挖掘機工作裝置的模糊控制及實驗研究

張孝天

摘 要：液壓挖掘機因其高性價比、高適應性等特點，已結成為應用最為廣泛的一類土石方施工設備。然而目前在我國普遍使用的液壓挖掘機絕大多數靠操作工手動操作，這種作業方式耗費大量的人力、物力，并且難以保證高精度的作業質量。

關鍵詞：挖掘機；工作裝置；模糊控制；實驗研究

礦用液壓挖掘機的工作裝置由動臂、斗桿、連桿和鏟斗組成，屬于典型的復雜機電液系統，受液壓伺服系統的本質非線性、系統的參數不確定性、系統的機械諧振及未建模動態等因素影響，液壓挖掘機工作裝置運動的精確控制較為困難，所以眾多學者采用模糊控制等智能控制策略來解決該問題。

一、挖掘機工作裝置軌跡描述

軌跡控制要求是保證工作裝置空間回轉軌跡越過環境障礙，到達卸土位置和返回新的挖掘位置。軌跡控制方法符合操作者的控制經驗，避免執行元件過多的調整，控制量選為工作裝置最低點的高度和轉臺回轉角度。

二、挖掘機工作裝置的模糊控制

（一）模糊變量確定。挖掘機工作裝置軌跡模糊變量包括以下兩種：第一，液壓油缸工作速度V。液壓油缸工作速度V由線位移傳感器測的位移l（t）求得，即：；第二，液壓閥開度。液壓閥開度為操縱控制量，根據控制電壓的值確定，即：，式中u（t）為控制電壓的值，U為控制電壓范圍。

（二）控制策略。挖掘機工作裝置最低點的高度由斗桿控制單元、動臂控制單元共同實現或單獨實現。從結構特性和運動特性分析，動臂油缸伸縮與工作裝置回轉高度增減相對應，油缸伸出，動臂抬升，工作裝置回轉高度增加；反之，降低。而斗桿油缸的伸縮有斗桿與動臂所處的相對位置有關，如圖1所示，其控制策略的確定要考慮這一問題。

斗桿油缸的伸縮與回轉高度的關系如下：時，斗桿油缸伸出增加，斗桿油缸收縮減小；時，斗桿油缸伸出減小，斗桿油缸收縮增加。當動臂控制單元可實現預定的軌跡高度時，動臂單元完成；當斗桿控制單元可實現預定的軌跡高度時，斗桿單元完成；當單一控制單元不能實現預定的軌跡高度時，動臂單元和斗桿單元共同完成。

（三）參量間模糊關系分析。第一，根據預定軌跡采樣結果，確定分速度。根據預定軌跡采樣結果，確定分速度，即確定兩個分速度間的模糊比例關系。模糊變量為垂直方向速度、轉臺回轉角速度；第二，根據分速度，確定動臂角速度。最低點的速度，其中為到動臂鉸點距離LD0與水平方向夾角，從而可確定動臂角速度。到動臂鉸點距離LD0和角可通過檢測系統獲得，垂直方向速度為推理確定的值；第三，根據動臂角速度，確定油缸線速度。模糊變量為：動臂角速度、油缸線速度；第四，根據油缸線速度，確定閥的開度（控制電壓）。模糊變量為：油缸線速度、閥的開度U。

三、挖掘機工作裝置的實驗研究

為驗證所提出的模糊控制方法和由此方法構成的控制系統的控制效果，進行了實測和仿真實驗。圖2和圖3為空間軌跡正弦跟蹤實驗結果，圖4和圖5為空間軌跡梯形軌跡跟蹤實驗結果，軌跡跟蹤效果良好。控制電壓的時間歷程表明，在軌跡跟蹤過程中，動臂和斗桿油缸實現了相互協調。回轉速度根據動臂的運動要求自動調整，證明提出的速度間模糊協調控制方法是可行有效的。

四、結語

綜上所述，仿真和實驗結果表明，空間軌跡控制中，動臂油缸與回轉馬達的協調控制模糊方法可行有效，可以提高液壓挖掘機工作裝置控制的自動化出程度。

參考文獻：

[1]韋贊洲.CLG920C挖掘機工作裝置軌跡控制系統研究[D].浙江大學，2013.endprint