【正文】 D Kobe Steel Engineering Reports 37 2 1987 74–78. [6] . Vaha, . Skibniewski, Dynamic model of excavator, Journal of Aerospace Engineering 6 2 1990 April. [7] H. Hanafusa, Design of electrohydraulic servo system for articulated robot, Journal of the Japan Hydraulics and Pneumatics Society 13 7 1982 1–8. [8] . Kuntze et al., On the modelbased control of a hydraulic large range robot, IFAC Robot Control 1991 207–212. 。 將這些控制技術(shù)應(yīng)用在其它結(jié)構(gòu)的機(jī)器上，如履帶式起重機(jī)，能使普通結(jié)構(gòu)的機(jī)器改進(jìn)成為可讓任何人容易操控的機(jī)器。同時(shí)也證實(shí)了非線性補(bǔ) 償能使普通控制閥應(yīng)用在自動(dòng)控制系統(tǒng)中。在控制精度方面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與不加載荷時(shí)有很大的不同。 因此，考慮到計(jì)算精度，控制系統(tǒng)選定控制間隔為 50ms。 控制間隔的作用 關(guān)于控制操作的控制間隔的作用，研究結(jié)果如下： 100ms 時(shí)，不穩(wěn)定振蕩因運(yùn)動(dòng)的慣性隨位置而加劇。圖 14 表示其作用，表明反鏟在離地大約 2 米時(shí)水平動(dòng)作結(jié)果。 位置的補(bǔ)償作用 當(dāng)反鏟處在上升位置或者反鏟動(dòng)作完成時(shí)，反鏟水平動(dòng)作趨于不穩(wěn)定。采用第 節(jié)所描述的斗柄臂桿前饋控制能減少錯(cuò)誤而不致于增大 Kp。 反鏟水平控制測(cè)試 在不同的控制和操作位置下進(jìn)行控制測(cè)驗(yàn)，觀察其控制特性，同時(shí)確定最優(yōu)控制參數(shù)（如圖 6 所示的控 制放大系數(shù)）。加入加速度或壓力反饋后，響應(yīng)的穩(wěn)定性得到改進(jìn)。 狀態(tài)反饋控制的作用 對(duì)于斗柄和鏟斗，只需位置反饋就可獲得穩(wěn)定響應(yīng)，但是增加加速度或壓力反饋能提高響應(yīng)速度 。因?yàn)殡娨合到y(tǒng)存在不靈敏區(qū)，當(dāng)只有簡(jiǎn)單的位置反饋而無(wú)補(bǔ)償時(shí)（圖11 中的關(guān)）穩(wěn)態(tài)錯(cuò)誤仍然存在。的梯度從最初始值開(kāi)始改變其參考角度值，測(cè)量其反應(yīng)，從而確定第 3 節(jié)所描述的控制算法的作用。 單個(gè)組件的自動(dòng)控制測(cè)試 對(duì)于動(dòng)臂、斗柄、鏟斗每一組件，以 177。 7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與分析 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證實(shí)該系統(tǒng)能準(zhǔn)確工作。 （ 3）手控操作模式：當(dāng) 既沒(méi)有選擇反鏟水平動(dòng)作模式，也沒(méi)有選擇鏟斗水平舉升模式時(shí)，動(dòng)臂，斗柄，鏟斗都只能通過(guò)手動(dòng)操作。 （ 2）鏟斗水平舉升模式：用鏟斗水平舉升切換開(kāi)關(guān)，在手控動(dòng)臂舉升操作中，系統(tǒng)自動(dòng)控制鏟斗。在這種情況下，當(dāng)斗柄操作桿開(kāi)始操控時(shí)，其參考位置是從地面到斗柄底部的高度。其具體功能如下。 以上處理后的數(shù)據(jù)都存在存儲(chǔ)器上，可以從通信端口中讀出。 為獲得高速度、高精度控制，在控制器上采用數(shù)字處理芯片，傳感器上使用高分辨率的磁編碼器。 控制器是采用 16 位 的微處理器，能接收來(lái)自動(dòng)臂、斗柄、鏟斗傳感器的角度輸入信號(hào)，控制每一操作手柄的位置，選擇相應(yīng)的控制模式和計(jì)算其實(shí)際改變量，將來(lái)自放大器的信號(hào)以電信號(hào)形式輸出結(jié)果。這一節(jié)將討論該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。圖 9 表示使用前饋控制能減少控制錯(cuò)誤的產(chǎn)生 . 6 半自動(dòng)控制系統(tǒng) 建立在模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，半自動(dòng)控制系統(tǒng)已制造出來(lái)，應(yīng)用在 SK16 型挖掘機(jī)上試驗(yàn)。）圖 8 表示其中一組結(jié)果。 5 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論 反鏟 水平動(dòng)作控制的模擬實(shí)驗(yàn)是將本文第 4 節(jié)所描述的控制算法用在本文第 2 節(jié)所討論的液壓挖掘機(jī)的模型上。為了解決這個(gè)難題，根據(jù)位置的自適應(yīng)增益調(diào)度并入反饋環(huán)中（圖 6）。 根據(jù)位置自適應(yīng)增益調(diào)度 類似液壓挖掘機(jī)的鉸接式機(jī)器人，其動(dòng)態(tài)特性對(duì)位置非常敏感。通過(guò)調(diào)整改變前饋增益 Kff，可實(shí)現(xiàn)最佳的前饋率。 前饋控制 由圖 1 計(jì)算 Z，可以得到 將方程（ 8）兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到以下關(guān)系式， 右邊第一個(gè)式子看作是表達(dá)式（反饋部分）將 替換成 1，右邊第二個(gè)式子是表達(dá)式（前饋部分）計(jì)算當(dāng) θ2手動(dòng)地改變時(shí)， θ1的改變量。例如，如圖 6 所示，在反鏟水 平動(dòng)作控制中，動(dòng)臂的控制是通過(guò)保持斗柄底部 Z（由 θ1與 θ2計(jì)算所得）與 Zr 的高度。這就是所謂的壓力反饋。為了避免這個(gè)問(wèn)題，改用液壓缸力反饋取代加速度反饋（圖 4 的下環(huán)）。可見(jiàn)，利用加速度反饋來(lái)提高反應(yīng)特性效果明顯。例如，大型液壓挖掘機(jī) SK16 中。同時(shí)，非線性是可以補(bǔ)償?shù)模▓D5）。這一類閥中，閥芯的位移與閥的開(kāi)度是非線性的關(guān)系。 非線性補(bǔ)償 在普通的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常使用如伺服閥這一類新的控制裝置。為了獲得更精確的控制，非線性補(bǔ)償和 狀態(tài)反饋均加入位置反饋中。 其中， 是滑芯位移的參考輸入； 是時(shí)間常數(shù)。 滑閥的反應(yīng)特性 滑閥動(dòng)作對(duì)液壓挖掘機(jī)的控制特性產(chǎn)生會(huì)很大的影響。 連桿關(guān)系 在圖 1 所示模型中，液壓缸長(zhǎng)度改變率與桿臂的旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系如下： (1)動(dòng)臂 (2)斗柄 (3)鏟斗 當(dāng) 時(shí)， 扭矩關(guān)系 從 節(jié)的連桿關(guān)系可知，考慮到液壓缸的摩擦力，提供的扭矩 τi如下 其中， Cci是粘滯摩擦系數(shù) 。Xi是滑芯的位置； Psi是供給壓力 。 在這個(gè)問(wèn)題上，對(duì)于每一臂桿組件，從液壓缸的壓力流量特性可得出以下方程： 當(dāng) 時(shí)； 其中， Ai是液壓缸的有效橫截面積 。 ?？勺魅缦录僭O(shè)： 。依次表示動(dòng)臂，斗柄，鏟斗 )。模型的具體描述如下。 2．液壓挖掘機(jī)的模型 為了研究液壓挖掘機(jī)的控制算法 ,必須分析液壓挖掘機(jī)的數(shù)學(xué)模型。而且我們已采用這種控制算法，設(shè)計(jì)出了液壓挖掘機(jī)的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。 2. 液壓挖掘機(jī)必須補(bǔ)償其動(dòng)態(tài)特性以提高其控制精度。 開(kāi)發(fā)這種半自動(dòng)控制系統(tǒng)，必須解決以下兩個(gè)技術(shù)難題。 如果司機(jī)只要操控一 個(gè)操作桿，而其它自由桿臂自動(dòng)的隨動(dòng)動(dòng)作，操作就變得非常簡(jiǎn)單。 例如，液壓挖掘機(jī)的反鏟水平動(dòng)作，必須同時(shí)操控三個(gè)操作手柄（動(dòng)臂，斗柄，鏟斗）使鏟斗的頂部沿著水平面（圖 1）運(yùn)動(dòng)。 ，至少有兩個(gè)操作手柄必須同時(shí)操作并且要協(xié)調(diào)好。開(kāi)發(fā)出一種讓任何人都能容易操控的液壓挖掘機(jī)就非常必要了 [15]。采用這種機(jī)器進(jìn)行挖掘和裝載操作，要求司機(jī)要具備高水平的操作技能，即便是熟練的司機(jī)也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的疲勞。依照此法，可通過(guò)正反饋及前饋控制、非線性補(bǔ)償、狀態(tài)反饋和增益調(diào)度等各種手段獲得較高的控制精度和穩(wěn)定性能。采用該系統(tǒng)，即使是不 熟練的操作者也能容易和精確地操控液壓挖掘機(jī)。 and 2. when the control interval is less than 50 ms, control performance cannot be improved so much. Consequently, taking calculation accuracy into account, the control interval of 50 ms was selected for this control system. . Effects of load A shovel with this control system carried out actual digging to investigate the effects of loading. No significant difference was found in control accuracy from that at no load. 8. Conclusions This paper has shown that bining state feedback and feedforward controls makes it possible to accurately control the hydraulic shovel, and also showed that nonlinear pensation makes it possible to use ordinary control valves for automatic controls. The use of these control techniques allows even unskilled operators to operate hydraulic shovels easily and accurately. We will apply these control techniques to other construction machinery such as crawler cranes, and improve the conventional construction machinery to the machines which can be operated easily by anyone. References [1] J. Chiba, T. 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