基于AMESim與Simulink的絞車速度同步控制系統(tǒng)研究

陳永清 劉偉亮 徐其彬 徐新和

（三峽大學(xué) 機械與動力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

液壓絞車是利用液壓馬達直接或通過減速箱間接來拖動滾筒的一種絞車，常用于港口、建筑、礦山和林業(yè)等行業(yè).本文所研究的液壓絞車用于攤鋪機的牽引，兩臺絞車共同牽引一臺攤鋪機工作，絞車牽引速度的平穩(wěn)性、同步性將直接影響攤鋪作業(yè)的質(zhì)量和效率，但由于液壓波動、系統(tǒng)泄漏、外部干擾等因素的影響，常常出現(xiàn)同步誤差，如何保證雙絞車牽引速度同步是擺在設(shè)計人員面前的重要問題.

僅按靜態(tài)過程對液壓系統(tǒng)設(shè)計，很難達到系統(tǒng)的性能要求，而采用樣機試驗在時間和成本上花費較大，因此本文采用計算機仿真的方法研究系統(tǒng)性能，采用AMESim和Simulink聯(lián)合仿真分析絞車在模糊PID控制下的同步性能.

1 絞車工況分析與液壓系統(tǒng)設(shè)計

1.1 絞車工況分析

攤鋪機牽引絞車平臺是為水庫坡面瀝青攤鋪碾壓工程設(shè)計的專用平臺，平臺主要由底盤、機架、兩臺攤鋪機液壓絞車，送料車液壓絞車、旋臂起重機、斜平臺、司機室等組成.兩臺攤鋪機絞車卷筒對稱布置在平臺后部左右兩邊，攤鋪機本身無驅(qū)動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，為了保證攤鋪質(zhì)量和作業(yè)效率，絞車的牽引速度要有很高的穩(wěn)定性和同步性，起步和制動時速度變化平穩(wěn)而快速，具有較強的抗外負載干擾能力，要達到以下幾點基本要求：①具有攤鋪作業(yè)與高速行走兩種工作模式，兩種模式下均要求起步平穩(wěn)、能無級調(diào)速，速度變化范圍分別為0.5～5m／min和0～15m／min，牽引力分別為110kN和77kN；②在兩種模式下，都能夠?qū)崿F(xiàn)攤鋪機直線行駛，要求兩絞車具有較高的速度同步性能；③由于運料車撞擊、攤鋪料減少、路面不平整等原因?qū)е落摻z繩牽引力變化時，要求絞車牽引速度穩(wěn)定.

1.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

雙絞車液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)主要包括變量泵主泵、輔助泵、變量馬達、變量機構(gòu)、高壓溢流閥組、補油溢流閥組、壓力切斷閥、沖洗閥，控制單元等組成，采用閉式變量泵控變量馬達回路，馬達排量采用兩點式控制，在攤鋪模式下馬達調(diào)到較大的排量，保證能提供較大的轉(zhuǎn)矩，高速行走模式下馬達調(diào)到較小的排量，保證馬達高速轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)變量泵變量機構(gòu)改變泵的流量，進而調(diào)節(jié)馬達轉(zhuǎn)速.

圖1 雙絞車液壓系統(tǒng)原理圖

兩臺絞車分別獨立驅(qū)動，集中控制，在控制器輸入一定信號，變量泵變量機構(gòu)的比例閥閥芯移動，控制油液進入變量缸，推動斜盤到一定傾角，改變泵的排量，泵的流量變化實現(xiàn)馬達的轉(zhuǎn)速改變，兩馬達均裝有角速度傳感器，測得馬達轉(zhuǎn)速反饋到控制器，與輸入信號對比，形成獨立的反饋控制，同時，兩傳感器測得的馬達轉(zhuǎn)速進行比較，將速度差值信號反饋到控制器，形成主、從兩絞車的同步.

2 模糊PID控制器的設(shè)計

2.1 模糊語言變量與隸屬度函數(shù)設(shè)計

模糊控制器采用兩輸入三輸出結(jié)構(gòu)，輸入為絞車牽引速度偏差e及其變化率ec，輸出量為PID控制器的比例系數(shù)調(diào)節(jié)量dKP、積分系數(shù)調(diào)節(jié)量dKI、微分系數(shù)調(diào)節(jié)量dKD，且這兩個輸入量對于3個輸出量取相同的隸屬度函數(shù)［1］.

絞車在攤鋪模式下最大牽引速度為0.083m／s，高速行走模式下最大牽引速度為0.25m／s，取絞車牽引速度偏差范圍為［－0.1 0.1］，則基本論域設(shè)為［－0.1 0.1］，偏差變化率基本論域為［－0.5 0.5］，量化因子分別取10和12，輸入的模糊語言變量E和EC的模糊論域均為［－6 6］.通過不斷調(diào)節(jié)修正，比例、積分、微分系數(shù)調(diào)節(jié)量dKP、dKI、dKD分別確定為［－1 1］、［－0.5 0.5］、［－0.5 0.5］，輸出的模糊語言變量分別為 ΔKP、ΔKI、ΔKD，模糊論域均?。郏?0 10］，則量化因子分別為0.1、0.05、0.05.

輸入、輸出語言變量的語言值都設(shè)定為7個，即｛NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB｝，各符號分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中、正大.

設(shè)定模糊語言變量E、EC、ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬度函數(shù)，三角形隸屬度函數(shù)是應(yīng)用最多的隸屬度函數(shù)，具有數(shù)學(xué)表達簡單，運算快速的特點，模糊變量輸入、輸出隸屬度見表1.

表1 模糊變量輸入／輸出隸屬度函數(shù)分布

2.2 模糊規(guī)則集設(shè)定

模糊控制器選擇Mamdani規(guī)則，針對絞車牽引速度平穩(wěn)的控制要求，模糊算法對參數(shù)的推理規(guī)則為：當速度偏差較大時，比例增益值取大值增加系統(tǒng)響應(yīng)速度，微分增益取中等大小的值以減少系統(tǒng)響應(yīng)時間，防止微分飽和溢出，此時去除積分避免出現(xiàn)超調(diào)和積分飽和；當速度偏差和偏差變化率均為中等大小時，為保證上升時間，應(yīng)適當減小比例增益；系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)時，應(yīng)強化積分作用，使系統(tǒng)盡快回到穩(wěn)態(tài)值；超調(diào)誤差減小呈現(xiàn)向穩(wěn)態(tài)變化的趨勢時，再使用積分會出現(xiàn)系統(tǒng)回調(diào)，去除積分作用；微分增益取適中值保證系統(tǒng)響應(yīng)速度；當系統(tǒng)的速度偏差較小時，增加比例和微分作用，應(yīng)注意振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生；偏差變化率不大時加大微分作用［2］.

根據(jù)速度偏差、偏差變化率及以上規(guī)則，初步設(shè)計模糊控制規(guī)則見表2.

表2 模糊變量ΔKP／ΔKI／ΔKD的模糊規(guī)則表

3 建立仿真模型

建立絞車液壓系統(tǒng)仿真模型，首先在AMESim中建立液壓回路模型，其次在Simulink中建立控制系統(tǒng)模型，通過聯(lián)合仿真分析基于模糊PID控制的系統(tǒng)性能.

3.1 建立AMESim液壓回路模型

利用AMESim軟件的HCD庫搭建比例閥和變量缸的模型，利用信號庫和機械庫元件搭建反饋桿調(diào)節(jié)機構(gòu)模型，建立變量機構(gòu)仿真模型如圖2所示，圖中端口1、2為比例電磁鐵電流信號輸入口，端口3為伺服壓力油液輸入口，端口4為變量缸伸出位移量，推動斜盤傾角變化.

圖2 變量泵變量機構(gòu)模型

變量缸活塞桿位移與斜盤傾角之間的關(guān)系為［3］

式中，xp為變量缸活塞桿伸出位移（m）；L為變量缸對斜盤力的作用點與斜盤鉸接點的距離（m）；γ為變量泵斜盤傾角（rad）.

當γ很小時，有sinγ≈γ，上式可近似簡化為

其他液壓元件采用AMESim液壓標準庫中的模型，絞車負載模型中的減速機、卷筒、鋼絲繩、質(zhì)量塊、負載力等模型采用AMESim機械標準庫中的模型，建立仿真模型如圖3所示，圖中“bianliangjigou”模塊是由變量泵變量機構(gòu)模型建立的超級元件模型，圖中“TO SIMULINK”模塊是AMESim軟件與Simulink軟件的接口模塊［4］.

圖3 絞車系統(tǒng)AMESim模型

3.2 建立聯(lián)合仿真模型

在Simulink中建立模糊控制器模型如圖4所示，輸入為反饋的絞車速度信號與輸入信號的偏差，輸出為PID 3個參數(shù)的調(diào)節(jié)量，將模型封裝為“Fuzzy Controller”模塊.再調(diào)用由絞車系統(tǒng)AMESim模型編譯而成的S函數(shù)模塊，建立系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型如圖5所示.

圖4 模糊控制器模型

圖5 絞車系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

4 仿真分析

在AMESim模型中設(shè)置各元件參數(shù)，分別仿真絞車在攤鋪作業(yè)模式和高速行走模式下的動態(tài)性能.

4.1 攤鋪作業(yè)模式下性能

在Simulink中，設(shè)定PID控制器初始參數(shù)為KP0＝0.9、KI0＝3.5、KD0＝1，仿真攤鋪機攤鋪模式下最大速度0.083m／s時的工況，比例閥輸入332mA階躍電流信號，仿真時間5s，質(zhì)量塊模型速度曲線如圖6所示，系統(tǒng)在0.6s時刻達到峰值0.108m／s，超調(diào)量30%，在1.4s時達到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)調(diào)整時間短，穩(wěn)態(tài)精度高.

圖6 絞車牽引速度響應(yīng)曲線

攤鋪機在工作時可能由于運料小車的撞擊、料斗加料不均、路面不平整等因素致使兩側(cè)鋼絲繩受力不均，對一側(cè)絞車在6s時刻施加階躍外負載200kN，仿真觀察兩側(cè)絞車的速度變化曲線如圖7所示.

圖7 受沖擊后速度變化曲線圖

絞車受沖擊力后，速度瞬間減小到約0.7m／s，在7s時調(diào)整回正常速度值，在6.5s時有峰值約0.90 m／s.位移變化曲線如圖8所示，在6.3s時刻兩側(cè)最大位移差僅為3mm.可見攤鋪模式下系統(tǒng)在一側(cè)受沖擊時，兩絞車速度同步性很好.

圖8 受沖擊后位移變化曲線

4.2 高速行走模式下性能

仿真高速模式下最大速度0.25m／s時的工況，比例閥輸入480mA階躍電流信號，仿真時間5s，質(zhì)量塊模型速度曲線如圖9所示，系統(tǒng)在0.6s時刻達到峰值0.28m／s，超調(diào)量12%，在1.4s時達到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)調(diào)整時間短，穩(wěn)態(tài)精度高.

圖9 絞車牽引速度響應(yīng)曲線

同樣對一側(cè)絞車施加階躍負載，仿真觀察兩側(cè)絞車的速度變化曲線如圖10所示，絞車受沖擊力后，速度瞬間減小到約0.18m／s，在7s時調(diào)整回正常速度值，在6.5s時有峰值0.27m／s.位移變化曲線如圖11所示，在6.2s時刻兩側(cè)有最大位移差為18mm.可見系統(tǒng)在高速行走模式下一側(cè)受沖擊時，兩絞車仍能保持很好的速度同步性.

圖10 受沖擊后速度變化曲線圖

圖11 受沖擊后位移變化曲線

5 結(jié) 論

根據(jù)絞車牽引速度快速性、平穩(wěn)性、同步性等特性要求，設(shè)計了泵控馬達液壓系統(tǒng)和模糊PID控制器，分別在AMESim和Simulink中建立液壓系統(tǒng)模型和控制器模型，仿真分析了絞車在攤鋪作業(yè)模式下和高速行走模式下的性能，結(jié)果表明所設(shè)計絞車系統(tǒng)對階躍輸入信號響應(yīng)快速、準確，在外負載干擾條件下具有較高的速度同步性，滿足實際工況要求.

［1］ 郭振興，房建東，房彥偉.電液比例位置系統(tǒng)模糊自整定PID控制器設(shè)計與仿真研究［J］.液壓與氣動，2007（12）：23－26.

［2］ 付辰琦.攤鋪機行走速度平穩(wěn)控制的研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2012.

［3］ 李 帥.泵控馬達閉式回路調(diào)速控制系統(tǒng)特性研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2010.

［4］ 付永領(lǐng)，祈曉野.LMS Imagine.Lab AMESim 系統(tǒng)建模和仿真參考手冊［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.