CN101855602B - 用于调整液压操作悬臂的方法、设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于调整液压操作悬臂的操作的方法和设备，以及计算机程序，所述悬臂(1)包括：至少两个相互可移动地联接的悬臂部分(1a，1b)，它们联接成可借助于液压促动器(5a-5b，7a-7b)而关于彼此移动；用于控制液压促动器的控制装置(13，14)；用于检测悬臂部分(1a，1b)之间的位置的检测器(15)，由此对于调整悬臂(1)的操作，能在控制装置(13，14)中为每一个特定运动配置接头控制器的运动特定的调整参数。在本发明中，在悬臂部分(1a，1b)之间，在一预定位置两侧关于该预定位置控制悬臂部分(1a，1b)的相互运动；将响应于控制信号从检测器(15)获得的实际的位置和运动速度值与理论的位置和运动速度值相比较；并且基于上述值之间的差来调整接头控制器的调整参数。
Description
发明背景
本发明涉及一种用于调整液压操作悬臂的操作的方法，该悬臂包括：至少两个可相互移动地联接的悬臂部分，它们可移动地联接以关于彼此围绕轴线旋转，或借助于液压促动器以线性运动方式移动，
-用于控制液压促动器的控制装置，
-用于检测悬臂部分之间的运动和位置的检测器，
-每个运动由接头控制器控制，所述接头控制器被包括在控制装置中且用于调整悬臂的操作，能在控制装置中为每个特定运动配置接头控制器的运动特定的调整参数。
本发明还涉及一种用于调整液压操作悬臂的操作的设备，该悬臂包括：至少两个相互可移动联接的悬臂部分，它们可移动地联接以致关于彼此围绕轴线旋转，或借助于液压促动器以线性运动方式移动，用于控制液压促动器的控制装置，用于检测悬臂部分之间的运动和位置的检测器，每个运动由接头控制器控制，该接头控制器被包括在控制装置中且用于调整悬臂的操作，能在控制装置中为每个特定运动配置接头控制器的运动特定的调整参数。
本发明还包括一种用于控制包括在执行液压操作悬臂的操作调整的设备内的处理单元的计算机程序，该悬臂包括至少两个相互可移动联接的悬臂部分，它们可移动地联接以致关于彼此围绕轴线旋转，或借助于液压促动器以线性运动方式移动，该设备包括：用于控制液压促动器的控制装置，用于检测悬臂部分之间的运动和位置的检测器，每个运动由接头控制器控制，所述接头控制器被包括在控制装置中且用于调整悬臂的操作，能在控制装置中为每个特定运动配置接头控制器的运动特定的调整参数，该计算机程序包括用于调整悬臂的操作的 程序代码。
多接头式液压操作悬臂在各种设备中采用。液压悬臂为″开链″型操纵器，其由不止一个连续的接头构成，接头通过接头臂相连。接头可为可旋转的旋转接头或棱柱形接头，其中，接头臂的相互运动为线性的，即，沿直线运动。为了实现悬臂端部的笛卡尔坐标位置，悬臂接头的接头角度必须通过调整而达到由逆向运动学所计算出的值。通过检测器获取关于接头位置的信息，并且在调整各接头时，将由此产生的位置数据应用于接头控制器，该接头控制器调整相关接头的位置。接头控制器通常是数字处理器应用程序，其控制改变接头位置的促动器，使得所期望的接头位置与利用检测器所测得的实际的位置之间的差的量尽可能接近零。
悬臂控制的目的在于，定位在悬臂端部处的工具以足够的精度位于所期望的位置。另一方面，目的在于悬臂运动的动态特性尽可能良好。良好的动态特性是指：接头的定位速度且由此整个悬臂到所期望的位置的定位速度，以及促动器和可调整的接头中的最小量的振荡。
在液压悬臂中利用软件来执行接头控制器参数的调节或调节控制设备所包括的接头控制器参数，使得所采用的调整算法将使悬臂以所期望的方式行动，即，尽可能完美无缺地遵从设定值的变化，这是具有挑战性的任务。由于液压悬臂的复杂动态难以建模，因此调整器的调节具有挑战性。此外，多个接头控制器的参数调节具有挑战性，因为液压悬臂的特征在于结构挠性和弹性。当需要多个悬臂接头同时移动时，接头控制器的最佳调节与一个自由度的情况极为不同。即使并非完全不可能，但也很难将常用的调节方法应用于多接头式操纵器的接头控制器。当一个接头被调整时，其它接头的加速度和位置会变化，并且悬臂的接头臂关于可调整接头的惯性力矩的变化会影响待要调整的接头的特性，这使对悬臂控制和调整的管理进一步复杂化。
调整器的实验性调节的替代方案是，在待调整的系统上产生精确的数学模型，以及基于该模型来调节接头控制器。然而，其造成的问题在于，所产生的模型将仅精确地代表一个特定悬臂，且每个悬臂模型应当单独地建模。实际上，如果较为简单的实验性解决方案可用的话，这不是经济可行的。
目前，在一个自由度的情况下，通过执行各种参数的近似值的计算来调节悬臂的调整控制，而随后，使用反复试验法一个接头接着一个接头地调节接头控制器参数，直到实现所期望的行为为止。如果调节器对于调整技术所知不多，则实际上就不可能馈送数值来作为接头控制器参数。最后，如果没有适合的方法和指示器用于评价最终结果，则调整的最终结果将只会基于目视评价。
发明内容
本发明的目的在于提供用于调整液压操作悬臂的操作的方法及设备，其比已知技术更为简单和容易，且可应用于各种悬臂，而与接头的数量和类型无关。
本发明的方法的特征在于，利用对称且重复的控制信号，在悬臂部分之间，在一预定位置两侧关于该预定位置控制悬臂部分的相互运动，将响应于控制信号从检测器获得的实际的位置和运动速度值与基于控制信号确定的理论的位置和运动速度值相比较，以及基于值之间的差调整接头控制器的调整参数，直到从检测器获得的实际的位置和运动速度值与基于控制信号确定的理论的位置和运动速度值之间的差具有所期望的大小为止。
本发明的设备的特征在于，该设备可构造成利用对称且重复的控制信号，在悬臂部分之间，在一预定位置两侧关于该预定位置控制悬臂部分的相互运动，控制装置包括用于将响应于控制信号从检测器获得的实际的位置和运动速度值与基于控制信号确定的理论的位置和运 动速度值相比较的装置，以及用于基于值之间的差调整接头控制器的调整参数的装置，直到从检测器获得的实际的位置和运动速度值与基于控制信号确定的理论的位置和运动速度值之间的差具有所期望的大小为止。
本发明的计算机程序的特征在于包括这样的程序代码，其用于利用对称且重复的控制信号，在悬臂部分之间，在一预定位置两侧关于该预定位置控制悬臂部分的相互运动，用于将响应于控制信号从检测器获得的实际的位置和运动速度值与基于控制信号确定的理论的位置和运动速度值相比较，以及用于基于值之间的差来调整接头控制器的调整参数，直到从检测器获得的实际的位置和运动速度值与基于控制信号确定的理论的位置和运动速度值之间的差具有所期望的大小为止。
本发明的基本思想在于，在开始位置(即，零点位置)两侧馈送对称的，优选为正弦的控制信号，以用作悬臂部分运动的可调整接头控制器的设定值，由此使得悬臂部分以往复运动方式移动，且同时通过借助于角度检测器或位置检测器来测量它们的相互位置。此外，实施例的基本思想在于，在显示装置上，以位置和速度的坐标系呈现运动的位置和速度，其产生基本椭圆的图案。又一思想在于，将由设定值和运动速度产生的图案与测得的接头的当前值及其运动速度在位置和速度的坐标系中产生的图案相比较，且基于调整参数的差，改变接头控制器的即时控制器增益。当测得的实际图案以足够的精度对应于设定值的图案时，完成调节。
附图说明
将结合附图来更为详细地描述本发明，在附图中，
图1a和图1b分别为液压悬臂的示意性侧视图和俯视图，
图2为用于控制悬臂的操作的控制设备联接的示意图，
图3a至图3c示意性地示出了调节单悬臂接头控制器的可能的用 户界面显示，以及
图4示意性地示出了悬臂定位精度的测量。
具体实施例
图1a和图1b示出了液压操作悬臂1的示意性侧视图和相应的俯视图，例如，该液压操作悬臂1为具有多个悬臂部分1a至1b的凿岩钻具的悬臂。悬臂部分1a至1b连接到彼此，另一方面，利用接头3a连接到示意性地示出的支架2，在悬臂部分1b的最远端处，工具4通过接头3b联接于悬臂部分1b上。通过关于支架2和关于彼此转动悬臂部分1a至1b，以及通过关于悬臂部分1b转动工具4来执行工具4的定位。利用促动器5a至5b来控制悬臂，促动器对支架和悬臂部分的接头3a至3c起作用。相应地，图1b示出了接头6a至6c，它们的轴线横向于接头3a和3b，并且悬臂部分围绕接头利用促动器7a至7c关于支架和彼此转动。
图2示意性地示出了用于关于一个接头3a控制悬臂的联接。其包括悬臂部分1a，悬臂部分1a通过接头3a联接到支架2。液压促动器5a在支架2与悬臂部分1a之间，液压促动器5a例如为液压气缸。泵8经由控制阀11通过液压流体通道9和10来将液压流体馈送至液压气缸，且对应地使其返回到液压流体容器12。连接了控制阀11以便由接头控制器13控制，并且示意性地示出作为控制单元14的一部分的接头控制器13利用控制单元14控制。接头3a包括角度检测器15，角度检测器15检测在悬臂部分1a与支架之间的转动角度，并且以虚线示出了角度检测器15联接到接头控制器13，且还可选地联接到控制单元14，用于检测转动角度。接头控制器可为单独的电子操作的调整器、电子操作的控制单元的一部分或用于控制的软件的一部分，而在本专利申请文献和权利要求中，接头控制器是指它们全部。接头控制器13根据所选的调整算法，基于由控制单元14提供的设定值与检测器15产生的位置信息之间的差，在每一时刻选择控制阀11的控制。
接头还可为棱柱形，而在此情况下，检测器测量接头臂之间的线性运动，而非角度。此外，控制设备通常包括显示装置16，显示装置16上可呈现悬臂接头的接头角度和/或悬臂端部或工具的笛卡尔坐标位置。实际上，在当前的计算机控制的设备中，接头控制器和控制单元通常为相同的处理单元，即，微处理器，其借助于软件来执行控制和接头控制器的功能。当然，本身已知的各种其它解决方案也可用于本发明的应用场合。
图3a至图3c示意性地示出了悬臂控制中的用户界面显示，悬臂控制通过使用例如图2的单接头模式来调节接头控制器。图3a示出一种显示，其中，该显示示出了给定的悬臂接头的理论的位置/速度描述图，该描述图原则上为椭圆，该椭圆由作为设定值及其导数而馈送的正弦信号特性产生。理论描述图，即，目标描述图17，是调节接头控制器中追求的目标。
在接头的调节中，正弦信号作为用于接头控制器13的设定值输入，由此，相关悬臂接头的接头角度就以往复运动方式变化，例如，在致动接头运动时的位置的任一侧变化+/-2.5度。接头角度的这一变化被示出在显示装置上的水平轴线上。相应的，在正弦位置变化情况下的极限位置和当接头处于正弦位置变化的中点时所处的最高处，通过微分控制信号而在理论上获得的接头运动速度为零。速度沿竖直轴线，即，y轴的方向呈现在显示装置上。通过在位置/速度坐标系中绘出每一时刻的位置值和速度值，理论上所形成的描述图就绘成了椭圆。实际上，从接头位置测量中所获得的描述图不会精确地遵循理论上的椭圆描述图。调节的目标在于将实际位置形成的图案与设定值形成的理论椭圆图案之间的差减少到最小。
如图3a所示，悬臂位置和运动速度的实际描述图18为例如大致椭圆的。重要的是，发现所得到的实际图案，即，描述图18处于设定值图案的外侧靠内一些。因此，接头位置不会十分良好地遵循变化的设 定值，而是会滞后。在此情况下，必须增大接头控制器增益。操作人员可仅用“+”键和“-”键来改变接头控制器增益，由此，立即使用新的参数。操作人员可通过比较描述图来实时监测接头怎样地能够遵循路径，并且基于图案的差异来调整接头控制器参数。如果实际图案处于设定值图案内侧靠外一些，该状态在图3b中示出，则操作人员可利用“-”键来减小接头控制器增益，由此描述图将彼此接近。理论上，如图3c中所示，在此阶段，悬臂运动的描述图18是目标描述图17的尺寸的椭圆。实际上，实际描述图包括与理论椭圆的各种偏差，且不可能实现完美的椭圆描述图。然而，重要的是，描述图尽可能接近目标椭圆，由此，该特定接头的悬臂调整精度尽可能良好。当描述图具有相同的尺寸和形状时，由接头位置形成的路径会与也在时间/位置平面内的设定值形成的路径完全相符，即使在设定值与接头控制器的实际位置之间将存在时间延迟也是。相应的，还能通过比较实际图案与设定值图案之间的距离来自动地调整接头增益。当已知速度和位置绘制椭圆，且监测椭圆的尺寸和形状容许绘出接头控制器调节良好的结论时，能自动地比较实际椭圆的尺寸与理想尺寸。
当自动地进行调整时，就不必绘出任何描述图，但可由检测器获得的理论和实际的位置和速度值可以以数学方式相互比较，由此，就通过运算自动地进行与基于显示装置所绘出的描述图进行手动调节的调节器相同的操作。
当检测器读数给出接头位置数据，即，其位置和速度的值，或基于连续位置数据项和在每一时刻在它们之间经过的时间来计算速度时，可通过计算在每一采样瞬间实际点与理论设定值之间的最短距离来将实际情况与计划情况相比较。如果接头尽可能良好地遵循正弦路径，则完整循环的测量值与理论设定值之间的距离的平均数为零。
在实现一个完整设定值变化顺序时，在每一采样瞬间计算位置和速度的值与设定值之间的误差，并求其平均值。通过计算误差的平均 值，可以获得所测位置和速度的值与设定值之间误差的趋势和大小。该信息可用于调整相关接头控制器的参数，以便将误差平均数减到最小。在计算出差之后，改变接头控制器增益，以使增益的改变与误差大小成比例。
当差充分接近于零时，完成调节。当实现的位置和速度的值小于设定值时，它们是高于设定值的等量。在此情形中，以最佳可能的方式遵循路径。
其它接头在竖直方向和水平方向上以对应方式调整。为了实现最佳精度，其也必须被执行，以致在一个接头调整时其它悬臂接头被同时致动，由此，由其它接头的操作对相关接头的操作的干扰可被减少到最小。因此，对于最终结果，悬臂的总体状态和动态将以最佳方式对应所期望的状态和动态。
以上述方法调节悬臂接头控制器给出了悬臂位置的最佳结果，在调节期间，在该最佳位置周围悬臂被控制。为了找出悬臂工作区域的不同部分中的最佳参数值，悬臂可在工作区域的各种部分中在多个不同位置被调节。
一旦已经调整了悬臂的行为，仍然需要检查悬臂接头的静态精度。在实例的情况中，其是通过操作接头来获得位置而执行的，其中，位置之间的接头路径对应于正弦信号的半个周期。然后，可以在显示装置上看到，在显示装置上，悬臂部分的精度在所期望的位置被设定，且例如，悬臂或悬臂部分关于最终位置的震荡作为时间的函数。其在图4中被示出，图4示意性且理论上示出了作为时间的函数的悬臂部分的运动描述图。
如图4中所示，悬臂或悬臂部分关于接头转动，使得其已经基本上依据代表极限位置的线19a和19b之间的零点位置的两侧的目标描述 图移动，直到在时刻t1，悬臂停在由控制信号确定的极限位置为止，即，理论上在线19a上。从那向前，如果遵循设定值而不过高或不过低，悬臂位置应当为恒定的，并且位置描述图18应当遵循线19a。然而，代表悬臂位置的线18不是刚好在与线19a相同的水平上，而是在其两侧震荡。所以，在时刻t1之后，悬臂位置高于由线19a所限定的位置，然后，其在时刻t2摆动至低于线19a，且此后返回至靠近线19a的位置，即，在时刻t3基本上到达所期望位置。
当由计算机程序执行本发明时，其包括这样的程序代码，所述代码以上述方式提供调整悬臂的操作。因此，程序代码可执行接头控制器的控制器增益的调整，以及从悬臂的支架开始朝向悬臂的远端的不同悬臂部分之间移动的调整。此外，程序代码可借助于位置和运动速度的值在x/y坐标系中执行描述图的表示，描述图的一条轴线代表位置值，而另一条轴线代表运动速度值。程序代码还可以：
-使用正弦信号作为控制信号，
-基于控制信号在显示装置上形成目标图案，在目标图案中，位置和运动速度的值位于垂直坐标系的不同轴线上，以及基于对应的描述图调整控制器增益，所述描述图基于从检测器获得的实际的位置和运动速度值来形成，
-产生圆形或椭圆形的描述图，
-自动执行调整，以及
-控制凿岩钻具的悬臂。
附图和相关描述仅用于示意出本发明的思想。本发明的具体细节可在权利要求的范围内改变。
Claims (24)
1.一种用于调整液压操作悬臂的操作的方法，所述悬臂包括：至少两个可相互移动地联接的悬臂部分，所述悬臂部分可移动地联接，以便关于彼此围绕轴线旋转，或借助于液压促动器以线性运动方式移动；用于控制所述液压促动器的控制装置；用于检测所述悬臂部分之间的运动和位置的检测器，每个运动由接头控制器控制，所述接头控制器被包括在控制装置中并且用于调整所述悬臂的操作，能在所述控制装置中为每个特定运动配置所述接头控制器的运动特定的调整参数，其特征在于，利用对称且重复的控制信号，在所述悬臂部分之间，在一预定位置两侧关于所述预定位置控制所述悬臂部分的相互运动；将响应于所述控制信号从所述检测器获得的实际的位置和运动速度值与基于所述控制信号确定的理论的位置和运动速度值相比较；以及基于所述值之间的差来调整接头控制器的调整参数，直到从所述检测器获得的所述实际的位置和运动速度值与基于所述控制信号确定的所述理论的位置和运动速度值之间的差具有所期望的大小为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述悬臂的调整器的控制器增益作为所述调整参数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从所述悬臂的支架开始朝向所述悬臂的远端执行不同悬臂部分之间的运动调整。
4.根据权利要求1-2中任何一项所述的方法，其特征在于，所述悬臂部分可旋转地围绕轴线联接到彼此，且检测器检测围绕所述轴线的转动角度。
5.根据权利要求1-2中任何一项所述的方法，其特征在于，所述悬臂部分以线性运动可移动地联接到彼此，且检测器检测运动的长度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在x/y坐标系中借助于所述位置和运动速度值形成描述图，其中所述坐标系中的一条轴线代表位置值，而另一条轴线代表运动速度值，并且使用所述悬臂的调整器的控制器增益作为所述调整参数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在x/y坐标系中借助于所述位置和运动速度值形成描述图，其中所述坐标系中的一条轴线代表位置值，而另一条轴线代表运动速度值。
8.根据权利要求1-2中任何一项所述的方法，其特征在于，使用正弦信号作为所述控制信号。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述控制信号，在显示装置上形成目标图案，其中，所述位置和运动速度值位于所述x/y坐标系的不同轴线上，以及基于对应的所述描述图调整所述控制器增益，所述描述图基于从所述检测器获得的所述实际的位置和运动速度值形成。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述描述图的形状为圆形或椭圆形。
11.根据权利要求1-2中任何一项所述的方法，其特征在于，利用所述控制装置自动地执行调整。
12.根据权利要求1-2中任何一项所述的方法，其特征在于，使用凿岩钻具的悬臂作为所述悬臂。
13.一种用于调整液压操作悬臂的操作的设备，所述悬臂包括：至少两个相互可移动地联接的悬臂部分，所述悬臂部分可移动地联接，以关于彼此围绕轴线旋转，或借助于液压促动器以线性运动方式移动；用于控制所述液压促动器的控制装置；用于检测所述悬臂部分之间的运动和位置的检测器，每个运动由接头控制器控制，所述接头控制器被包括在所述控制装置中且用于调整所述悬臂的操作，能在所述控制装置中为每个特定运动配置所述接头控制器的运动特定的调整参数，其特征在于，所述设备能够构造成利用对称且重复的控制信号，在所述悬臂部分之间，在一预定位置两侧关于所述预定位置控制所述悬臂部分的相互运动；所述控制装置包括用于将响应于所述控制信号从所述检测器获得的实际的位置和运动速度值与基于所述控制信号确定的理论的位置和运动速度值相比较的装置，并且包括用于基于所述值之间的差来调整设置在所述控制装置中的接头控制器的调整参数的装置，直到从所述检测器获得的所述实际的位置和运动速度值与基于所述控制信号确定的所述理论的位置和运动速度值之间的差具有所期望的大小为止。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述设备中使用的所述接头控制器的调整参数为所述接头控制器的控制器增益。
15.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述设备被构造成用于调整从所述悬臂的支架开始朝向所述悬臂的远端的不同悬臂部分之间的运动。
16.根据权利要求13至14中任何一项所述的设备，其特征在于，所述悬臂部分可旋转地围绕轴线联接到彼此，并且检测器被构造成用于围绕所述轴线检测。
17.根据权利要求13至14中任何一项所述的设备，其特征在于，所述悬臂部分以线性运动可移动地联接到彼此，且检测器被构造成用于检测运动的长度。
18.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述控制装置被构造成用于在x/y坐标系中借助于所述位置和运动速度值提供描述图，其中所述坐标系的一条轴线代表位置值，而另一条轴线代表运动速度值。
19.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述控制装置被构造成用于在x/y坐标系中借助于所述位置和运动速度值提供描述图，其中所述坐标系的一条轴线代表位置值，而另一条轴线代表运动速度值。
20.根据权利要求13至14中任何一项所述的设备，其特征在于，所述控制装置被构造成使用正弦信号作为控制信号。
21.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述设备中使用的所述接头控制器的调整参数为所述接头控制器的控制器增益，并且所述控制装置包括显示装置，且所述控制装置被构造成用于：基于所述控制信号在所述显示装置上形成目标图案，在目标图案中，所述位置和运动速度值位于所述x/y坐标系的不同轴线上；以及基于从所述检测器获得的所述实际的位置和运动速度值，形成相应的描述图，以致可以基于所述描述图来调整所述控制器增益。
22.根据权利要求18或19所述的设备，其特征在于，所述控制装置被构造成用于形成圆形或椭圆形的描述图。
23.根据权利要求13至14中任何一项所述的设备，其特征在于，所述控制装置被构造成用于自动地执行调整。
24.根据权利要求13至14中任何一项所述的设备，其特征在于，所述悬臂为凿岩钻具的悬臂。
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