裝載機線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計與分析

， 　，

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都　610065)

引言

裝載機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在使用時主要存在以下問題：系統(tǒng)主要為節(jié)流和溢流控制，能量損耗大；方向盤與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)連接復(fù)雜造成駕駛室工作環(huán)境差；駕駛員駕駛易疲勞。

針對以上缺點，設(shè)計了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了電子和液壓技術(shù)，采用ECU作為系統(tǒng)的控制核心，利用傳感器采集的數(shù)據(jù)，在ECU處實時比較，實現(xiàn)了裝載機的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)向。ECU作為控制中心可以在特點算法下處理一些情況，可以減輕駕駛員的勞動強度，另外本設(shè)計采用變量泵作為供油元件，變節(jié)流控制為容積控制，具有較好的節(jié)油性。

1　系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由比例控制變量泵、方向盤、轉(zhuǎn)向馬達(dá)和電磁換向閥等組成。其中比例控制變量泵由三通比例閥、變量活塞和變量反饋桿以及變量泵組成。當(dāng)系統(tǒng)工作時，首先由ECU發(fā)出信號控制三通比例閥，輸入的電流所產(chǎn)生的電磁力使三通比例閥產(chǎn)生一個與輸入電流成正比的開度，這樣先導(dǎo)液壓油通過打開的閥口進(jìn)入變量活塞的無桿腔，變量活塞桿產(chǎn)生位移，使泵的排量增加，活塞桿位移通過反饋桿作用在三通比例閥的閥套上，使閥套移動，直到將剛才打開的閥口關(guān)閉，閥芯重新進(jìn)入一個平衡狀態(tài)，此位置對應(yīng)泵的一個排量值，變量泵的排量與輸入三通比例閥的電信號大小成比例關(guān)系。轉(zhuǎn)向馬達(dá)的轉(zhuǎn)角通過轉(zhuǎn)角傳感器將轉(zhuǎn)向角度信號傳遞到ECU，ECU將馬達(dá)轉(zhuǎn)角信號與方向盤轉(zhuǎn)角信號進(jìn)行比較，若比較結(jié)果為零，則ECU控制系統(tǒng)停止轉(zhuǎn)向；若不為零，則ECU控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)調(diào)整，直至停止轉(zhuǎn)向。

圖1　線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖

2　系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1　三通比例閥數(shù)學(xué)模型[1]

三通比例閥的傳遞函數(shù)為：

(1)

其中，Kbv—— 比例閥的增益系數(shù)

ξbv—— 比例閥液壓阻尼系數(shù)

ωbv—— 比例閥液壓固有頻率

2.2　三通比例閥控制變量油缸

三通比例閥從本質(zhì)上來說是1個二位三通閥，因此三通比例閥控制變量油缸可以簡化為三通閥差動控制壓缸的數(shù)學(xué)模型。于是可有三通比例閥控制變量油缸的數(shù)學(xué)模型為[2]：

(2)

其中，Kq—— 液壓彈簧剛度

ωh—— 液壓固有頻率

ξh—— 液壓阻尼比

2.3　變量油缸控制變量泵傳遞函數(shù)[2]

變量油缸控制變量泵的傳遞函數(shù)為：

(3)

其中，L—— 活塞施力點與斜盤底面距離

2.4　變量泵控制轉(zhuǎn)向馬達(dá)數(shù)學(xué)模型

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)角對變量泵斜盤傾角的傳遞函數(shù)為：

(4)

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)角對外負(fù)載的傳遞函數(shù)為：

(5)

其中，Kp—— 變量泵的排量梯度

r—— 變量泵斜盤傾角

ωh—— 液壓固有頻率

ξh—— 液壓馬達(dá)液壓阻尼比

2.5　角位移傳感器數(shù)學(xué)模型

角位移傳感器是用來探測轉(zhuǎn)向馬達(dá)的轉(zhuǎn)角，并將轉(zhuǎn)角信號與方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較，以此來確定轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確性。

角位移傳感器的動態(tài)響應(yīng)很高，可以視為一階比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

Kθ=U(s)/θm(s)

(6)

2.6　放大器建模

放大器為比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

KF=I(s)/U(s)

(7)

2.7　方向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速傳遞函數(shù)

(8)

2.8　傳遞函數(shù)化簡

在泵控馬達(dá)系統(tǒng)中，由于泵控馬達(dá)環(huán)節(jié)的動態(tài)遠(yuǎn)低于比例閥控制變量油缸環(huán)節(jié)的動態(tài)，因此忽略閥控液壓缸環(huán)節(jié)，此時比例閥可以簡化為比例環(huán)節(jié)[3]，所以，比例閥的傳遞函數(shù)可以簡化為：

(9)

比例閥控制變量油缸的環(huán)節(jié)可以簡化為一個比例環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)[5]，所以閥控液壓缸環(huán)節(jié)可以簡化為：

(10)

2.9　系統(tǒng)控制方框圖

根據(jù)設(shè)計要求，方向盤的轉(zhuǎn)角要與轉(zhuǎn)向油缸活塞桿伸縮量成比例關(guān)系，方向盤轉(zhuǎn)速要與變量泵排量成比例關(guān)系，因此其傳遞函數(shù)方框圖如圖2、圖3所示。

圖2　線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)控制方框圖

圖3　簡化控制方框圖

3　系統(tǒng)的PID模糊控制

PID模糊控制是PID控制技術(shù)與模糊控制技術(shù)的產(chǎn)物，PID控制可以方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的震蕩、超調(diào)和延遲等，模糊控制特別適用于難以獲得精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，例如裝載機轉(zhuǎn)向過程中，由于路面和負(fù)載的變化的不確定性，轉(zhuǎn)向負(fù)載難以精確量化，模糊控制給了我們最優(yōu)的選擇。

本設(shè)計的PID模糊控制是增量式模糊控制，通過在已有的PID參數(shù)基礎(chǔ)上加上裝載機轉(zhuǎn)向角度誤差的模糊控制輸出，最終對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行控制矯正。其控制公式為：

(11)

(12)

(13)

誤差e和誤差變化ec的基本論域為:

e，ec={-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}。

ΔKp=[0,0.1]，ΔKi=[0,0.01]，

ΔKd=[0,0.001]；模糊子集為：

e,ec={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

ΔKp,ΔKi，ΔKd={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。

NB——負(fù)大，NM——負(fù)中，NS——負(fù)小，ZO——零，PS——正小，PM——正中，PB——正大。

本設(shè)計的采集誤差為方向盤轉(zhuǎn)角與液壓缸活塞桿位移的伸縮量之間的差值，對應(yīng)的意義如下：

NB——差值為負(fù)值，且很大；NM——差值為負(fù)值，且較大；NS——差值為負(fù)值，且較??；PB——差值為正，且很大；PM——差值為正，且較大；PS——差值為正，且較大；ZO——差值為零。

模糊控制規(guī)則如表1～表3所示。

表1　ΔKp的模糊控制規(guī)則表

表2　ΔKi模糊控制規(guī)則表

圖4　模糊控制方塊圖

eecPBPMPSZONSNMNBPBPBPSPSPMPMPMPBPMPBPSPSPSPSNSPMPSZOZOZOZOZOZOZOZOZONSNSNSNSNSZONSZONSNSNMNMNSZONMZONSNMNMNBNSPSNBPSNMNBNBNBNSPS

于是建立PID 模糊控制模型如圖4、圖5所示。

4　參數(shù)計算

誤差量化因子：

(14)

誤差變化量化因子：

(15)

ΔKp的量化因子：

(16)

ΔKi的量化因子：

(17)

ΔKd的量化因子：

(18)

表4是系統(tǒng)仿真參數(shù)表。

表4　執(zhí)行系統(tǒng)參數(shù)表

5　系統(tǒng)仿真

在系統(tǒng)穩(wěn)定工作在15 MPa時，設(shè)定以下仿真情形：

(1) 在階躍信號作用下加入單位階躍干擾信號的情況；

(2) 在輸入正弦信號作用下，突然在1 s加入階躍信號，其幅值為100(輕干擾)；

(3) 在輸入正弦信號作用下，突然在1 s加入階躍信號，其幅值為500(中干擾)；

(4) 在輸入正弦信號作用下，突然在1 s加入階躍信號，其幅值為1000(重干擾)。

圖6～圖9為在各種情況下的仿真圖形。

圖5　PID模糊控制系統(tǒng)仿真圖

圖6　單位階躍干擾仿真圖

圖7　輕微干擾仿真圖

圖8　中度干擾仿真圖

圖9　重度干擾仿真圖

6　結(jié)論

從以上圖形可知，當(dāng)系統(tǒng)在不同干擾存在的情況下，系統(tǒng)可以根據(jù)控制策略自動調(diào)整，仿真表明，PID模糊控制較PID控制和無控制穩(wěn)定時間更快，震蕩更小，超調(diào)更小。PID模糊控制應(yīng)用于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制系統(tǒng)是具有良好的穩(wěn)定性和靈敏性，完全滿足線控轉(zhuǎn)向的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅小梅.電液比例泵控馬達(dá)控制系統(tǒng)的分析研究[D].西安：長安大學(xué)，2005．

[2]王春行.液壓控制系統(tǒng).機械工業(yè)出版社[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[3]李壽剛．液壓傳動[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，1993．

[4]盧長庚．液壓控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社．1991

[5]張磊,史小輝,許明恒,等.隧道挖掘裝載機液壓系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].液壓與氣動,2011,(5):10-12.

[6]劉增輝,杜長龍.連續(xù)式液壓裝載機閉式回路液壓系統(tǒng)設(shè)計[J].液壓與氣動,2012,(5):16-20.