液压挖掘机半物理仿真平台及上车机构实时仿真研究

论文摘要

液压挖掘机作为一类重要的工程机械,在各种工程建设领域得到了广泛的应用。电子控制技术的应用,已经成为改善液压挖掘机能耗高、排放差等问题的有效手段,同时也进一步提高了液压挖掘机的工作效率和可靠性。但是,液压挖掘机的制造周期长,而控制器与系统的集成往往要到开发环节的后期才能进行,开发效率低、成本高。论文在对液压挖掘机动力学分析的基础上,建立了液压挖掘机主要工作装置的实时动力学仿真模型,并设计完成了以dSPACE实时仿真系统为核心的控制器半物理实时仿真测试平台,为控制器的开发提供全过程可靠的软硬件测试环境,提高了控制器开发过程的效率和安全性,降低了成本和开发人员的劳动强度。各章内容分述如下：第一章论述了仿真技术,特别是半物理仿真技术能为液压挖掘机控制器的开发提供高置信度的仿真环境,是解决控制器开发周期长、成本高、效率低的有效手段。第二章提出了液压挖掘机半物理实时仿真平台的总体方案,重点分析了半物理仿真系统对软硬件实时性的要求,提出了以dSPACE实时仿真系统为核心,并具备三维实时显示功能的平台设计方案。第三章分析了液压挖掘机工作装置的运动学特点,并建立其三维空间的运动学模型。建立了液压挖掘机的实体模型,在运动学分析基础上,基于DirectX开发环境开发了液压挖掘机三维运动的实时显示平台。第四章在第三章运动学分析的基础上,研究了液压挖掘机上车体的动力学特点,并建立了可用于实时仿真的动力学仿真模型和简化的液压系统仿真模型。第五章提出了液压挖掘机实时模型中动力学参数的辨识方法,并开展了实验研究。在参数辨识工作基础上,通过轨迹规划的对比实验,验证了半物理仿真模型的准确性和实时仿真系统的有效性。第六章总结了论文的主要研究工作,并展望了今后的研究工作和方向。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 液压挖掘机及其发展简介
• 1.1.2 系统仿真与半物理实时仿真系统
• 1.1.3 实时仿真平台及dSPACE实时仿真系统简介
• 1.1.4 液压挖掘机仿真研究现状
• 1.2 课题的研究意义和目的
• 2 液压挖掘机半物理实时仿真系统平台的设计
• 2.1 仿真系统平台的总体结构
• 2.2 仿真平台的硬件系统设计
• 2.2.1 平台硬件系统的实时性
• 2.2.2 dSPACE硬件系统
• 2.3 仿真平台的软件系统设计
• 2.3.1 系统建模软件
• 2.3.2 三维实时显示环境
• 2.4 仿真模型的模块化
• 3 液压挖掘机运动学分析和三维实时显示平台研究
• 3.1 几何建模
• 3.1.1 三维建模软件
• 3.1.2 液压挖掘机三维模型分解
• 3.2 运动学建模
• 3.3 基于DirectX的三维实时显示平台
• 3.3.1 DirectX开发环境简介
• 3.3.2 DirectX的基本元素和数学基础
• 3.3.3 三维场景的光照、材质和贴图
• 3.3.4 仿真程序设计和三维实时渲染的实现
• 4 液压挖掘机三维实时动力学模型的研究
• 4.1 液压挖掘机三维四自由度模型分析
• 4.2 上车机构动力学模型的建立
• 4.2.1 动力学建模方法的选取
• 4.2.2 假设条件和建模坐标系的建立
• 4.2.3 动力学系统的总动能
• 4.2.4 动力学系统的总势能
• 4.2.5 上车机构动力学系统模型
• 4.3 回转机构动力学模型的建立
• 4.3.1 动臂的转动惯量计算
• 4.3.2 斗杆的转动惯量计算
• 4.3.3 铲斗的转动惯量计算
• 4.3.4 回转机构动力学模型
• 4.4 液压回路及液压缸模型
• 4.4.1 基本液压回路分析
• 4.4.2 液压泵出口压力模型
• 4.4.3 控制阀及溢流阀模型
• 4.4.4 液压缸压力模型
• 5 半物理仿真模型的参数辨识与实验验证
• 5.1 上车结构与摩擦力参数的辨识模型
• 5.1.1 上车动臂的数学模型
• 5.1.2 考虑摩擦力的臂动力学模型
• 5.1.3 臂结构参数辨识条件
• 5.1.4 摩擦力和结构辨识模型
• 5.2 上车结构与摩擦力参数的辨识实验
• 5.2.1 臂动力学结构参数的离线辨识
• 5.2.2 液压缸摩擦力参数的辨识
• 5.3 半物理仿真平台的实验验证
• 5.3.1 轨迹规划方案和PID控制器设计
• 5.3.2 半物理仿真和实验方案设计
• 5.3.3 半物理仿真实验结果分析
• 6 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 作者简介