机械专业中文翻译15号规格自动挖掘机的线性非线性和经典的控制器.docx
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机械专业中文翻译15号规格自动挖掘机的线性非线性和经典的控制器
本科生毕业设计（论文）
中文题目：
1/5号规格自动挖掘机的线性、非线性
和经典的控制器
英文题目：
Linear,NonlinearandClassicalControlofa1/5thScaleAutomatedExcavator
1/5号规格自动挖掘机的线性、非线性和经典的控制器
摘要：
这篇论文是研究机械手各种控制系统的论文，介绍了一种自动操作器的规格模式。
机器人臂膀已经在兰开斯特大学机械研究教学里得到发展。
论文考虑了经典和现代两种方法的应用，包括：
由传统Ziegler-Nichol规则控制的比例积分（PI）控制;线性比例积分正（PIP）控制,它可以理解为对传统PI方法的合理扩展;还有一个建立在一半线性模式结构上的新型非线性PIP设计，其中参数作为一个变量改变的函数而变化.论文考虑到了在文章中必需的在设计和执行的复杂性间的平衡，还有为提高闭环性的潜力。
1.介绍
建筑是对于许多工业部门的主要经济上的意义。
激烈的竞争，熟练劳力的不足和科技的进步都是落后于建筑业快速变化的主要力量，也是自动化的一个动机[1]。
基于操作上的挖掘机的例子包括一般的运土、挖掘和打板桩。
一个小的规模，挖掘和打桩结构正需要发展并限制挖掘机。
全自动化或部分自动化能够提供诸多好处，它可以降低对操作员技术的依靠性，而且会降低操作员的劳动负荷，这两者都可能会在连续性和质量的提高上作出不小的贡献。
然而，对于开发者们一直持续的绊脚石就是在自动控制下如何作到足够快地运作。
这里，一个主要研究问题是去获得在熟练人工操作员提高的基础上的电脑控制反应时间。
这就为设计者提供了一个极大的挑战，研究者们正在选择使用众多方法的一个很宽的范围；可见例子[2，3，4]。
此论文考虑到了一个实验机械手，是更广泛知名的兰开斯特大学计算机智能挖掘机（LUCIE）的1/5规格的代表，而它已经发展为建筑地[4，5]上作为挖掘工具。
不管它的小规格和轻重量，1/5模式与LUCIE拥有相似的运动学和动力学上的道具，因此也为新控制策略的发展提供了一个富有价值的实验床。
在这点上，本论文提出了经典和现代两种方法，包括：
由传统Ziegler-Nichol规则
控制的比例积分（PI）控制;线性比例积分正（PIP）控制,它可以理解为对传统PI方法[6，7]的合理扩展;还有一个建立在一半线性模式结构上的新型非线性PIP设计，其中参数作为一个变量改变的函数而变化[8]。
对这个研究更进一步，文章简要地介绍了机械手的应用，作为一个工具用于在兰开斯特大学有关机械的学习和教育。
实际上，实验室指示者为大学生和研究生都提供了众多的学习机会和单独的研究方案。
完善挖掘系统的发展需要对技术领域有一个完备的知识认识，包括传感器、激发器、计算机硬件、电子学、水力学、机械学和智能控制。
这里，控制系统设计需要一个有关决定适当末端受动器轨线的高级规则的分等级方法，以致挖掘一个指定尺寸的沟渠。
在实践中，控制器也应该包括安全模数和在土壤中处理障碍物的工具[4]。
最后，高级的运算法则外加每个联接点的适当低级控制，是当前论文的着重点。
2.硬件
机械手与LUCIE[4，5]有一个相似的排列，除了用于采沙坑的挖掘和工作台的实验室1/5规格模式。
与图1.所示的一样，臂由四个联接点构成，包括箍用角条、俯角条、回转角和铲角。
它们中的三个是由水压汽缸开动，而只有回转链接是基于一个与简约变速器有关的水压旋转激励器：
详细资料见[9]。
联接器的速度由实用电压信号手段控制。
因此，整个钻探设备已经由多重输入输出异步实时控制系统支持，它考虑到了通过在写入TurboC++中密码有标准组件的多重任务处理的程序。
计算机硬件有一个96MBRAM的AMDK6/PR2-166MHz的个人电脑。
联接角直接由与每一个联接枢轴同中心的装备旋转分压计测量。
每一个分压器的输出信号同地面线路来传输，伴随有由于环境电子噪声造成的最小信号畸变。
图1：
显示有四个控制联接的实验挖掘机原理图
这些信号发送给高级线性仪器中有在促进A/D转换的训练卡里的放大器中。
这里，输入信号的范围在训练之后就不会超过±5V。
这个A/D转换器是一个高性能的16通道多元的连续近似值转换器，具有在小于25ms12位转换的能力。
目前仅有八个可利用的通道在被使用。
因此将来，合并另外的传感器进入系统将不成问题；例如一个探测障碍物的照相机，可以作为高级控制系统的一部分，或者压力传感器。
电子管标度实际上提供了一个有意义的输入值的臂联接。
这个标度是基于满足输入要求的每一个联接的正常输入电压，范围是从最高可能向下速度的-1000到对于每一个联接的最高可能向上速度的+1000。
这里，零的输入要求对应于无运动。
注明，没有这种电子管标度，臂会由于每一个联接运载的载荷而逐渐松驰下去。
在开环模式中，臂是用手驱动去挖掘沟渠的，操作员运用两个相似的操作杆，每个都有两个自由度。
第一个操作杆被用作去驱动箍用角链接和回转链接而另一个用做移动浸渍联接和铲联接。
照这样，一个熟练的操作员为完成任务同时地移动四个联接。
比较下，这里的目的是去设计一个无人工干涉的自动挖掘计算机控制系统。
3.运动学
运动学平衡的目的是考虑到在三维空间中铲的空间位置和方向的控制。
既
然这样，工具端可能会跟随计划轨道编程，同时铲角分别与控制和释放沙子相谐调。
在这点上，图1显示的是实验挖掘机和它的尺寸，i.e.
（联接角）和li（链接长度），这里i=1，2，3，4分别为箍用角条、俯角条、回转角和铲角。
任何一个操作员的运动学分析通常需要同类的臂的工具结构变换矩阵的发展。
这被用做找到有关同等系统的铲的位置、方向、速度和加速度，在特定的联合变换向量[10]。
这种分析代表性地基于著名的Denavit-Hartenberg协定，而它主要用于由一个每一个接合点都有一个自由度的开环构成的机械操作者，如此[9]。
3.2反转运动学
在轨线计划程序中指定﹛X,Y,Z﹜,如末端受动器的方位利用一个等同系统在工作台上初始化,不有铲的方向
随之的反转运动学运算法则由于Shaban[9]而得出。
这里的Ci和Si各自表示了
和
且同时
3.2轨道计划
一个沟渠的挖掘机在挖掘操作过程中需要两个“连续通道”（CP）和一个更简单的“点-点”（PTP）运动，此时铲子为了卸载而从沟渠中搬出。
特别的是，每个挖掘周期都可以被分成四个明显的阶段，如下：
布置铲来穿透土层（PTP）；挖掘过程沿着指定的空间长度（CP）在一个水平垂直线上；掘起从空间中收集到的沙子到卸载的一边（PTP）；卸下沙子（CP）。
图2.实验挖掘机的轨迹计划
对于当前的例子，CP轨线能够以一个恒定速度来回移动。
假设
和
分别表示末端受动器的最初和最后的位置，而此运动需在T秒内得到实现。
既然这样，工具端统一直线轨迹是，
这里St是一个可变速分配函数，此处S0=0和ST=1。
特别的是，速度剖面
第一个斜面在进行到一个恒定速度之前以一个等加速度向上移动，最后以一个等减速度向下滑到零。
在统一的直线运动的过程中，速度剖面是
来成形。
通过求积分，速度分配函数将是
。
对于这个特别的应用，实验挖掘机有所约束，只允许挖掘铲的长度和深度分别不会超过600mm和150mm，图2.显示了一个完整的挖掘过程，图解出铲的预定轨道。
值得注意的是每一个挖掘轨道由掘地点（270，﹣150，0）跟随，利用PTP移动有一个180度的方向。
这个过程由另一个PTP运动跟随，在卸载区以
坐标（100，﹣100，﹣400）定位铲。
挖掘周期的最后一步是卸载过程，有一个﹣30度方位的坐标（600，﹣100，﹣700）。
4.教育和学习
工程教育最重要的特征之一是将理论知识和实践经验得到结合。
因此，实验室实验在支持学生学习中扮有非常重要的角色。
然而，还有几个因素通常阻碍学生们与机械系统得到“从做中学”的机会。
这包括它们的高费用、熟练技术支持的较弱而必需的供应。
虽然如此，机械的利用却潜在地为许多不同的工程学科包括机械学、电子学、控制学和计算机工程提供了一个极好的基础，见例[11，12，13，14]。
自动机械为基础工程问题的示范提供了一个很好的工具，而它们也促进了在创造力、集体谐做、工程设计、系统统合和问题解决等方面技术的发展。
在这点上，LUCIE1/5规格示例在兰开斯特大学机械学上提供了研究和教学的支持。
它是为信号处理和实时控制各种方法中的一个实验台；而且为大学生和研究生提供了许多学习机会和单独的计划。
例如，因为在开环模式下仅有几秒来收集实验数据，机械臂为示范比较对于系统识别的机械的和数据库两种方法提供了一个很好的实验例子。
关于控制系统设计，各种各样经典和现代的方法都是可行的。
但是，当前的作者们认为PIP控制为学生们对一个对现代控制理论提供了一个具有深刻见解的介绍。
这里，非最小状态空间（NMSS）模式都用公式表示了，以便通过控制过程测定的输入输出信号使完整的变态数回馈控制得到实现，而不会对确定性状态的重建器或一个随机的Kalman滤波器采取设计和执行[6，7]。
的确，智能控制中MEng/MSc模式在学科中的教学占有很多领域，利用机械臂只是作为一个设计例子。
5.控制方法
每一个联接点的基准PID控制器建立在著名的Ziegler-Nichol方法上。
系统被置于比例控制下而且通过渐多的增益有稳定性的限制直至获得永久的振动。
在这种方式下获得的“最终增益”随后也用作确定控制增益。
另一种方法是运用一个Nichol图表来获得指定的增益和状态极限，由[15]描述。
线性PIP控制是一个与PID控制有相似结构的模式基础方法，同时另外的动态回馈和输入补偿在过程有第二个指令或更高动态或大于一个采样间隔的单纯时间托延时被引入。
然而，与经典的方法形成对比，PIP设计开拓了变态数回馈（SVF）方法的范围，这里人工调谐的奇特之处由电极分配或线性二次（LQ）设计所替代[6，7]。
最后，许多最近的出版物都为非线性PIP控制描述了一个方法，它建立在对随之的态独立参量（SDP）模式[8]的识别上。
这里yk和uk分别是输出和输入变量，而ai﹛xk﹜（i=1,2,…,n）和bj﹛xk﹜（j=1,…,m）是态独立参量。
后者假定为一个非最小状态向量
的函数。
对于SDP-PIP控制系统设计，它通常对限制模式（8）是足够的，状态如
。
（8）中的NMSS表示是
这里非最小状态参量定义如下
而且
是命令输入
和输出
之间的积分误差。
依靠这个积分误差状态，固有的模式1伺服机构性能得到引入。
为了简短，
这里被省略了但在例[9，16]中被定义。
状态变量回馈控制运算法则
随后被定义为
这里
在每一个采样距离通过可电极分配或一个线性Quadratic余弦函数的最优化得到的控制增益向量。
关于后一种方法，最近的研究用一种“冻结参数”系统定义为一个NMSS模式系列的采样，
去定义P矩阵[9]，离散时间代数Riccatti函数仅用于修正每一个采样距离
。
最后，要注明的是当NMSS/PIP线性控制环境由[6]得到发展,对非线性SDP系统的整个控制和稳定结果的来历是作者对这个课题进一步的研究。
6.控制设计
对于线性PIP设计，开环实验是第一个为应用电压和最初环境范围的操作，全部都建立在一个0.11秒的采样率上。
在此情况下，简化精确的工具变数（SRIV）运算法则[17],提出了一个
采样时间延续的第一指令线性模式,见,yk=a1yk-1+bTuK-T提供了一个对每一个联接点的近似表示.这里yk是联接角而uk是一个在±1000范围之内的规则电压值,同时{a1,bT}是时间不变参量.注意的是臂本质上是作为一个综合者，因规格化的电压已经被校准以使当uk=0时无移动。
事实上，a1=﹣1被确定为一个初值，以使仅仅分子参量
是在实际中为线性PIP设计而估计的。
图3.相对箍用角输入要求的
变化
就
浸入角和铲角联接在控制利用线性PIP方法相关地表现出简单化。
既然这样，运算法则处于PI结构，因此执行结果与利用经典频率方法调谐的PI运算法则是相似的。
与将被预期的一样，经典的和PIP两种方法间的不同是这些联接点是定性的。
这些不同仅涉及到为将运算法则去迎合规定的控制目标而作的相关放松。
按照，有
回转和箍用联接运用PIP方法得到更好地控制因为（见于许多早期出版物）后一种自动地运用增加的时间差[9]。
当然，一个对于这个问题可选择的解决方案将会引入一个Smith预报器进入PI控制组织。
研究者们目前正在调查与PIP方法相比较的一种方法的相关精力。
然而，对于开环数据的进一步分析在上面的线性模式中显示出了局限性。
尤其是，
的值被10或更多的一个因素来改变，依靠于被应用的电压值，如果图3表示出箍用的情形。
这里，许多实验都在一个范围内的应用电压值内操作，在每种情况下，SRIV方法都用于估计线性模式，图3图示了对
结构化这些估计与阶式信号输入量是相反的（可靠的轨迹表现了一个简单的多项式格式）。
实际上，SDP分析表现出一个对箍用角更合适的模式表现为公式8的形式，
这里
图4：
上部：
线性PIP（细线），非线性SDP-PIP（粗线）和命令输入（虚线）对应于箍用角条，相对结构的采样号。
箍用角：
相等于控制输入。
图5：
上部：
线性PIP（细线），非线性SDP-PIP（粗线）和命令输入（虚线）对应于俯角，相对结构的采样号。
箍用角：
相等于控制输入。
这里增益f0,k,g1,k和kI,k在每一个采样中立即以照一个预定的控制器的式样。
这种方法的完整详细资料和相对的俯角、铲角和回转联接SDP-PIP运算法则，由Shaban提出。
7.执行
箍用臂的典型执行结果在图4.中表示出来，这里很明显SDP-PIP运算法则比固定的增益有更加精确，线性PIP运算法则（可者相对的经典PI控制器）在控制水平下有发展了很多。
此外，非线性方法产生出了一个相当平滑控制输入信号。
指出的是线性和非线性控制器被设计去产生出一个在理论状态下的响应的相似速度，在图4中可以看到的不同就归于在b2（图3）中的变化，此处仅考虑到在SDP-PIP状态中。
应该指出，这个例子的反应时间已经被故意增加到对精确的线性PIP设计的实际限制，只是为了强调这些不同。
图5是一个相似的实验中俯臂的控制。
尽管线性与非线性方法之间的不同通常在每一个联接点在检测时都相当小，在空中运动都是孤立的，如图5，这些不同在铲角位置最后在采沙坑中撤离时会增加。
在这点上，表1.比较了线性PIP和SDP-PIP两种方法的反应时间，表现出去完成三个完整沟渠的秒数，每个包括9个挖掘过程。
这里，改良的联接角控制考虑到了一个快速的SDP-PIP设计，典型地产生出一个在挖掘时间里有10％的提高
表1：
完成一个沟渠的时间
最后，图6.图解了典型的SDP-PIP执行结果，是铲子的一个循环，显示了一个末端受动器的3D纵坐标结构。
这个图显示了铲在第一低速下进入随后才将沙子提取，移位，释放好容易才完成。
图6.在3-D空间中末端受动器的处理位置{X，Y，Z}，还有沿直线的移动点（mm）
8.结论
这篇论文已经清楚地描述了实验当中机械斗杆的控制问题，代表了自动挖掘机的1/5号规格模式，为兰开斯特大学的科研和教学提供了发展的机遇。
与以前的研究项目相比，发表的这篇文章充分考虑了矿用自动挖掘机的完全控制系统的执行。
古典和现代方法都采用了关联控制，包括齐格勒-尼科尔森规则已协调的比例积分控制；线性比例积分控制和一个最近开始流行的基于国家统一规定参数模型鉴定的非线性比例积分控制。
这里，线性比例积分运算法则已被有调整性的运用到古典和初期为了控制斗干和铲斗运动角度而出现的现代比例积分控制当中。
反过来说，回转和箍条连接是比可能会延迟装卸时间的高度集中线性比例积分控制要好的一种控制方法。
然而，在这些所有联接点的固有非线性有疑问地证实了当反馈控制器与运动学方程相结合时，去控制末端受动器的位置，尤其是一旦铲在沙子中移动。
事实上，非线性SDP-PIP方法增加的复杂在这里表现出来了假定出改良的闭环性能。
特别的是，完成整个挖掘过程的时间减少了大约10％。
最后，利用实验挖掘机获得的经验最近已经被开发，一个整个的振动层系统中被运用为在一个建筑地点的地面改善，见例[16]。
感谢
非常感谢工程和物理科学研究会（EPSRC）的支持。
在本论文中使用过的统计工具已经组合为一个CAPTAIN工具箱[18]，在MATLABTM软件环境中，下载可得用网址：
http:
//www.es.lancs.ac.uk/cres/captain/
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