混凝土噴射機智能臂架多關(guān)節(jié)流量分配技術(shù)研究

李育明，梁聰慧，蒲曾坤，胡 敏，吳斌興（中聯(lián)重科股份有限公司，湖南長沙410013）

混凝土噴射機智能臂架多關(guān)節(jié)流量分配技術(shù)研究

李育明，梁聰慧，蒲曾坤，胡 敏，吳斌興
（中聯(lián)重科股份有限公司，湖南長沙410013）

以混凝土噴射機智能臂架為研究對象，考慮到對臂架末端進行一鍵操控速度過快時容易出現(xiàn)關(guān)節(jié)流量飽和，進而使得臂架末端不能按期望的軌跡運動，為此研究并實現(xiàn)了一種流量分配控制技術(shù)，通過試驗得出閥控指令與流量的對應(yīng)關(guān)系，在輸入末端控制指令時計算出流量飽和系數(shù)，乘以按逆運動學(xué)求解得到的新的關(guān)節(jié)控制指令，實現(xiàn)了流量的智能分配，進而使得關(guān)節(jié)流量飽和時臂架末端同樣能夠按期望的運動軌跡運動.

混凝土噴射機；智能臂架；流量分配

混凝土噴射機是一種用于隧道面、護坡面襯砌施工的特種工程機械.隨著國家“十二五”規(guī)劃的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的逐步開展，鐵路、高速公路將大規(guī)模擴建，隧道和護坡施工將越來越多.混凝土噴射機作為一種噴射施工機械，將得到越來越廣泛的應(yīng)用.

噴射機臂架是一個包括多關(guān)節(jié)多自由度的系統(tǒng)，用于控制臂架末端的位置以及噴頭的方向.混凝土噴射機一般都在光線暗淡、多塵、潮濕等非常惡劣的環(huán)境下施工.目前對噴射機臂架的控制大都采用人工手動單關(guān)節(jié)控制，其操作方法是通過遙控器單獨控制臂架各個關(guān)節(jié)的執(zhí)行器（油缸或馬達(dá)），來達(dá)到對臂架姿態(tài)和臂架末端位置的控制.這種控制方式未涉及到流量分配的控制問題，且是開環(huán)控制，故控制精度低，工作效率不高，機手勞動強度大［1］.

隨著控制技術(shù)以及嵌入式技術(shù)的發(fā)展，工程機械正朝著智能化的方向發(fā)展，噴射機臂架的智能控制將是一個發(fā)展趨勢.噴射機臂架的智能控制指的是通過遙控器上一個手柄對噴射機臂架末端進行一鍵操控，同時控制末端的運動速度和運動方向.機手只需操作一個搖桿便可以直接控制臂架噴頭的位置，相對現(xiàn)有單關(guān)節(jié)的控制方式，不僅提高了施工效率，同時也降低了機手的勞動強度.

臂架的智能控制涉及到多關(guān)節(jié)的復(fù)合運動.由于噴射機的臂架泵是一個定量泵，額定排量是固定的，且臂架各個關(guān)節(jié)的最大需求流量之和遠(yuǎn)大于泵的額定排量，故在做多關(guān)節(jié)復(fù)合運動時，很有可能出現(xiàn)流量飽和現(xiàn)象，使臂架運動不協(xié)調(diào)，進而使得末端位置控制不到位.

本文以一種混凝土噴射機多關(guān)節(jié)臂架作為研究對象，對臂架末端智能控制時多臂聯(lián)動的流量飽和問題進行了分析，開發(fā)了流量分配算法，將其應(yīng)用于試驗樣機上效果良好，證明該算法能解除臂架智能控制流量飽和的后顧之憂.

1　研究對象

圖1為本研究用到的混凝土噴射機試驗樣機.它主要包括下車和上車兩部分，下車主要是動力傳動單元、泵送和添加劑以及臂架的控制單元，上車則主要是臂架系統(tǒng).該噴射機臂架有10個自由度，其中控制臂架末端位置的有7個自由度（水平滑移關(guān)節(jié)、水平旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、垂直旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、大臂、二臂、三臂以及伸縮臂），如圖2所示；控制噴頭方向的有3個自由度（噴嘴左右擺動、噴嘴上下擺動和噴嘴刷動）.

圖1　混凝土噴射機Fig.1 Concrete spraying machine

圖2　噴射機臂架系統(tǒng)關(guān)節(jié)組成圖Fig.2 Boom system structure of concrete spraying machine

2　流量飽和現(xiàn)象分析

噴射機臂架智能控制系統(tǒng)如圖3所示.遙控器作為控制輸入端，輸入臂架末端的運動控制信號，在控制單元內(nèi)進行逆運動學(xué)求解，得到各個關(guān)節(jié)的控制指令；另一方面通過臂架傳感器檢測出各個關(guān)節(jié)的實際位移和速度，在控制單元內(nèi)通過閉環(huán)控制，輸出各個關(guān)節(jié)對應(yīng)的閥控指令，驅(qū)動各關(guān)節(jié)執(zhí)行器動作，最終實現(xiàn)對臂架末端的智能控制.

經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，在遙控器控制臂架末端運動速度較低時，尚能跟蹤上指令軌跡；當(dāng)速度達(dá)到一個較大的值時，某些關(guān)節(jié)就會出現(xiàn)流量不夠而跟蹤不上指令位移的情況，進而出現(xiàn)臂架的“下掉”現(xiàn)象.

圖3　智能臂架控制框圖Fig.3 Intelligent boom control diagram

表1是噴射機臂架系統(tǒng)泵的額定流量和各關(guān)節(jié)閥的額定流量統(tǒng)計.

表1　泵的額定流量和各關(guān)節(jié)閥的額定流量Tab.1 Relationship between pump’s rated flow and valve’s rated flow of each joint

由表1可以看出，泵的額定流量為44L·m i n-1，遠(yuǎn)小于各路閥的最大流量總和145L·m i n-1或140L·m i n-1.因此，在多關(guān)節(jié)復(fù)合運動時，末端運動速度過快就有可能導(dǎo)致各個關(guān)節(jié)的流量需求總和大于泵的額定流量，即出現(xiàn)流量飽和.

現(xiàn)有臂架系統(tǒng)的閥組是L S型系統(tǒng)［1-2］（閥前補償系統(tǒng)），如圖4所示.

圖4　L S型系統(tǒng)液壓原理圖Fig.4 Hydraulic schematic diagram of the LS system

L S型系統(tǒng)的特點之一就是當(dāng)出現(xiàn)流量飽和時，流量最先供應(yīng)負(fù)載小的地方.因此，必然會出現(xiàn)臂架運動不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致末端運動軌跡跟不上［3］.

圖5是臂架末端指令速度為35c m·s-1時來回跟蹤直線軌跡的試驗效果.可以看出，末端實際軌跡嚴(yán)重偏離指令軌跡.

圖5　流量飽和時末端的跟蹤效果Fig.5 Tracking effect when flow is saturation

對各關(guān)節(jié)位移、速度和閥控量的分析發(fā)現(xiàn)，二臂是最容易出現(xiàn)流量飽和的關(guān)節(jié)，圖6，7是二臂關(guān)節(jié)的位移、速度跟蹤曲線.

圖6　二臂關(guān)節(jié)位移跟蹤效果Fig.6 Displacement tracking effect of the second boom

從圖6可以看出，實際位移滯后于指令位移；再通過圖7的閥控量曲線可以看出閥控量在很多時候都達(dá)到閥的最大控制量250，對應(yīng)此時的速度跟蹤可知，在閥控量為250的區(qū)域內(nèi)，實際速度與指令速度有很大的偏差，這是關(guān)節(jié)流量飽和的體現(xiàn)，也是導(dǎo)致關(guān)節(jié)位移跟蹤不上的原因所在.

圖7　二臂關(guān)節(jié)速度跟蹤效果以及閥控量曲線Fig.7 Speed tracking effect and valve control curves of the second boom

3　流量分配控制

流量分配的基本思想是，在保證臂架末端軌跡跟蹤形狀不變的基礎(chǔ)上，降低末端的運動速度.為此對原有電液控制系統(tǒng)的硬件進行了改進，并且設(shè)計了流量分配控制算法.

3.1更換帶位移反饋的多路閥組成L UDV系統(tǒng)設(shè)計的噴射機臂架復(fù)合運動控制液壓流量分配系統(tǒng)如圖8所示，它是由遙控器、工控機、控制器以及液壓泵、多路閥和執(zhí)行器（液壓油缸/馬達(dá)）組成的L U D V系統(tǒng)（即負(fù)載獨立流量分配系統(tǒng)）.

圖8　流量分配控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.8 Flow distribution system hardware structure

L UD V系統(tǒng)中，工控機作為上位機，內(nèi)部有臂架逆運動學(xué)智能控制模塊，運用相關(guān)算法將末端的位移或速度換算為各個關(guān)節(jié)的位移或速度.下位機控制器內(nèi)有電液流量智能分配模塊，它將各個關(guān)節(jié)的移動信號轉(zhuǎn)換為控制多路閥的流量.其控制方法為：按一定的流量分配規(guī)則輸出多路閥的電流控制信號來控制各路閥的流量［4］.

多路閥選用的是帶位移反饋的薩澳-丹佛斯P VG型號.該閥通過檢測閥芯的運動產(chǎn)生反饋信號，根據(jù)反饋信號和輸入信號對比所得的偏差，通過一個電磁閥橋來控制主閥芯的運動方向、速度和位置，如圖9所示.集成式電子元件可以補償閥芯壓力、內(nèi)部泄漏、油液黏度變化、先導(dǎo)壓力等帶來的影響.這樣可以保證系統(tǒng)的低遲滯和高精度.

圖9　多路閥閥芯位移反饋的原理圖Fig.9 Multiple unit valve displacement feedback schematic diagram

LUDV系統(tǒng)是一個壓力閥后補償系統(tǒng)（原理如圖10所示）［2］，它是將執(zhí)行器中的最高負(fù)載壓力傳遞給各個執(zhí)行器的壓力補償閥和液壓泵，確保各個閥的進出口壓差相等.當(dāng)執(zhí)行器所需的流量大于泵的總流量時，系統(tǒng)會按比例將流量分配給各個執(zhí)行器，而不是流向小負(fù)載的執(zhí)行器. y

圖10　LUDV系統(tǒng)液壓原理圖Fig.10Hydraulic schematic diagram of the LUDV system

這種硬件架構(gòu)保證了通過閥口達(dá)到執(zhí)行器的流量僅僅與閥口的開度大小有關(guān)，而與各個執(zhí)行器的負(fù)載壓力大小無關(guān)，為流量分配的精確控制提供了保障.

3.2流量分配智能控制算法

在沒出現(xiàn)流量飽和時，L UD V系統(tǒng)能夠很好地保證油液的均衡分配，但是在出現(xiàn)流量飽和時，泵的額定流量在飽和的閥芯可能達(dá)到極限位置前就已經(jīng)被分配完了，故無法滿足所有閥需要的流量，進而使得末端無法按期望的軌跡運動.為此設(shè)計了相應(yīng)的控制算法，來實現(xiàn)在流量飽和時流量的智能分配，算法流程如圖11所示.

圖11　流量智能分配算法Fig.11 Intelligent algorithm of flow sharing

首先，機手通過無線遙控器發(fā)出對臂架末端進行直接控制的速度信號，遙控接收器接收此控制信號后將其上傳至工控機.工控機根據(jù)此控制信號通過逆運動學(xué)算法計算得到各關(guān)節(jié)的運動速度，由數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)執(zhí)行器的速度，進而得到各路閥的流量需求.將之與各路閥的額定流量進行比較，判斷是否有哪路閥出現(xiàn)流量飽和，若有，則將飽和信息反饋到按逆運動學(xué)解算的末端運動速度上，將末端運動速度進行縮小，直至不出現(xiàn)閥的流量飽和.

然后，將上述得到的各路閥的需求流量求和，與泵的額定流量進行比較，用與控制閥的流量飽和相同的方法，進行泵的流量飽和控制.若各路閥的流量之和大于泵的額定流量，則反饋至末端速度，降低臂架末端速度，直至消除泵的流量飽和［5］.

最后，將規(guī)劃后的各關(guān)節(jié)速度發(fā)送給控制器，控制器再輸出閥的控制信號到各個執(zhí)行器.此時，各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動，且臂架末端按照期望的軌跡進行運動.這樣，雖然末端的運動速度會下降，但軌跡形狀與期望的運動軌跡相吻合，誤差大小僅取決于底層PID控制算法.

4　試驗驗證

相對原系統(tǒng)，采用流量分配控制技術(shù)后，通過試驗發(fā)現(xiàn)控制性能有了很大提升，基本解決了流量飽和問題.和之前的試驗一樣，采用遙控器手動控制臂架末端跟蹤直線軌跡，通過改變遙控手柄的開度來改變末端的指令速度，來回多次測試，遙控器從零開度到最大開度變化，對應(yīng)末端的指令速度為0到40c m·s-1.從圖12可以看出，臂架末端基本能夠很好地跟蹤指令軌跡，誤差均控制在15c m以內(nèi).

圖12　臂架末端的直線跟蹤效果Fig.12 Line tracking effect of the boom tip

同樣以二臂為例，在直線跟蹤過程中，二臂關(guān)節(jié)的位移曲線如圖13所示.

圖13　二臂關(guān)節(jié)的位移跟蹤及誤差曲線Fig.13 Displacement tracking effect and tracking error curves of the second boom

可以看出二臂油缸的實際位移和指令位移非常吻合，最大誤差在±5mm左右，穩(wěn)態(tài)誤差在3mm以內(nèi)，保證了單關(guān)節(jié)的位移跟蹤良好，基本沒有出現(xiàn)因流量飽和而導(dǎo)致的位移跟蹤不上的問題.

二臂關(guān)節(jié)的速度和閥控量曲線如圖14所示，以時間段70～108s和115～160s為例，這兩個過程分別是指令速度由0變到正向最大值和由0變到最小值，對應(yīng)的閥控量也是由0變到最大.由閥控量曲線可以看出，在250附近，閥控量有一個調(diào)整過程，而不會像采用流量分配智能控制算法之前一樣一直停留在250上，這說明在流量分配智能控制算法的作用下，閥芯不會一直處于最大開口處，而是通過降低末端的指令速度來降低各個關(guān)節(jié)的逆解速度值，進而避免了關(guān)節(jié)出現(xiàn)流量飽和現(xiàn)象.由速度跟蹤曲線也可以看出，關(guān)節(jié)的實際速度能夠很好地跟蹤指令速度，最終使得臂架末端在流量飽和時依然能夠跟蹤好預(yù)定軌跡.

圖14　二臂關(guān)節(jié)速度跟蹤及閥控量曲線Fig.14 Speed tracking and valve control curves of the second boom

5　結(jié)語

本文為實現(xiàn)噴射機臂架電液控制系統(tǒng)的流量智能分配，在原有的噴射機臂架控制系統(tǒng)上，經(jīng)過改造控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)，形成了L UD V系統(tǒng)，使得通過閥芯的流量只與閥芯的開度有關(guān)，而與負(fù)載壓力無關(guān)；另外設(shè)計了流量智能分配算法，實現(xiàn)了在閥的流量或泵的流量飽和的情況下，通過降低末端的指令速度來降低各個關(guān)節(jié)的流量需求，使得末端能夠按照指令軌跡運動.流量分配的實現(xiàn)確保了在各種工況下，臂架末端都能按期望的軌跡運動，為臂架的智能一鍵操控奠定了基礎(chǔ).

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Flow distribution control technique of intelligent boommulti-joint linkage for concrete spraying machines

LI Yu-ming，LIANG Cong-hui，PU Zeng-kun，HU Min，WU Bin-xing
（Zoomlion Heavy Industry Science &Technology Co.，Ltd.，Changsha 410013，China）

With regard to the intelligent boom of concrete spraying machines，too fast one-key operationmay cause joint flow saturation，where the boom end cannot move as expected.As such，a flow distributioncontrol technique is investigated.After the relationship between valve control commands and flows isexperimentally obtained，the flow saturation coefficient is calculated during end control commandinputting.By multiplying with new joint control commands via inverse kinematics，the intelligentflowdistribution is realized so as for the boom end to move as expected during flow saturation.

concrete spraying machine；intelligent boom；flow distribution

TP 241.2

A

1672-5581（2015）06-0521-06

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2011B A J 02B 05-03）

李育明（1987-），男，工程師.E-mail：liyuming6@126.com