装载机工作臂液压缸参数辨识.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 l 2年 第 2期 装载机工作臂液压缸参数辨识 蓝敏俐 郑明辉 z 1 ． 福建船政交通职业学院机械工程系， 福建福州 3 5 0 0 0 7 ； 2 ． 福建工程学院机电及 自动化工程系， 福建福州 3 5 0 1 0 8 摘要 讨论 了装载机工作臂液压缸承载状况与液压系统 ， 在 动力学分析 的基础上 ， 利用 液压缸低速工作特性建立其平稳状态下 的动 力学模型 ， 确定工作臂的结构参数 ， 通过实验验证摩擦力参数 ， 为实现装载机工作臂的精确控制提供有力的依据 。 关键词 装载机 ； 工作臂 ； 动力学模型 ； 液压缸摩擦 力 中图分类号 T H1 3 7 ． 3 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 2 0 0 2 2 0 4 Pa r a me t e r I d e n t i fi c a t i o n f o r L o a d e r W o r k Ar m Hy d r a u l i c Cy l i n d e r J 7v Mi n - l i Z HE NG Mi n g - h u i 1 ． D e p a r t me n t o f me c h a n i c s ，F u j i a n C o m mu n i c a t i o n T e c h n o l o g y C o l l e g e ，F u z h o u 3 5 0 0 0 7 ，C h i n a ； 2 ． De pa r t me n t o f El e c t r o me c ha n i c a l a n d Au t o ma t i o n En g i n e e r i ng ． F u j i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， F u z h o u 3 5 0 1 0 8 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， d i s c u s s e d t h e c a r l o a d e r w o r k a l q T l c y l i n d e r l o a d b e a ri n g c o n d i t i o n a n d t h e h y d r a u l i c s y s t e m ， i n d y n a mi c s a n a l y s i s f o u n d a t i o n， e s t a b l i s h e s u n d e r i t s s t e a d y c o n d i t i o n u s i n g t h e c y l i n d e r l o w s p e e d o p e r a t i o n a l f a c t o r d y n a mi c s mo d e l ， d e t e r mi n a t i o n w o r k a rm “ s d e s i g n p a r a me t e r ， t h r o u g h e x p e rime n t a l v e ri fi c a t i o n f r i c t i o n f o r c e p a r a me t e r ， i n o r d e r t o r e a l i z e t h e c a r l o a d e r wo r k a rm s a c c u r a c y c o n t r o l c o p r o v i d e t h e p o w e r f u l b a s i s ． Ke y W o r d s c a r l o a d e r ； w o r k a rm ； d y n a mi c s mo d e l ； h y d r a u l i c r a m f ri c t i o n f o r c e 0 引言 液压缸是将液压泵所产生的液体压力能转换成机 械能 ， 实现往复运动的一种执行元件 ， 在工程机械中广 泛应用。 装载机的工作装置由铲斗、 动臂 、 摇臂 、 连杆f 或 托架 及液压系统等组成 ， 动臂和动臂液压缸的作用是 提升铲斗并使之与车架连接 。动臂液压缸是影响装载 机工作装置的重要因素 ， 在行驶过程 中． 由于地面激励 而造成的动臂液压缸带动铲斗振动的加剧 ，引起物料 的振落和对工作装置液压系统的冲击。要进行准确 的 基金项 目 福建省教育厅 A类 科技项 目 J A 0 9 1 8 1 ． 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 0 5 作者简介 蓝敏俐 1 9 7 3 一 ， 女 ， 畲族 ， 浙江云和人 ， 高级工程师 ， 硕士 ， 研究 方 向为机械工程。 参 考 文 献 装载机参数设计 ，必须考虑液压缸活塞杆运动摩擦力 对动力学 系统特性的影响。本文对装载机工作装置动 臂液压缸承载状况与液压系统进行分析 ．研究液压缸 相关摩擦力参数对系统动力学模型的影响 ．为装载机 工作装置的改进提供了理论参考[ 1 ’2 】 。 装载机液压液压缸摩擦力 的大小与液压油类 型 、 液压缸负载 、 密封件表面状态及活塞缸筒润滑条件等 因素有关 。液压缸摩擦力 的大小和方 向具有 不确定 性 ，摩擦力的参数要模拟液压缸在装载机上的实际工 作状态 ， 因此测量结果有较大的偏差。本文先建立 与 摩擦力无关 的装载机工作臂的数学模型 ， 通过实验得 到工作臂 的动力学参数 ， 再通过液压缸实验得到摩擦 力参数 ， 为进一步研究装载机的动力学特性 和实 时仿 真 奠定 基础 。 一 - -* 十- 一 - - - 一 - - 一 十一 - 一 一 一一 十一 - 一 - - - 一 十一 _ 卜 【 5 】 王明波 ， 王瑞 和． 磨料水射流工艺控制 过程 研究进展【 J 1 ． 润滑 【 1 】 孙家俊． 水射流切割技术【 M 】 ． 徐州 中国矿业大学出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 2 】 董志 勇． 射流力学【 M】 ． j ￡ 京 科学出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 3 】 解象春． 湍流射流理论与计算【 M 】 ． 北京 科学 出版社 ， 1 9 7 5 ． [ 4 ] 沈忠厚． 水射流理论与技术【 M 】 ． 东营 石 油大学 出版社， 1 9 9 8 ． 22 与密封 ， 2 0 0 5 6 ． 【 6 】 宋胜伟 ， 赵存友． 磨料射流切割技术[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 4 6 ． [ 7 】 M． H a s h i s h ， M． P ． d u p l e s s i s T h e o r e t i c a l a n d E x p e ri m e n t a l I n v e s ti g a t i o n o f Co n ti n u o u s J e t P e n e t r a t i o n o f S o l i d s ，AS ME ， T r a n s a c t i o n s ， Vo 1 ． 1 0 0 ． No ． 1 ． F e b r u r u a r y 1 9 7 8 ， P ． 8 8 9 4 ． 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 2期 验统计方法，是系统的输入， 输出特性在确定的准则下 按照装载机工作臂 的工作 目的所作 的一种近似描述 。 辨识方法有经典辨识与近代辨识 、系统结构辨识与系 统参数辨识等。模型辨识是一种从系统的输入输出数 据获取系统数学模型的方法 ， 第一是在时问域进行的 ， 称为时域辨识方法 ．第二是在频率域进行的称为频域 辨识 方法 ， 第三是在线进行的 ， 称为在线辨识 ， 第 四是 离线进行的 ． 称为离线辨识 。 在线辨识是在装载机工作臂系统实际运行 中完成 的， 辨识过程要求具有实时性 ， 即必须在一个采样周期 的时间间隔内产生一次模型参数估计的调整值 ，不断 采集输入输 出数据 ， 不断辨识模型 ． 不断计算控制律的 一 种辨识方法。例如 ， 在神经网络控制 系统中， 系统辨 识过程是 以闭环控制 下所得到的观测数据进行的 ． 因 此是在线辨识 。离线辨识是在取得装载机工作臂系统 的输入／ 输出数据并存储后再辨识 ，因此辨识过程与实 际系统是分离的无实时性要求 ，即不利用辨识获取的 模型实时推求控制律进行实时控制的辨识方法。常用 时域辨识算法有 最小二乘法 L e a s t s q u a r e 、 递推最 小二乘法 r e v e u r s i v e l e a s t s q u a r e ， R L S 、 最小平均二 乘法 L e a s t m e a n s q u a r e s ， L MS 、 快横向滤波器 F a s t t r a n s v e r s a l f i l t e r ， F T F t4 。 2 ． 2最小 二乘 法递推 算 法 一 个单输人／ 单输 出线性系统 ，可以采用差分方程 形式描述 ， 如式 9 。 y k 口 1 y k - 1 L a ． y k - n b 1 u k 一 1 6 2 u k - 2 L b y k - n e k 9 式中u k ， y k 实测的输入和输出序列 ； e k 零均值 、 同分布的不相关 的随机变量 序列 ￡ ， b ￡ 6 待辨识参数 ； n 模型的阶数。 考虑对输入输出观测了 N n次 ．得到实测的输入 输出序列{ u k ， y k ， k l ， 2 L N n ， 为估计上述 2 n 个未知参数 ，需要有 Ⅳ个 观测方程 ， Ⅳ≥2 n 1 ．如式 1 0 。 y n 1 一 n l y 一 L a y 1 6 l u n L b M 1 e n 1 y n 2 - a l y n 1 一 L 一 y 2 6 l u n 1 L b 2 n 2 L y Ⅳ 一 口 1 y n L1 - L a y N b l M n A L1 L b M Ⅳ e n Ⅳ 1 0 ，4 将式 1 0 用 向量矩阵形式表示 ， 则式 1 0 可写成 式 1 1 ， 即为最小二乘法 的标准形式 。在系统辨识 中， 线性主要指系统的输出相对于系统模型中的未知参数 是否线性 ， 即使对一般的非线性模型 ， 只要能变换成如 式 1 1 的形式 ， 就可以用最小二乘法进行参数估计。 Y Ⅳ 7 、 ， Ⅳ e N 1 1 在装载机中， 要对摩擦力进行参数辨识 ， 需要获得 动臂的两个结构参数 ， 即自重力矩和转动惯量。可知液 压缸在低速状态下速度恒定 ．分析动臂角加速度得到 式 1 2 。 2 2 ，_ 一． d t 『 f A B I ． I B c I z A B J } z B c l s i n ／_ A B C I f A c J c o s Z _ A B C 一‘ s i n ABC 1 2 取液压缸收缩和伸出的长度范 围为 n和 b ． 则液压 缸稳定低速时 ， 通过 MA T L A B仿真[5 1 知 ， 可以忽略角加 速度项的影响。则式 8 简化为式 1 3 。 L O T e o s O - 1 3 基于经典摩擦学 ，建立液压缸摩 擦力模 型如式 1 4 和与摩擦力无关的动臂动力学方程如式 1 5 。式 1 5 中 和 分别为液压缸伸出和收缩时的驱动力 ， 同时避免了液压缸静摩擦力 的不确定性而带 来的误 差 。 s g n v 1 4 毕 ￡ T e 。 s ] B 1 5 3 装载机工作臂液压缸实验与分析 选取 自重为 5 t 的装载机并进行改造实验 ，如图 2 所示 ， 工作臂等效质量 m 2 2 3 k g ， L 。 9 8 6 m m， 在 动臂液 压缸的两腔安装用于测量两腔压力的压力传感 器 ； 同 时在动臂上安装拉绳式位移传感器 ，用于测量液压缸 的位移 和速度 利用 d S P A C E D S 1 1 0 3实时系统采集 实验过程中液压缸的位移和两腔的压力数据嗍 。 3 ． 1 装载机工作臂液压缸参数 自设定状态下离线辨识 实验 中得到的液压缸长度变化显示 ，运动速度波 动小 ， 即整个过程为匀速运动 ， 同时液压缸 的速度 0 ． 0 0 75 m ／ s 为低速运动 液压缸伸出速度和缩 回速度近 似相等。当液压缸活塞伸 出时 ， 装载机工作臂被抬升 ， 液压缸无杆腔压力减小 ，此时有杆腔压力大于油箱压 力 ； 当活塞退 回时 ， 装载机工作臂被放下 ， 无杆腔压力 增大， 有杆腔压力小于油箱压力 。 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e als ， NO ． 2 ． 2 0 1 2 根据式 1 5 ，将 实验过程 中采集 的驱 动力矩在 MA T L AB中建立辨识模型 ， 利用最小二乘法对 d S P A C E 采集的数据 ，离线辨识得 到装载机工作臂的结构参数 T -- 4 1 3 2 8 N m和fl o ． 6 3 r a d 。 将参数代入式 1 5 中， 得到 模型的仿真结果与实验结果 的数据对 比如图 4所示 。 当液压缸伸 出时 ， 摩擦力与驱动力方 向相反 ， 此时的驱 动力矩还需要克服摩擦力 ； 当活塞退 回时 ， 摩擦力与驱 动力方向相同。 时f n J t ／ s 图 4辨识模 型期望迹线与实际迹线 3 ． 2装载机工作臂液压缸参数 自校准状态下在线辨识 根据式 8 和式 1 4 得 到装载机工作臂液压缸摩 擦力参数辨识模型的最小二乘式同 如式 1 6 。 f L 0 s g n v }l， c l 一 T c o s 0 --O l L O v l l f 1 6 【 J { 1 将离线辨识结果代人式 1 6 ， 得到参数 自校准状 态下装载机工作臂液压缸摩擦力参数的数学模型。通 过 d S P A C E进行在线实时采集 ，得到在正常速度下工 作的装载机工作臂液压缸 的位移和压力 ，并利用最小 二乘递推算法 ，辨识得到液压缸摩擦力参数及相对支 点的转动惯量结果分别为 ． 3 86 5 N ， 1 4 36 2 N s ／ m ， 2 5 3 7 5 k g m。 。进而将在线辨识结果代入模型中 ， 与 另一组正常工作条件下未用于参数辨识的实验结果进 行 比较 。 发现当液压缸出现启动 、 停 止等运动状态突变 的情况时 ．由于缸内液压 冲击和气穴现象引起的压力 突变、 液压油的可压缩性和黏性 、 活塞运动状态突变时 液压缸 内的润滑条件不理想等原因 。造成了较大压力 波动， 使液压缸在运动过程中存在抖动现象 ， 形成模型 的误差。当液压缸稳定运动时， 模型能够与实验结果一 致。利用最小二乘法进行参数辨识 ， 可以实时地对参数 进行校正 ， 并且不需要磁链信号 ， 这样使得辨识结果更 为 准确 。 装载机工作臂液压缸参数是一个针对非线性系统 的状态估计 问题 ． 除了最t J - - 乘法 ， 常用的递推算法还 有扩展卡尔曼滤波。卡尔曼滤波器是一种状态最优估 计方法 ，其思想是在考虑输入及输 出误差和噪声的情 况下追求最小 的均方根误差。 如果被控的对象为非线性 系统， 则对应的滤波器为扩展卡尔曼滤波器。扩展卡尔 曼滤波是线性系统状态估计 的卡尔曼滤波算法在非线 性系统的扩展应用。系统状态估计是系统辨识的组成部 分 ， 其本身就是一个简单的 自适应系统 ， 因为滤波器 的 增益能够适应环境而自动调整。卡尔曼滤波器是在线性 最小方差估计和最小方差估计 的基础上发展起来的． 但 这两种方法不是递推是计算 ， 而要求采集足够的数据才 能计算 ， 因此不适合实时控制。卡尔曼滤波器是一种递 推计算方法 ， 它一边采集数据 ， 一边计算 ， 这种递推式计 算便于使用 C P U对系统状态进行实时估计。 4 结束语 装载机工作臂液压缸 的摩擦力是影响其动力学特 性的重要因素．考虑到静摩擦力大小和方向的不确定 性给工作臂液压缸系统辨识带来 的偏差 ，本文提出了 一 种可避免静摩擦力影响的应用于装载机工作臂动力 学参数建立的辨识方法。仿真实验 ， 参数辨识结果与实 验结果证明了模型的可行性。 参 考 文 献 [ 1 】 S h a h r a m T ． I d e n t i f i c a t i o n o f F ri c t i o n a l E f f e c t s a n d S t r u c t u r a l D y n a mi c s f o r I mp r o v e d C o n t r o l o f Hy d r a u l i c Ma n i p u l a t o r s [ D 】 ． V a n c o u v e r U n i v e r s i t y o f B ri t i s h C o l u m b i a ， 1 9 9 7 ． 『 2 1 S h a h r a m T ， L a w r e n c e P D ， S a l c u d e a n S E ． I d e n t i f i c a t i o n o f I n e r t i al a n d F ri c t i o n P a r a m e t e r s f o r E x c a v a t o r A r ms [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n R o b o t i c s a n d A u t o ma t i o n ， 1 9 9 9 5 ． [ 3 ] 龚勇． 极 限偏载工况下装载机 动臂应力的精确求解[ J ] ． 工程机 械 ． 2 0 o 1 9 ． [ 4 ] 王林鸿， 吴 波， 杜润生， 等． 液压缸运 动的非线性动态特征[ J ] ． 机 械工程学报， 2 0 0 7 1 2 ． 【 5 】 侯 媛彬， 汪 梅， 王立琦． 系统辨识及其 MA T L AB仿 真[ M】 ． 北京 科学出版社。 2 0 0 4 ． 【 6 1 陈文家， 陈 书宏 ， 张波． 一 种四 自由度并联 机构及其运动学 建 模【 J ] ． 机械设计， 2 0 0 1 1 0 ． 【 7 】 I 』i u H o n g j u n ， L i u B i n ． C a l i b r a t i o n o f a 4 - D O F P a r a l l e l M a n i p u l a t o r [ C ／ P r o c e e d i n g s o fi h e 6 t h Wo r l d C o n g r e s s o n I n t e l l i g e n t C o n t r o l a n d Au t o ma t i o n ． P i s c a t a w a y I n s t i t u t e o f E l e c t ric a l a n d El e c t r o n i c s E n g i n e e r s I n c ． ， 2 0 0 6 7 9 5 8 7 9 6 2 ． 25 2 0 8 6 4 2 O 8 6 4 2 4 4 3 3 3 3 3 2 2 2 2 山． 孑 0 【 ， R H