伸缩臂架高空作业平台直线轨迹控制研究
1曹旭阳,2刘鹏飞,3孙荣尧,4王新,5高顺德
1机械工程学院,大连理工大学,辽宁 大连 116023,中国,saner@126.com
2机械工程学院,大连理工大学,辽宁 大连 116023,
中国,2005liupengfei@163.com
3机械工程学院,大连理工大学,辽宁 大连 116023,
中国,sun-glory-great@163.com
4大连伊力亚工程机械有限公司,LTD,辽宁 大连 116023,中国,wxinwx@126.com
5机械工程学院,大连理工大学,辽宁 大连 116023,中国,gaoshunde@163.com
摘要
已经研究了伸缩臂高空作业平台的直线轨迹控制仿真。研究的动力是通过先进的控制系统提高工作平台的生产力和安全性。该系统由微型计算机控制器、传感器和液压执行器组成。控制算法是反馈、前馈控制和静态偏转补偿的组合。 该算法的效果通过协同仿真验证。
关键词:高空作业平台,垂直升降,水平延伸,轨迹控制
1.介绍
高空作业平台是一种可以运输人员或设备到指定目标的特殊施工车辆。根据其吊臂的结构和特点,可分为伸缩臂、折臂、垂直提升和混合型[1]。本文的研究对象是一种具有伸缩和铰接式起重臂的车辆。名为变幅缸的液压缸驱动主臂升高或倾斜。一端安装在转台上,另一端安装在吊杆上。可以通过伸缩机构(例如排列绳索、链轮)延伸或缩回主起重臂。
这些车辆可以用来沿着顶壁擦洗建筑物的窗户或安装物体。为了达到预期的轨迹,平台上的操作者需要交替使用变幅和伸缩操纵杆。由于这种典型的开环控制方法,操作人员必须同时控制多个关节,这就需要有高水平的技能。然而,操作员很难按照他的意愿,在希望的轨迹上启用平台。此外,这也很难重现。相比之下,闭环控制系统可以驱动工作平台精确地沿着所需的路径移动并重现。控制器可以让平台沿着所需的路径精确移动,并通过微分方程再现并计算理想化的控制变量。
(a)垂直升降 (b)水平延伸
图1.直线轨迹控制图
融合信息技术(JCIT)
第7卷,第14期,2012年8月
doi:10.4156 / jcit.vol7.issue14.45394
随着机械工程电子液压技术的应用和发展,轨迹控制系统已应用于高空作业平台、混凝土泵车、挖掘机、装载机、履带式起重机、叉车等各种工程设备中。 Hirokazu Araya[2]等人开发了履带式起重机水平变幅控制系统;Qinghui Yuan[3]等提出了一种通过复杂计算来控制轨迹和振动阻尼运动的方法,需要相应的先进控制器;江阴华诚特种机械工程有限公司申请了关于高空作业平台垂直和水平运动控制方法之一的发明专利[4]。其主要控制策略是主从控制。这种方法会使动态特性恶化,由于液压缸之间的相互作用,可能导致高的过冲和长时间的调整[5]。
本文介绍了直线轨迹控制的四个研究挑战,所有这些都是通过数学分析来描述的。基于MATLAB / Simulink和ADAMS组合的仿真表明了直线轨迹控制的功能。
2.控制算法
在这个控制系统中,操作员的安全和舒适是至关重要的。而这种控制系统需要稳定性和可靠性。但是,可能会出现以下几个困难:
1.为了更好的控制效果,它不允许性能效果随初始位置而变化。
2.这种车辆由于伸缩臂和铰接式起重臂的刚度低而趋于振荡。因此,必须考虑梁的振动。所以应该减少过冲以避免振荡。
3.由于吊臂和平台载荷的重量,长的柔性起重臂将产生偏转,这是控制误差的主要组成部分。
4.驱动吊杆的液压回路是典型的非线性回路。所以很难直接控制液压回路。
针对上述特点,系统设计采取以下措施:
为了应对项目1,以起重臂的角度作为唯一的主要输入变量,并且同时控制伸缩缸和变幅缸,而不是代替控制策略,将变幅缸作为主动控制,伸缩缸的运动应遵循变幅缸[4]。
为了应对项目2,在控制系统中添加前馈回路以实现复合调整,这可以减少反馈增益并消除稳态误差。
为了应对项目3,计算悬臂偏转,增加偏转补偿模块,并可以根据测量值调整补偿值。
为了应对项目4,选择压力补偿的比例流量阀,其流量不受负载压力的影响,并且阀的输出流量将以与电磁阀的电流相似的比例增加。
直线轨迹控制流程如图2所示:
图2.直线轨迹控制系统流程图
2.1.反馈控制
在图3中,当吊杆从增加到时,平台将垂直或水平延伸。 伸缩臂和变幅缸的长度可以如下计算:
在垂直升降模式下:
在Horizontal-Extend模式下:
其中,:运动中伸缩臂的长度;:起重臂伸缩臂的长度;:初始状态下起重臂和OA之间的角度;:OA与X轴之间的固定角度;:运动期间吊臂和OA之间的角度; :运动过程中变幅缸的长度;a:变幅缸根部铰链与吊杆根部之间的距离OA;b:变幅缸上铰链与吊臂中间的距离OB。
(a)垂直升降 (b)水平延伸
图3.直线轨迹控制示意图
伸长和伸缩的长度误差可以分别计算如下:
其中,:伸缩筒的长度误差;:伸缩臂的长度误差;n:比例因子;:伸缩臂的实际长度;:幅缸的长度误差;:变幅缸的实际长度。
PID控制器涉及变幅和伸缩控制电路:
2.2.前馈控制
在该控制系统中应用前馈环加反馈回路。使用这种方法,可以减少控制误差而无需高反馈增益。它可以显著消除稳态误差和抑制几乎所有的测干扰[6]。采用输入补偿,将选择的输入信号作为前馈补偿阀的第一阶导数。前馈补偿信号加在控制回路中的气缸前端,如下:
其中,:伸缩筒控制电路中的前馈回路;:伸缩缸控制电路中前馈的增益;:变幅缸控制电路中的前馈回路;:变幅缸控制电路中前馈的增益。
2.3.偏差补偿
伸缩臂通常带有箱体,根部铰接在转盘中,其中心与变幅缸连接。起重臂的末端带有操作员或负载所占据的平台。在吊臂的载荷和载重作用下,起重臂会产生明显的挠度,一次测量时,吊臂的顶端位移可达到0.5m。因此,动臂的偏转会导致严重的轨迹误差。吊臂弯曲和角度补偿如下[7]:
其中,:起重臂尖端的最大偏转;:修改因子;:吊臂线质量密度 ;E:起重臂的弹性模量;I:吊臂惯性矩;m:平台总重量;:悬臂与X轴之间的角度;:吊臂角度的偏转补偿。
图4.吊臂偏转示意图
2.4.比例流量控制阀
本文采用压力补偿比例流量控制阀[8]。通过使用这种先进的阀门,我们可以单调和线性地控制与工作压力无关的阀门流量。获得该阀的流量特性:
其中,:流量系数;A:阀门流通面积;:液体密度;:阀门入口和出口之间的压力差。
该阀的示意图如图5(a)所示。当旁路管路(端口②)被阻塞时,可以用作限制型2路压力补偿流量调节器。无论系统工作压力如何,该阀都将调节流出口。随着施加到螺线管的电流增加,该阀将增加输出流量。
然后根据式(13),其中和在许多实际情况下近似恒定。由于压力补偿,可以被认为是恒定的。因此,阀Q的流量与流动面积A成线性比例。如图5(b)所示,我们获得了实际测量流量对电流的性能。
(a)示意图 (b)流量差与电流曲线
图5.压力补偿比例流量控制阀
其传递函数由下式给出:
其中,:流量增益;:频率宽度;:阻尼比。
2.5.气瓶
当伸缩筒延伸和缩回吊杆时,变幅缸上下移动吊杆。如式(15)所示,气缸的传递函数是积分和二阶环路系统的组合,不考虑弹性和摩擦力:
其中,:有效行动区;:气缸的自然频率;:阻尼比。
2.6.传感器
传感器用于测量机构的运动。使用安装在吊臂上的位移角传感器来测量吊杆的长度和角度。安装在变幅缸上的位移传感器测量变幅缸的长度。传感器的频率宽度远大于其他回路,所以传感器作为比例回路。传递函数如下:
其中,:最大输出信号;:测量范围。
基于上述讨论,控制系统框图如下所示:
图6.直线轨迹控制系统框图
3.主要控制元素和参数列表
根据高空作业平台的实际部件,我们计算得出其主要参数如下:
表1.主要部件和参数
零件 |
参数 |
符号 |
值 |
单位 |
频宽 |
120 |
|||
阀 |
阻尼比 |
0.6 |
--- |
|
流量增益 |
1.1E-6 |
|||
自然频率 |
108.5 |
|||
阻尼比 |
0.14 |
--- |
||
变幅缸 |
气缸直径 |
0.2 |
||
活塞杆直径 |
0.16 |
|||
有效载荷 |
4927 |
|||
自然频率 |
46.3 |
|||
阻尼比 |
0.14 |
--- |
||
伸缩缸 |
气缸直径 |
0.14 |
||
活塞杆直径 |
0.125 |
|||
有效载荷 |
2646 |
|||
信号 |
0.02 |
|||
位移角传感器 |
角度范围 |
320 |
° |
|
位移范围 |
11.5 |
|||
位移 |
信号 |
0.02 |
||
传感器 |
位移范围 |
2.5 |
4.数学模型与模拟
基于表1的参数,建立了变幅和伸缩电路的闭环传递函数。为了表现良好,相位裕度应在30°和60°之间,增益裕度应大于6d。我们在MATLAB/Simulink环境中建立只有负反馈的仿真模型,并调整满足满意度的
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