第頁共35頁挖掘機軌跡跟蹤控制器設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9251挖掘機軌跡跟蹤控制器設(shè)計案例 1182511.1元件的數(shù)學模型與控制系統(tǒng)框圖 213891.1.1電液比例閥的傳遞函數(shù) 2248051.1.2液壓缸傳遞函數(shù) 399411.2末端位姿實時顯示系統(tǒng) 3159211.3PID軌跡跟蹤控制 7圖1.1控制系統(tǒng)流程圖1.1元件的數(shù)學模型與控制系統(tǒng)框圖1.1.1電液比例閥的傳遞函數(shù)電液比例閥是實現(xiàn)挖掘機液壓控制系統(tǒng)的核心原件之一，可將其視為一個一階慣性環(huán)節(jié)，因此其傳遞函數(shù)可以近似表示為：G對于雙向比例調(diào)速閥2FRE6，根據(jù)手冊顯示電液比例閥的特性是比例閥的額定流量為1Hz。最大線圈輸入電流為2200mA。把各項參數(shù)帶入式1.1得其傳遞函數(shù)為G1.1.2液壓缸傳遞函數(shù)對于挖掘機工作裝置液壓缸，其傳遞函數(shù)為：G式1.3中，ξn為阻尼比，ξn=4βe×A2Vt×m；A-活塞平均面積，單位m2；Kq對于液壓缸，其傳遞函數(shù)為：G其余環(huán)節(jié)可視為比例環(huán)節(jié)。工作裝置的控制系統(tǒng)框圖如圖1.2所示。圖1.2工作裝置控制系統(tǒng)框圖1.2末端位姿實時顯示系統(tǒng)用第三章第四章的多體動力學聯(lián)合仿真模型，在Simulink模型中調(diào)用模塊庫中的TransformSenor模塊可以實現(xiàn)工作裝置末端位姿實時顯示。圖1.3調(diào)用位姿傳感器模塊為顯示工作裝置末端實時位姿，需要打開位姿傳感器模塊進行相應(yīng)設(shè)置。勾選Rotation選項卡下的Quaternion，端口Q可輸出從動架相對于基架的純旋轉(zhuǎn)的單元四元數(shù)，即可顯示相對于基準坐標系的旋轉(zhuǎn)角。勾選Translation選項卡下的X、Y、Z，可創(chuàng)建X、Y、Z，三個輸出端口實現(xiàn)末端位置的實時顯示，模塊設(shè)置界面如圖1.4所示。圖1.4模塊設(shè)置界面此時搭建的末端顯示系統(tǒng)還無法將信息完全顯示，需要組合其他模塊完成末端位姿顯示系統(tǒng)的搭建，搭建好的末端位姿顯示系統(tǒng)如圖1.5所示。首先使用信號轉(zhuǎn)換模塊，將Simulink輸出的信號賦予實際物理意義，其中位姿顯示部分設(shè)置單位為mm，姿態(tài)部分設(shè)置為角度deg。兩部分都需要接入Display模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時輸出，其中位置坐標要用Mux總線進行連接實現(xiàn)三維坐標整體輸出。圖1.5末端位姿顯示系統(tǒng)由于在先前的工作中已經(jīng)將裝置模型進行封裝，為方便在后續(xù)系統(tǒng)調(diào)試過程中在主界面觀察末端位置輸出，這里插入out模塊建立一個封裝輸出接口，搭建好的模型如圖1.6所示。圖1.6具備末端位置顯示功能的控制模型設(shè)置仿真模式為默認模式，仿真時長為10s。輸入信號采用如圖1.7所示的正弦信號激勵下的角度輸入信號。在主界面子系統(tǒng)與仿真模型的接法如圖1.8所示。在啟動仿真前，需要將開關(guān)按圖示界面使封裝好的輸入信號子系統(tǒng)與仿真模型子系統(tǒng)輸入接口相連接。圖1.7輸入信號子系統(tǒng)圖1.8子系統(tǒng)與仿真模型的接法啟動仿真后在主界面可以觀察到輸出的工作裝置末端實時坐標。打開封裝好的仿真模型，可看到如圖1.9所示的位姿顯示界面。同時可以觀察到在MATLAB主界面工作區(qū)輸出了仿真過程三維動畫，如圖1.10所示。圖1.9位姿顯示界面圖1.10三維動畫輸出1.3PID軌跡跟蹤控制本小節(jié)主要實現(xiàn)挖掘機工作裝置的軌跡跟蹤控制。在給模型加入PID控制器前，需要將先前設(shè)置的三個轉(zhuǎn)動副驅(qū)動方式進行調(diào)整。Actuation驅(qū)動選項卡中的扭矩改為這里扭矩（Torque）采用“外部提供模式”，驅(qū)動運動設(shè)置（motion）使用“電腦自動計算模式”，如圖1.11所示。圖1.11轉(zhuǎn)動副驅(qū)動設(shè)置在主界面搭建如圖1.12所示的PID控制回路。并對每一個轉(zhuǎn)動副進行單獨的PID參數(shù)調(diào)試，最后進行疊加。圖1.12仿真控制系統(tǒng)在進行PID參數(shù)調(diào)試的過程中，采用了PID模塊集成的自動調(diào)參功能。雙擊打開PID模塊，點擊Tune選項，系統(tǒng)會編譯模型，并自動調(diào)整參數(shù)，如圖1.13和1.14所示。之后滑動頂端的參數(shù)調(diào)整器對階躍響應(yīng)進行微調(diào)。圖1.13PID參數(shù)自動整定圖1.14調(diào)整前的階躍響應(yīng)經(jīng)過參數(shù)調(diào)整，前后的階躍響應(yīng)曲線對比如圖1.15所示。調(diào)整后的PID參數(shù)分別為1.6915、0.232、-0.21936?？梢钥吹浇?jīng)過調(diào)整后的控制系統(tǒng)響應(yīng)時間可以調(diào)整到0.825s