機(jī)械專業(yè)外文文獻(xiàn)翻譯-外文翻譯-- 五分之一號規(guī)格自動挖掘機(jī)的線性非線性和經(jīng)典的控制器 中文版

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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 外文翻譯 中文題目： 1/5 號規(guī)格自動挖掘機(jī)的線性、非線性 和經(jīng)典的控制器 英文題目： of a 1/5 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 1 1/5 號規(guī)格 自動挖掘 機(jī)的線性、非線性和經(jīng)典的控制器 摘要 ： 這篇 論文是研究 機(jī)械手 各種控制系統(tǒng)的論文， 介紹了一種自動操作器的規(guī)格模式。機(jī)器 人臂膀已經(jīng)在蘭開斯特大學(xué)機(jī)械研究教學(xué)里得到發(fā)展。論文考慮了經(jīng)典和現(xiàn)代兩種方法的應(yīng)用，包括： 由傳統(tǒng) 則控制的比例積分 (制 ;線性比例積分正 (制 ,它可以理解為對傳統(tǒng) 法的合理 擴(kuò)展 ;還有一個建立在一半線性模式結(jié)構(gòu)上的新型非線性 計(jì)，其中參數(shù)作為一個變量改變的函數(shù)而變化 有為提高閉環(huán)性的潛力。 建筑是對于許多工業(yè)部門的主要經(jīng)濟(jì)上的意義。激烈的競爭，熟練勞力的不足和科技的進(jìn)步都是落后于建筑業(yè)快速變 化的主要力量，也是自動化的一個動機(jī) [1]。基于操作上的挖掘機(jī)的例子包括一般的運(yùn)土、挖掘和打板樁。 一個小的規(guī)模，挖掘和打樁結(jié)構(gòu) 正需要發(fā)展并 限制挖掘機(jī)。全自動化或部分自動化能夠提供諸多好處，它可以降低對操作員技術(shù)的依靠性，而且會降低操作員的勞動負(fù)荷，這兩者都可能會在連續(xù)性和質(zhì)量的提高上作出不小的貢獻(xiàn)。 然而，對于開發(fā)者們一直持續(xù)的絆腳石就是在自動控制下如何作到足夠快地運(yùn)作。這里，一個主要研究問題是去獲得在熟練人工操作員提高的基礎(chǔ)上的電腦控制反應(yīng)時(shí)間。這就為設(shè)計(jì)者提供了一個極大的挑戰(zhàn)，研究者們正在選擇使用 眾多方法 的一個很寬的范圍；可見例子 [2， 3， 4]。 此論文考慮到了一個實(shí)驗(yàn)機(jī)械手，是更廣泛知名的蘭開斯特大學(xué)計(jì)算機(jī)智能挖掘機(jī) （ 的 1/5 規(guī)格的代表，而它已經(jīng)發(fā)展為建筑地 [4， 5]上作為挖掘工具。 不管它的小規(guī)格和輕重量， 1/5 模式與 有相似的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)上的道具，因此也為新控制策略的發(fā)展提供了一個富有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)床。在這點(diǎn)上，本論文提出了經(jīng)典和現(xiàn)代兩種方法，包括：由傳統(tǒng) 則 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 2 控制的比例積分 (制 ;線性比例積分正 (制 , 它可以理解為對傳統(tǒng) 6， 7]的合理擴(kuò)展 ;還有一個建立在一半線性模式結(jié)構(gòu)上的新型非線性 計(jì)，其中參數(shù)作為一個變量改變的函數(shù)而變化 [8]。 對這個研究更進(jìn)一步，文章簡要地介紹了 機(jī)械手的應(yīng)用， 作為 一個工具用于在 蘭開斯特大學(xué) 有關(guān)機(jī)械的學(xué)習(xí)和教育。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)室指示者為大學(xué)生和研究生都提供了眾多的學(xué)習(xí)機(jī)會和單獨(dú)的研究方案。完善挖掘系統(tǒng)的發(fā)展需要對技術(shù)領(lǐng)域有一個完備的知識認(rèn)識，包括傳感器、激發(fā)器、計(jì)算機(jī)硬件、電子學(xué)、水力學(xué)、機(jī)械學(xué)和智能控制。 這里，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要一個 有關(guān)決定適當(dāng)末端受動器軌線的高級規(guī)則的分等級方法，以致挖掘一個指定尺寸的 溝渠。在實(shí)踐中，控制器也應(yīng)該包括安全模數(shù)和在土壤中處理障礙物的工具 [4]。最后，高級的運(yùn)算法則外加每個聯(lián)接點(diǎn)的適當(dāng)?shù)图?控制，是當(dāng)前論文的著重點(diǎn)。 機(jī)械手與 ， 5]有一個相似的排列，除了用于采沙坑的挖掘和工作臺的實(shí)驗(yàn)室 1/5 規(guī)格模式。與圖 由四個聯(lián)接點(diǎn)構(gòu)成，包括 箍用角條 、 俯角條 、 回轉(zhuǎn)角和鏟角。它們中的三個是由水壓汽缸開動，而只有 回轉(zhuǎn)鏈接是基于一個與簡約變速器有關(guān)的水壓旋轉(zhuǎn)激勵器：詳細(xì)資料見 [9]。 聯(lián)接器的速度由實(shí)用電壓信號手段控制。因此，整個鉆探設(shè)備已經(jīng)由多重輸入輸出異 步實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)支持，它考慮到了通過在寫入 ++中密碼有標(biāo)準(zhǔn)組件的多重任務(wù)處理的程序。 計(jì)算機(jī)硬件有一個 96個人電腦。 聯(lián)接角直接由與每一個聯(lián)接樞軸同中心的裝備旋轉(zhuǎn)分壓計(jì)測量。每 一個分壓器的輸出信號同地面線路來傳輸，伴隨有由于環(huán)境電子噪聲造成的最小信號畸變。 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 3 圖 1：顯示有四個控制聯(lián)接的實(shí)驗(yàn)挖掘機(jī)原理圖 這些信號發(fā)送給高級線性儀器中有在促進(jìn) A/D 轉(zhuǎn)換的訓(xùn)練卡里的放大器中。這里，輸入信號的范圍在訓(xùn)練之后就不會超過 ± 5V。這個 A/D 轉(zhuǎn)換器是一個高性能的 16 通道多元的連續(xù)近似值轉(zhuǎn)換器，具有在 小于 25轉(zhuǎn)換的能力。目前僅有八個可利用的通道在被使用。因此將來，合并另外的傳感器進(jìn)入系統(tǒng)將不成問題；例如一個探測障礙物的照相機(jī)，可以作為高級控制系統(tǒng)的一部分，或者壓力傳感器。 電子管標(biāo)度實(shí)際上提供了一個有意義的輸入值的臂聯(lián)接。這個標(biāo)度是基于滿足輸入要求的每一個聯(lián)接的正常輸入電壓，范圍是從最高可能向下速度的1000。這里，零的輸入要求對應(yīng)于無運(yùn)動。注明，沒有這種電子管標(biāo)度，臂會由于每一個聯(lián)接運(yùn)載的載荷而逐漸 松馳下去。 在開環(huán)模式 中 ， 臂是用手驅(qū)動去挖掘溝渠的， 操作員運(yùn)用兩個相似的操作桿，每個都有兩個自由度。第一個操作桿被用作去驅(qū)動 箍用角鏈接和回轉(zhuǎn)鏈接而另一個用做移動浸漬聯(lián)接和鏟聯(lián)接。照這樣，一個熟練的操作員為完成任務(wù)同時(shí)地移動四個聯(lián)接。比較下，這里的目的是去設(shè)計(jì)一個無人工干涉的自動挖掘計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 。 運(yùn)動學(xué)平衡的目的是考慮到在三維空間中鏟的空間位置和方向的控制。既 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 4 然這樣，工具端可能會跟隨計(jì)劃 軌道編程，同時(shí)鏟角分別與控制和釋放沙子相諧調(diào)。在這點(diǎn)上，圖 1 顯示的是實(shí)驗(yàn)挖掘機(jī)和它的尺寸， (聯(lián)接角 )和接長度），這里 i=1， 2， 3， 4分別為箍用角條 、俯角條、回轉(zhuǎn)角和鏟角。任何一個操作員的運(yùn)動學(xué)分析通常需要同類的臂的工具結(jié)構(gòu)變換矩陣的發(fā)展。這被用做找到有關(guān)同等系統(tǒng)的鏟的位置、方向、速度和加速度，在特定的聯(lián)合變換向量 [10]。這種分析代表性地基于著名的 定，而它主要用于由一個每一個接合點(diǎn)都有一個自由度的開環(huán)構(gòu)成的機(jī)械操作者，如此[9]。 在軌線計(jì)劃程序中指定 ﹛ X,Y,Z﹜ ,如末端受動器的方位利用一個等同系統(tǒng)在工作臺上初始化 ,不有鏟的方向 ,隨之的反轉(zhuǎn)運(yùn) 動學(xué)運(yùn)算法則 由 于 ]而得 出。 這里 的 ,且 同時(shí) 道計(jì)劃 一個溝渠的挖掘機(jī)在挖掘操作過程中需要兩個“連續(xù)通道”（ 一個更簡單的“點(diǎn) 動，此時(shí)鏟子為了卸載而從溝渠中搬出。特別的是，每個挖掘周期都可以被分成四個明顯的階段，如下：布置鏟來穿透土層（ 挖掘過程沿著指定的空間長度（ 一個水平垂直線上； 掘起從空 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 5 間中收集到的沙子到卸載的一邊（ 卸下沙子（ 圖 對于當(dāng)前的例子， 設(shè) 和 分別表示末端受動器的最初和最后的位置，而此運(yùn)動需在 然這樣，工具端統(tǒng)一直線軌跡是， 這里 處 和 。特別的是，速度剖面第一個斜面在進(jìn)行到一個恒定速度之前以一個等加速度向上移動，最后以一個等減速度向下滑到零。在統(tǒng)一的直線運(yùn)動的過程中，速度剖面是 來成形。通過求積分，速度分配函數(shù)將是 。 對于這個特別的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)挖掘機(jī)有所約束，只允許挖掘鏟的長度和深度分別不會超過 60050 解出鏟的預(yù)定軌道。值得注意的是每一個挖掘軌道由掘地點(diǎn)（ 270， ﹣ 150， 0）跟隨，利用 80度的方向。這個過程由另一個 卸載區(qū)以 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 6 坐標(biāo)（ 100， ﹣ 100，﹣ 400） 定位鏟。挖掘周期的最后一步是卸載過程，有一個﹣ 30度方位的坐標(biāo)（ 600， ﹣ 100，﹣ 700）。 工程教育最重要的特征之一是將理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到結(jié)合。因此，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)在支持學(xué)生學(xué)習(xí)中扮有非常重要的角色。然而，還有幾個因素通常阻礙學(xué)生們與機(jī)械系 統(tǒng)得到“從做中學(xué)”的機(jī)會。這包括它們的高費(fèi)用、熟練技術(shù)支持的較弱而必需的供應(yīng)。 雖然如此，機(jī)械的利用卻潛在地為許多不同的工程學(xué)科包括機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、控制學(xué)和計(jì)算機(jī)工程提供了一個極好的基礎(chǔ)，見例 [11， 12， 13， 14]。自動機(jī)械為基礎(chǔ)工程問題的示范提供了一個很好的工具，而它們也促進(jìn)了在創(chuàng)造力、集體諧做、工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)統(tǒng)合和問題解決等方面技術(shù)的發(fā)展。 在這點(diǎn)上， 規(guī)格示例在蘭開斯特大學(xué)機(jī)械學(xué)上提供了研究和教學(xué)的支持。它是為信號處理和實(shí)時(shí)控制 各種方法中的一個實(shí)驗(yàn)臺；而且為大學(xué)生和研究生提供了許多學(xué)習(xí)機(jī)會和單獨(dú)的計(jì)劃。例如，因?yàn)樵陂_環(huán)模式下僅有幾秒來收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，機(jī)械臂為示范比較對于系統(tǒng)識別的機(jī)械的和數(shù)據(jù)庫兩種方法提供了一個很好的實(shí)驗(yàn)例子。 關(guān)于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各種各樣經(jīng)典和現(xiàn)代的方法都是可行的。但是，當(dāng)前的作者們認(rèn)為 一個對現(xiàn)代控制 理論提供了一個具有深刻見解的介紹。這里，非最小狀態(tài)空間（ 式都用公式表示了，以便通過控制過程測定的輸入輸出信號使完整的變態(tài)數(shù)回饋控制得到實(shí)現(xiàn)， 而不會對確定性狀態(tài)的重建器或一個隨機(jī)的 6， 7]。的確，智能控制中 用機(jī)械臂只是作為一個設(shè)計(jì)例子。 每一個聯(lián)接點(diǎn)的基準(zhǔn) 系統(tǒng)被 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 7 置于比例控制下而且通過漸多的增益有穩(wěn)定性的限制直至獲得永久的振動。在這種方式下獲得的“最終增益”隨后也用作確定控制增益。另一種方法是運(yùn)用一個 [15]描述。 線性 時(shí)另外的動態(tài)回饋和輸 入補(bǔ)償在過程有第二個指令或更高動態(tài)或大于一個采樣間隔的單純時(shí)間托延時(shí)被引入 。然而，與經(jīng)典的方法形成對比， 法的范圍，這里人工調(diào)諧的奇特之處由電極分配或線性二次（ 計(jì)所替代 [6， 7]。 最后，許多最近的出版物都為非線性 建立在對隨之的態(tài)獨(dú)立參量（ 式 [8]的識別上。 這里 別是輸出和輸入變量，而 a i﹛ （ i=1,2,? ,n）和 j=1, ? ,m）是態(tài)獨(dú)立參量。后者假定為一個非最小狀態(tài)向量 的函數(shù)。 對于 通常對限制模式（ 8）是足夠的，狀態(tài)如。（ 8）中的 這里非最小狀態(tài)參量定義如下 而且 是命令輸入 和輸出 之間的積分誤差。 依靠這個積分誤差狀態(tài)，固有的模式 1伺服機(jī)構(gòu)性能得到引入。為了簡短， 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 8 這里被省略了但在例 [9， 16]中被定義。 狀態(tài)變量回饋控制運(yùn)算法則 隨后被定義為 這里 在每一個采樣距離通過可電極分配或一個 線性 于后一種方法，最近的研究用一種“凍結(jié)參數(shù)”系統(tǒng)定義為一個 去定義 9]， 離散時(shí)間代數(shù) 最后，要注明的是當(dāng) 6]得到發(fā)展 ,對非線性 對于線性 環(huán)實(shí)驗(yàn)是第一個為應(yīng)用電壓和最初環(huán)境范圍的操作，全部都建立在一個 此情況下， 簡化精確的工具變數(shù) (算法則 [17],提出了一個 采樣時(shí)間延續(xù)的第一指令線性模式 ,見 ,yk=a1 bT 一個對每一個聯(lián)接點(diǎn)的近似表示 1000范圍之內(nèi)的規(guī)則電壓值 ,同時(shí) {a1,時(shí)間不變參量 為一個綜合者，因規(guī)格化的電壓已經(jīng)被校準(zhǔn)以使當(dāng) 時(shí)無移動。事實(shí)上， 1被確定為一個初值，以使僅僅分子參量 是在實(shí)際中為線性 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 9 圖 化 就 浸入角和鏟角聯(lián)接在控制利用線性 然這樣，運(yùn)算法則處于 此執(zhí)行結(jié)果與利用經(jīng)典頻率方法調(diào)諧的將被預(yù)期的一樣， 經(jīng)典的和 些不同僅涉及到為將運(yùn)算法則去迎合規(guī)定的控制目標(biāo)而作的相關(guān)放松。 按照，有 回轉(zhuǎn)和箍用聯(lián)接運(yùn)用 于許多早期出版物）后一種自動地運(yùn)用增加的時(shí)間差 [9]。當(dāng)然，一個對于這個問題可選擇的解決方案將會引入一個 究者們目前正在調(diào)查與 然而，對于開環(huán)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析在上面的線性模式中顯示出了局限性。尤其是， 的值被 10或更多的一個因素來改變，依靠于被應(yīng) 用的電壓值，如果圖 3表示出箍用的情形。這里，許多實(shí)驗(yàn)都在一個范圍內(nèi)的應(yīng)用電壓值內(nèi)操作，在每種情況下， 3圖示了對 結(jié)構(gòu)化這些估計(jì)與階式信號輸入量是相反的（可靠的軌跡表現(xiàn)了一個簡單的多項(xiàng)式格式）。 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 10 實(shí)際上， 的形式， 這里 圖 4：上部：線性 線），非線性 線）和命令輸入（虛線） 對應(yīng)于箍用角條，相對結(jié)構(gòu)的采樣號。箍用角：相等于控制輸入。 圖 5： 上部：線性 線） ，非線性 線）和命令輸入（虛線）對應(yīng)于俯角，相對結(jié)構(gòu)的采樣號。箍用角：相等于控制輸入 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 11 這里增益 f0,k,g1,k和 kI,種方法的完整詳細(xì)資料和相對的俯 角、鏟角和回轉(zhuǎn)聯(lián)接 算法則 ，由 出 。 箍用臂的典型執(zhí)行結(jié)果在圖 里很明顯 算法則比固定的增益有更加精確，線性 算法則（可者相對的經(jīng)典 制器）在控制水平下有發(fā)展了很多。此外，非線性方法產(chǎn)生出了一個相當(dāng)平滑控制輸入信號 。 指出的是線性和非線性控制器被設(shè)計(jì)去產(chǎn)生出一個在理論狀態(tài)下的響應(yīng)的相似速度， 在圖 4 中可以看到的不同就歸于在 3）中的變化，此處僅考慮到在 態(tài)中。應(yīng)該指出，這個例子的反應(yīng)時(shí)間已經(jīng)被故意增加到對精確的線性 計(jì)的實(shí)際限制，只是為了強(qiáng)調(diào)這些不同。 圖 5 是一個相似的實(shí)驗(yàn)中俯臂的控制。盡管線性與非線性方法之間的不同通常在每一個聯(lián)接點(diǎn)在檢測時(shí)都相當(dāng)小，在空中運(yùn)動都是孤立的，如圖 5，這些不同在鏟角位置最后在采沙坑中撤離時(shí)會增加。在這點(diǎn)上，表 種方法 的反應(yīng)時(shí)間， 表現(xiàn)出去完成三個完整溝渠的秒數(shù)，每個包括 9 個挖掘過程。這里，改良的聯(lián)接角控制考慮到了一個快速的 型地產(chǎn)生出一個在挖掘時(shí)間里有 10％ 的提高 表 1：完成一個溝渠的時(shí)間 最后，圖 行結(jié)果 ，是鏟子的一個循環(huán)，顯示了一個末端受動器的 3D 縱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。這個圖顯示了鏟在第一低速下進(jìn)入隨后才 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 12 將沙子提取，移位，釋放好容易才完成。 圖 間中末端受動器的處理位置 {X， Y， Z}，還有沿直線的移動點(diǎn)（ 這篇論文已經(jīng)清 楚地描述了實(shí)驗(yàn)當(dāng)中機(jī)械斗桿的控制問題，代表了自動挖掘機(jī)的 1/5號規(guī)格模式，為蘭開斯特大學(xué)的科研和教學(xué)提供了發(fā)展的機(jī)遇。與以前的研究項(xiàng)目相比，發(fā)表的這篇文章充分考慮了礦用自動挖掘機(jī)的完全控制系統(tǒng)的執(zhí)行。 古典和現(xiàn)代方法都采用了關(guān)聯(lián)控制，包括齊格勒 性比例積分控制和一個最近開始流行的基于國家統(tǒng)一規(guī)定參數(shù)模型鑒定的非線性比例積分控制。這里，線性比例積分運(yùn)算法則已被有調(diào)整性的運(yùn)用到古典和初期為了控制斗干和鏟斗運(yùn)動角度而出現(xiàn)的現(xiàn)代比例積分控制當(dāng)中。反過來說，回轉(zhuǎn)和箍條連接是 比可能會延遲裝卸時(shí)間的高度集中線性比例積分控制要好的一種控制方法。 然而，在這些所有聯(lián)接點(diǎn)的固有非線性有疑問地證實(shí)了當(dāng)反饋控制器與運(yùn)動學(xué)方程相結(jié)合時(shí)，去控制末端受動器的位置，尤其是一旦鏟在沙子中移動。事實(shí)上，非線性 法增加的復(fù)雜在這里表現(xiàn)出來了假定出改良的閉環(huán)性能。特別的是，完成整個挖掘過程的時(shí)間減少了大約 10％ 。最后，利用實(shí)驗(yàn) 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 13 挖掘機(jī)獲得的經(jīng)驗(yàn)最近已經(jīng)被開發(fā)，一個整個的振動層系統(tǒng)中被運(yùn)用為在一個建筑地點(diǎn)的地面改善，見例 [16]。 感謝 非常感謝工程和物理科學(xué)研究會（ 支持。 在本論文中使用過的統(tǒng)計(jì)工具已經(jīng)組合為一個 具箱 [18]，在 件環(huán)境中，下載可得用網(wǎng)址：