装载机自主铲掘作业位置控制系统仿真研究

【摘要】：装载机作为工程机械的典型代表，在矿山、建筑业等领域中有着重要的地位。为了提高工作效率、减轻操作者劳动强度以及适用于在十分恶劣的环境或无法接近的场所中作业，装载机机器人化无疑是未来的发展方向。对装载机工作装置的运动控制是实现自动铲掘的基础，因此，本文以HT-25J型装载机的工作装置为研究对象，对其自主铲掘作业位置控制系统进行了一些研究，主要完成以下五个方面工作： (1)根据经验和有关文献，以确保铲掘作业在最少时间内完成同样的铲斗装载率为条件，给出较理想的曲线铲掘作业轨迹方程。采用D-H法建立装载机工作装置的运动学模型，推导铲掘轨迹由直角坐标空间向关节空间转换以及由关节空间向驱动空间转换。借助MATLAB进行编程，得到车体速度、动臂油缸和转斗油缸驱动方程的轨迹规划。 (2)应用三维软件Pro/E建立装载机工作装置的几何模型，再利用MATLAB/SimMechanics工具箱建立工作装置的物理模型。在SimMechanics模型中，输入轨迹规划所求得的车体速度、动臂油缸位移和转斗油缸位移三个信号进行运动仿真，得到装载机铲掘作业铲斗齿尖轨迹图，结果与期望轨迹基本吻合，验证了轨迹规划的正确性。 (3)根据电液比例控制技术，设计了以电液比例方向阀为核心元件的装载机工作装置液压控制系统。通过对系统各环节的分析，推导每个环节的数学模型，得到位置控制系统的开、闭环传递函数。对系统进行阶跃信号的响应仿真，发现系统具有时变性和非线性，且有微小的振荡，为位置控制器设计打下基础。 (4)根据设计的装载机工作装置液压系统，应用MATLAB/SimHydraulics工具箱建立工作装置的液压物理模型。在此基础上，结合PID控制和模糊控制的优点，设计出合理的模糊自适应PID控制器用于工作装置位置控制系统中。在MATLAB里的仿真结果表明，动臂油缸和转斗油缸都能按给定的轨迹运动，位移误差控制在0.5mm内，跟踪效果好，有较强的适应性和鲁棒性。 (5)综合MATLAB/SimMechanics里建立的装载机机械模型、MATLAB/SimHydraulics里建立的工作装置液压模型和Simulink里搭建的液压系统位置控制器模型，建立装载机工作装置机电液一体化仿真模型。通过MATLAB软件，在Simulink环境下对装载机自主铲掘作业进行仿真，得到直观的装载机铲掘过程动画，并显示铲斗的轨迹，与期望轨迹吻合，验证了整个系统的合理性，对装载机机器人化改造具有一定的借鉴意义。