液壓挖掘機(jī)工作裝置運動軌跡的智能化模糊控制

聯(lián)液壓挖掘赴機(jī)工作裝書置運動軌次跡的智能評化模糊控閱制摘要：本文介紹用微機(jī)控制液壓挖掘機(jī)作業(yè)運動的原理及工作裝置，應(yīng)用模糊控制算法，通過微機(jī)控制電液系統(tǒng)，使驅(qū)動元件的動作跟蹤工作機(jī)構(gòu)的運動，從而實現(xiàn)工作裝置的運動軌跡控制。關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)運動軌跡模糊控制液壓挖掘機(jī)是一種在土建施工中廣泛應(yīng)用的土方機(jī)械。其工作過程常伴有強(qiáng)烈的振動、噪聲、粉塵等，駕駛員常處于高度緊張狀態(tài)下操作，勞動強(qiáng)度大，極易疲勞。近年來，隨著施工機(jī)械化迅速發(fā)展，越來越迫切需要實現(xiàn)挖掘機(jī)作業(yè)操作的自動化、智能化。液壓挖掘機(jī)的機(jī)械液壓系統(tǒng)具有較大的慣性質(zhì)量，包含許多非線性因素，動態(tài)特性變化大且不穩(wěn)定，在施工中每一具體操作的內(nèi)容和要求都不確定，很難形成一定規(guī)律，對駕駛員的操作技能要求較高。因此，實現(xiàn)挖掘機(jī)作業(yè)的自動化，并不是僅靠簡單動作的自動化和順序控制就能實現(xiàn)的。采用一般的控制算法是很難滿足控制要求的，需要將各種控制技術(shù)綜合應(yīng)用。為了使挖掘機(jī)能達(dá)到熟練駕駛員的判斷能力和作業(yè)效果，本文將模糊控制理論應(yīng)用于挖掘機(jī)軌跡控制中，將反映熟練駕駛員的操縱規(guī)律作為控制算法輸入計算機(jī)，通過模糊推理控制，達(dá)到熟練駕駛員的作業(yè)水平。1液壓挖掘機(jī)的工作裝置以我校機(jī)電一體化實驗室的液壓挖掘機(jī)模型為例。其工作裝置的結(jié)構(gòu)見圖1，液壓及電液控制原理圖見圖2。1．工作臺2．動臂液壓缸3．動臂4．斗桿液壓缸5．斗桿6．鏟斗液壓缸7．鏟斗圖11．控制器2．電液控制器3．斗桿角位移傳感器4．鏟斗液壓缸5．斗桿液壓缸6．動臂液壓缸7．動臂角位移傳感器圖2鏟斗齒尖的運動軌跡由動臂、斗桿、鏟斗三個桿件的復(fù)合運動合成。齒尖軌跡的每一位置都可由動臂相對轉(zhuǎn)臺、斗桿相對動臂、鏟斗相對斗桿的轉(zhuǎn)角來唯一表示［1］，齒尖的運動軌跡控制可通過對這三個角度的控制來實現(xiàn)。本實驗裝置中，動臂相對轉(zhuǎn)臺的鉸點，斗桿相對動臂的鉸點上分別安裝了角位移傳感器，用以檢測其各個時刻的位置轉(zhuǎn)角。由于經(jīng)費問題，本裝置在控制過程中僅對動臂、斗桿進(jìn)行控制，將鏟斗鎖死。通過編程計算或人工示教的方式，可獲得對應(yīng)于齒尖的任意運動軌跡的動臂和斗桿的角度序列，且對應(yīng)于齒尖的一定運動軌跡，動臂和斗桿的各位置角度間存在一定的函數(shù)關(guān)系。例如，當(dāng)完成直線水平挖掘時，動臂的相對位角Φ1和斗桿的相對位角Φ2間的函數(shù)關(guān)系Φ2＝f（Φ1）可用圖3曲線表示。2基于角度的模糊控制系統(tǒng)模糊控制方法，以專家掌握的定性知識為基礎(chǔ)，用模糊數(shù)學(xué)的方法，建立系統(tǒng)輸入與輸出的模糊集以及它們之間的模糊關(guān)系，生成非解析的控制規(guī)律映射模型，從而擺脫對精確模型的依賴。對于挖掘機(jī)這類工程建設(shè)機(jī)械，由于其機(jī)械液壓結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在許多非線性因素，控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型很難建立。況且對于一個熟練的挖掘機(jī)駕駛員來說，他并不需要分析系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)，而只是憑借自己的經(jīng)驗，通過一些不精確的觀察，執(zhí)行一些不精確的操作，就能很好地駕駛一臺挖掘機(jī)，完成規(guī)定的軌跡操作。因此，可采用模糊控制理論，將熟練駕駛員的操作規(guī)律作為算法輸入計算機(jī)，通過模糊推理控制，實現(xiàn)熟練駕駛員的作業(yè)水平。挖掘機(jī)的模糊控制系統(tǒng)由四個部分組成，模糊控制系統(tǒng)框圖見圖4。1．計算控制變量2．模糊量化處理3．模糊控制規(guī)則4．模糊推理決策5．非模糊化處理6．執(zhí)行機(jī)構(gòu)7．被控對象8．傳感器圖4(1)模糊控制器：選用MCS-51系列單片機(jī)作為CPU，將依據(jù)熟練駕駛員的操作經(jīng)驗形成的控制規(guī)律以一定的模糊控制規(guī)則的形式存儲在單片機(jī)中。(2)輸入／輸出接口裝置：模糊控制器通過輸入接口從被控對象獲得其位置信號，并將模糊控制器決策輸出經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬信號，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)—電液比例閥。在I／O接口裝置中，除A／D、D／A轉(zhuǎn)換外，還應(yīng)包括必要的電平轉(zhuǎn)換線路。(3)被控對象及執(zhí)行機(jī)構(gòu)：主要是動臂及動臂液壓缸，斗桿及斗桿液壓缸，及安裝在其上的電液比例閥。(4)傳感器：選用電阻式角位移傳感器，分辨率為0.5°。3基于角度控制的模糊控制器模糊控制器的原理見圖5。模糊控制器的輸入信號為角度偏差E（N）及角度偏差的變化率EC（N），輸出信號為U（N），經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為被控對象的輸入信號U（t），被控對象的輸出為y(t)，經(jīng)采樣其離散信號為Y（N），被控制量設(shè)定值連續(xù)信號為r(t)，其離散信號為R（N）。前文已提到，對應(yīng)一定的齒尖運動軌跡，每一時刻都可由動臂、斗桿的相對位置唯一確定。以此作為被控制量的目標(biāo)轉(zhuǎn)角R（N），由角位移傳感器測得這一時刻的實際值Y（N），由此可得這一時刻的角度偏差E（N）＝R（N）－Y（N），角度位置偏差變化率EC（N）＝E（N）－E（N－1），按照模糊控制規(guī)則，進(jìn)行模糊推理，決策出控制變量的一個模糊子集，再按照最大隸屬度原則進(jìn)行非模糊化，得出這一時刻的控制輸出量U（N）。模糊控制規(guī)則的建立，主要依據(jù)人們的長期實踐經(jīng)驗，這也正是模糊控制體現(xiàn)人工智能之處，通過對挖掘機(jī)的整個作業(yè)過程的觀察和手動控制的大量實踐，根據(jù)掌握的一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)，采用Mamdian方法，推理合成控制規(guī)則。這個控制規(guī)則可表現(xiàn)為：當(dāng)誤差為負(fù)大時，若誤差的變化為負(fù)，則這時誤差有增大的趨勢，應(yīng)盡快消除已有的負(fù)大誤差，所以控制量應(yīng)取正大。當(dāng)誤差為負(fù)而誤差變化為正，這時工裝已具有減少誤差的趨勢，應(yīng)盡快消除誤差而又不超調(diào)，控制量應(yīng)取正中或正小；而當(dāng)誤差變化為正大時，則取控制量為0。當(dāng)誤差為負(fù)中，控制量選取同誤差為負(fù)大時。當(dāng)誤差為負(fù)小，工裝接近目標(biāo)位置，這時若誤差變化為負(fù)，應(yīng)選擇控制量為正中；若誤差變化為正，應(yīng)選控制量為正小即可?？傊?，當(dāng)誤差為大或較大，選擇控制量應(yīng)以盡快消除誤差為主，當(dāng)誤差為較小，選擇控制量應(yīng)以防止超調(diào)，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主。當(dāng)誤差為正時的控制規(guī)律，與誤差為負(fù)時的控制規(guī)律基本一致，只是符號不同，具體控制規(guī)律見表1。按照表中的控制規(guī)律，可得出模糊關(guān)系陣R＝（EI×ECj×UI,j），其隸屬度函數(shù)可表示為：μR（e,ec,u）＝（μEi（e）∧μEcj(ec)∧μUij（u））式中：μEi(e)、μEcj（ec）、μUij(u)分別為E、EC、U的隸屬度函數(shù)。按照最大隸屬度原則對關(guān)系矩陣R進(jìn)行清晰化，可得控制規(guī)則表［1］。根據(jù)經(jīng)驗的不斷總結(jié)、更新，控制規(guī)則表也應(yīng)不斷修改。可將這一規(guī)則表以表格的形式存儲在單片機(jī)中，則在每次實施角度控制時，根據(jù)已得的偏差及偏差變化率，將其離散化，通過查表，將得到的結(jié)果在輸出量上進(jìn)行清晰化，最后得到的結(jié)果即為作用在被控制對象上的控制量。4結(jié)論采用模糊控制算法進(jìn)行挖掘機(jī)軌跡控制，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性、靈