混凝土泵车臂架精准控制系统的研究.pdf

2 0 1 4年 4月 第 4 2卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE T OOL & HYDRAULI CS Ap r 2 0 1 4 Vo 1 42 No 7 D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 0 7 0 1 6 混凝土泵车臂架精准控制系统的研究 黄罡，周余明，康小东 ( 三一智能控制设备有限公司，湖南长沙4 1 0 1 0 0 ) 摘要：为实现混凝土泵车臂架末端的准确定位以及运动过程的平顺控制，提出了一种新型臂架控制系统。采用闭环的 控制模式，通过位移传感器测量液压缸的伸出长度 ，根据连杆的几何关系解算出臂架间的夹角 ，求得臂架末端的位置。采 用基于前馈补偿的P I D控制策略，提高臂架系统运动的跟随特性和响应特性。实验表明，应用了新型臂架控制系统之后， 臂架运动平稳，具有较好的跟随特性 ，末端定位精度明显提高。 关键词 ：泵车 ；臂架 ；末端定位 ；前馈补偿 中图分类号：T U 6 4 6 文献标识码：A 文章编号 ：1 0 0 1 3 8 8 1( 2 0 1 4)7 0 5 9 4 Re s e a r c h o n Ac c ur a t e Co n t r o l S y s t e m f o r Bo o m o f Co nc r e t e Pu mp Tr uc k HUANG Ga n g， ZHOU Yu mi n g， KANG Xi a o d o n g ( S a n y I n t e l l i g e n t C o n t r o l E q u i p m e n t C o ，L t d ，C h a n g s h a Hu n a n 4 1 0 1 0 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o p o s i t i o n i n g a c c u r a t e l y a n d mo v i n g s mo o t h l y f o r t h e b o o m t i p o f c o n c r e t e p u mp t r u c k，a n e w b o o m c o n t r o l s y s t e m wa s p r o p o s e d B y a d o p t i n g c l o s e - l o o p c o n t r o l mo d e ，u s i n g d i s p l a c e me n t s e n s o r s t o me a s u r e e x t e n s i o n l e n h for t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r a n d c a l c u l a t i n g j o i n t a n g l e b e t w e e n t w o a d j a c e n t b o o m s a c c o r d i n g t o t h e g e o m e t ri c r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e c o n n e c t i n g r o d s ， t he l o c a t i o n c o o r d i n a t e s f or t h e b o o m t i p w e r e o b t a i n e d A P r o p o r t i o n a l I n t e g r a t i o n D i f f e r e n t i a l( P I D)c o n t r o l s t r a t e g y w i t h f e e d fo r - w a r d c o mp e n s a t i o n w a s u s e d t o i mp r o v e c h a r a c t e r i s t i c s o f f o l l o wi n g a n d r e s p o n s e for t h e mo t i o n o f b o o m s y s t e m Ex p e ri me n t al r e s u l t s s h o w t h a t a p p l i c a t i o n o f t h i s n e w b o o m c o n t r o l s y s t e m c a n i mp r o v e p o s i t i o n i n g a c c u r a c y f o r t h e b o o m t i p o b v i o u s l y ， a n d t h e b o o ms mo v e s mo o t h l y a n d h a v e h i g h - q u a l i t y o f f o l l o wi n g c h ara c t e r i s t i c s Ke y wo r d s ： C o n c r e t e p u mp t r u c k； B o o m； T i p p o s i t i o n i n g ； F e e d f o r w a r d c o mp e n s a t i o n 现用的混凝土泵车臂架普遍采用开环控制模式， 人们对于臂架的操作控制全凭 目测和手感。由于没有 臂架的运动速度和位移信息反馈，在使用过程中存在 臂架速度控制特性不好的问题 ，具体表现为当给定量 控制量较小时 ，臂架不动作 ，当给定量大时，臂架运 动剧烈 ，给操作带来不便。 随着智能化技术的发展和应用 ，泵送智能化趋势 日趋明显。在智能化泵送的应用中，控制程序直接 控制臂架布料 ，可以大大减少工人劳动强度，提高浇 筑质量。传统的开环控制模式已经无法满足要求 ，控 制器必须实时检测臂架的运动信息和姿态情况，对臂 架的运动进行闭环控制。 检测臂架姿态可以通过在臂架之间安装旋转编码 器或在臂架上安装倾角传感器来实现 ，这两种方式直 接对臂架姿态进行 检测 ，没 有臂架 油缸 的位置 反馈 ， 不利于油缸 的位置控制 。此外旋转编码器存在安装和 抗干扰能力差等问题 ，不便于推广应用。 鉴 于 以上情 况 ，提 出通 过检 测 臂架 油 缸位 移来 计算臂架姿态和末端位置的方案 ，可以实现对油缸 的闭环控制。内置式的位移传感器检测精度高 ，稳 定 性好 。 1 系统组成及实现 1 1 臂 架控制 系统 系统采用半闭环控制模式 ，通过位移传感器测量 油缸的位移 ，根据臂架间连杆的几何关系间接地求出 臂架末端的位置。控制器根据当前接收的操作指令， 输出 P WM信号，控制多路 阀开度，液压缸随即动 作 ，驱动臂架运动。安装在液压缸内的位移传感器向 控制器反馈当前油缸的位移 ，控制器再根据实际值与 给定值之间的偏差情况 ，进行实时调整，实现对油缸 的精确控制 。 该臂架系统开发了一套数字式臂架油缸。采用磁 致伸缩位移传感器实 时检测油缸 的位移 ，并 由此计算 出油缸速度 ，传感器安装于液压缸内部，使得整个系 统结构紧凑 ，抗干扰能力强。位移传感器采用同步串 口 ( S S I )通讯方式 ，在 5 0 in范围内，传输速率可达 4 0 0 k b p s ，满足实时性要求 。检测精度达到 4 m，线 性误差小于等于0 0 5 F S ，重复误差小于等于0 0 1 F S 。 满足检测所需精度要求。 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 33 1 作者简介 ：黄罡 ( 1 9 8 1 一 ) ，男 ，硕士 ，研究 方向工程机械智能控制系统。Em a i l ：z i y u 3 0 0 0 5 2 3 1 6 3 c o m。 6 0 机床与液压 第 4 2卷 面 ( l ， 2 ， 3 ， ， 5 ) 图 1 系统结构图 1 2 臂架末端位置 下面以三一重工某四节臂泵车为例进行论述，其 结 构简图如图 2所示 。整个臂 架系统包括 ：臂架 、油 缸 、连杆 、输送管道和软管。各臂架采用油缸和连杆 机构连接 。 图 2 臂架系统 为求解臂架末端位置与臂架之间的夹角关系，按 照 图 3所示对各节臂架设定 坐标 系。 图 3 臂架系统坐标系 在大地坐标系中的位置可由式( 1 ) 一( 3 ) 确定口 。 P = c o s O l ( 1 s s i n ( 0 2 + 0 3 +6 l4 +0 5 )+ Z 4 s i n ( 0 2 + +0 4 ) +f 3 s i n ( 0 2 + 0 3 ) + 1 2 s i n 0 2 ) ( 1 ) P = s i n O 1 ( Z 5 s i n ( 0 2 + 0 3 + +0 5 )+ Z 4 s i n ( 0 2 + 0 3 +0 4 ) + s i n ( 0 2 + 0 3 ) + 1 2 s i n O 2 ) ( 2 ) P ： =1 5 C O S ( 0 2 + 0 3 + 以 +0 5 ) +l 4 c o s ( 0 2 + + ) + 1 3 C O S ( 0 2 +0 3 )+ z c o s O 2 + Z 1 ( 3 ) 1 3 油缸长度与臂架夹角转化 从机构学的角度上看 ，转塔、臂架、连接杆和液 压缸组成平面连杆系 。各构件具有一个自由度，转 塔只围绕竖直轴线转动 ，各臂架只能绕其首端关节轴 线转动。 油缸 、连杆和臂架间组成的完整的约束系统，使 得臂架具有确定的相对 运动。 通过油缸 、臂架 与连杆 间的几何关系 ，可 由油缸 的长度推导出臂架问的夹角。 如图 2所示 ，臂架 的连接可分为 3 种类 型 ： I 型 如 1 号臂 架 与转塔 之 间的连接 ；l 型 如 1 号与 2 号臂架之 间的连接 ，2号与 3号臂 架之 间的连 接 ； 型 如 3号与 4号臂架之间 的连接 。 图4 I型联接 图 5 I1 型联接 由图 4可得 ，1 号臂架与转 塔之 间夹 角与油 缸长 度 的关 系为 ： r ccos( ) 其中：z 、z 分别为转塔、臂架结构尺寸； Z 为油缸长度。 1 号与2号臂架之间夹角与油缸长度的换算过程 为 ： 5 c o s ( ) 3 2 5= 1 2 3一 1 2 5 l ， = 百 5 c c o s c 5 A2 3 4= 2 3 5一 4 3 5 其 中：Z ， 为油缸 的伸出长度 ； ( 5) ( 6) ( 7) ( 8 ) ( 9) ( 1 0 ) L2 3 4为臂 架间夹 角相关量 。 实际夹角值 0 ：L2 3 4一 ， 为与两臂架几何尺 寸相关的固定值 ； 第 7期 黄罡 等：混凝土泵车臂架精准控制系统的研究 6 1 按式( 5 ) 一( 1 0 ) 顺序计算可求得 1 号臂架与 2号 臂架的夹角L2 3 4 ，同理可求解 2号臂架与 3号臂架 的夹角。 3号与4号臂架之间夹角与油缸长度的换算 ： 图 6 H I 型连接 L 1 5 = 6 + 一 2 L l6 L 56 X c o s ( 1 6 5 ) ( 1 1 ) 2 5 = a rc c o s ( ) 3 2 5= 3 21一L 1 2 5 L 3 5 = i 3 + 一 2 X L 2 3 L 2 5 X C O S ( L3 2 5 ) 3 cos ( 糍 ) 3 。 s ( ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 4 5 6= 4 5 3+_ 2 5 3+_2 5 1+ 1 5 6 ( 1 7) 显然 ，方 程 ( 1 1 ) 一 ( 1 7 ) 并非 简 易 的显 式 形 式 ， 无法得到解析解。可采用取适量特征点再曲线拟合和 非线性方程组求解等数值方法进行求解 。 求得中间量 L 之后 ，可通过式( 1 8 ) 一( 2 0 ) 求得 臂 架夹角相关量 L2 3 4 。 油缸长度关系 。 2 模型建立与仿真 2 1 系统模 型 臂架系统中，液压缸主要承受惯性负载，因此可 以忽略弹性负载的影响。通过对液压缸的流量方程 、 线性化的电液比例阀流量方程以及液压缸负载平衡方 程进行拉氏变换可得液压伸出位移 。 与阀芯开度 以及负载 之间关系如下 ： Kq x v Kc e V t sf + + 1 1 一 般情况下负载压力对比例阀的流程影响较小， 可以认为比例阀的输出流量全部由阀芯开度来控制， 即有 Q =q =K 。 。忽略负载干扰后，液压缸的传 递函数为： 液压 固有 馏 ； 液 明 舭 = 8 5。 工程上一般将 比例方 向阀视为一个二 阶振荡环 节 ，其传递 函数 为 ： ( 2 3 ) 其中： 。 为比例阀的固有频率 ； 6 为比例阀的阻尼比； 为比例阀流量增益。 2 2 基于前馈补偿的 P I D控制 泵车臂架系统属于大负载、大惯性系统 ，其动作 一 般会存在较大的延时，特别是从静止启动时，因此 有必要提高系统的响应特性和跟随特性。文 中采用带 前馈补偿的 P I D控制策略，前馈控制可以提高系统的 跟踪性能，常被用于高精度控制系统中 。 图8 带前馈补偿控制器 根据前馈控制理论 ，有 F ( s ) G ( s ) ：1 。 2 3 模型建立与仿真 以 1 号臂架油缸为例，主要参数如表 1 所示。 表 1 1号油缸主要参数列表 D ， I n 0 2 2 d 1T 1 0 1 2 5 fl e P a 7 0 01 0 M k g 3 3 6 6 2 V m 0 0 6 ( m 5 N s ) 3 51 0 8 ( N m ) 41 0 数 函 递 传 缸 压 液 的 用 一 常 一 “ 中 醒 ： 昵 一 包 = 正 一 7 斌 一 上 ： 中 其 = 了 6 2 机床与液压 第 4 2卷 通 过表 1中参数可 以求得 h =1 4 1 4 4 r a d s ； = 0 4 2 6 ；根据比例阀产品手册可得 = 7 0 r a d s ； 6 = 0 5 ；K q =1 9 3 X 1 0 m s A；根据 1 号油缸结 构 A = 3 81 0 m 。建立的系统模型框图如图9所 示 。 9 3 1 4 l I s 2 6 6 3 1 7 8 ! H 而 l ： 比例阀 液压缸 j 图9 控制系统模型 为验证控制器的效果，在 Ma t l a b软件 中编写 M 脚本对上述模型进行仿真，对幅值为 1 2 m，频率为 0 4 H z 的正弦信号进行跟踪。与普通 P I D控制对 比 如 图 1 0所示 ，跟踪误差如 图 1 1 所示 。 l 0 5 。： 0 3 ： 0 0 2 ： 3 ： ： 6 1 0 0 5 l 1 5 2 2 5 3 3 S 4 4 5 5 时 间， s 图 1 0 位移跟踪曲线 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5 时 间， s 图 1 1 位移跟踪误差曲线 从 图 1 1中可 以看 出 ，在 相 同的输入情 况下 ，带 前馈补偿的P I D控制比普通的P I D控制方式具有更好 的跟踪效果 ，相比实际应用来说，仿真中给定的输人 值频率偏高 ，在低频率的输人情况下，跟踪效果更加 理想 。 3 实车验证 基于上述控制方式，编写控制程序在四节臂泵车 上进行实车验证。控制器硬件采用三一 自主研发的 S Y M C智能运动控制器，控制信号输出频率为 2 0 H z ， 位移传感器数据采集频率为 4 0 H z 。试验中考虑到长 时间测试时的数据保存问题，对位移传感器信号进行 抽取 。 1 号臂架油缸实车跟踪位移、速度分别如图 1 2 、 1 3所示 。 0 ； 一 2 I 4 5 蓄 s 一1 0 - 一 12 0 ：2 0 0 40 0 6 0 0 8 D O 时间 ms 图 1 2 1号油缸速度 跟踪 曲线 图 1 3 1 号油缸位移 跟踪曲线 从 图中可以看 出 ，位移和速度相对于给定值存 在 一 定滞后。但是滞后不大 ，约为 5 0 0 m s以内，操作 过程 中感觉不 明显 ，满足技术指标 。 通过各 油缸 的速度和长度 ，将长度转化为各节臂 架的姿态角度 ，通过( 1 ) 一 ( 3 ) 计算出臂架末端位置。 图 1 4和图 l 5 分别为实验过程中，臂架末端高度跟踪 曲线 、水平距离跟踪曲线以及跟踪误差曲线。从曲线 上可 以看 出 ，在 5 m行程 中，竖直方向跟踪误差保 持 在 2 5 0 m m内 ，在 2 0 m的水平行程 中，跟踪误 差保持 在 3 7 0 m m内。满足实际泵送作业的精度需求。 30 褪 2 0 释 1 0 怅 批0 图 1 4 臂架末端高度跟踪曲线与误差 给定 值 图 1 5 臂架末端水平距离跟踪曲线与误差 ( 下转第 6 6页) 6 6 机床与液压 第 4 2卷 一 个模型精确与否不仅要看其拟合精度，还应该 具备一定的泛化能力，即对未曾见过的样本能映射出 正确的输出。代人样本 8和9试验数据，通过模型得 出预测结果和实际数据的柱形对 比图 ( 见 图 5 ) ，可以 看出样本8和样本 9经过灰色神经组合模型预测得到 数据的相对误差分别为 5 1 5 、一 4 5 9 。由于试验 系统的随机性和试验过程中其他因素的存在，预测数 据与实际数据的误差是不可避免 ，再者模型拟合相对 误差均值为 0 0 0 8 ，可知其基本满足模型精度与泛化 能力的要求 ，能快捷、全面地映射出高速铣削加工质 量的特性，为其加工工艺仿真提供了一个新途径。 昌 蠢 0 2 5 8 预测 _ 1 2 试 验 序号 图5 表面质量试验数据与预测数据对比 3结论 ( 1 )合理正确的试验设计是理论研究 的依据与 基础，正交试验的对称性和代表性映射出了高速铣削 加工的表面质量特性 ，文 中设计的 L q( 3 )试验方 案为仿真模型的建立提供数据依据 ，但是如果能再考 虑刀具参数、冷却方式 、多种材料等因素，将更能展 现出高速铣削的加工工艺特性 ； ( 2 )灰色神经组合模型的建立，结合 了灰色系 统少样本、建模简单与神经网络非线性能力超强的特 性，能精确地拟合数据和拥有理想的泛化能力，在一 定程度上可应用于高速铣削的工艺仿真研究 ； ( 3 )如果能以灰色神经组合模型为背景，开发 一 个基于 P C平 台的工艺仿真 系统 ，该系统若能拥有 一 个完善的人机交互界面，不但能够简化操作，而且 能提高仿真效率，更减少了操作者的工作量。 参考文献： 【 1 】A X I N T E D A ， D E WE S R C S u r f a c e I n t e g r i t y o f H o t W o r k T o o l S t e e l Af t e r Hi g h S p e e d Mi l l i n g - e x p e ri me n t a l D a t a a n d E mp i ri c a l Mo d e l s J J Ma t e r P r o c e s s T e c h ， 2 0 0 2 ， 1 2 7 ( 3 ) ： 3 2 5 3 3 5 【 2 】D E WE S R C H i【 s h S p e e d M a c h i n i n g o f H a r d e n e d F e r r o u s A l l o y s D U n i v e r s i t y o f B i r m i n g h a m， U K， 1 9 9 7 【 3 】M A N T L E A L ， A S P I N WA L L D K S u r f a c e I n t e g r i t y o f a Hi g h S p e e d Mi l l e d G a mm a T i t a i u m A l u m i n i d e J J Ma t e r P r o c e s s T e c h ， 2 0 0 1 ， 1 1 8 ( 1 2 3 ) ： 1 4 31 5 0 【 4 】 刘战强， 万熠， 艾兴 高速铣削过程中表面粗糙度变化规 律的试验研究 J 现代制造工程， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 81 0 【 5 】 李素玉 高速铣削加工表面质量的研究 D 济长 ： 山东 大学， 2 0 0 6 【 6 】 孔金星， 雷大江， 岳晓斌 高速铣削参数对工件表面质量 的影响 J 机床与液压 2 0 0 7 ， 3 5 ( 2 ) ： 8 08 2 ， 8 5 【 7 】 任露泉 试验优化技术与分析 M 北京： 高等教育出版 社 ， 2 0 0 3 【 8 】 邓聚龙 灰色系统理论教程 M 武汉： 华中理大学出版 社 ， 1 9 9 2 【 9 】田景文 人工神经网络算法研究及应用 M 北京： 北京 理工大学 出版社 ， 2 0 0 6 【 1 0 】刘思峰， 谢乃明 灰色系统理论及其应用 M 北京： 科 技出版社， 2 0 0 8 【 l 1 l邓聚龙 灰色控制系统 M 。 武汉 ： 华中理工大学出版 社 ， 1 9 9 7 【 1 2 】D E N G J u l o n g T h e C o n t r o l P r o b l e m s o f G r e y S y s t e m s J S y s t e m s a n d C o n t r o l L e t t e r s ， 1 9 8 2 ( 5 ) ： 2 8 8 2 9 4 【 1 3 】L I U S i n g ， L I N Y i A n I n t r o d u c t i o n t o G r e y S y s t e m s T h e o r y M G r o v e C i t y ： I I G S S A c a d e mi c P u b l i s h e r ， 1 9 9 8 【 1 4 】葛哲学 精通 M A T L A B M 北京 ： 电子工业 出版社， 20 0 8 ( 上接第 6 2页) 4结论 通过实验证明采用位移传感器检测油缸位移 ，再 转化成臂架姿态角度的方式是切实可行的。采用带前 馈补偿 的 P I D控制策略 ，可 以有效提高系统的响应特 性和跟随特性。实际应用 中，臂架机械本体 的大惯 性 ，以及液压系统本身的响应特性，给整个系统的响 应特性造成影响。此外，运动过程中臂架的变形也是 造成末端位置误差的一大主要因素。因此，根据臂架 姿态实时估算臂架的变形 ，并对变形进行补偿会明显 提高末端位置的控制精度。 参考文献： 【 1 】仇文宁 混凝土泵车布料杆的位置控制 M 吉林大学， 2 0 0 4 【 2 】K A N G X i a o d o n g ， H U A N G G a n g ， C A O X i n l i ， e t a 1 T r a j e c t o r y Pl a n ni n g f o r Co n c r e t e Pu mp Tr uc k b a s e d o n I n t e l l i g e n t Hi l l C l i m b i n g a n d G e n e t i c A l g o ri t h m J A p p l i e d M e c h a n i c s a n d Ma t e ria l s ， 2 01 2， 1 2 7： 3 6 03 6 7 【 3 】曹惟庆 连杆机构的分析与综合 M 北京： 机械工业出版 社 ， 2 0 0 2 【 4 】张光澄， 张雷 实用数值分析 M 成都： 四川大学出版社， 2 0 0 9 【 5 】强宝民， 刘保杰 电液比例阀控液压缸系统建模与仿真 J 起重运输机械， 2 0 1 1 ( 1 1 ) ： 3 5 3 9 【 6 】许益民 电液比例控制系统分析与设计 M 北京： 机械工 业出版社 ， 2 0 0 5 【 7 】刘金琨 先进 P I D控制Ma t l a b仿真 M 北京： 电子工业出 版社， 2 0 0 4 5 5 5 5 5 5 7 6 5 4 3 2 2 2 2 2 2 2 0 0 O O 0 0 茸目 、 挺 囊恒擗