基于分段控制多級(jí)缸舉升系統(tǒng)研究

張春輝　趙靜一　榮曉瑜　布　丹

1.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島，0660042.燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島，066004

基于分段控制多級(jí)缸舉升系統(tǒng)研究

張春輝1,2趙靜一1,2榮曉瑜1,2布丹1,2

1.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島，0660042.燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島，066004

針對(duì)某礦用自卸車(chē)多級(jí)缸舉升換級(jí)時(shí)的沖擊振動(dòng)問(wèn)題，研究了舉升過(guò)程中的參數(shù)關(guān)系；根據(jù)舉升系統(tǒng)電液比例控制方案提出了負(fù)載敏感舉升系統(tǒng)分段控制方法，對(duì)舉升缸換級(jí)時(shí)的模糊控制算法進(jìn)行分析。仿真分析表明，分段控制較單一的電液比例控制能有效改善多級(jí)缸換級(jí)時(shí)的沖擊問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，該舉升系統(tǒng)有效解決了變負(fù)載和參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性問(wèn)題。研究結(jié)果為分析同類(lèi)問(wèn)題提供借鑒與參考。

多級(jí)缸；沖擊；電液比例； 分段控制；模糊控制

0　引言

含有多個(gè)活塞桿的多級(jí)液壓缸由于具有結(jié)構(gòu)緊湊，以及在原始長(zhǎng)度相同的情況下比單級(jí)缸行程更長(zhǎng)的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于自卸車(chē)的舉升系統(tǒng)[1]。而在各級(jí)活塞桿依次伸出的過(guò)程中，由于活塞桿截面和負(fù)載的變化，以及需要通過(guò)活塞桿相互碰撞實(shí)現(xiàn)限位的情況，使得系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)大的沖擊，該沖擊通過(guò)整車(chē)車(chē)架車(chē)身傳導(dǎo)到駕駛室，使得即便有減震裝置的駕駛室也會(huì)產(chǎn)生極大的振動(dòng)，從而影響駕駛?cè)藛T的乘坐舒適性及安全。因此，如何克服這些問(wèn)題成為自卸車(chē)舉升系統(tǒng)以及和多級(jí)缸相關(guān)的大型機(jī)械裝置亟待解決的問(wèn)題。在變負(fù)載系統(tǒng)中，可以通過(guò)檢測(cè)負(fù)載壓力變化信號(hào)，向液壓系統(tǒng)進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，以及流量和調(diào)速控制[2]。

目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，引入了自適應(yīng)神經(jīng)元對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多級(jí)缸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的智能控制[3]；以機(jī)動(dòng)導(dǎo)彈發(fā)射架為例,研究了大型液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置起豎過(guò)程的控制問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓油源和起豎速度的靈活控制[4]；建立二級(jí)缸舉升系統(tǒng)的模型，并進(jìn)行仿真研究以及改進(jìn)的PID控制算法的研究[5-6]。以上研究成果為多級(jí)缸舉升系統(tǒng)的研究奠定了一定的基礎(chǔ)，但無(wú)法滿足礦用自卸車(chē)舉升系統(tǒng)的要求。本文根據(jù)礦用自卸車(chē)應(yīng)用工況，在力求系統(tǒng)節(jié)能、安全、可靠的前提下，提出了負(fù)載敏感電液比例舉升控制系統(tǒng)方案，并通過(guò)分段控制方法即在多級(jí)缸正常伸出時(shí)采用電比例控制，在換級(jí)角度±5°范圍內(nèi)對(duì)舉升過(guò)程采用模糊控制算法進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)仿真分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而證明了分段控制較采用單一電液比例控制的優(yōu)越性。

1　舉升過(guò)程參數(shù)分析

礦用自卸車(chē)舉升系統(tǒng)主要由車(chē)廂、多級(jí)舉升缸及車(chē)架組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，液壓系統(tǒng)通過(guò)多級(jí)液壓油缸為車(chē)廂提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)車(chē)廂從水平狀態(tài)到最大角度狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)。

1.車(chē)身　2.駕駛室　3.前輪總成　4.車(chē)架　5.車(chē)廂　6.多級(jí)舉升缸　7.后輪總成圖1　礦用自卸車(chē)舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

舉升機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化形式如圖2所示，其中O點(diǎn)為舉升缸與車(chē)架的鉸接點(diǎn)，A點(diǎn)為舉升缸與車(chē)廂相連的回轉(zhuǎn)中心，B點(diǎn)為車(chē)廂與車(chē)架的鉸接點(diǎn)，C點(diǎn)為舉升缸伸出使車(chē)廂繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)θ后的位置，車(chē)廂與OB的夾角為φ，多級(jí)缸伸出時(shí)的長(zhǎng)度為l+x，其中l(wèi)為舉升缸安裝長(zhǎng)度，x為多級(jí)缸行程，根據(jù)幾何關(guān)系可以得到舉升角度與舉升缸行程變化之間的關(guān)系：

對(duì)于△OBC，有

(1)

圖2　舉升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

對(duì)于△OAB，有

(2)

由式(1)、式(2)可得

(3)

將該車(chē)型舉升機(jī)構(gòu)的參數(shù)代入式(3)，可以得到圖3所示的舉升角度與舉升缸行程變化關(guān)系曲線，從圖中可以看出舉升缸換級(jí)時(shí)所對(duì)應(yīng)的舉升角度，從而為后續(xù)的舉升控制研究提供依據(jù)。

圖3　舉升角度與舉升缸行程變化關(guān)系曲線

2　基于負(fù)載敏感電液比例控制方案

由于在舉升過(guò)程中車(chē)廂中的載荷隨著舉升角度的變化而不斷變化，同時(shí)還要受到風(fēng)載荷等隨機(jī)載荷變化的影響，因此舉升缸的受力是不斷變化的，采用負(fù)載敏感控制即與負(fù)載無(wú)關(guān)的流量控制，使舉升缸的運(yùn)動(dòng)速度在每一級(jí)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)不受負(fù)載的影響。

1.負(fù)載敏感變量泵　2.過(guò)濾器　3.蓄能器　4.多級(jí)舉升缸　5.安全閥圖4　舉升液壓系統(tǒng)原理圖

圖4為舉升液壓系統(tǒng)原理簡(jiǎn)化圖，該系統(tǒng)由負(fù)載敏感變量泵、電液比例舉升控制回路組成。其中，CT1、CT2為比例壓力閥，CT3、CT9為梭閥，CT4為壓力順序閥，CT5～CT8為平衡型常閉邏輯閥，CT10為溢流閥，CT11為單向閥，CT12為電磁換向閥。當(dāng)比例電磁鐵1AO獲得控制手柄發(fā)出的PWM信號(hào)后控制比例壓力閥CT1的閥芯開(kāi)口度，蓄能器3的壓力油通過(guò)CT1后控制平衡型常閉邏輯閥CT6與CT8的先導(dǎo)腔，從而使變量泵的液壓油通過(guò)邏輯閥CT6進(jìn)入多級(jí)缸的大腔，而小腔的液壓油通過(guò)CT8回油箱，實(shí)現(xiàn)車(chē)廂的舉升。同樣，當(dāng)比例電磁鐵2AO獲得手柄發(fā)出的PWM信號(hào)后，變量泵的壓力油通過(guò)平衡型常閉邏輯閥CT5進(jìn)入多級(jí)缸的小腔，而大腔的壓力油通過(guò)CT8回油箱，實(shí)現(xiàn)車(chē)廂的下降。平衡型常閉邏輯閥具有比例換向功能和雙向平衡功能，從而使車(chē)箱控制更為可靠和舒適，消除了車(chē)箱下降末端對(duì)底盤(pán)的沖擊，同時(shí)能夠平衡車(chē)箱在舉升末端物料流動(dòng)反沖加速貨箱的后翻。

當(dāng)車(chē)廂舉升或下降時(shí)，通過(guò)舉升手柄來(lái)實(shí)現(xiàn)舉升或下降功能及調(diào)節(jié)舉升速度，這里稱(chēng)之為手柄控制，其實(shí)質(zhì)為將控制手柄的角度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電比例信號(hào)以驅(qū)動(dòng)比例壓力閥CT1和CT2換向，圖5所示為舉升手柄擺角與輸出流量之間的關(guān)系。當(dāng)多級(jí)舉升缸需要換級(jí)時(shí)，由于駕駛員無(wú)法判斷換級(jí)的具體位置，無(wú)法對(duì)多級(jí)缸換級(jí)進(jìn)行控制，而換級(jí)時(shí)由于截面的變化，負(fù)載的變化以及活塞桿之間的相互碰撞實(shí)現(xiàn)限位而產(chǎn)生過(guò)大的沖擊，因此為了降低沖擊對(duì)整車(chē)的影響現(xiàn)采用分段控制方式，其控制流程如圖6所示。

圖5　手柄控制特性曲線

圖6　舉升控制流程圖

通過(guò)安裝在車(chē)廂上的角位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)舉升的角度θ，按照多級(jí)缸級(jí)間轉(zhuǎn)換的次數(shù)將舉升過(guò)程劃分成若干階段，由于一級(jí)缸伸出時(shí)，負(fù)載及截面的變化并不明顯，因此忽略一級(jí)缸伸出時(shí)的作用，將一級(jí)缸到二級(jí)缸，二級(jí)缸到三級(jí)缸過(guò)渡的角度值θ0、θ1設(shè)為控制點(diǎn)，根據(jù)上文對(duì)舉升缸長(zhǎng)度變化和舉升角度的變化關(guān)系的分析確定兩個(gè)控制點(diǎn)的角度值,當(dāng)通過(guò)角度傳感器采集到的舉升角度在這兩個(gè)角度控制點(diǎn)±5°范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)模糊控制算法控制比例閥閥芯的位移。

3　模糊控制算法設(shè)計(jì)

當(dāng)車(chē)廂舉升或下降時(shí)，通過(guò)舉升角度傳感器采集當(dāng)前的舉升角度信號(hào)，當(dāng)舉升角度在(θ0-5°,θ0+5°)或(θ1-5°,θ1+5°)內(nèi)時(shí)，手柄工作失效，進(jìn)入分段控制模式，通過(guò)模糊控制算法，計(jì)算出主閥芯的開(kāi)口度，通過(guò)控制比例壓力閥實(shí)現(xiàn)主閥芯開(kāi)口度的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到抑制舉升缸換級(jí)時(shí)的速度突變。模糊控制系統(tǒng)的原理如圖7所示。

圖7　模糊控制系統(tǒng)原理圖

建立舉升液壓系統(tǒng)的AMESim模型，并進(jìn)行編譯轉(zhuǎn)化為Simulink中常用的S函數(shù)形式，實(shí)現(xiàn)與Simulink的聯(lián)合，再利用Simulink中的fuzzy工具箱中的模糊控制器(fuzzy logic controller)和其他模塊搭建系統(tǒng)的仿真模型，如圖8所示，其中AMESim模型中將控制比例減壓閥的電壓信號(hào)作為輸入信號(hào)，舉升角度作為輸出信號(hào)。手柄控制方式和分段控制方式下的仿真結(jié)果如圖9所示。

表1　模糊控制規(guī)則

從圖9可以看出，在舉升過(guò)程中第8 s和第15 s也就是在二級(jí)缸和三級(jí)缸換級(jí)時(shí)，多級(jí)缸的速度發(fā)生顯著的波動(dòng)，兩種控制方式差異也是主要發(fā)生在二級(jí)缸和三級(jí)缸換級(jí)時(shí)，分段控制方式下采用模糊控制算法后的系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，多級(jí)缸換級(jí)時(shí)的振動(dòng)沖擊作用將會(huì)明顯減弱。

圖8　分段控制仿真模型

圖9　兩種控制方式下舉升缸運(yùn)行速度

4　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采用分段控制后對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的效果以及仿真分析的正確性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車(chē)進(jìn)行測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)液壓測(cè)試儀采集舉升缸大腔的壓力值，并通過(guò)液壓測(cè)試儀屏幕或通過(guò)PC聯(lián)機(jī)軟件可以顯示各類(lèi)分析曲線[10]，如圖10所示。

圖10　數(shù)據(jù)采集流程圖

對(duì)空載及重載舉升過(guò)程中壓力信號(hào)進(jìn)行采集與對(duì)比分析，圖11所示為多次空載舉升中任意兩次壓力曲線，從圖中可以看出,在整個(gè)舉升過(guò)程中采用手柄控制即電比例控制時(shí)，在二級(jí)缸和三級(jí)缸伸出時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大的壓力峰值，說(shuō)明多級(jí)缸伸出時(shí)的沖擊主要發(fā)生在二級(jí)缸和三級(jí)缸換級(jí)前后，與仿真分析結(jié)果相一致，而采用分段控制即換級(jí)前后采用模糊控制算法雖然會(huì)使舉升時(shí)間滯后，但仍然在舉升設(shè)計(jì)時(shí)間允許的范圍內(nèi)，并且能有效地緩解了換級(jí)時(shí)的壓力沖擊，使舉升過(guò)程中更加平穩(wěn)。

圖11　空載實(shí)測(cè)壓力對(duì)比

重載舉升時(shí)由于慣性作用，啟動(dòng)時(shí)的壓力會(huì)比空載時(shí)要大很多，為了使落料更加平穩(wěn)需要放慢舉升速度，隨著舉升過(guò)程的進(jìn)行，多級(jí)缸活塞桿逐級(jí)伸出，在二級(jí)缸和三級(jí)缸伸出時(shí)仍然會(huì)有沖擊作用。圖12所示為重載情況下兩種控制方式下舉升壓力測(cè)試曲線。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在每一級(jí)缸伸出的過(guò)程中，兩種控制方式效果相似，而在換級(jí)時(shí)能夠顯示出分段控制方式對(duì)于抑制沖擊的效果。

圖12　重載實(shí)測(cè)壓力對(duì)比

5　結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)舉升機(jī)構(gòu)的模型簡(jiǎn)化，分析了舉升過(guò)程中舉升缸的長(zhǎng)度變化和舉升角度關(guān)系，為得到多級(jí)缸換級(jí)時(shí)的舉升角度提供依據(jù)。

(2)對(duì)負(fù)載敏感舉升系統(tǒng)電液比例控制原理進(jìn)行了分析，并提出了分段控制方式即換級(jí)前采用手柄控制，在二級(jí)缸、三級(jí)缸換級(jí)角度±5°范圍內(nèi)采用模糊控制算法。

(3)對(duì)模糊控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行仿真研究,表明分段控制方式下采用模糊控制算法后的系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，多級(jí)缸換級(jí)時(shí)的沖擊作用將會(huì)明顯減弱。

(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)兩種控制方式即通過(guò)手柄實(shí)現(xiàn)比例控制和分段控制下的空載和重載舉升過(guò)程中的壓力信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真分析的正確性，比較了兩種控制方式下的控制效果，為多級(jí)缸相關(guān)的大型裝置的設(shè)計(jì)和研究提供參考。

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(編輯郭偉)

Research on Multi-stage Cylinder Lifting System Based on Subsection Control

Zhang Chunhui1,2Zhao Jingyi1,2Rong Xiaoyu1,2Bu Dan1,2

1.Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004 2.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science，Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

Aimed at the lifting tipper impact problems of changing stage of multistage cylinder in mining dump truck, the parameter relationship was studied in the lifting process. A subsection control scheme of load sensitive lifting system was proposed based on electric-hydraulic proportional control. The fuzzy control algorithm was analyzed during changing stage of the cylinder. Simulation analysis shows that the subsection control can improve changing stage impact problem of the multistage cylinder compared with electric-hydraulic proportional control. Through the field test, it is proved that the lifting system solves the control stability of the variable load and parameter time-varying systems effectively，providing reference to analyze the same problem.

multistage cylinder; impact; electric-hydraulic proportional; subsection control; fuzzy control

2014-07-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175448，51405424)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2012203071)

TH137；TP273< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.03.007

張春輝，男，1985年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。主要研究為電液控制系統(tǒng)。趙靜一，男，1957年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。榮曉瑜，男，1990年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。布丹，女，1990年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。