摘    要：對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置的軌跡跟蹤進(jìn)行了研究。在分析了液壓挖掘機(jī)工作裝置的動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，針對(duì)其復(fù)雜的非線(xiàn)性，提出了一種新的液壓挖掘機(jī)工作裝置軌跡跟蹤方法，即應(yīng)用機(jī)器人學(xué)理論，建立了三自由度液壓挖掘機(jī)工作裝置的拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了帶低通濾波器的滑模控制器，利用低通濾波器的濾除高頻信號(hào)的功能，消除控制信號(hào)的抖動(dòng)，給出沿規(guī)劃軌跡工作所需的控制量，并給出了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。對(duì)三自由度工作裝置進(jìn)行了仿真研究，其結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器對(duì)設(shè)定軌跡的跟蹤具有良好的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)系統(tǒng)的不確定性具有較強(qiáng)的魯棒性，在存在模型誤差和外部擾動(dòng)的情況下，該方案既能達(dá)到高精度快速跟蹤的目的，又能消除滑模控制的抖動(dòng)問(wèn)題：

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)；動(dòng)力學(xué)方程；滑模控制；軌跡跟蹤

中圖分類(lèi)號(hào)：tp 24    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a

   液壓挖掘機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于礦山、建筑等行業(yè)的重要裝備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，挖掘機(jī)已逐步趨向于機(jī)器人化，對(duì)操縱系統(tǒng)的控制也提出了更高的要求。如何實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和高精度的軌跡跟蹤已成為挖掘機(jī)控制自動(dòng)化的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)于挖掘機(jī)器人來(lái)說(shuō)，由于外部干擾、未知參數(shù)及自身的強(qiáng)非線(xiàn)性等因素，很難得到精確模型，因此在研究挖掘機(jī)器人的軌跡跟蹤時(shí)，滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種很有吸引力的方法。滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種非線(xiàn)性控制策略，可以以簡(jiǎn)單的控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能之間矛盾的協(xié)調(diào)，尤其是它對(duì)擾動(dòng)和參數(shù)變化的魯棒性以及進(jìn)入滑動(dòng)模運(yùn)動(dòng)后的完全自適應(yīng)性，使得滑模控制廣泛應(yīng)用于非線(xiàn)性系統(tǒng)的魯棒控制中。但這種魯棒性是通過(guò)各種控制模式之間的高頻切換來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存在控制信號(hào)的突變，這就是滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中的抖振現(xiàn)象，它輕則會(huì)引起執(zhí)行部件的機(jī)械磨損，重則會(huì)激勵(lì)未建模的高頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而使控制失效。

    為解決滑模變結(jié)構(gòu)控制中出現(xiàn)的抖振現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了一些解決方法。magdym．a(chǎn)bdelhameed提出了一種模糊滑模控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌跡的快速精確跟蹤并有效地消除了抖振現(xiàn)象。fang-ming yu,hung-yuan chung,shi-yuanchen等設(shè)計(jì)的模糊滑模控制器也很好地解決了非線(xiàn)性輸入不確定時(shí)滯系統(tǒng)的抖振問(wèn)題。basilm．hadithi等人用在滑動(dòng)流形附近引入一邊界層，采用飽和函數(shù)代替開(kāi)關(guān)函數(shù)的方法解決了滑模控制中辯振的問(wèn)題。其中，常用的是在滑動(dòng)流形附近引入一邊界層，采用飽和函數(shù)代替開(kāi)關(guān)函數(shù)，稱(chēng)之為“邊界層”法，但有時(shí)引入飽和函數(shù)后，系統(tǒng)變成連續(xù)系統(tǒng)而不是變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

    因此，本文采用一種基于帶低通濾波的滑模變結(jié)構(gòu)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)消除控制抖動(dòng)，即在滑模控制器輸出端加入低通濾波器，可將高頻抖振控制信號(hào)進(jìn)行有效的濾除。

    挖掘機(jī)工作裝置主要由動(dòng)臂、頭桿和鏟斗組成三自由度機(jī)構(gòu)。

    按照標(biāo)準(zhǔn)d-h法建立起來(lái)的坐標(biāo)系，如圖l所示。

   

    圖中動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的質(zhì)量為m1，m2，m3，長(zhǎng)度為l1，l2，l3，轉(zhuǎn)角為θ1，θ2，θ3，r1，r2，r3是關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，g為重力加速度。令θ=[θ1，θ2，θ3]^t，則工作臂的動(dòng)力學(xué)模型為

    方程式(1)是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)，其中端點(diǎn)負(fù)戟m3是在一定范圍內(nèi)變化的不確定量。對(duì)于這樣的復(fù)雜控制系統(tǒng)，要對(duì)其跟蹤軌跡控制，本文采用一種基于帶低通濾波的滑模變結(jié)構(gòu)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)消除抖動(dòng)控制，即在滑模控制器輸出端加入低通濾波器，可將高頻抖振控制信號(hào)進(jìn)行有效的濾除。基于低通濾波器的滑模控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

   

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