專利名稱：抑制臂架振動(dòng)的控制方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工程機(jī)械領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于抑制臂架振動(dòng)的控制方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外對(duì)臂架在運(yùn)動(dòng)過程的振動(dòng)控制及軌跡控制的研究十分稀少。國內(nèi)外高校及研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了很多針對(duì)壓電智能材料應(yīng)用于懸臂梁的主動(dòng)控制的研究工作，其控制方式是通過壓電材料的正逆壓電效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形進(jìn)行抑制。另外，小松及國外的挖掘機(jī)公司曾對(duì)挖掘機(jī)的臂架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制進(jìn)行研究，國外著名消防車公司Magirus曾經(jīng)就高空消防車臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行過軌跡控制以及簡單的減振處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于抑制臂架振動(dòng)的控制方法及系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于抑制臂架振動(dòng)的控制方法，該方法包括:接收臂架的當(dāng)前姿態(tài)及當(dāng)前速度向量，該臂架的當(dāng)前姿態(tài)包括臂架的長度向量及角度向量；根據(jù)該當(dāng)前姿態(tài)，確定與該當(dāng)前姿態(tài)相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量矩陣及剛度矩陣；將該質(zhì)量矩陣及剛度矩陣代入所述臂架的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，根據(jù)該結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)控制，計(jì)算出反饋增益向量；以及根據(jù)所述反饋增益向量及所述當(dāng)前速度向量，控制施加至所述臂架的液壓力，以抑制所述臂架振動(dòng)。相應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種用于抑制臂架振動(dòng)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:長度傳感器，用于檢測(cè)所述臂架各節(jié)臂的長度，得到所述臂架的長度向量；角度傳感器，用于檢測(cè)所述臂架各節(jié)臂的角度，得到所述臂架的角度向量；速度傳感器，用于檢測(cè)所述臂架各節(jié)臂的速度，得到所述臂架的速度向量；以及振動(dòng)控制器，用于執(zhí)行上述控制方法。通過上述技術(shù)方案，可進(jìn)行變姿態(tài)建模，得到當(dāng)前姿態(tài)下的反饋增益向量，并根據(jù)該反饋增益向量及速度傳感器的反饋來控制液壓力，可有效抑制臂架振動(dòng)。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式
部分予以詳細(xì)說明。


附圖是用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式
一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中:圖1示出了該高空消防車伸縮折疊臂的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的臂架控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖1所示的伸縮折疊臂的簡化模型圖；圖4為在本發(fā)明的臂架控制系統(tǒng)的控制下施加至臂架的液壓力與臂架的速度之間關(guān)系不意圖；圖5為本發(fā)明提供的臂架軌跡規(guī)劃流程圖6為本發(fā)明提供的臂架控制系統(tǒng)的另一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；以及圖7為提高臂架運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的臂架控制方法流程圖。附圖標(biāo)記說明10 長度傳感器 20 角度傳感器30 速度傳感器 40 控制器50 液壓系統(tǒng)60 臂架70 形變傳感器
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式
僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。由于臂架在運(yùn)動(dòng)過程中，臂架的剛度變化較大，因此不能用靜態(tài)的結(jié)構(gòu)建模方式將此系統(tǒng)簡化成固定的動(dòng)力學(xué)方程。為此，本發(fā)明提出了一種基于變姿態(tài)臂架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的臂架運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)控制方案。以下以高空消防車伸縮折疊臂為例進(jìn)行說明，當(dāng)然本發(fā)明并不限于此，本發(fā)明可適用于任何存在振動(dòng)控制需求、穩(wěn)定性控制、和/或軌跡規(guī)劃的臂架。圖1示出了該高空消防車伸縮折疊臂的結(jié)構(gòu)示意圖，伸縮折疊臂是一種既可伸縮又可折疊的多節(jié)臂架，在此僅以兩節(jié)折疊臂、多級(jí)伸縮臂的伸縮折疊臂作為實(shí)例對(duì)象進(jìn)行說明。在下文的描述中，會(huì)涉及長度傳感器，角度傳感器、速度傳感器、及應(yīng)變傳感器，需要說明的是，在傳感器對(duì)外部數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的過程中，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。這種濾波處理的目的在于過濾掉信號(hào)中的干擾成分，例如由于顫振引起的高頻振動(dòng)和伸縮折疊臂的低頻振動(dòng)相疊加，從傳感器中測(cè)量的數(shù)據(jù)中包含這兩種成分，為了對(duì)所關(guān)注的低頻振動(dòng)進(jìn)行有效的抑制，應(yīng)根據(jù)具體的頻率分布不同，設(shè)計(jì)濾波器將信號(hào)中包含的高頻信號(hào)進(jìn)行濾去，最后得到的信號(hào)主要由低頻信號(hào)組成。圖2為本發(fā)明提供的臂架控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，該系統(tǒng)包括:長度傳感器10于檢測(cè)所述臂架60臂的長度，以得到該臂架60度向量；角度傳感器20于檢測(cè)所述臂架60臂的角度，以得到該臂架60度向量；速度傳感器30于檢測(cè)所述臂架60臂的速度，以得到該臂架60前速度向量；以及控制器40于根據(jù)所述長度向量及角度向量(該長度向量及角度向量即決定了臂架的當(dāng)前姿態(tài))，確定與該當(dāng)前姿態(tài)相對(duì)應(yīng)的相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量矩陣及剛度矩陣，將該質(zhì)量矩陣及剛度矩陣代入所述臂架的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，根據(jù)該結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)控制，計(jì)算出反饋增益向量(在此，可對(duì)該結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程應(yīng)用模態(tài)控制算法、PID控制算法、模糊控制算法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、獨(dú)立模態(tài)控制算法之一來計(jì)算出反饋增益向量，具體采用何種算法可取決于實(shí)際測(cè)出的臂架響應(yīng)是否滿足指標(biāo)要求)；以及根據(jù)該反饋增益向量及所述當(dāng)前速度向量，施加一控制信號(hào)至液壓系統(tǒng)50而控制該液壓系統(tǒng)施加至所述臂架60壓力，以在控制所述臂架60的同時(shí)，抑制所述臂架60。其中，所述確定與該當(dāng)前姿態(tài)相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量矩陣及剛度矩陣包括:通過有限元計(jì)算方法建立不同姿態(tài)下臂架的剛度矩陣及質(zhì)量矩陣數(shù)據(jù)庫；擬合臂架的剛度矩陣及質(zhì)量矩陣與臂架姿態(tài)之間的函數(shù)關(guān)系；以及根據(jù)該函數(shù)關(guān)系，確定所述臂架在所述當(dāng)前姿態(tài)下的質(zhì)量矩陣及剛度矩陣。舉例而言，所述剛度矩陣與臂架姿態(tài)之間的函數(shù)關(guān)系可被擬合如下:
權(quán)利要求
1.種用于抑制臂架振動(dòng)的控制方法，該方法包括: 接收臂架的當(dāng)前姿態(tài)及當(dāng)前速度向量，該臂架的當(dāng)前姿態(tài)包括臂架的長度向量及角度向量; 根據(jù)該當(dāng)前姿態(tài)，確定與該當(dāng)前姿態(tài)相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量矩陣及剛度矩陣； 將該質(zhì)量矩陣及剛度矩陣代入所述臂架的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，根據(jù)該結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)控制，計(jì)算出反饋增益向量；以及 根據(jù)所述反饋增益向量及所述當(dāng)前速度向量，控制施加至所述臂架的液壓力，以抑制所述臂架振動(dòng)。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其特征在于，所述液壓力滿足以下公式: F=Ga*V 其中，F(xiàn)為所述液壓力，Ga為所述反饋增益向量，V為所述當(dāng)前速度向量。
3.據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述臂架為伸縮折疊臂。
4.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于所述結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程通過模態(tài)控制算法、PID控制算法、模糊控制算法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、獨(dú)立模態(tài)控制算法之一來得到所述反饋增益向量。
5.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述確定與該當(dāng)前姿態(tài)相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量矩陣及剛度矩陣包括: 通過有限元計(jì)算方法建立不同姿態(tài)下臂架的剛度矩陣及質(zhì)量矩陣數(shù)據(jù)庫； 擬合臂架的剛度矩陣及質(zhì)量矩陣與臂架姿態(tài)之間的函數(shù)關(guān)系；以及 根據(jù)該函數(shù)關(guān)系，確定所述臂架在所述當(dāng)前姿態(tài)下的質(zhì)量矩陣及剛度矩陣。
6.據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述反饋增益向量及所述當(dāng)前速度向量來控制施加至所述臂架的液壓力包括:控制施加至所述臂架的液壓力，以使得所述臂架按照預(yù)先規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)，該預(yù)先規(guī)劃的軌跡按照以下步驟來規(guī)劃: 接收臂架的當(dāng)前姿態(tài)以及目標(biāo)位置，該當(dāng)前姿態(tài)包括臂架的長度向量及角度向量； 根據(jù)該當(dāng)前姿態(tài)，確定所述臂架末端的當(dāng)前位置； 根據(jù)該當(dāng)前位置及所述目標(biāo)位置，規(guī)劃所述臂架的軌跡；以及將該軌跡所涉及的姿態(tài)與預(yù)先存儲(chǔ)的危險(xiǎn)姿態(tài)進(jìn)行比較，并在軌跡所涉及的姿態(tài)存在危險(xiǎn)姿態(tài)時(shí)，重新規(guī)劃軌跡，以使得重新規(guī)劃后的軌跡不存在危險(xiǎn)姿態(tài)。
7.據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述預(yù)先存儲(chǔ)的危險(xiǎn)姿態(tài)通過以下步驟確定: 確定所述臂架在每一姿態(tài)下的剛度矩陣；以及 在所述剛度矩陣的豎直方向剛度或扭轉(zhuǎn)剛度小于相應(yīng)的預(yù)設(shè)值時(shí)，確定該剛度矩陣所對(duì)應(yīng)的姿態(tài)為危險(xiǎn)姿態(tài)，存儲(chǔ)該危險(xiǎn)姿態(tài)。
8.據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，所規(guī)劃的臂架軌跡滿足:，θ 2，〈 θ 2(t)〈 θ 2"，……，θ η，〈 θ n(t)〈 θ η";及 Va1UXi1"，i2，〈i2(t)〈i2"，……，im，〈im(t)〈im"， 其中，ejt)，θ2α)，……，θηα)分別表示所述臂架的η節(jié)折疊臂的角度與時(shí)間t的函數(shù)；li(t)，I2 (t),……，lm(t)分別表示所述臂架的m節(jié)伸縮臂的長度與時(shí)間t的函數(shù)；θ/，θ2’，……，θη’分別表示所述臂架的η節(jié)折疊臂的最小允許角度；θ/，θ2"，……，θ η"分別表示所述臂架的η節(jié)折疊臂的最大允許角度；1/，12’，……，Im’分別表示所述臂架的m節(jié)伸縮臂的最小允許長度；I1"，12"，……，lm"分別表示所述臂架的m節(jié)伸縮臂的最大允許長度。
9.據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所規(guī)劃的臂架軌跡滿足: t<t1 其中，h表示所述臂架末端到達(dá)所述目標(biāo)位置所消耗的時(shí)間最大允許值。
10.種用于抑制臂架振動(dòng)的控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括: 長度傳感器，用于檢測(cè)所述臂架各節(jié)臂的長度，得到所述臂架的長度向量； 角度傳感器，用于檢測(cè)所述臂架各節(jié)臂的角度，得到所述臂架的角度向量； 速度傳感器，用于檢測(cè)所述臂架各節(jié)臂的速度，得到所述臂架的速度向量；以及 振動(dòng)控制器，用于執(zhí)行根 據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于抑制臂架振動(dòng)的控制方法及系統(tǒng)，該方法包括接收臂架的當(dāng)前姿態(tài)及當(dāng)前速度向量，該臂架的當(dāng)前姿態(tài)包括臂架的長度向量及角度向量；根據(jù)該當(dāng)前姿態(tài)，確定與該當(dāng)前姿態(tài)相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量矩陣及剛度矩陣；將該質(zhì)量矩陣及剛度矩陣代入所述臂架的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，根據(jù)該結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)控制，計(jì)算出反饋增益向量；以及根據(jù)所述反饋增益向量及所述當(dāng)前速度向量，控制施加至所述臂架的液壓力，以抑制所述臂架振動(dòng)。通過上述技術(shù)方案，可進(jìn)行變姿態(tài)建模，得到當(dāng)前姿態(tài)下的反饋增益向量，并根據(jù)該反饋增益向量及速度傳感器的反饋來控制液壓力，可有效抑制臂架振動(dòng)。
文檔編號(hào)G05B13/04GK103092073SQ20121059064
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者曾光, 劉仰清, 曾亞平, 王曦鳴, 王唯金 申請(qǐng)人:中聯(lián)重科股份有限公司