液压挖掘机的智能控制_包枫

J- J0 J- J0
J JJ
（5）
5 结束语
本文采用 CCS2 编译软件和 C 语言，应用程序建立在源 码公开的嵌入式实时操作系统 μC／OS2Ⅱ基础上。它是内核 小、实时性很强的实时多任务操作系统，可实现各种数据的实
时处理及任务间的调度。
参考文献： [1] 陈正利. 挖掘机行业在提速前进[A]. 中国工程机械行业第四届信
4.1 编码方案
遗传算法从可能潜在解集的一个群体开始，它由经过基
因编码的一定数目的个体组成[7]。由于二进制编码存在着诸多
缺点，采用效率较高、反映能力较好的浮点数编码方案。通过
调整量化和加权因子的大小，可以改变对偏差和偏差变化的
加权程度。
4.2 目标函数
考虑到电磁阀门开度控制量 u 的经济性，将超调量作为
此，Pc 和 Pm 在进化的不同阶段能够自动地调整。 定义 1—— —种群均值。设 Ch(t)( =1，2，□，m)表示第 t 代染
色体，m 表示种群的个体总数，则第 t 代种群均值：
m
Ch(t)=
1 m
∑Chi (t)
i=1
（2）
定义 2—— —个体偏离度。第 t 代个体偏离度为：
∑1
Di = 0
1 挖掘机的工作装置
1.1 结构 液压挖掘机工作装置是由动臂、斗杆、铲斗和液压油缸等
构成的连杆机构，通过电液控制系统控制液压油缸的伸缩来 实现运动控制[3]。挖掘机工作装置电液驱动控制系统的控制模 型结构如图 1 所示，并在作业过程中，采用通过电磁比例先导 阀控制多路换向阀的方法。
R（t)
U
控制器
放大器
33- 35. [10] 刘君华. 虚拟仪器编程语言 Labwindows/CVI 教程[M]. 北京：电子
工业出版社，2002.
De s ign on Digita l P os itioning Control S ys te m of Tra ve ling Block Ba s e d on La bwindows /CVI
液压挖掘机的智能控制
包枫
（苏州市职业大学机电系，江苏 苏州 215000）
摘要：将模糊算法和遗传算法相结合，对挖掘机的挖掘轨迹进行自适应的智能控制。 关键词：挖掘机；遗传算法；模糊控制
中图分类号：TD422.2
文献标识码：A
文章编号：1672- 545X（2009）03- 0050- 02
液压挖掘机具有重量轻、体积小、结构紧凑、传动平稳、操 纵简单、以及容易实现无级变速和自动控制等一系列优点，其 性能正向着高效率、高可靠性、安全节能及自动化、智能化的 方向发展[1~2]。本文对液压挖掘机工作装置轨迹的智能控制进 行了研究。
群体中的概率。
（2）交叉算子和变异算子。遗传算法中的交叉概率 Pc 和
变异概率 Pm 对算法的收敛性影响很大。Pc 越大，则种群的更
新越快，搜索的范围越大。然而 Pc 过大，可能破坏种群的遗传
模式；Pc 过小，可能使进化过程停滞不前。Pm 过大，会使遗传
过程变为纯粹的随机过程；然而 Pm 过小，又不容易产生新的 个体结构，影响算法的搜索范围，不易收敛到全局最优解。因
破瓶颈；当种群密集度较小时，则需要适当减小交叉概率和变
（下转第 54 页）
51
Equipment Manufactring Technology No.3，2009
[8] 常镇江. 陆上油气田井场的电气防爆技术[J]. 电气防爆, 2001, (2): 34- 40.
[9]方来华. 组态软件核心技术研究[J]. 化工自动化及仪表, 2004, (31):
模糊控制器采用离散论域的模糊控制经过量化的输入34模糊量清晰化量是有限的可以针对输入情况的不同组合离线计算出相应由模糊推理综合算法获得的控制量是电磁比例阀开度的6的控制量从而组成控制实际控制时表可以直接查询控制找到确切的比例阀开度增
Equipment Manufactring Technology No.3，2009
ZHAO Hong ，WANG Yu ，LIN Li (China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249，China)
Abs tract: The design of digital automatic positioning system of traveling block in drilling rig was proposed in this paper. The function and work principle was described. The method of hardware and software' designs as well as the key technique were explained. Labwindows/CVI was used as tool to get nice human- machine interface and software development platform. The safety and efficiency of the tripping unit was improved and the labor strength of workers was released. This design has a certain application value. Key words : drilling rig; traveling block; positioning control system; tripping unit
挖掘机挖掘轨迹控制系统原理图如图 3 所示，主要由三 部分组成：模糊控制器、系数调整模块和电磁比例阀。
PcPm 遗传算法
R(t) e(k)
K2
1- a
U(k)
模糊 推理
Y(k) K2 比例阀
K2
a
角度反馈 图 3 挖掘机挖掘轨迹控制原理图
收稿日期：2008- 12- 26 作者简介: 包 枫（1979—），女，江苏苏州人，助教，硕士，研究方向：人工智能。
Chi (t)- Ch(t) ≤C other
（3）
式中：C—界限值，偏离度 1，说明两个体很接近。
定义 3—— —种群密集度。第 t 代种群密集度为：
m
Den(t)=∑Di (t)Den(t) i=1
（பைடு நூலகம்）
这可作为当代种群多样性的指标。
（3）自适应交叉概率和变异概率。当种群密集度较大时，
需要适当增加交叉概率和变异概率，以使种群的进化尽快突
表 1 模糊控制规则表
e / ec NB NM
NS
ZO
PS
PM
PB
NB
PB PB
PM PM
PM
PS
PS
NM
PB PM
PM PM
PS
PS
ZO
NS
PM PM
PM PM
ZO
ZO
NS
ZO
PS PS
ZO
ZO
ZO
NS
NM
PS
ZO ZO
ZO
NS
NS
NS
NM
PM
NS NS
NS
NS
NM NM
NB
PB
NS NM
NM NM
最优目标函数的一项，并用较大的权值以抑制超调量。目标函
数为：
乙 J= 1 T
T
0
乙γ1
2
e
+γ2
2
u
(t)+γ3
e(t)
乙dt
（1）
式中：γ1 、γ2 、γ3 为相应项的加权因子。
4.3 遗传操作
（1）选择个体。采用常用的适应度比例法，以与个体适应
度成正比的概率，来决定当前群体中每个个体遗传到下一代
初始种群的目标函数值。如果 J 与 J0 距离不够大，则可以通过
因子 β 来进行调整。改进的自适应交叉概率和变异概率如下：
Pc
=
1- exp 1+exp
J- βDen(t) J- βDen(t)
J- J0 J- J0
J J
Pm
=
3
1- exp J- βDen(t) J1+exp J- βDen(t)
NM NB
NB
《装备制造技术》2009 年第 3 期
3.4 模糊量清晰化 由模糊推理综合算法获得的控制量，是电磁比例阀开度的
输出范围，需要对其进行解模糊[6]，找到确切的比例阀开度增 量。在实际应用中，重心法是比较理想的解模糊方法，就是取模 糊隶属度函数曲线与横坐标轴围成面积的重心作为代表点。
4 量化因子在线自整定模块设计
50
模糊控制器采用离散论域的模糊控制，经过量化的输入 量是有限的，可以针对输入情况的不同组合，离线计算出相应 的控制量，从而组成控制表。实际控制时，可以直接查询控制 表，在线运算量很少，容易满足实时运算要求。运用带修正因 子的控制规则，当被控对象阶次较低时，对误差的加权应该大 于对误差变化的加权；相反，当被控对象阶次较高时，对误差 变化的加权要大于对误差的加权。系数调整模块采用自寻优 能力极强的遗传算法，以改善控制器性能。
将挖掘机工作装置关节变量表示为时间函数，用以描述 挖掘机工作装置的预期轨迹。通过逆运动学，求出相应关节点 的起始角和终止角，用平滑的插值函数表示运动轨迹，以保证 各关节点位移跟踪期望的目标轨迹运动。
Y
θ1
L1
L2 θ2
L3 θ3
O
X
图 2 挖掘机轨迹控制图
2 控制器设计方案
液压挖掘机的作业过程是高阶次、非线性的过程。经典的 PID 控制算法，由于控制参数不能在线调整，存在积分饱和现 象，在启动或强动态调节时超调增大，稳态恢复时间长，难以 适应挖掘机工作装置复杂的作业要求。模糊控制器对模型的 依赖小，模仿人类思维逻辑的能力强，稳定性和鲁棒性较好， 被广泛研究和应用。但模糊控制问题的目标函数通常很复杂， 传统的参数优化方法常常无能为力。遗传算法是一种基于进 化论思想模拟自然选择和进化过程的寻优算法，仅由适应度 数值驱动，而不需要被优化对象的局部信息，与模糊控制结合 起来，适合于规划大范围、多参数、复杂和非线性的挖掘机作 业过程。
当偏差相差较大时，加大比例阀开度加快系统相应速度； 当 e 和 ec 处于中等大小时，为使系统响应具有较少的超调， 比例阀开度应适当取小；当 e 接近于设定值时，为使系统有 良好的稳态性能，避免出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能， 比例阀开度应取小[5]。模糊控制规则如表 1 所示，模糊推理采 用 and 运算、合成运算和蕴涵运算。
JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ
（上接第 51 页）
异概率；当进化代数比较大时，接近全局最优解的概率越来越 大，这时如果种群密集度偏大，则是正常现象，不应再增加交
叉概率和变异概率。因此，进化开始阶段，J 比较大，Pc、Pm 也
应较大；进化临近结束阶段，J 较小，则 Pc、Pm 相应减小。J0 为
息发布会专辑[C]，北京：机械工业出版社，2001. [2] 王广怀，靳 军，王 成．国外单斗液压挖掘机液压系统分析介绍
[A]．2002 年黑龙江省机械工程学会年会论文集[C]，哈尔滨：石油 工业出版社，2002. [3] 秦家升.挖掘机液压系统研究[D].长春：吉林大学，2005. [4] 胡长军，仝兆岐，马玉书.模糊推理和评判中的相关性问题[J]. 石油 大学学报(自然科学版)，1995, (5): 8- 10. [5] 宋立权，张大可，胡学斌．液压挖掘机工作装置运动学求解的计算 机模块装配法[J]. 建筑机械，1997,(2): 15- 16. [6] 庞富胜，庞 胜，吴苍松．模糊推理硬件的一种实现[J]. 华中理工大 学学报，1995,(9):9- 11. [7] 王 晶，李玉兰，蔡自兴，等. 基于遗传算法的模糊系统优化设计方 法[J]. 控制理论与应用，1999, (5): 20- 21.
3 模糊控制器模块设计
模糊控制器决定着整个系统的性能[4]，模糊推理是最关键 的部分，主要由专家经验所产生的模糊规则语言生成。模糊控 制器的设计步骤如下： 3.1 确定误差和误差变化率
将工作装置轨迹控制系统中角度传感器测量的实际转 角，与系统设定的转角值进行比较，获得角度误差 e 和误差变
化率 ec，其变化范围定义为模糊集上的论域。模糊规则采用 Mamdani 规则，e、ec 分别表示为 PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB。 为了方便，将它们分为 11 个等级。误差论域为{- 5，- 4，- 3，- 2， - 1，0，1，2，3，4，5}。 3.2 模糊化
比例阀 + 液压缸
P 压力传感器
θ 角度传感器
图 1 挖掘机电液驱动控制系统图
1.2 轨迹控制原理 挖掘机工作装置轨迹控制系统，由电液伺服系统、控制
器、压力传感器、角度传感器、操作手柄、人机交互模块(上位 机)等组成。在液压油缸驱动下，控制动臂角 θ1、斗杆角 θ2、铲斗 角 θ3 (图 2)，实现挖掘机工作装置轨迹控制。控制器预先设定 工作装置的运行轨迹，通过编程将其离散化。在实时控制时， 采集角度传感器测得的转角 θ1、θ2、θ3；将其与设定值进行比 较；按控制算法算出相应的控制量，使工作装置按预设轨迹动 作，实现作业要求。
隶属度函数的选取原则：表示隶属度函数的模糊集合，必 须是凸模糊集合；变量所取隶属度函数通常是对称和平衡的 隶属度函数，要符合语义顺序，避免不恰当的重叠，论域中的 每个点，应该至少属于一个隶属度函数的区域；同时它一般应 该属于至多不超过两个隶属度函数的区域；对于同一输入，没 有两个隶属度函数，会同时有最大隶属度；对两个隶属度函数 重叠时，重叠部分对于两个隶属度函数的最大隶属度不应该 有交叉。常用的隶属度函数有高斯函数、三角函数、钟形函数、 s 形函数、z 形函数等。本文选取三角形隶属度函数。 3.3 模糊控制