装载机工作机构作业轨迹跟踪控制

来源：计算机集成制造系统杂志2025年第7期北京时间：

作者：梁国栋, 姜勇, 孟宇, 谌炎辉, 刘立, 白国星, 顾青

单位：1.北京科技大学机械工程学院2.北矿机电科技有限责任公司3.广西科技大学机械与汽车工程学院

摘要：装载机自主铲掘是实现自动化、智能化作业的关键技术,而实现对目标作业轨迹的跟踪控制是其核心部分之一,铲斗在料堆中的实际运动轨迹关系着作业产量等指标,因此实现对目标作业轨迹的有效跟踪控制具有重要意义。对于PID等无系统模型控制方法在系统约束下存在较大超调幅度及抖振等问题,鉴于模型预测控制(MPC)具有可有效处理系统约束使系统平稳运行的优点,将MPC思想引入到装载机工作机构运动控制中,提出了一种基于非线性模型预测控制(NMPC)的工作机构作业轨迹跟踪控制方法。首先建立了工作机构在驱动空间下的运动学模型,其次给出了作业轨迹描述,进而基于NMPC方法设计了用于工作机构作业的轨迹跟踪控制器,最后以常规PID为对照组进行了Simulink/ADAMS联合仿真。分析发现,在相同系统约束下,针对不同目标作业轨迹,相比PID控制,所设计控制器的斗尖位移最大绝对误差不超过±0.052m,同比降低了71%,铲斗转角最大绝对误差不超过±2.58°,同比降低了16%,且具有更平顺的控制效果。研究表明,所设计控制器在处理系统约束和平顺性方面相比PID控制器具有更优秀的表现。

关键词：装载机,工作机构,PID控制,模型预测控制,非线性模型预测控制

基金资助：国家重点研发计划资助项目(2019YFC0605300);国家自然科学基金资助项目(52202505);中国博士后科学基金资助项目(2022M710354);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP-20-052A1)。