液压挖掘机振动掘削土体参数辨识研究

论文摘要

针对液压挖掘机节能、高效和智能化的发展趋势,结合国内外在液压挖掘机振动减阻及土体参数辨识等领域内的研究现状,本文以国家863项目“挖掘机的机电一体化及制造信息化（项目编号2003AA430200）”为依托,结合土动力学、受迫振动及系统辨识等理论,利用功能强大的动力学仿真软件ADAMS及数值计算软件MATLAB,开展液压挖掘机振动减阻及土体参数辨识研究;论文尝试着将土动力学领域的研究成果引入到在ADAMS软件中搭建的液压挖掘机振动掘削仿真实验平台中,并以此实验平台获得辨识模型的输入-输出仿真实验数据,最后根据合适的辨识算法及辨识程序,通过MATLAB软件计算获得振动土体的固有频率。论文的主要研究内容如下:1.详细阐述了土体在动载荷作用下的动强度和动变形特征;讨论了振动频率、振幅和阻尼三个振动参数在系统振动过程中的能量关系;结合土体动力本构理论及受迫振动理论,建立了铲斗-土体相互作用力模型,并将该模型的微分方程转换为系统辨识离散方程,以便于利用参数估计理论对模型结构参数进行有效的识别。2.结合土体参数辨识的特点,重点讨论了最小二乘估计及改进算法在实际辨识过程中的应用;引入MATLAB系统辨识工具箱,建立了振动掘削土体参数辨识模型,并确定了合适的参数辨识算法。3.考虑到现有实验条件的限制,在动力学仿真软件ADAMS中搭建了液压挖掘机仿真实验平台;并选择合适的挖掘阻力数学方程来模拟挖掘机实际作业过程中的土壤阻力,分别对普通掘削和振动掘削过程进行了仿真;并对比了普通掘削和振动掘削过程的仿真效果;最后,论文给出了液压挖掘机振动掘削土体参数辨识过程的仿真分析及现场实验方案,并针对一种特定的土体进行了土体参数辨识仿真及现场实验验证,结果表明,液压挖掘机振动掘削仿真实验平台运行可靠,辨识算法及仿真辨识程序能够有效的辨识出该土体的固有频率和阻尼比,辨识结果与土体现场实验参数数据趋于一致,为最终实现振动掘削参数自适应控制与调节奠定了一定的理论基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 课题研究与应用现状
• 1.2.1 土壤切削性能与振动减阻技术研究现状
• 1.2.2 土体参数辨识及仿真技术在工程机械领域的应用与研究现状
• 1.3 课题来源、研究意义及研究的主要内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 课题研究意义
• 1.3.3 课题研究思路及主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 土体本构模型和铲斗-土体相互作用模型
• 2.1 土体材料特性及本构模型
• 2.1.1 土体的非线性和弹塑性
• 2.1.2 土体的动强度及动变形
• 2.1.3 土体动力本构模型
• 2.2 受迫振动基本理论
• 2.2.1 受迫振动微分方程
• 2.2.2 受迫振动幅频特性
• 2.2.3 受迫振动系统的能量关系
• 2.3 铲斗-土体相互作用模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 系统辨识技术在振动掘削上体参数辨识中的应用
• 3.1 系统辨识的基本原理
• 3.1.1 系统辨识概念、定义及要素
• 3.1.2 系统辨识框架及内容
• 3.2 最小二乘参数估计及其改进算法
• 3.2.1 最小二乘法
• 3.2.2 最小二乘的改进算法
• 3.3 单输入单输出线性动态系统的辨识
• 3.3.1 线性离散系统模型结构及分类
• 3.3.2 动态系统辨识的任务
• 3.4 液压挖掘机振动掘削土体参数辨识模型及算法
• 3.4.1 振动掘削土体参数辨识模型的建立
• 3.4.2 振动掘削土体参数辨识算法选择及MATLAB仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于ADAMS的液压挖掘机振动掘削仿真研究
• 4.1 ADAMS仿真软件简介
• 4.1.1 ADAMS应用模块
• 4.1.2 液压挖掘机ADAMS仿真模型的建立
• 4.1.3 仿真分析概述
• 4.2 液压挖掘机普通掘削过程仿真分析
• 4.2.1 液压挖掘机挖掘阻力仿真模型分析
• 4.2.2 普通掘削过程的仿真分析
• 4.2.3 振动掘削过程的仿真分析
• 4.3 土体参数辨识过程仿真分析
• 4.3.1 仿真分析的主要内容
• 4.3.2 仿真过程的方案设计及仿真结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 实验研究
• 5.1 实验目的和任务
• 5.2 主要实验仪器和设备
• 5.3 振动掘削系统的实现及其控制策略
• 5.3.1 振动掘削的实现机理
• 5.3.2 振动掘削控制策略
• 5.4 实验方案及过程
• 5.4.1 实验方案
• 5.4.2 实验过程
• 5.5 实验结果对比分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果