基于AMESim的自裝卸運(yùn)輸車(chē)吊裝機(jī)構(gòu)同步液壓系統(tǒng)仿真研究

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(長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安　710064)

引言

在世界各地，集裝箱運(yùn)輸已成為一種高效且能配備標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸設(shè)備的物流運(yùn)輸方式。我國(guó)的集裝箱運(yùn)輸一般是把集裝箱裝在半掛車(chē)上，由牽引車(chē)拖動(dòng)運(yùn)輸。由于集裝箱較重，需使用專(zhuān)用的裝卸設(shè)備。對(duì)中小企業(yè)貨主而言，因貨物量少，一般不會(huì)配備專(zhuān)用裝卸設(shè)備，所以集裝箱中的貨物只能在車(chē)載的情況下進(jìn)行裝卸，占用牽引車(chē)和司機(jī)的大量時(shí)間，導(dǎo)致運(yùn)輸成本提高。集裝箱自裝卸運(yùn)輸車(chē)，能有效地解決此問(wèn)題[1]。該運(yùn)輸車(chē)是一種在兩側(cè)均帶有自裝卸吊裝機(jī)構(gòu)的半掛車(chē)，可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)自行裝卸貨物，實(shí)用性好，提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本。本研究的吊裝機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1　吊裝機(jī)構(gòu)

1　自裝卸運(yùn)輸車(chē)吊裝機(jī)構(gòu)同步液壓系統(tǒng)

吊裝機(jī)構(gòu)主要有伸縮和變幅(擺動(dòng))兩個(gè)工作過(guò)程，為保證兩端的機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作，采用電液比例同步控制方案[2]，所設(shè)計(jì)的吊裝機(jī)構(gòu)同步液壓系統(tǒng)如圖2所示。自裝卸運(yùn)輸車(chē)由于整機(jī)長(zhǎng)度不長(zhǎng)，為節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本及簡(jiǎn)化系統(tǒng)，其液壓系統(tǒng)共用一個(gè)動(dòng)力源。運(yùn)輸車(chē)吊裝機(jī)構(gòu)液壓同步系統(tǒng)，按其功能分為伸縮系統(tǒng)和擺動(dòng)(變幅)系統(tǒng)兩部分，并通過(guò)二位三通電液換向閥選擇油路，以完成相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)保證兩部分不同時(shí)動(dòng)作。液壓源是定量泵，系統(tǒng)工作壓力由溢流閥調(diào)定，并且可由溢流閥完成卸荷，減少能源損耗。

伸縮系統(tǒng)由兩個(gè)平衡閥、兩個(gè)伸縮油缸、電液換向閥、電液比例方向閥和調(diào)速閥組成，主要控制伸縮油缸的伸縮。變幅系統(tǒng)由4個(gè)變幅油缸、兩個(gè)雙向平衡閥、電液換向閥和電液比例方向閥組成，主要控制變幅油缸的伸縮，使下擺臂擺動(dòng)[3]。

同步原理：兩對(duì)應(yīng)油缸的位移誤差通過(guò)放大器控制比例閥的閥口開(kāi)度，使其輸出流量與通過(guò)電液換向閥的流量相適應(yīng)，確保兩油缸同步運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)使兩吊裝機(jī)構(gòu)動(dòng)作一致[4]。

2　PID控制器

PID控制器，是經(jīng)典控制理論中普遍使用的控制器，根據(jù)所需參數(shù)整定方案能自由靈活地將比例(Proportional)、積分(Integral)和微分(Derivative)環(huán)節(jié)組合，如P、PI、PD、PID控制器等，在實(shí)際應(yīng)用取得較好的控制效果。PID控制技術(shù)發(fā)展至今，具備完善成熟的控制理論，并且易于實(shí)現(xiàn)，具有魯棒性強(qiáng)，工作可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，盡管新型控制器不斷發(fā)明問(wèn)世，但仍占據(jù)主導(dǎo)位置。

PID控制器，通過(guò)對(duì)偏差信號(hào)ε(t)進(jìn)行比例、積分和微分變換后，得到新的輸出信號(hào)，以控制被控對(duì)象，改善被控對(duì)象原來(lái)的響應(yīng)特性，即：

式中，Kpε(t) —— 比例控制項(xiàng)，Kp為比例系數(shù)

PID控制器中，每個(gè)環(huán)節(jié)具有相應(yīng)的功能[5]：

(1) 比例系數(shù)Kp越大則PID控制器的控制越強(qiáng)，使穩(wěn)態(tài)誤差和響應(yīng)性能得以改善，但是過(guò)大則會(huì)使系統(tǒng)震蕩無(wú)法穩(wěn)定輸出；

(2) 積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生的控制信號(hào)， 其職責(zé)是改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，積分作用越強(qiáng)，則穩(wěn)定性越好。但是過(guò)強(qiáng)的積分作用，會(huì)損害系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。1/Ti越大，則積分作用越強(qiáng)，反之，則越弱；

圖2　吊裝機(jī)構(gòu)液壓同步控制系統(tǒng)原理圖

(3) 微分控制能夠預(yù)測(cè)偏差，產(chǎn)生超前的校正作用，有助于減少超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，并能加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，但會(huì)放大噪聲。

3　系統(tǒng)仿真分析

運(yùn)用AMESim進(jìn)行仿真需要進(jìn)行系統(tǒng)建模、選擇子模型、設(shè)置參數(shù)、運(yùn)行仿真四個(gè)步驟[6]。在不影響整體液壓系統(tǒng)的性能的情況下，因?yàn)榈跹b機(jī)構(gòu)伸縮動(dòng)作和變幅動(dòng)作互不干涉，可將吊裝機(jī)構(gòu)液壓同步系統(tǒng)拆解為伸縮液壓系統(tǒng)和變幅液壓系統(tǒng)兩部分，方便仿真分析。在建模過(guò)程中，因?yàn)槔鋮s器、濾油器等元件不會(huì)影響系統(tǒng)性能，所以將其省略。

3.1　伸縮液壓系統(tǒng)

1) 建立伸縮液壓系統(tǒng)仿真模型

打開(kāi)AMESim軟件，從元件庫(kù)中選取現(xiàn)有的元件模型來(lái)搭建如圖3所示的伸縮液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，前端(左側(cè))為主動(dòng)系統(tǒng)，后端(右側(cè))為從動(dòng)系統(tǒng)。在工作過(guò)程中向主動(dòng)系統(tǒng)施加一個(gè)信號(hào)，使主動(dòng)系統(tǒng)的液壓缸按照一定的速度上下移動(dòng)。液壓缸的位移由位移傳感器來(lái)檢測(cè)，并將檢測(cè)到的信號(hào)與從動(dòng)系統(tǒng)液壓缸輸出的位移信號(hào)做差值，將差值信號(hào)輸入到從動(dòng)系統(tǒng)的電液換向閥中，通過(guò)調(diào)節(jié)其閥口開(kāi)度的大小改變其輸出的流量，使從動(dòng)系統(tǒng)液壓缸的位移不斷趨近于主動(dòng)系統(tǒng)液壓缸的位移，達(dá)到同步的目的。

圖3　基于AMESim的伸縮液壓系統(tǒng)原理圖

2) 主要子模型的選擇及其參數(shù)設(shè)置

對(duì)于子模型的選擇，如果沒(méi)有特殊要求，一般讓AMESim自動(dòng)為每個(gè)元件選擇系統(tǒng)默認(rèn)的優(yōu)先子模型。通過(guò)理論計(jì)算，得出相應(yīng)液壓元件的關(guān)鍵參數(shù)值，以此為參照完成伸縮油缸、變幅油缸、電液換向閥、電液比例方向閥、泵等液壓件的選型。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算出的參數(shù)，對(duì)相應(yīng)子模型的參數(shù)進(jìn)行修改。伸縮液壓系統(tǒng)子模型及參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　伸縮液壓系統(tǒng)子模型及參數(shù)設(shè)置

3) 仿真結(jié)構(gòu)分析

(1) 上升過(guò)程上升過(guò)程中，在0～10 s，電液換向閥處右位工作，伸縮油缸往外伸出，而在10～20 s，電液換向閥處中位O形機(jī)能。在上升過(guò)程中，有PID控制器(利用經(jīng)驗(yàn)法多次調(diào)整PID控制器的參數(shù)[7],并采用AMESim中的參數(shù)批處理功能，對(duì)PID的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行選擇，調(diào)整后的PID參數(shù)為KP=2.5,KI=0.02,KD=0.001)和無(wú)PID控制器(KP=1,KI=0,KD=0)時(shí)系統(tǒng)的同步位移誤差如圖4所示。

圖4　兩伸縮油缸位移誤差曲線

(2) 下降過(guò)程下降過(guò)程中，在0～10 s，電液換向閥處左位工作，伸縮油缸縮回動(dòng)作，而在10～20 s，電液換向閥處中位O形機(jī)能。在下降過(guò)程中，有PID控制器(KP=2.5,KI=0.02,KD=0.001)和無(wú)PID控制器(KP=1,KI=0,KD=0)時(shí)系統(tǒng)的同步位移誤差如圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，引入PID控制器后，上升過(guò)程中兩缸的最大同步位移誤差由20 mm縮減至10.7 mm，同步精度為10.7/2065=0.5%，而下降過(guò)程兩缸的最大同步位移誤差由58 mm縮減至13.1 mm，同步精度為13.1/2065=0.6%(所選用液壓缸最大行程L=2065 mm)。由此可見(jiàn)，PID控制器，良好地減少動(dòng)態(tài)跟隨誤差，改善了系統(tǒng)的同步精度。

圖5　兩伸縮油缸位移誤差曲線

3.2　變幅液壓系統(tǒng)

1) 建立變幅液壓系統(tǒng)仿真模型

在AMESim軟件草圖繪制模式中，從液壓庫(kù)子模型中依次挑選需要的元件完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。變幅液壓系統(tǒng)原理圖如圖6所示，向主動(dòng)系統(tǒng)(左側(cè))施加信號(hào)，使主動(dòng)系統(tǒng)的液壓缸按照一定的速度移動(dòng)，位移由位移傳感器來(lái)檢測(cè)。將檢測(cè)到的信號(hào)與從動(dòng)系統(tǒng)液壓缸輸出的位移信號(hào)做差值，將差值信號(hào)輸入到從動(dòng)系統(tǒng)(右側(cè))的電液換向閥中，通過(guò)調(diào)節(jié)其閥口開(kāi)度的大小改變其輸出的流量，使從動(dòng)系統(tǒng)液壓缸的位移不斷趨近于主動(dòng)系統(tǒng)液壓缸的位移，達(dá)到同步的目的。

圖6　基于AMESim的變幅液壓系統(tǒng)原理圖

在AMESim中進(jìn)行機(jī)液耦合系統(tǒng)仿真，同時(shí)可將其機(jī)械結(jié)構(gòu)可視化，把仿真結(jié)果轉(zhuǎn)化為動(dòng)畫(huà)。圖7中左側(cè)部分為運(yùn)輸車(chē)前端吊裝機(jī)構(gòu)，由圖6中的左側(cè)液壓回路控制；圖7中右側(cè)部分為運(yùn)輸車(chē)后端吊裝機(jī)構(gòu)，是由圖6中右側(cè)液壓回路控制。后端吊裝機(jī)構(gòu)相對(duì)于前端吊裝機(jī)構(gòu)隨動(dòng)。

圖7　機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2) 主要子模型的選擇及其參數(shù)設(shè)置

對(duì)于子模型，如果沒(méi)有特殊要求，點(diǎn)擊首選子模型按鈕， AMESim即為系統(tǒng)選擇默認(rèn)的最簡(jiǎn)子模型。根據(jù)理論計(jì)算和已選擇的液壓元件型號(hào)，變幅液壓系統(tǒng)子模型及參數(shù)設(shè)置如表2所示。其中泵、溢流閥、順序閥、電液換向閥、電液比例方向閥子模型及參數(shù)設(shè)置同表1。

3) 仿真結(jié)構(gòu)分析

(1) 右擺卸載過(guò)程0～43 s，電液換向閥處左位，進(jìn)行右擺動(dòng)作；43～50 s，電液換向閥處中位，保持。在右擺卸載過(guò)程中，有PID控制器(利用經(jīng)驗(yàn)法多次調(diào)整PID控制器的參數(shù)[7]，并采用AMESim中的參數(shù)批處理功能，對(duì)PID的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行選擇，調(diào)整后的PID參數(shù)為KP=4,KI=0,KD=1)和無(wú)PID控制(KP=1,KI=0,KD=0)時(shí)系統(tǒng)的同步位移誤差如圖8所示。

表2　變幅液壓系統(tǒng)子模型及參數(shù)設(shè)置

圖8　兩變幅油缸位移誤差曲線

兩側(cè)吊裝機(jī)構(gòu)右擺運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖9所示，右側(cè)的變幅機(jī)構(gòu)相對(duì)于左側(cè)的變幅機(jī)構(gòu)而隨動(dòng)。

圖9　右擺卸載過(guò)程示意圖

(2) 左擺裝載過(guò)程0～53 s，電液換向閥處右位，吊裝機(jī)構(gòu)從最右位置擺回至豎直位置。在左擺裝載過(guò)程中，有PID控制器(KP=4,KI=0,KD=1)和無(wú)PID控制器(KP=1,KI=0,KD=0)時(shí)系統(tǒng)的同步位移誤差如圖10所示。

圖10　兩變幅油缸位移誤差曲線

兩側(cè)吊裝機(jī)構(gòu)左擺運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖11所示，右側(cè)的變幅機(jī)構(gòu)相對(duì)于左側(cè)的變幅機(jī)構(gòu)而隨動(dòng)。

圖9和圖11，展示的是變幅機(jī)構(gòu)左擺和右擺的動(dòng)作過(guò)程，可以直觀得出：該系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，且能實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)。由圖8與圖10對(duì)比可以看出，引入PID控制器后，右擺卸載過(guò)程中兩缸的最大同步位移誤差由15.7 mm縮減至5 mm以內(nèi)，同步精度為5/1490=0.3%(液壓缸最大行程L=1490 mm)，而左擺裝載過(guò)程兩缸的最大同步位移誤差由40 mm縮減至13.6 mm， 同步精度為13.6/1490=0.9%。由此可見(jiàn)，PID控制器，良好地減少動(dòng)態(tài)跟隨誤差，改善了系統(tǒng)的同步精度。

圖11　左擺裝載過(guò)程示意圖

自裝卸運(yùn)輸車(chē)在左側(cè)進(jìn)行右擺裝載和左擺卸載作業(yè)過(guò)程，與上述的左擺裝載和右擺卸載作業(yè)對(duì)稱(chēng)，故將其省略。

4　結(jié)論

運(yùn)用AMESim仿真軟件，分別搭建伸縮液壓系統(tǒng)和變幅液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并采用PID控制器，對(duì)比分析有PID控制器時(shí)和無(wú)PID控制時(shí)系統(tǒng)的同步性能差異。得出結(jié)論，PID控制器可改善系統(tǒng)的同步性能，提高同步控制精度，滿足設(shè)計(jì)需求。

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