平地鏟系統設計論文范文

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1平地鏟水平閉環控制系統的設計

水平控制系統閉環控制結構如圖1所示，圖2是系統硬件結構框圖。系統主要由姿態測量部分、非線性控制器與液壓執行部分組成，各部分作用是:姿態測量部分檢測平地鏟水平傾角，非線性控制器根據傾角信息對電磁閥施加PWM脈寬控制信號，液壓執行部分通過扭矩輸出使平地鏟保持在水平位置。系統的硬件包括Cotex－M3處理器、ADIS16355及SD卡存儲器等。Cortex－M3處理器使用了ARMv7－M體系結構，具有較高的性能和較低的動態功耗［9］。從性能能上看，Cortex－M3處理器可以作為本文的融合算法以及控制算法的硬件實現。Cortex－M3處理器使用SPI接收來自ADIS16355的數據并保存在SD卡存儲器。其采樣得到的三軸角速度和加速度計數據通過傳感器信息融合測量，從而得到平地鏟水平傾角;數碼管用于顯示當前測量角度和控制參數等，可通過按鍵改變顯示模式和參數調整，兩者組成簡單的人機界面，易于調試;RS232串口主要用于接收高精度姿態航向參考系統AHRS500GA發送的數據。

2融合算法與控制算法

2．1基于卡爾曼濾波的姿態解算算法利用加速度計對重力矢量進行觀測，以觀測值同重力常量的誤差值修正陀螺對姿態角的測量值，設計卡爾曼濾波器對狀態進行融合估計［10］。根據該方案，傳感器信息融合處理過程如下:1)利用式(6)計算更新四元數，并轉換為姿態角。2)觀測矩陣

2．2控制系統數學模型根據平地鏟運動特征，建立平地鏟的抽象物理模型，如圖3所示。按以下方法建立平地鏟運動的載體坐標系xoy:以平地鏟質心o為零點，系統輸入量x為液壓系統閥芯位移，輸出量y為油缸位移，平地鏟轉動傾角為θ，建立傳遞函數模型。

2．3控制器的算法設計

2．3．1適用于平地鏟運動的控制算法考慮水田激光平地機的作業特點，控制系統在設計上必須保證平地鏟在傾角角度情況下能夠迅速回位到水平位置，并且盡量減少超調和避免振蕩。傳統PID控制有較好的適應性，但是還不能提供最優控制，其結果是導致超調失效而影響控制效果。目前，基于動態補償的最優控制在工業中得到應用，其特點是能夠準確反映信號的變化趨勢，產生有效的早期修正信號，以增加系統的阻尼程度，從而改善系統的穩定度［12］。本文鑒于非線性系統近似最優PD控制的特性，引入其算法，針對平地機做出相應修改，進行相應嘗試。控制器框圖如圖4所示，姿態測量單元提供位置反饋θ。積分控制、比例控制以及微分控制的作用如下:①積分控制放在前饋通道，其作用是抑制平地鏟在受到外界恒定負載情況下產生的輸出誤差，增益輸出為y0=K1△θ。②比例控制作用輸出為y3，等于兩次連續位置反饋值的差值，增量△y1等于信號y0減去y3，通過數字積分器累加。③微分反饋信號y2提供參考速度，其大小正比于平地鏟輸出轉速，與參考信號y1組成一個局部的速度內環。微分控制器設計目的是適合平地鏟在大干擾情況下的操作。④系統輸出轉矩的參考值為Trf，送入零階保持器，輸出力矩實際值為Tcm。Tcm正比于零階保持器的輸出。

2．3．2控制器參數的確定平地鏟運動機構近似于二階系統，有以下方程成立。

2．3．3輔助補償器的設計采用Lyapunov再設計方法設計輔助補償器以補償非線性部分和外界擾動對PID控制器的影響。對于漸進穩定的線性系統，必存在實對稱正定矩陣P，滿足以下關系。

3試驗與分析

為了驗證本文提出的平地鏟水平控制系統，本文進行融合算法的驗證試驗以及平地機田間試驗。

3．1傳感器融合算法驗證試驗

3．1．1試驗方法通過AHRS500GA同步測量平地鏟姿態信息并作為準確數據，驗證基于ADIS16355的姿態測量單元有效性。美國Crossbow公司生產的AHRS500GA是高精度慣性姿態測量器件，其采樣頻率為100Hz，測量精度為:航向角0．2°RMS、俯仰角0．03°RMS、橫滾0．03°RMS［15］。融合算法的驗證實驗步驟如下:①在平地機上安裝水平控制系統，保證系統坐標系與載體坐標系一致;②啟動系統，人為搖動平地鏟，同步記錄ADIS16355與AHRS500GA數據;③PC平臺上運行MatLab融合程序對采樣的數據進行處理。

3．1．2試驗結果分析圖5為一次典型的試驗結果，圖5(a)為平地鏟傾角測量值對比，圖5(b)為局部放大結果。1)從圖5(a)、6(b)中可見，0～400s區間平地鏟振動較小時，利用加速度計計算傾角值較準確;當外界擾動導致振動加劇時，誤差可達±5°以上，無法單純用加速度計解算姿態角。2)本設計姿態測量單元能準確測量平地鏟動態傾角。由圖5(b)可見，在動態環境下融合結果能與AHRS500GA提供的參考傾角結果呈現良好的一致性，其誤差絕對值不超過±1°。3)通過傳感器實時判斷平地鏟運動狀態，利用加速度計對重力矢量觀測值來修正陀螺漂移，可以有效降低姿態角計算誤差。

3．2平地機田間試驗

3．2．1試驗方法組裝好平地機的高程和水平控制系統，在水田進行平地試驗，開啟以上系統并保證正常工作，記錄相關數據。圖6所示為水田激光平地機田間作業后的場景，可以看出平地效果良好。

3．2．2試驗結果分析圖7所示曲線為平地機平地過程中控制系統所測量的平地鏟水平傾角。田間試驗結果分析如下:1)從圖7(a)可知，平地鏟傾角變動基本控制在±1．5°以內且漸進穩定，滿足平地機作業要求。2)從圖7(b)和7(c)可知，在外界干擾較大導致平地鏟晃動嚴重時，水平控制系統起作用，通過PWM輸出反向力矩，使平地鏟恢復到水平位置，其過程是漸進穩定的。3)由于在控制算法推導過程中，平地鏟的傳遞函數是簡化和抽象的，如忽略機械連接部分的間隙、撓度，液壓油缸對于控制系統的響應有延遲現象等，最終導致了控制系統的效果受到影響。

4結語

為滿足水田激光平地機田間作業要求，設計了使用平地鏟水平控制系統。通過試驗可知:該系統能較準確測量出平地鏟靜態和動態實時傾角，通過PWM脈寬信號控制液壓電磁閥的方式可以有效控制平地鏟的水平姿態。該控制系統具有高準確度與低成本、測量單元小型化的特點，本文設計的非線性位置控制算法適合平地鏟運動特點，因此達到了預期的效果。但是控制系統的超調效果仍存在問題，今后的研究重點是優化平地鏟數學模型、改進控制系統的參數求解等問題。

作者：黎永鍵趙祚喜高俊文單位：廣東農工商職業技術學院機電系華南農業大學工程學院