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液压挖掘机工作装置运动控制研究

张大庆  
【摘要】: 液压挖掘机的智能化和机器人化已经成为国内外的研究热点,并开始在实际应用中逐渐显现其优势。正是在这样的背景下,结合国家863课题,论文以实现挖掘机器人工作装置的精确运动控制为目的,对挖掘机器人工作装置机构的运动学、动力学及其电液比例系统进行建模,并展开了对其电液比例系统基于CARIMA模型的辨识、预测与控制的理论研究,最后将研究的理论结果应用于挖掘机工作装置这一实际对象中。主要工作如下: 论述了国内外挖掘机工作装置运动控制的研究现状,根据本文的研究需要确定了挖掘机器人功能要求和总体方案,并完成试验挖掘机器人样机的研制。 建立挖掘机器人工作装置运动学和动力学模型,并对挖掘机器人工作装置的运动学和动力学问题编制了Matlab程序,给出了仿真结果;利用试验与理论相结合的方法建立了挖掘机器人工作装置的三维实体模型,并在ADAMAS中进行了仿真,其结果与在Matlab中的仿真结果相吻合。 针对后文中对运动控制研究的需要,在笛卡儿空间对挖掘机器人工作装置进行了水平直线、斜线、垂直线及弧线的运动规划,并给出相关的仿真结果。 分析了挖掘机器人所采用的LUDV负荷传感液压系统的工作原理,并给出其流量方程,而后应用液压系统的基本方程,对挖掘机器人工作装置的电液比例系统进行了机理建模,并结合工程实际和试验结果,获得了其简化模型,确定上述模型中关键参数的估算方法和公式;并推导出了模型四种表达式:连续时间输入输出传递函数、连续时间状态空间表达式、离散时间状态空间模型和离散时间输入输出模型,为后文的仿真及控制研究奠定了基础。 分别进行了挖掘机器人工作装置的2自由度、3自由度PID控制研究和基于模型参考自适应控制研究,给出了相关的理论推导和试验结果,结果表明PID控制策略仅在铲斗末端速度不超过136mm/s时满足控制精度要求,而后者虽然在速度上有较大提高,但在跟踪斜线及其它复杂轨迹时精度不高。 针对上文研究中的不足,采用基于对模型参数进行在线辨识的自校正控制器作为挖掘机器人工作装置运动控制的控制策略;首先,推导出一种适合挖掘机器人工作装置电液比例系统CARIMA模型的最小二乘法参数估计算法,这种算法是由带遗忘因子的渐消记忆法与增广矩阵法相结合而成的,利用Matlab编程分别进行仿真研究,结果表明算法是有效的。 其次,导出挖掘机器人工作装置电液比例系统CARIMA模型的第j步预测算法,得到相应的递推算法,由此得出自适应预测控制律及相应控制算法的设计步骤;对非线性系统和挖掘机器人工作装置电液比例系统的自适应预测控制分别进行了仿真研究,结果表明了该控制策略的有效性;而且更重要的是,在仿真中,针对挖掘机工作装置电液比例系统设计出变加权系数的自适应预测控制;而在后文的试验中,正是通过这种控制才实现了对挖掘机工作装置较高精度的运动控制。 最后,为了检验上述的理论研究,对所设计的控制算法进行试验研究,试验结果表明,不论是单一运动轨迹,还是复合运动轨迹,使用论文中所设计的自适应预测控制算法,都能实现对运动轨迹精确的跟踪,其控制误差在100mm以内,论文还将研究的算法运用到实际项目中,收到良好效果,无疑证明了所采用的控制策略的正确性和有效性;总之,论文为挖掘机器人工作装置的运动控制提供了一套系统完整的理论和方法,具有较高的推广价值。


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