【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. 。 將這些控制技術應用在其它結構的機器上，如履帶式起重機，能使普通結構的機器改進成為可讓任何人容易操控的機器。同時也證實了非線性補 償能使普通控制閥應用在自動控制系統(tǒng)中。在控制精度方面沒有發(fā)現(xiàn)與不加載荷時有很大的不同。 因此，考慮到計算精度，控制系統(tǒng)選定控制間隔為 50ms。 控制間隔的作用 關于控制操作的控制間隔的作用，研究結果如下： 100ms 時，不穩(wěn)定振蕩因運動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 米時水平動作結果。 位置的補償作用 當反鏟處在上升位置或者反鏟動作完成時，反鏟水平動作趨于不穩(wěn)定。采用第 節(jié)所描述的斗柄臂桿前饋控制能減少錯誤而不致于增大 Kp。 反鏟水平控制測試 在不同的控制和操作位置下進行控制測驗，觀察其控制特性，同時確定最優(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，響應的穩(wěn)定性得到改進。 狀態(tài)反饋控制的作用 對于斗柄和鏟斗，只需位置反饋就可獲得穩(wěn)定響應，但是增加加速度或壓力反饋能提高響應速度 。因為電液系統(tǒng)存在不靈敏區(qū)，當只有簡單的位置反饋而無補償時（圖11 中的關）穩(wěn)態(tài)錯誤仍然存在。的梯度從最初始值開始改變其參考角度值，測量其反應，從而確定第 3 節(jié)所描述的控制算法的作用。 單個組件的自動控制測試 對于動臂、斗柄、鏟斗每一組件，以 177。 7 現(xiàn)場試驗結果與分析 通過對系統(tǒng)進行現(xiàn)場試驗，證實該系統(tǒng)能準確工作。 （ 3）手控操作模式：當 既沒有選擇反鏟水平動作模式，也沒有選擇鏟斗水平舉升模式時，動臂，斗柄，鏟斗都只能通過手動操作。 （ 2）鏟斗水平舉升模式：用鏟斗水平舉升切換開關，在手控動臂舉升操作中，系統(tǒng)自動控制鏟斗。在這種情況下，當斗柄操作桿開始操控時，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，能接收來自動臂、斗柄、鏟斗傳感器的角度輸入信號，控制每一操作手柄的位置，選擇相應的控制模式和計算其實際改變量，將來自放大器的信號以電信號形式輸出結果。這一節(jié)將討論該控制系統(tǒng)的結構與功能。圖 9 表示使用前饋控制能減少控制錯誤的產(chǎn)生 . 6 半自動控制系統(tǒng) 建立在模擬實驗的基礎上，半自動控制系統(tǒng)已制造出來，應用在 SK16 型挖掘機上試驗。）圖 8 表示其中一組結果。 5 模擬實驗結論 反鏟 水平動作控制的模擬實驗是將本文第 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的模型上。為了解決這個難題，根據(jù)位置的自適應增益調(diào)度并入反饋環(huán)中（圖 6）。 根據(jù)位置自適應增益調(diào)度 類似液壓挖掘機的鉸接式機器人，其動態(tài)特性對位置非常敏感。通過調(diào)整改變前饋增益 Kff，可實現(xiàn)最佳的前饋率。 前饋控制 由圖 1 計算 Z，可以得到 將方程（ 8）兩邊對時間求導，得到以下關系式， 右邊第一個式子看作是表達式（反饋部分）將 替換成 1，右邊第二個式子是表達式（前饋部分）計算當 θ2手動地改變時， θ1的改變量。例如，如圖 6 所示，在反鏟水 平動作控制中，動臂的控制是通過保持斗柄底部 Z（由 θ1與 θ2計算所得）與 Zr 的高度。這就是所謂的壓力反饋。為了避免這個問題，改用液壓缸力反饋取代加速度反饋（圖 4 的下環(huán)）?？梢?，利用加速度反饋來提高反應特性效果明顯。例如，大型液壓挖掘機 SK16 中。同時，非線性是可以補償?shù)模▓D5）。這一類閥中，閥芯的位移與閥的開度是非線性的關系。 非線性補償 在普通的自動控制系統(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； 是時間常數(shù)。 滑閥的反應特性 滑閥動作對液壓挖掘機的控制特性產(chǎn)生會很大的影響。 連桿關系 在圖 1 所示模型中，液壓缸長度改變率與桿臂的旋轉角速度的關系如下： (1)動臂 (2)斗柄 (3)鏟斗 當 時， 扭矩關系 從 節(jié)的連桿關系可知，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 。 在這個問題上，對于每一臂桿組件，從液壓缸的壓力流量特性可得出以下方程： 當 時； 其中， Ai是液壓缸的有效橫截面積 。 ?？勺魅缦录僭O： 。依次表示動臂，斗柄，鏟斗 )。模型的具體描述如下。 2．液壓挖掘機的模型 為了研究液壓挖掘機的控制算法 ,必須分析液壓挖掘機的數(shù)學模型。而且我們已采用這種控制算法，設計出了液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng)。 2. 液壓挖掘機必須補償其動態(tài)特性以提高其控制精度。 開發(fā)這種半自動控制系統(tǒng)，必須解決以下兩個技術難題。 如果司機只要操控一 個操作桿，而其它自由桿臂自動的隨動動作，操作就變得非常簡單。 例如，液壓挖掘機的反鏟水平動作，必須同時操控三個操作手柄（動臂，斗柄，鏟斗）使鏟斗的頂部沿著水平面（圖 1）運動。 ，至少有兩個操作手柄必須同時操作并且要協(xié)調(diào)好。開發(fā)出一種讓任何人都能容易操控的液壓挖掘機就非常必要了 [15]。采用這種機器進行挖掘和裝載操作，要求司機要具備高水平的操作技能，即便是熟練的司機也會產(chǎn)生相當大的疲勞。依照此法，可通過正反饋及前饋控制、非線性補償、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。 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. Takeda, Automatic control in construction machines, Journal of SICE 21 8 1982 40–46. [2] H. Nakamura, A. Matsuzaki, Automation in construction machinery, Hitachi Review 57 3 1975 55–62. [3] T. Nakano et al., Development of large hydraulic excavator,. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review 22 2 1985 42–51. [4] T. Morita, Y. Sakawa, Modeling and control of power shovel, Transactions of SICE 22 1 1986 69–75. [5] H. Araya et al., Automatic control system for hydraulic excavator, Ramp。el crowding control test Control tests were conducted under various controland ope