神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識的液壓挖掘機LPV模型

邵輝， 胡艷麗， 洪雪梅， 王飛

(華僑大學 信息科學與工程學院， 福建 廈門 361021)

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神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識的液壓挖掘機LPV模型

邵輝， 胡艷麗， 洪雪梅， 王飛

(華僑大學 信息科學與工程學院， 福建 廈門 361021)

摘要：針對液壓挖掘機動臂關(guān)節(jié)的非線性建模問題，提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的線性變參數(shù)(LPV)模型的辨識方法.在各個工作點處根據(jù)其關(guān)節(jié)速度的一階慣性加延遲模型，獲得其關(guān)節(jié)角度模型；結(jié)合調(diào)度變量特性，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識出LPV模型的參數(shù)，設(shè)計出挖掘機動臂在全局工作范圍的LPV模型.通過仿真實驗，驗證了該方法的有效性和模型的準確性.

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機； 動臂關(guān)節(jié); 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 線性變參數(shù)； 辨識

液壓挖掘機是結(jié)構(gòu)最復雜、用途最廣泛的工程機械之一.目前，大部分液壓挖掘機屬手動控制，它操作速度慢，效率低，無法應(yīng)對相對危險的環(huán)境[1].因此，實現(xiàn)挖掘機的自動控制是提高效率和安全性的必要途徑.對復雜的非線性系統(tǒng)，線性建模方法[2]在非線性因數(shù)變化很大時并不適用，而現(xiàn)有的非線性建模方法如機理模型[3]、Volterra級數(shù)[4]、非線性ARMAX[5]、Wiener模型[6]等也存在著很多缺陷.最大的問題是非線性過程的復雜性和辨識的高成本.因此，需要尋找一種更好的、低成本的非線性建模方法.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的線性變參數(shù)(linear parameter varying，LPV)是Shamma等[7]在研究增益調(diào)度控制時首先引入的.對于大部分具有非線性特性的工業(yè)過程，其系統(tǒng)并不是在整個操作域內(nèi)隨機無序的進行，而是存在一個與系統(tǒng)動態(tài)特性相關(guān)的調(diào)度變量.而LPV系統(tǒng)的動態(tài)特性依賴實時可測的外部參數(shù)，其調(diào)度參數(shù)反映了系統(tǒng)的非線性特性或時變特性，根據(jù)調(diào)度變量建立系統(tǒng)的LPV模型可以滿足系統(tǒng)后繼的控制要求.由一個非線性系統(tǒng)得到其LPV模型有2種方法：基于系統(tǒng)動態(tài)方程的分析法[8]和基于系統(tǒng)輸入輸出的實驗法[9]，實驗法常用于辨識LPV的黑箱模型[10].為了辨識系統(tǒng)模型，需要進一步將其參數(shù)化，文獻[11-13]對此進行了大量的研究，多是將過程模型參數(shù)用調(diào)度變量的非線性函數(shù)表示，采用遞歸最小二乘法估計模型參數(shù)，得到LPV模型.由于調(diào)度變量高度的相互依存性，相互之間的函數(shù)關(guān)系并不明確,且考慮到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以快速有效地辨識多輸入多輸出的高度非線性系統(tǒng).因此，本文采用實驗法，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的LPV模型的非線性辨識方法.

1系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

液壓挖掘機控制系統(tǒng)是指對發(fā)動機、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件(液壓缸、液壓馬達)等動力系統(tǒng)進行控制的系統(tǒng)[2],如圖1所示.

圖1　液壓挖掘機控制系統(tǒng)Fig.1　Control system of the hydraulic excavator

若要對挖掘機進行準確的控制，則必須建立其準確的模型.選取挖掘機的動臂關(guān)節(jié)，對其進行合理的建模.在單一工作點時，根據(jù)工程簡化，其閥門開度與動臂關(guān)節(jié)速度之間是一階慣性加延遲系統(tǒng)，則閥門開度與關(guān)節(jié)角度之間的傳遞函數(shù)可以表示為

式(1)中包括3個參數(shù)依賴系統(tǒng)：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)增益K；二階系統(tǒng)的時間常數(shù)T；延遲量τ.

整個系統(tǒng)是典型的非線性時變系統(tǒng)，K，T，τ分別是關(guān)于系統(tǒng)調(diào)度變量的函數(shù),均受閥門開度、動臂位置及其運動方向的影響.系統(tǒng)通過閥門開度將泵排出的液壓油提供到各元件，使挖掘機完成各項工作，而挖掘機動臂的運動方向及其位置的及時反饋也會驅(qū)使挖掘機分流閥動作，使挖掘機在理想的工作面上工作.選擇閥門開度、動臂運動方向及其角度作為系統(tǒng)的調(diào)度變量.則系統(tǒng)可表示為

2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LPV模型辨識

2.1　前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算

圖2　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型Fig.2　Neural network structure model

若Ui是輸入層節(jié)點i的輸出，Uk是輸出層節(jié)點k的輸出，Uj是隱含層節(jié)點j的輸出，則隱含層的第j個節(jié)點的輸入表示為

第j個節(jié)點的輸出為

式(5)中:q為隱含層節(jié)點數(shù).則輸出層第k個節(jié)點的實際網(wǎng)絡(luò)輸出為

2.2　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練步驟

使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，首先要訓練網(wǎng)絡(luò)，通過訓練使網(wǎng)絡(luò)具有聯(lián)想記憶和預(yù)測能力，有以下6個步驟.

步驟1網(wǎng)絡(luò)初始化.

步驟3計算實際輸出.

步驟4根據(jù)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測輸出與期望輸出，計算網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差.

步驟5更新權(quán)值.

步驟6判斷算法是否結(jié)束，若沒有，則返回步驟2.

通過對實驗數(shù)據(jù)的多次訓練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達到了理想的效果.

3仿真及實驗

3.1　采集數(shù)據(jù)

根據(jù)挖掘機提取的數(shù)據(jù)(部分)，如表1所示.表1中:n為實驗次數(shù)；τ，K，T為近似數(shù)值.

表1　挖掘機特性實驗數(shù)據(jù)

表1中:測定位姿為挖掘機動臂關(guān)節(jié)所在位姿的角度，其中，位姿No.1是動臂關(guān)節(jié)運動到最高極限70.5°角，位姿No.2是運動到水平 10.5°角.選擇典型工作點采集數(shù)據(jù)并建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過多次訓練，結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的擬合能力.

圖3　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測輸出Fig.3　Output of neural network

3.2　仿真及實驗

在已完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，于Matlab/Simulink中建立挖掘機的仿真模型.對挖掘機動臂在開度為100%，從位姿No.1運動到位姿No.2，以及開度為43.75%和31.25%時，從位姿No.2運動到位姿No.1時的運動情況進行階躍、正弦響應(yīng)實驗仿真，結(jié)果如圖4所示.

(a) w=[100%,-70.5°,1] (b) w=[43.75%,-10.5°,-1]

(c) w=[31.25%,-10.5°,-1] (d) w=[31.25%,-10.5°,-1]　圖4　階躍和正弦響應(yīng)曲線Fig.4　Step and sinusoidal response curve

由圖4比較分析可知：該LPV模型能夠很好地逼近真實過程；因為調(diào)度變量的全局性，該LPV模型可以模擬系統(tǒng)在整個工作范圍內(nèi)的活動，節(jié)省了工作量.

4結(jié)論

為了簡化模型并降低成本，提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的LPV辨識方法.該方法建立在具有簡單結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型上，結(jié)合系統(tǒng)的非線性時變特性，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立調(diào)度變量與辨識參數(shù)之間的聯(lián)系.通過仿真實驗，得到以下2點結(jié)論.

1) 引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，辨識出動態(tài)模型參數(shù)，能夠簡單快速地構(gòu)建系統(tǒng)模型，并在全局范圍內(nèi)有效.

2) 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的LPV模型結(jié)構(gòu)簡單，保證了后繼的控制器設(shè)計簡單可行.

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(責任編輯： 黃曉楠 英文審校： 吳逢鐵)

LPVModelofHydraulicExcavatorBasedon

NeuralNetworkIdentification

SHAOHui，HUYanli，HONGXuemei，WANGFei

(CollegeofInformationScienceandEngineering,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China)

Abstract：A linear parameter varying model is proposed based on neural network identification for building the hydraulic excavator boom model. The model of the joint angle is obtained based on the first-order plus dead time model of the joint velocity at each working-point. Depending on scheduling variable characteristics, the LPV model parameters are identified by using neural network, and the global LPV model of the excavator boom in the workspace is designed. The simulations and experiments indicate the accuracy of the model and the validity of the method.

Keywords：hydraulic excavator； boom joint； neural network； variable linear parameter； identification

基金項目：國家自然科學青年基金計劃資助項目(61203040)； 福建省科技計劃引導性項目(Z1525022)； 福建省泉州市科技計劃項目(2013Z34)

通信作者：邵輝(1973-)，女，副教授，博士，主要從事機器人控制、運動規(guī)劃、過程控制及智能控制的研究.E-mail:shaohuihu11@163.com.

收稿日期：2014-09-25

中圖分類號：TP 273

文獻標志碼：A

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.01.0043

文章編號：1000-5013(2016)01-0043-05