近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)擁有量逐漸增大，以年均50%以上的速度快速增長(zhǎng)，2005年我國(guó)的挖掘機(jī)產(chǎn)量突破4萬(wàn)臺(tái)，預(yù)計(jì)今后5-10年，我國(guó)將成為世界上最大的挖掘機(jī)市場(chǎng)和產(chǎn)地。但在挖掘機(jī)施工過(guò)程中，存在的問(wèn)題也是不容忽視的：（1）操作挖掘機(jī)作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度大；（2）工作環(huán)境惡劣，有些環(huán)境甚至人類不便直接進(jìn)入；（3）操作者必須進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的培訓(xùn)才能完成高質(zhì)量的作業(yè)。因此提高挖掘機(jī)的機(jī)電一體化程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的自動(dòng)控制，無(wú)疑是解決上述問(wèn)題最理想的方案。值得慶幸的是，相關(guān)科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展為挖掘機(jī)的機(jī)電一體化乃至自動(dòng)化展現(xiàn)了廣闊的前景。近10年來(lái)，高新技術(shù)不斷引入，特別是現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，使挖掘機(jī)在控制效果、作業(yè)精度、人機(jī)工程等方面具備了非常大的提高空間；實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)局部操作控制的自動(dòng)化甚至整機(jī)的完全自動(dòng)化、智能化已成為可能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的自動(dòng)化也是進(jìn)一步提高挖掘機(jī)作業(yè)能力和效率的需要。因此，國(guó)內(nèi)外的挖掘機(jī)制造商及有關(guān)科研院所競(jìng)相投入大量資金、人力和物力，進(jìn)行挖掘機(jī)高新技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，尤其是在挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制上，該項(xiàng)研究作為挖掘機(jī)自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)性研究，已逐漸成為各國(guó)研究的焦點(diǎn)之一。同時(shí)，液壓挖掘機(jī)工作裝置系統(tǒng)屬于一種典型的工程機(jī)械復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的多變性，液壓系統(tǒng)的高度非線性，以及整個(gè)系統(tǒng)存在大量不確定量（不確定參數(shù)及不確定的非線性模型），都使得液壓挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)控制成為一項(xiàng)比較困難的工作。
　　1、國(guó)內(nèi)外挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)控制的研究水平
　　長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)控制做了大量的理論研究和試驗(yàn)探索。這些工作可以分成兩類：
　?。?）基于規(guī)則的挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)控制研究。
　　①浙江大學(xué)流體傳動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)室基于規(guī)則的挖掘機(jī)工作裝置軌跡智能PID控制。
　　該實(shí)驗(yàn)室在對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行控制時(shí)，采用工業(yè)界廣泛應(yīng)用的PID控制策略，并根據(jù)挖掘機(jī)工作裝置特點(diǎn)，制定了多條規(guī)則，以對(duì)其進(jìn)行有效控制。利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)上述控制算法，PID控制算法在其中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)，并在試驗(yàn)中以較高的精度跟蹤了一個(gè)三角形軌跡。
　　②武漢科技大學(xué)設(shè)計(jì)的基于知識(shí)的挖掘機(jī)多模式綜合軌跡跟蹤控制系統(tǒng)。
　　其出發(fā)點(diǎn)是考慮到挖掘機(jī)器人的工作運(yùn)動(dòng)存在很強(qiáng)的非線性、不確定性和時(shí)變性，且其工況復(fù)雜，外界干擾大，難以建立精確的控制模型。若為了在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，提高軌跡跟蹤性能，則整個(gè)控制系統(tǒng)會(huì)變得較復(fù)雜，從而增加設(shè)備的初投資，影響系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)具有“砰――砰控制”、維持控制、非線性死區(qū)補(bǔ)償控制和模糊PID參數(shù)自適應(yīng)控制等模式，根據(jù)挖掘機(jī)在工作中軌跡跟蹤的誤差和誤差變化率的反饋，系統(tǒng)基于知識(shí)，智能地選用合適的控制模式，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和高精度的軌跡跟蹤控制。據(jù)其研究者試驗(yàn)聲稱，控制精度絕大多數(shù)在200mm以內(nèi)，但也有少數(shù)時(shí)候?yàn)?00mm。設(shè)備試支行顯示，整個(gè)軌跡跟蹤過(guò)程中挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)光滑，基本不振動(dòng)，鏟斗末端運(yùn)動(dòng)速度為100mm/s。
　?、酃枮I建筑大學(xué)提出的基于模糊算法的示教再現(xiàn)控制方法。
　　由熟練工人引導(dǎo)工作裝置沿挖掘軌跡運(yùn)動(dòng)，并由計(jì)算機(jī)記錄運(yùn)動(dòng)軌跡所對(duì)應(yīng)的工作裝置的位置信息，再由計(jì)算機(jī)控制重復(fù)前述運(yùn)動(dòng)軌跡。
　?、荛L(zhǎng)春大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的模糊自適應(yīng)PID控制方法。
　　該學(xué)院以DSP芯片TMS320LF2407A作為核心電控單元，采用模糊自適應(yīng)PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)工作裝置軌跡控制，具有較高的穩(wěn)定性和精確性。通過(guò)自動(dòng)操縱，減輕了駕駛員的作業(yè)強(qiáng)度，加快了施工進(jìn)度。
　?、軨arnegie Mellon大學(xué)（CMU）的自主裝載系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱ALS）。
　　ALS是CMU機(jī)器人研究所歷時(shí)4年的機(jī)器人項(xiàng)目，于1998年完成。其目的是利用機(jī)器學(xué)習(xí)理論研究自動(dòng)化大型挖掘和裝載過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)，包括傳感器技術(shù)和軟件實(shí)施算法，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，控制系統(tǒng)以及仿真和可視化支持技術(shù)。試驗(yàn)挖掘機(jī)是卡特的25t斗容1.5m3機(jī)器，每次裝載完成一個(gè)工作循環(huán)。測(cè)控硬件包括角度、壓力傳感器、PD控制器，所有計(jì)算都在裝有VxWorks操作系統(tǒng)的嵌入式計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，并通過(guò)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到工作站。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)在不同的情況下裝滿一卡車僅需15-16s，而熟練的操作手需要2min，因此該系統(tǒng)適合于連續(xù)重復(fù)挖掘裝載的工況。
　?、轆rizona大學(xué)基于模糊邏輯控制策略的自主挖掘控制研究。
　　Arizona大學(xué)的高級(jí)采礦實(shí)驗(yàn)室提出：由于傳感器信息諸如力/力矩?cái)?shù)據(jù)的非結(jié)構(gòu)性，而且受挖掘土壤的作用影響較大，難以建立精確的鏟斗-土壤作用模型，因此常規(guī)控制策略有不足之處。該實(shí)驗(yàn)室采用模糊邏輯控制策略和有限狀態(tài)機(jī)器模型對(duì)挖掘機(jī)的自主挖掘進(jìn)行了研究，將挖掘目標(biāo)劃分成若干任務(wù)，將每個(gè)任務(wù)劃分成若干行為，再將各個(gè)行為劃分成多個(gè)動(dòng)作。
　?。?）基于模型的挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)控制研究。
　　該種方法的基本思想是：對(duì)挖掘機(jī)工作裝置及其液壓系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，