装载机自主铲掘作业位置控制系统仿真研究

发布时间：2017-04-04 13:15

  本文关键词：装载机自主铲掘作业位置控制系统仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：装载机作为工程机械的典型代表，在矿山、建筑业等领域中有着重要的地位。为了提高工作效率、减轻操作者劳动强度以及适用于在十分恶劣的环境或无法接近的场所中作业，装载机机器人化无疑是未来的发展方向。对装载机工作装置的运动控制是实现自动铲掘的基础，因此，本文以HT-25J型装载机的工作装置为研究对象，对其自主铲掘作业位置控制系统进行了一些研究，主要完成以下五个方面工作： (1)根据经验和有关文献，以确保铲掘作业在最少时间内完成同样的铲斗装载率为条件，给出较理想的曲线铲掘作业轨迹方程。采用D-H法建立装载机工作装置的运动学模型，推导铲掘轨迹由直角坐标空间向关节空间转换以及由关节空间向驱动空间转换。借助MATLAB进行编程，得到车体速度、动臂油缸和转斗油缸驱动方程的轨迹规划。 (2)应用三维软件Pro/E建立装载机工作装置的几何模型，再利用MATLAB/SimMechanics工具箱建立工作装置的物理模型。在SimMechanics模型中，输入轨迹规划所求得的车体速度、动臂油缸位移和转斗油缸位移三个信号进行运动仿真，得到装载机铲掘作业铲斗齿尖轨迹图，结果与期望轨迹基本吻合，验证了轨迹规划的正确性。 (3)根据电液比例控制技术，设计了以电液比例方向阀为核心元件的装载机工作装置液压控制系统。通过对系统各环节的分析，推导每个环节的数学模型，得到位置控制系统的开、闭环传递函数。对系统进行阶跃信号的响应仿真，发现系统具有时变性和非线性，且有微小的振荡，为位置控制器设计打下基础。 (4)根据设计的装载机工作装置液压系统，应用MATLAB/SimHydraulics工具箱建立工作装置的液压物理模型。在此基础上，结合PID控制和模糊控制的优点，设计出合理的模糊自适应PID控制器用于工作装置位置控制系统中。在MATLAB里的仿真结果表明，动臂油缸和转斗油缸都能按给定的轨迹运动，位移误差控制在0.5mm内，跟踪效果好，有较强的适应性和鲁棒性。 (5)综合MATLAB/SimMechanics里建立的装载机机械模型、MATLAB/SimHydraulics里建立的工作装置液压模型和Simulink里搭建的液压系统位置控制器模型，建立装载机工作装置机电液一体化仿真模型。通过MATLAB软件，，在Simulink环境下对装载机自主铲掘作业进行仿真，得到直观的装载机铲掘过程动画，并显示铲斗的轨迹，与期望轨迹吻合，验证了整个系统的合理性，对装载机机器人化改造具有一定的借鉴意义。
【关键词】：装载机 工作装置 轨迹控制 MATLAB 工程机器人
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH243
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题的研究背景与意义10-11
• 1.2 装载机国内外发展概况11-14
• 1.2.1 国外发展概况11-13
• 1.2.2 国内发展概况13-14
• 1.3 国内外装载机铲斗轨迹控制概述14-15
• 1.3.1 铲斗轨迹规划14
• 1.3.2 铲斗轨迹跟踪控制14-15
• 1.4 本文研究的主要内容15-16
• 第2章 装载机铲掘作业的轨迹规划16-27
• 2.1 铲掘作业的机理及工作方式16-18
• 2.1.1 装载机铲掘作业原理16
• 2.1.2 装载机铲掘物料的方法16-18
• 2.2 铲掘轨迹的确定18-19
• 2.3 工作装置运动学分析19-25
• 2.3.1 D-H 方法简介20-21
• 2.3.2 直角坐标空间向关节空间转换21-23
• 2.3.3 关节空间向驱动空间转换23-25
• 2.4 装载机工作装置驱动方程25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第3章 装载机机械系统几何、物理建模27-33
• 3.1 装载机工作装置 Pro/E 建模27-29
• 3.1.1 Pro/E 功能简介27
• 3.1.2 建立工作装置零件图27-28
• 3.1.3 建立工作装置装配图28-29
• 3.2 装载机工作装置 SimMechanics 建模29-31
• 3.2.1 SimMechanics 简介29-30
• 3.2.2 建立工作装置 SimMechanics 模型30-31
• 3.3 装载机铲掘作业轨迹规划的验证31-32
• 3.4 本章小结32-33
• 第4章 装载机工作装置液压控制系统设计33-46
• 4.1 液压系统工作原理33-35
• 4.1.1 电液比例位置控制系统原理及特点33-34
• 4.1.2 电液比例方向阀的原理及特点34-35
• 4.1.3 工作装置液压系统原理图35
• 4.2 液压系统数学模型35-45
• 4.2.1 比例放大器35-36
• 4.2.2 电液比例方向阀36
• 4.2.3 阀控非对称液压缸36-43
• 4.2.4 位移传感器43
• 4.2.5 位置控制系统传递函数43-45
• 4.3 本章小结45-46
• 第5章 装载机工作装置位置控制器设计仿真46-59
• 5.1 工作装置液压系统物理建模46-48
• 5.1.1 SimHydraulics 简介46-47
• 5.1.2 工作装置液压系统 SimHydraulics 建模47-48
• 5.2 工作装置位置控制系统控制器设计48-55
• 5.2.1 常规 PID 控制原理48-49
• 5.2.2 模糊控制技术概述49-50
• 5.2.3 模糊自适应 PID 控制器设计50-55
• 5.3 模糊自适应 PID 位置控制系统仿真分析55-58
• 5.4 本章小结58-59
• 第6章 装载机铲掘作业机电液耦合仿真59-62
• 6.1 装载机工作装置机电液一体化建模59-60
• 6.2 装载机自主铲掘作业可视化仿真60-61
• 6.3 本章小结61-62
• 第7章 总结与展望62-64
• 7.1 全文总结62
• 7.2 工作展望62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-68
• 作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王传礼,丁凡,李其朋,杨奇顺;对称四通阀控非对称液压缸伺服系统动态特性研究[J];中国机械工程;2004年06期

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 许怀友;少自由度并联示教机器人的结构学与运动学设计[D];重庆大学;2004年

2 穆春宏;机器人化装载机关键技术研究[D];吉林大学;2005年

3 周洪军;工程机器人试验台的自动控制研究[D];吉林大学;2007年

4 马晓宏;电液比例阀控缸位置控制系统的研究与应用[D];东华大学;2008年

5 胡晓清;轮式装载机虚拟样机的实现方法研究[D];南京理工大学;2005年

  本文关键词：装载机自主铲掘作业位置控制系统仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：285594