CN110847270A - 基于mimo算法的双轮铣自动进给控制方法、系统及工程车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制方法、系统及工程车辆，控制系统包括用于双轮铣自动进给速度主导控制的速度控制模块，用于解决速度被扰动的速度解耦模块，该模块接收进给力误差值信号判断实际工况，并给出速度调节的次因子，还包括用于双轮铣自动进给力控制模块和进给解耦模块，用于作用双轮铣机器实体的系统模块。本发明以进给力和进给速度双闭环为主逻辑并创新性的采用MIMO特有的解耦模块思路解决进给速度和进给力两者调节的相互扰动和震荡问题，现场施工测试效果良好，满足双轮铣自动进给的实际需求。

Description

基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制方法、系统及工程车辆

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种双轮铣槽机自动进给控制方法。

背景技术

双轮铣槽机是一种适合基础工程中成槽作业的大型基础工程施工机械设备，双轮铣为液压式操作机械，主要工作装置为一个高12米、重30吨带有液压和电气控制系统的钢制框架，下部装有两个液压马达带动铣轮低速转动，切削下面的泥土和岩石，利用中间的泥浆泵不断把土，碎石和泥浆泵送到泥浆筛分系统，铣轮刀架四面均装有纠偏用液压纠偏推板，铣刀架通过卷扬钢丝绳自动进给下放，自动进给工况在双轮铣的整个施工周期中占比最大，自动进给拉力和速度直接决定施工效率和施工质量，故自动进给控制技术尤为关键。

目前双轮铣槽机自动进给控制，为直接开环控制，对地力难以控制，然而复杂地层下对地力的选择决定了铣轮效率，原有系统无法满足需求。另一方面，原自动进给控制状态无法做到抓斗机械施工后续的双轮铣慢速小对地力修边铣削施工。

发明内容

本发明提供一种基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制方法，以实现双轮铣自动进给的对地力稳定控制和进给速度精准控制。

本发明按以下技术方案实现：

基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制方法，该控制方法如下：

通过速度控制模块主导控制双轮铣自动进给的下放速度，直接作用于执行器的流量阀信号，模块入口采用自动进给目标速度和实际速度的误差值；

通过速度解耦模块解决进给力对进给速度的扰动，模块入口采用自动进给目标速度和实际速度的误差值；

通过进给力控制模块控制双轮铣自动进给的对地力，模块入口接收进给力目标进给力和实际进给力误差值，通过闭环调控溢流阀，施工中实时调节；

通过进给力解耦模块解决自动进给速度变化对进给力的扰动，模块入口接收进给目标速度和实际速度误差值，数据计算后发送到溢流阀控制；

通过系统模块执行MIMO控制输出的流量阀控制信号和溢流阀控制信号，并通过模块内控制量到端口值的线性标定输出电流。

进一步，所述速度控制模块具体控制方法如下：

来自控制旋钮的目标设定值和系统模块前馈回来的速度差值通过误差过滤器后输入到比例环节和积分环节，最终输出值经过流量阀控制信号标定输出给出；

在上述过程中，误差过滤器的作用一是为特定速度下设定死区，防止在速度误差满足需求情况下的频繁调节，二是为等待对地力进入稳定状态区间后对误差值进行放行；比例环节使得输出值和输入误差成正比；积分环节用以消除静态误差。

进一步，所述进给力控制模块具体控制方法如下：

进给力误差数据来自于旋钮设定目标对地力和后端系统模块给出的实际对地力计算值，比例环节和进给误差成正比例，在P调节过程中会出现稳态系统误差，此时积分环节作用于误差值在时间上的积分，随着时间的增长，积分项越来越大，这样即使误差很小也能随时间增长而逐渐消除，最终使得系统进入无稳态误差；微分环节与进给力误差值的微分成正比关系，因为系统惯性大有滞后环节已经铣轮转动有一定跳动和扫边情况，微分环节的存在在误差抑制上有一定的超前作用，在实际调节中有很好动态特性。

进一步，所述系统模块具体控制方法如下：

系统模块接收的流量阀控制信号来自速度控制模块和速度解耦模块输出信号叠加值，系统模块接收的溢流阀信号来自进给力控制模块和进给力解耦模块输出信号叠加值，流量阀控制信号和溢流阀控制信号通过模块的线性标定后输出到电控电流端口，系统模块内采集卷扬编码器数值换算出来进给速度进行数据回传，系统模块内采集销轴传感器数值换算出对地力进行数据回传。

进一步，系统模块内的实际数据采集和回传工作方法如下：

通过双轮铣上安装的销轴传感器采集信号换算出钢丝绳拉力，通过和刀架固定重量和浮力等因素的计算得到精准的实时对地压力数值，为MIMO算法提供控制数据，进给速度的数据收集实现来自于双轮铣前后卷扬安装的编码器，通过前后超高精度编码器数值的实时运算得出进给的精准速度。

进一步，系统模块中的流量阀信号和溢流阀信号控制工作方法如下：

接收自前段模块的溢流阀和流量阀控制信号，通过DA转换闭环输出到控制器管脚驱动溢流阀和流量比例阀，根据电流实际反馈值来调整输出到管脚的数值。

进一步，系统模块中的进给力和速度控制工作方法如下：

进给力调控优先级高于进给速度调节优先级，在进给力和进给速度同时设置要求下采用多路输入多输出控制算法解决多控制量之间的扰动问题。

基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制系统，包括：

速度控制模块，用于响应目标进给速度和实际速度误差，模块输出值作用到流量阀控制信号，速度控制模块输出值作为调节进给速度的主导因素；

速度解耦模块，用于处理来自于进给力变化扰动对速度控制的影响，输出值叠加到速度控制模块的流量阀控制信号量上；

进给力控制模块，用于响应目标对地力和实际对地力误差，模块输出值作用到溢流阀控制信号，模块输出值作为调节对地力的主导因素；

进给力解耦模块，用于处理来自进给速度变化扰动对实际进给力的影响，输出值叠加到溢流阀控制信号量上；

系统模块，用于执行前端叠加的流量阀控制信号和叠加的溢流阀控制信号，闭环输出到端口连接的流量阀和溢流阀，模块内通过对来自销轴传感器信号，刀架参数，浮力参数计算出实际对地力，模块内通过对来自前后两卷扬的高精度旋转编码器的数值处理计算给出自动进给的实际速度。

工程车辆，包括卷扬进给系统，该卷扬进给系统设有上述的基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制系统。

进一步，工程车辆包括双轮铣槽机。

本发明有益效果：

本发明创新性的使用基于MIMO算法来实现双轮铣自动进给控制，解决了自动进给速度控制和进给力控制的相互扰动难题。引入解耦模块通过调整参数的方式，不仅削减耦合还能够规避特殊工况下的溢流阀和流量阀的过度调节。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

图1是本发明的控制逻辑模式图。

图2是本发明的速度控制模块结构图。

图3是本发明的进给力控制模块结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制系统，包括速度控制模块101、速度解耦模块102、进给力控制模块103、进给力解耦模块104和系统模块105；速度控制模块101用于响应目标进给速度和实际速度误差，模块输出值作用到流量阀控制信号，速度控制模块输出值作为调节进给速度的主导因素；速度解耦模块102用于处理来自于进给力变化扰动对速度控制的影响，输出值叠加到速度控制模块的流量阀控制信号量上；进给力控制模块103用于响应目标对地力和实际对地力误差，模块输出值作用到溢流阀控制信号，模块输出值作为调节对地力的主导因素；进给力解耦模块104用于处理来自进给速度变化扰动对实际进给力的影响，输出值叠加到溢流阀控制信号量上；系统模块105用于执行前端叠加的流量阀控制信号和叠加的溢流阀控制信号，闭环输出到端口连接的流量阀和溢流阀，模块内通过对来自销轴传感器信号，刀架参数，浮力参数计算出实际对地力，模块内通过对来自前后两卷扬的高精度旋转编码器的数值处理计算给出自动进给的实际速度。

参考图1所示，在本发明基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制方法中：

自动进给速度控制和自动进给力控制是两个有较高耦合性的控制量，在实际铣削中进给力需要根据实际地层硬度来设置，过大的进给力会导致铣轮卡死，不合适的进给力会导致进给速度变慢，因此对地力采用闭环控制保证其稳定可控，实际施工中进给速度太快会导致对地压力增大，本发明引入进给力解耦模块，考虑进速度参数对进给力的影响计算。同样在速度控制上，引入数据目标速度和实际速度误差值和进给力误差值，速度控制模块101和速度解耦模块102输出流量阀控制信号叠加，输送到系统模块105。

基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制方法，该控制方法如下：

通过速度控制模块101主导控制双轮铣自动进给的下放速度，直接作用于执行器的流量阀信号，模块入口采用自动进给目标速度和实际速度的误差值；

通过速度解耦模块102解决进给力对进给速度的扰动，模块入口采用自动进给目标速度和实际速度的误差值；

通过进给力控制模块104控制双轮铣自动进给的对地力，模块入口接收进给力目标进给力和实际进给力误差值，通过闭环调控溢流阀，施工中实时调节；

通过进给力解耦模块103解决自动进给速度变化对进给力的扰动，模块入口接收进给目标速度和实际速度误差值，数据计算后发送到溢流阀控制；

通过系统模块105执行MIMO控制输出的流量阀控制信号和溢流阀控制信号，并通过模块内控制量到端口值的线性标定输出电流。

如图2所示，速度控制模块101具体控制方法如下：

因该自动进给控制系统主导控制为进给力，速度是合力状态下的表现，故速度控制模块采用PI闭环控制，速度控制模块101组成：进给速度误差1010，误差过滤器1011，比例环节1012，积分环节1013和溢流阀信号标定输出1014，进给速度误差1010是来自控制旋钮的目标设定值和系统模块前馈回来的速度差值，误差过滤器1011的设置作用，一是为特定速度下设定死区，防止在速度误差满足需求情况下的频繁调节，二是为等待对地力进入稳定状态区间后对误差值进行放行；比例环节1012输出值和输入误差成正比，在调节过程中仅仅有比例环节会出现明显的系统稳定误差，所以引入了积分环节1013消除静态误差，最终输出值经过流量阀控制信号标定输出1014给出。

如图3所示，进给力控制模块具体控制方法如下：

因为刀架卷扬系统进给力控制是大惯性滞后模型，故此处控制模块采用PID控制原理，进给力误差1040数据来自于旋钮设定目标对地力和后端系统模块给出的实际对地力计算值，比例环节1041和进给误差1040成正比例，在P调节过程中会出现稳态系统误差，此时积分环节1042作用于误差值在时间上的积分，随着时间的增长，积分项越来越大，这样即使误差很小也能随时间增长而逐渐消除，最终使得系统进入无稳态误差。微分环节1013与进给力误差值的微分成正比关系，因为系统惯性大有滞后环节已经铣轮转动有一定跳动和扫边情况，微分环节的存在在误差抑制上有一定的超前作用，在实际调节中有很好动态特性。

系统模块具体控制方法如下：

系统模块接收的流量阀控制信号来自速度控制模块和速度解耦模块输出信号叠加值，系统模块接收的溢流阀信号来自进给力控制模块和进给力解耦模块输出信号叠加值，流量阀控制信号和溢流阀控制信号通过模块的线性标定后输出到电控电流端口，系统模块内采集卷扬编码器数值换算出来进给速度进行数据回传，系统模块内采集销轴传感器数值换算出对地力进行数据回传。

系统模块内的实际数据采集和回传工作方法如下：

通过双轮铣上安装的销轴传感器采集信号换算出钢丝绳拉力，通过和刀架固定重量和浮力等因素的计算得到精准的实时对地压力数值，为MIMO算法提供控制数据，进给速度的数据收集实现来自于双轮铣前后卷扬安装的编码器，通过前后超高精度编码器数值的实时运算得出进给的精准速度。

系统模块中的流量阀信号和溢流阀信号控制工作方法如下：

接收自前段模块的溢流阀和流量阀控制信号，通过DA转换闭环输出到控制器管脚驱动溢流阀和流量比例阀，根据电流实际反馈值来调整输出到管脚的数值。

系统模块中的进给力和速度控制工作方法如下：

进给力调控优先级高于进给速度调节优先级，在进给力和进给速度同时设置要求下采用多路输入多输出控制算法解决多控制量之间的扰动问题。

通过对本发明一种基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制算法的多个实施例的说明，可以看出本发明创新性利用多输入多输出控制技术解决自动进给多控制量之间干扰的难题。

本发明一种基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制方法同时创新性指出在自动进给控制中，进给力控制优先级高于速度控制优先级的大原则，为算法实现指明正确方向，且该自动进给控制方法在实际应用中能达到较好的稳定性和高效率。

本发明还提供一种工程车辆，包括卷扬进给系统，该卷扬进给系统设有前述的基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制方法。其中，工程车辆包括双轮铣槽机。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制;尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制方法，其特征在于：

通过速度控制模块主导控制双轮铣自动进给的下放速度，直接作用于执行器的流量阀信号，模块入口采用自动进给目标速度和实际速度的误差值；

通过速度解耦模块解决进给力对进给速度的扰动，模块入口采用自动进给目标速度和实际速度的误差值；

通过进给力控制模块控制双轮铣自动进给的对地力，模块入口接收进给力目标进给力和实际进给力误差值，通过闭环调控溢流阀，施工中实时调节；

通过进给力解耦模块解决自动进给速度变化对进给力的扰动，模块入口接收进给目标速度和实际速度误差值，数据计算后发送到溢流阀控制；

通过系统模块执行MIMO控制输出的流量阀控制信号和溢流阀控制信号，并通过模块内控制量到端口值的线性标定输出电流。

2.根据权利要求1所述的基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制方法，其特征在于，所述速度控制模块具体控制方法如下：

来自控制旋钮的目标设定值和系统模块前馈回来的速度差值通过误差过滤器后输入到比例环节和积分环节，最终输出值经过流量阀控制信号标定输出给出；

在上述过程中，误差过滤器的作用一是为特定速度下设定死区，防止在速度误差满足需求情况下的频繁调节，二是为等待对地力进入稳定状态区间后对误差值进行放行；比例环节使得输出值和输入误差成正比；积分环节用以消除静态误差。

3.根据权利要求1所述的基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制系统，其特征在于，所述进给力控制模块具体控制方法如下：

进给力误差数据来自于旋钮设定目标对地力和后端系统模块给出的实际对地力计算值，比例环节和进给误差成正比例，在P调节过程中会出现稳态系统误差，此时积分环节作用于误差值在时间上的积分，随着时间的增长，积分项越来越大，这样即使误差很小也能随时间增长而逐渐消除，最终使得系统进入无稳态误差；微分环节与进给力误差值的微分成正比关系，因为系统惯性大有滞后环节已经铣轮转动有一定跳动和扫边情况，微分环节的存在在误差抑制上有一定的超前作用，在实际调节中有很好动态特性。

4.根据权利要求1所述的基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制系统，其特征在于，所述系统模块具体控制方法如下：

系统模块接收的流量阀控制信号来自速度控制模块和速度解耦模块输出信号叠加值，系统模块接收的溢流阀信号来自进给力控制模块和进给力解耦模块输出信号叠加值，流量阀控制信号和溢流阀控制信号通过模块的线性标定后输出到电控电流端口，系统模块内采集卷扬编码器数值换算出来进给速度进行数据回传，系统模块内采集销轴传感器数值换算出对地力进行数据回传。

5.根据权利要求4所述的基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制方法，其特征在于，系统模块内的实际数据采集和回传工作方法如下：

通过双轮铣上安装的销轴传感器采集信号换算出钢丝绳拉力，通过和刀架固定重量和浮力等因素的计算得到精准的实时对地压力数值，为MIMO算法提供控制数据，进给速度的数据收集实现来自于双轮铣前后卷扬安装的编码器，通过前后超高精度编码器数值的实时运算得出进给的精准速度。

6.根据权利要求4所述的基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制方法，其特征在于，系统模块中的流量阀信号和溢流阀信号控制工作方法如下：

接收自前段模块的溢流阀和流量阀控制信号，通过DA转换闭环输出到控制器管脚驱动溢流阀和流量比例阀，根据电流实际反馈值来调整输出到管脚的数值。

7.根据权利要求4所述的基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制方法，其特征在于，系统模块中的进给力和速度控制工作方法如下：

进给力调控优先级高于进给速度调节优先级，在进给力和进给速度同时设置要求下采用多路输入多输出控制算法解决多控制量之间的扰动问题。

8.基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制系统，其特征在于，包括：

速度控制模块，用于响应目标进给速度和实际速度误差，模块输出值作用到流量阀控制信号，速度控制模块输出值作为调节进给速度的主导因素；

速度解耦模块，用于处理来自于进给力变化扰动对速度控制的影响，输出值叠加到速度控制模块的流量阀控制信号量上；

进给力控制模块，用于响应目标对地力和实际对地力误差，模块输出值作用到溢流阀控制信号，模块输出值作为调节对地力的主导因素；

进给力解耦模块，用于处理来自进给速度变化扰动对实际进给力的影响，输出值叠加到溢流阀控制信号量上；

系统模块，用于执行前端叠加的流量阀控制信号和叠加的溢流阀控制信号，闭环输出到端口连接的流量阀和溢流阀，模块内通过对来自销轴传感器信号，刀架参数，浮力参数计算出实际对地力，模块内通过对来自前后两卷扬的高精度旋转编码器的数值处理计算给出自动进给的实际速度。

9.工程车辆，其特征在于，包括卷扬进给系统，该卷扬进给系统设有权利要求8所述的基于MIMO算法的双轮铣自动进给控制系统。

10.根据权利要求9所述的工程车辆，其特征在于：工程车辆包括双轮铣槽机。

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