胡鵬，朱建新,，劉昌盛，龔俊，張大慶，趙喻明

(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，湖南長沙，410083；2.山河智能裝備股份有限公司技術(shù)中心，湖南長沙，410100；3.湖南科技大學(xué)先進(jìn)礦山裝備教育部工程研究中心，湖南湘潭，411100)

在復(fù)雜的機電液系統(tǒng)集成中，工程機械各子系統(tǒng)存在非線性、多條件約束的特性，對其進(jìn)行系統(tǒng)分析與優(yōu)化成為研究難點[1]。傳統(tǒng)方法是通過原理樣機與試驗測試的多次迭代，存在成本高、周期長、結(jié)果不確定的缺點。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬樣機技術(shù)作為產(chǎn)品開發(fā)過程的重要工具得到越來越廣泛的應(yīng)用[2]，目前的工作主要集中在針對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配、能效分析、功率控制等方面[3-5]。準(zhǔn)確的物理模型、真實的操作循環(huán)和精確的駕駛員模型是獲得真實仿真結(jié)果的重要條件[6]，其中，作為生成控制輸入的駕駛員模型是重要一環(huán)，對機器作業(yè)有顯著影響[7-8]。在汽車自動駕駛領(lǐng)域，國內(nèi)外針對其駕駛員行為的分析及建模進(jìn)行了深入研究，主要用于分析駕駛員行為對交通及車輛性能的影響[9-11]，而目前針對工程機械特別是挖掘機駕駛員的建模研究還較少。史香云[12]通過縱向車速控制和換擋控制兩部分搭建了輪式裝載機駕駛員模型，并分別通過模糊PID和區(qū)間設(shè)置實現(xiàn)模型的控制。FILLA[1,13]針對輪式裝載機Y 循環(huán)產(chǎn)裝作業(yè)進(jìn)行了一系列研究，如通過有限狀態(tài)機，建立了基于動力學(xué)和液壓系統(tǒng)控制輸入的整機狀態(tài)數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了基于事件的駕駛員模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合狀態(tài)機對用于控制行駛動力學(xué)的線性二次型調(diào)節(jié)器和用于控制轉(zhuǎn)向動力學(xué)的線性模型預(yù)測控制器進(jìn)行了研究。THIEBES 等[14]針對輪式裝載機開發(fā)了駕駛員模型，并以工作裝置位置與速度偏差為基礎(chǔ)設(shè)計控制偏差，結(jié)合PI 控制開展了路徑規(guī)劃研究。ELEZABY 等[15]提出了一種由基于事件的有限狀態(tài)機控制策略，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了虛擬輪式裝載機駕駛員模型，該模型通過判斷當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)生成控制輸入，從而實現(xiàn)裝載機提臂、傾斜、加速、轉(zhuǎn)向、換擋等動作。DU 等[16]探討了將操作員的專業(yè)知識、控制策略整合至操作員模型中，以模擬施工機器操作中真實駕駛員的行為，并建立了基于任務(wù)、策略、線索的駕駛員模型，通過仿真進(jìn)行驗證。一方面，雖然仿真模型已被廣泛應(yīng)用于各類機械系統(tǒng)性能分析，但對駕駛員模型的研究仍處于早期階段，另一方面，挖掘機執(zhí)行機構(gòu)數(shù)量多操作復(fù)雜，已有針對汽車及裝載機的研究無法直接套用。為此，本文作者以中型液壓挖掘機為平臺，首先對其作業(yè)過程進(jìn)行測試分析，并構(gòu)建基于典型作業(yè)工況的挖掘機通用操作規(guī)則。其次，推導(dǎo)工作裝置線性時不變系統(tǒng)模型和回轉(zhuǎn)機構(gòu)線性參變模型，基于此建立模型預(yù)測控制算法，進(jìn)一步構(gòu)建基于任務(wù)協(xié)調(diào)控制器和模型預(yù)測控制器的挖掘機駕駛員模型。將開發(fā)的駕駛員模型與挖掘機系統(tǒng)模型集成進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該模型可較好地反映挖掘機實際作業(yè)特征，可為挖掘機設(shè)計開發(fā)及自動化作業(yè)提供重要支撐。

1 典型作業(yè)過程分析

1.1 典型作業(yè)工況定義

以液壓挖掘機中最具代表性產(chǎn)品——中型挖掘機為研究平臺，并以其典型的挖掘—90°回轉(zhuǎn)—卸載作業(yè)過程進(jìn)行分析，定義工況如圖1所示。圖1中，L1為挖掘開始時鏟斗尖與挖掘機回轉(zhuǎn)中心距離，L2為卸載點中心與挖掘機回轉(zhuǎn)中心距離，L3為擋板與卸載中心距離，H1為鏟斗挖掘平面深度，H2為裝載車廂高度，β為回轉(zhuǎn)角度。

圖1 典型作業(yè)工況示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical operation conditions

根據(jù)實際作業(yè)情況，圖1中各參數(shù)取值如下：挖掘開始時鏟斗尖距挖掘機回轉(zhuǎn)中心距離L1為7.0～8.0 m；卸載點中心與挖掘機回轉(zhuǎn)中心距離L2約為5.7 m；擋板距卸載中心距離L3約為1.0 m；鏟斗挖掘平面距地面H1約為0.5 m；裝載卡車車廂高度H2約為2.5 m(實際以2.5 m高擋板替代)；上車回轉(zhuǎn)角度β為90°。

通過在挖掘機工作裝置各油缸及回轉(zhuǎn)平臺安裝位移、壓力及角度傳感器，在液壓系統(tǒng)主閥、操作手柄、液壓泵安裝壓力傳感器，搭建實物樣機測試平臺如圖2所示。

以額定發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min進(jìn)行循環(huán)作業(yè)測試，并進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。

1.2 通用操作規(guī)則構(gòu)建

針對實際測試數(shù)據(jù)，選取其中的100組完整作業(yè)循環(huán)作為樣本數(shù)據(jù)。提取工作裝置油缸位移及上車回轉(zhuǎn)角度，對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理得到單個工作循環(huán)。參考駕駛員操作習(xí)慣并結(jié)合執(zhí)行機構(gòu)運動特征，將典型作業(yè)循環(huán)細(xì)分為5個連續(xù)的子循環(huán)，如圖3所示(其中，dboom為動臂油缸位移，darm為斗桿油缸位移，dbucket為鏟斗油缸位移，αswing為上車回轉(zhuǎn)角度)。

圖2 實物樣機測試平臺Fig.2 Physical prototype test platform

圖3 典型作業(yè)循環(huán)Fig.3 Typical operation cycle

如圖3所示，完整作業(yè)循環(huán)是指從鏟斗開始挖掘至工作裝置到達(dá)下一次挖掘初始位置的過程，期間子循環(huán)從1 至5 按順序依次執(zhí)行。子循環(huán)1 為鏟斗挖掘階段，主要通過鏟斗與斗桿的聯(lián)動完成。子循環(huán)2為動臂舉升過程，該過程同時伴隨著鏟斗微動和上車回轉(zhuǎn)。子循環(huán)3為鏟斗卸載過程，是以鏟斗運動為主的動臂、斗桿、鏟斗聯(lián)動。子循環(huán)4為鏟斗卸載后上車向挖掘點回轉(zhuǎn)的過程。子循環(huán)5指工作裝置運動至挖掘初始位置的過程，包含動臂下降、鏟斗和斗桿外擺動作，并伴隨上車回轉(zhuǎn)微動。各階段操作過程及狀態(tài)特征分析如下。

1)挖掘初始位置。子循環(huán)1開始時，鏟斗的初始挖掘角度與斗尖距回轉(zhuǎn)中心的距離有關(guān)。通過對兩組測試數(shù)據(jù)的分析及曲線擬合，得到初始挖掘角度α與斗尖距離L1的線性關(guān)系如圖4所示。從圖4可知：斗尖距離與初始挖掘角度呈線性正相關(guān)；當(dāng)斗尖距離為7.2 m時，挖掘角度約為70°。

圖4 角度α與距離L1的線性關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of linear relationship between angle α and distance L1

2)挖掘過程。挖掘過程操作與斗尖距離相關(guān)。當(dāng)鏟斗距挖機回轉(zhuǎn)中心距離適中時(7～8 m)，挖掘操作為鏟斗與斗桿的聯(lián)動；當(dāng)鏟斗距回轉(zhuǎn)中心較遠(yuǎn)時，鏟斗、斗桿、動臂聯(lián)動；而當(dāng)鏟斗距回轉(zhuǎn)中心較近時，僅通過鏟斗翻轉(zhuǎn)即可完成挖掘。本文測試過程中，選取最常見的7～8 m斗尖距作為挖掘初始位置。其過程可細(xì)分為挖掘切削和挖掘裝載2個階段，并分別以鏟斗油缸運動開始和斗桿油缸運動結(jié)束作為挖掘過程開始和結(jié)束標(biāo)志。由圖3可知該挖掘過程約在2 s 時結(jié)束，此時，斗桿油缸收回到位。

3)動臂舉升。斗桿油缸運動到位時，鏟斗斗尖再次穿過挖掘平面，而后動臂舉升開始，此時，鏟斗的開口平面與水平面成負(fù)角，如圖3中子循環(huán)2所示。在動臂舉升過程中，鏟斗油缸微動伸出使鏟斗開口面保持水平，以避免斗內(nèi)物料掉落。從測試過程中發(fā)現(xiàn)部分提臂操作伴隨有斗桿的微動動作，本文研究中予以忽略。

當(dāng)鏟斗到達(dá)卸載所需高度時，動臂舉升停止。該卸載高度為卡車車廂高度、鏟斗長度(鏟斗鉸點到斗齒尖的距離)、安全距離之和，以確保卸載過程中鏟斗與車廂沒有干涉。

4)回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)是指鏟斗由挖掘點轉(zhuǎn)向卸載點的過程。當(dāng)鏟斗開口平面大致水平時，正向回轉(zhuǎn)開始。經(jīng)測量可知，此時鏟斗開口平面與水平面的夾角γ在-20°～20°之間，如圖5所示。

圖5 回轉(zhuǎn)啟動時的鏟斗開口平面夾角Fig.5 Included angle of bucket opening plane during swing start

5)鏟斗卸載。當(dāng)工作裝置回轉(zhuǎn)至卸載點后，開始鏟斗卸載。該過程由鏟斗與斗桿聯(lián)動完成，即在鏟斗外擺的同時，進(jìn)行斗桿外擺或內(nèi)收，實現(xiàn)鏟斗開口平面中心的垂直投影與卡車的縱軸線重合，使物料卸載至卡車車廂的中心。

6)動臂下降。鏟斗卸載完成后即開始動臂下降，使工作裝置回到挖掘初始位置和姿態(tài)。該過程為動臂下降、斗桿外擺、回轉(zhuǎn)的聯(lián)動，通過不同執(zhí)行機構(gòu)速度和位移的匹配實現(xiàn)復(fù)合動作，此時，鏟斗斗尖保持近似線性運動。當(dāng)上車回轉(zhuǎn)90°到達(dá)0°初始位置時，工作裝置到達(dá)挖掘位置，同時，鏟斗油缸伸出使鏟斗適當(dāng)內(nèi)收，工作裝置達(dá)到挖掘姿態(tài)，可開始下一循環(huán)挖掘。

1.3 作業(yè)循環(huán)任務(wù)點設(shè)置

根據(jù)上述操作規(guī)則，將1個完整作業(yè)循環(huán)細(xì)分為多個子任務(wù)，并在各任務(wù)末端位置設(shè)置任務(wù)點，如圖6所示。

任務(wù)點可分為目標(biāo)點和校核點2種，其中，目標(biāo)點表示執(zhí)行機構(gòu)某一時刻的目標(biāo)運動位置，校核點用于檢測除目標(biāo)點所在機構(gòu)外的其他執(zhí)行機構(gòu)是否到達(dá)預(yù)設(shè)位置，以此保證各執(zhí)行機構(gòu)按正確的順序運動。由圖6可知：每個子任務(wù)中可有1個或多個目標(biāo)點，但在一個執(zhí)行機構(gòu)上同一時刻只有1個目標(biāo)點或校核點；同時，對于單個執(zhí)行機構(gòu)各時刻上的選定目標(biāo)點，將在同一時刻的其他執(zhí)行機構(gòu)上設(shè)置相應(yīng)的校核點。

圖6 基于實測數(shù)據(jù)的任務(wù)點設(shè)置Fig.6 Task point setting based on measured data

由此可將整個工作循環(huán)分解為若干個任務(wù)，單個任務(wù)中包含1個或多個執(zhí)行機構(gòu)目標(biāo)點，每個任務(wù)均可由1個集合表示：

式中：Tk為第k個任務(wù)；，，和分別為動臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)平臺的第k個任務(wù)點。

由上述分析可知，對于不同的任務(wù)k，若以表示執(zhí)行機構(gòu)第k個任務(wù)點，則該任務(wù)點可以是目標(biāo)點或者校核點。

2 虛擬挖掘機建模

虛擬挖掘機模型是挖掘機系統(tǒng)仿真平臺中的直接作動部分，模型的準(zhǔn)確性及其與駕駛員模型的良好耦合性對最終的仿真輸出有重要影響，結(jié)合挖掘機作業(yè)過程操作規(guī)則及執(zhí)行機構(gòu)運動特征進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析。挖掘機模型的輸出為動臂、斗桿、鏟斗的油缸位移，分別為dboom，darm和dbucket，上車回轉(zhuǎn)角度為αswing。挖掘機鏟斗斗齒中心點位置可通過工作裝置結(jié)構(gòu)及各油缸位移計算得出。

在虛擬挖掘機模型中，各執(zhí)行機構(gòu)均由單片閥獨立控制，通過先導(dǎo)控制壓力p+和p-驅(qū)動閥芯正向或反向移動，從而驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)相應(yīng)動作。進(jìn)一步通過操作手柄信號u生成上述先導(dǎo)壓力p+和p-?？刂菩盘杣∈[-1，1]，控制壓力p∈[0，40]MPa。為開發(fā)預(yù)測驅(qū)動模型，需對挖掘機各驅(qū)動機構(gòu)進(jìn)行簡化建模。

2.1 工作裝置驅(qū)動建模

挖掘機動臂、斗桿和鏟斗為液壓缸驅(qū)動，其動力學(xué)主要受液壓缸影響，驅(qū)動系統(tǒng)示意如圖7所示。

圖7 液壓缸驅(qū)動回路示意圖Fig.7 Schematic diagram of hydraulic cylinder drive circuit

忽略活塞桿上的外力，液壓缸動力學(xué)可表示為

式中：m為活塞桿質(zhì)量；p1和p2分別為液壓缸大、小腔壓力；A1和A2分別為大、小腔作用面積；x為液壓缸位移；b為阻尼系數(shù)。

將其中壓力相關(guān)項替換為

式中：u為控制壓力信號幅度；c為常系數(shù)?？傻靡簤焊昨?qū)動線性時不變狀態(tài)空間模型(LTI)為

式中：x1為液壓缸位移；為液壓缸速度；

基于工作裝置結(jié)構(gòu)模型，可通過迭代算法計算出動臂、斗桿、鏟斗各油缸的T和k。

2.2 回轉(zhuǎn)驅(qū)動建模

對于回轉(zhuǎn)驅(qū)動，其動力學(xué)可表示為

式中：Θ為上車轉(zhuǎn)動慣量；和為與尺寸相關(guān)的常數(shù)；α為回轉(zhuǎn)角度。從式(4)所示的狀態(tài)空間模型可知轉(zhuǎn)動慣量Θ與工作裝置姿態(tài)有關(guān)，即隨液壓缸位移變化而變化。建立回轉(zhuǎn)驅(qū)動線性參變狀態(tài)空間模型(LPV)為

參數(shù)T和k是轉(zhuǎn)動慣量Θ的函數(shù)，即關(guān)于T(Θ)和k(Θ)的多項式。為建立轉(zhuǎn)動慣量數(shù)學(xué)模型，簡化上車模型如圖8所示，詳細(xì)建模方法見文獻(xiàn)[17]。

通過建立空間坐標(biāo)系和D-H坐標(biāo)系，得到上車平臺相對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量為

其中：mi為各部件質(zhì)量；di為重心到回轉(zhuǎn)中心的距離；n為部件數(shù)量；Jgi為部件相對重心的轉(zhuǎn)動慣量。

針對不同工作裝置姿態(tài)進(jìn)行不同壓差下的階躍壓力控制仿真，可得到不同轉(zhuǎn)動慣量Θ對應(yīng)的T與k，并進(jìn)行曲線擬合，如圖9所示。

3 駕駛員建模

在實際作業(yè)過程中，駕駛員通過操作手柄控制液壓挖掘機，實現(xiàn)各執(zhí)行機構(gòu)的平滑運動與耦合運動。挖掘機虛擬駕駛員模型組成如圖10所示，該模型主要由任務(wù)協(xié)調(diào)控制器與模型預(yù)測控制器組成。

任務(wù)協(xié)調(diào)控制器根據(jù)各執(zhí)行機構(gòu)實際位置，生成各執(zhí)行機構(gòu)的運動參考信號并作為模型預(yù)測控制器輸入，確保工作任務(wù)按順序執(zhí)行。模型預(yù)測控制器主要包含工作裝置線性時不變狀態(tài)空間模型和回轉(zhuǎn)裝置線性參變狀態(tài)空間模型，可根據(jù)運動參考信號、機構(gòu)位置及機器邊界條件計算控制挖掘機所需的驅(qū)動信號u(t)。最后由操作手柄根據(jù)驅(qū)動信號生成挖掘機先導(dǎo)壓力信號p(t)。

3.1 任務(wù)協(xié)調(diào)控制器

任務(wù)協(xié)調(diào)控制器由任務(wù)矩陣、目標(biāo)點分配器、校核點檢測器組成，如圖11所示?；谝言O(shè)置的目標(biāo)點與校核點，并通過比較P點位置與各執(zhí)行機構(gòu)實際位置，任務(wù)協(xié)調(diào)控制器可控制各子任務(wù)按正確順序執(zhí)行。

圖8 上車簡化模型Fig.8 Simplified model of upper platform

在任務(wù)協(xié)調(diào)控制器中，任務(wù)矩陣用于確保系統(tǒng)執(zhí)行正確的命令。每個任務(wù)均由4個執(zhí)行機構(gòu)的目標(biāo)點或校核點的集合表示。目標(biāo)點或校核點的參數(shù)為液壓缸位移或回轉(zhuǎn)角度。對各執(zhí)行機構(gòu)，校核點檢測器將當(dāng)前位移dact(或角度αswing)與當(dāng)前任務(wù)點進(jìn)行比較。若當(dāng)前位置與P點距離小于設(shè)定閾值∈，則系統(tǒng)認(rèn)為執(zhí)行機構(gòu)已到達(dá)目標(biāo)位置，任務(wù)矩陣將該標(biāo)記為“完成”，并考慮下一個點。同時，目標(biāo)點分配器通過在任務(wù)矩陣中尋找下一個目標(biāo)點，為各執(zhí)行機構(gòu)分配下一個目標(biāo)位移。然后，將目標(biāo)點分配給相應(yīng)的參考信號ract，并作為模型預(yù)測控制算法中的目標(biāo)位移。當(dāng)對應(yīng)任務(wù)k中的所有點都標(biāo)記為“完成”后，將分配對應(yīng)列中的下一個目標(biāo)點。

圖9 不同轉(zhuǎn)動慣量Θ與T(Θ)和k(Θ)的擬合曲線Fig.9 Fitting curve of different moment of inertia Θ with T(Θ)and k(Θ)

圖10 虛擬駕駛員模型組成Fig.10 Virtual driver model composition

3.2 模型預(yù)測控制器

針對執(zhí)行機構(gòu)的軌跡跟蹤控制一直是汽車行業(yè)研究的熱點，典型的駕駛員模型使用前饋控制和反饋控制的組合，近期研究人員將駕駛員建模成預(yù)測控制器。諸多研究表明，模型預(yù)測控制非常適合于實際駕駛員模型的要求[18-19]。在模型預(yù)測控制框架下，在前向的有限時域上反復(fù)求解最優(yōu)控制問題。在動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的前向任務(wù)進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合系統(tǒng)邊界條件計算出最優(yōu)控制軌跡。需指出的是，該控制軌跡實際只有初始部分被應(yīng)用于系統(tǒng)，因為在下一采樣時刻，被測系統(tǒng)狀態(tài)將作為新的初始條件更新預(yù)測，并再次求解最優(yōu)控制問題。

圖11 任務(wù)協(xié)調(diào)控制器組成Fig.11 Task coordination controller composition

對于給定的軌跡跟蹤問題，成本函數(shù)為

其中：t0為當(dāng)前時間點；TP為預(yù)測時域；x(t)∈R2，為預(yù)測狀態(tài)；Q∈R2，Qf∈R2，均為正定矩陣；R∈R，為正實常數(shù)。則上述最優(yōu)控制問題可以表述為

其中：

則最優(yōu)控制軌跡可表示為

控制輸入實際是已確定的最優(yōu)控制軌跡的初始部分，即

式中：Δt為采樣周期。由式(3)中的常數(shù)矩陣可得出動臂、斗桿、鏟斗軸的線性模型，即

式中：A和B均為常數(shù)。上車回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)矩陣與工作裝置油缸位移有關(guān)，對于每個最優(yōu)控制問題的解，在預(yù)測時域中，可假設(shè)當(dāng)下采樣周期內(nèi)的系統(tǒng)動力學(xué)參數(shù)為常數(shù)。在下一個采樣時刻，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動力學(xué)模型以當(dāng)前轉(zhuǎn)動慣量Θ為變量進(jìn)行迭代，則有

采用歐拉方法，以Δt=0.1 s為步長，選擇預(yù)測時域TP=5 s，對微分方程(10)和成本函數(shù)(8)進(jìn)行離散化，并使用快速線性模型預(yù)測控制器進(jìn)行求解。

4 仿真分析

4.1 執(zhí)行機構(gòu)運動

針對本文所研究的中型液壓挖掘機，基于挖掘機模型和駕駛員模型，并考慮液壓系統(tǒng)和動力系統(tǒng)總成數(shù)學(xué)模型，搭建挖掘機系統(tǒng)虛擬仿真模型，如圖12所示。

基于實測數(shù)據(jù)生成的任務(wù)矩陣，并結(jié)合上述挖掘機仿真平臺，對典型的“挖掘—90°回轉(zhuǎn)卸載”工況作業(yè)進(jìn)行仿真，并對驅(qū)動信號及執(zhí)行機構(gòu)位移進(jìn)行分析。工作裝置位移及上車回轉(zhuǎn)情況如圖13所示。從圖13可見：挖掘初始階段，由鏟斗進(jìn)行驅(qū)動掘削，隨后進(jìn)行鏟斗與斗桿的聯(lián)動挖掘，單工作循環(huán)作業(yè)時間約14.6 s；各執(zhí)行器的運動軌跡與已有實測軌跡比較一致，任務(wù)規(guī)劃控制器能根據(jù)作業(yè)循環(huán)進(jìn)行各子任務(wù)規(guī)劃，同時，動臂、斗桿、鏟斗油缸位移能較好地跟隨由駕駛員模型生成的目標(biāo)位置；工作裝置軌跡跟蹤最大超調(diào)量約38.6 mm，超調(diào)6%，出現(xiàn)在動臂下降的最后階段，這是快速下降的慣性所致；回轉(zhuǎn)軌跡跟蹤最大超調(diào)量約6.6°，超調(diào)7.3%，出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)至卸載處，也是由于鏟斗滿載，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量較大所致；在空載回轉(zhuǎn)時超調(diào)量明顯減少。

4.2 操作信號

控制信號u(t)及各執(zhí)行機構(gòu)先導(dǎo)控制壓力曲線如圖14所示。從圖14可知：模型各機構(gòu)控制輸入u均處于[-1，1]范圍內(nèi)；在挖掘過程的后階段，動臂提升控制信號u=0.5，同時先導(dǎo)控制壓力約2 MPa，動臂以較低速度上升，配合斗桿完成挖掘動作，能較好地反映真實挖掘過程中的操作行為；各執(zhí)行機構(gòu)的先導(dǎo)壓力信號能跟隨控制信號的變化，但由于液壓系統(tǒng)的阻尼特性，先導(dǎo)壓力的輸出略滯后于控制信號的輸出，滯后時間約0.05 s。

圖12 挖掘機系統(tǒng)仿真模型組成Fig.12 Simulation model of excavator system

圖13 執(zhí)行機構(gòu)運動情況Fig.13 Actuator movement

圖14 控制信號與先導(dǎo)壓力信號Fig.14 Control signal and pilot pressure signal

5 結(jié)論

1)定義了挖掘機典型作業(yè)工況并搭建樣機開展了作業(yè)測試，進(jìn)行了作業(yè)過程各執(zhí)行機構(gòu)運動分析，并將單作業(yè)循環(huán)細(xì)分為5個子循環(huán)，基于此構(gòu)建了挖掘機通用操作規(guī)則。

2)構(gòu)建了工作裝置線性時不變系統(tǒng)模型和回轉(zhuǎn)機構(gòu)線性參變模型，基于此建立了模型預(yù)測控制算法，及基于任務(wù)協(xié)調(diào)控制器和模型預(yù)測控制器的挖掘機虛擬駕駛員模型。

3)將虛擬駕駛員模型嵌入挖掘機系統(tǒng)仿真平臺，并進(jìn)行了典型作業(yè)工況仿真。結(jié)果表明，各執(zhí)行結(jié)構(gòu)動作時序與實際作業(yè)的動作時序一致，工作裝置位移軌跡及上車回轉(zhuǎn)軌跡均能有效跟隨由駕駛員模型生成的目標(biāo)位置；同時，手柄控制輸入及各執(zhí)行機構(gòu)先導(dǎo)控制壓力能較好反映真實挖掘過程中的操作行為。仿真結(jié)果驗證了該虛擬駕駛員模型的有效性。

4)挖掘機混合動力系統(tǒng)中能量的回收及再利用與實際挖掘過程密切相關(guān)，此時，單純通過工作裝置舉升或下放進(jìn)行控制，不利于能量回收效率提高。后續(xù)工作可以考慮結(jié)合駕駛員模型進(jìn)行混合動力系統(tǒng)能量管理策略研究，以實現(xiàn)能量利用效率進(jìn)一步提升。