程车辆行走机构的缓冲执 行器 ，主动力 的调节具有很强 的非线性和时变性 ， 基金项目 教育部高等学校博士点基金项 目 2 0 0 8 0 1 0 9 0 0 0 1 作者简介 刘志成 1 9 8 5 一 ， 男 ， 安徽淮南人 ， 在读硕士， 研究方向 工程车辆振动与噪声的阻尼控制。 一 29 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m