基于模糊PID的液壓調(diào)平系統(tǒng)的同步控制研究

李德剛

【摘要】 針對載重平臺液壓調(diào)平控制的特點，建立了載重平臺的數(shù)學(xué)模型，在AMESim軟件中對組成平臺調(diào)平中液壓缸同步控制結(jié)構(gòu)的主要元件進行了建模，引入模糊PID控制策略，設(shè)計了模糊PID控制器，目的是使模糊PID控制能夠提高系統(tǒng)控制性能。

【關(guān)鍵詞】 液壓調(diào)平 模糊PID AMESim

引言

在現(xiàn)代民用工業(yè)領(lǐng)域如物料運輸、礦井開采、機械制造等方面，以及以及軍事工程領(lǐng)域中如導(dǎo)彈發(fā)射、雷達(dá)搜索等環(huán)節(jié)中，往往對各類載重平臺在作業(yè)過程中有水平度的要求，載重平臺的調(diào)平一般選用液壓調(diào)平方式來完成[1]，而在這個過程中，最重要的就是解決液壓支腿同步控制的問題。

一、液壓調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

載重平臺調(diào)平系統(tǒng)一般采用閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計，反饋的輸出量可以提高調(diào)平的同步精度和自動化程度[2]。由信號采集裝置將采集到的輸入信號以及反饋信號傳給控制器，控制器依據(jù)設(shè)定的要求來對執(zhí)行機構(gòu)進行控制，最后由執(zhí)行機構(gòu)（液壓缸）驅(qū)動載重平臺動作使得其達(dá)到水平狀態(tài)且無虛腿。其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1.2調(diào)平策略的選擇

在剛性液壓平臺的調(diào)平過程中，由于支腿在運動方向上只有一個自由度，其受到平臺牽引而形成的運動軌跡是一條復(fù)雜的空間曲線，建模較為困難[3]。而對支腿建立的數(shù)學(xué)模型主要是為了得到水平傾角α、β與各液壓支腿位移△Z之間的函數(shù)關(guān)系，因此借助微分思想將平臺的空間運動進行離散，可在相對坐標(biāo)系內(nèi)建立比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。

載重平臺系統(tǒng)的調(diào)平過程依據(jù)可以由平臺上的兩條相交直線達(dá)到水平狀態(tài)來確定。為了安裝與測量方便，可將傾角傳感器分別安裝在X軸與Y軸上，用來測量這兩個方向上的角度信號，角度信號經(jīng)過算法轉(zhuǎn)化，輸出實際的位移控制量，由液壓缸驅(qū)動來使得液壓支腿上升或者下降，從而讓平臺達(dá)到水平狀態(tài)，載重平臺的調(diào)平方式，從控制的誤差類型來說，可以分為基于位置誤差控制和基于角度誤差控制兩類調(diào)平方式。

基于角度誤差的調(diào)平由于存在分別調(diào)整α、β角度值這兩個階段，平臺水平狀態(tài)很難通過一次調(diào)平就達(dá)到要求，需要反復(fù)多次進行調(diào)整，因此液壓支腿總移動距離較大，調(diào)平總耗時也比較長。而基于位置誤差調(diào)平中，由于液壓系統(tǒng)存在一定的滯后性，不能及時響應(yīng)發(fā)出的指令，故應(yīng)避免出現(xiàn)液壓支腿下降的動作，綜合考慮，采用追逐式朝最高點靠齊的方式進行調(diào)平。

二、液壓同步控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

常見的四液壓缸載重平臺，由一閥控一缸的原理[4]，建立其系統(tǒng)模型，系統(tǒng)由平臺平面，四個液壓缸和液壓支腿以及相應(yīng)的附件構(gòu)成，為了能夠直觀地描述液壓支腿與平臺的調(diào)平過程，建立系統(tǒng)的坐標(biāo)系如圖2。

以液壓缸1與液壓缸4的連線作為系統(tǒng)坐標(biāo)系的X軸，液壓缸1與液壓缸2的連線作為系統(tǒng)坐標(biāo)系的Y軸，Z軸為豎直方向，每個液壓缸由單獨的比例閥來控制，Qi1、Qi2分別代表閥到液壓缸無桿腔與有桿腔的油液流量，Pi1、Pi2分別代表液壓缸無桿腔與有桿腔進油口的壓力，PiS是電液比例閥進口壓力，QiS是油源到電液比例閥的油液流量，i=1，2，3，4，pp是油源處油液壓力，Qp是油源處油液流量。Fi是第i個液壓支腿的輸出力，Pi（Pix，Piy，Piz）為液壓支腿與載重平臺鉸接的中心點坐標(biāo)，Si（Six，Siy，Siz）為液壓支腿的中心點坐標(biāo)，M是載重平臺的質(zhì)量。

在載重平臺調(diào)平的過程中，液壓支腿運動軌跡可以由質(zhì)心OC在豎直方向上的位移ZC，繞x軸的轉(zhuǎn)動的角度θx和繞y軸轉(zhuǎn)動的角度θy來描述，因此，以載重平臺為對象，由牛頓第二定律以及剛體轉(zhuǎn)動定律可以求出其運動方程 ：

三、液壓同步控制系統(tǒng)仿真分析

液壓平臺調(diào)平控制過程中針對液壓缸工作模式采用了主從式，將其中一個液壓缸的輸出設(shè)定成為其余液壓缸輸出跟蹤的理想值，可在AMESim軟件中建立同步控制系統(tǒng)的仿真模型如下圖3所示，

根據(jù)數(shù)學(xué)模型中建立的相應(yīng)元件，關(guān)聯(lián)一組常見的元件參數(shù)，可設(shè)置到仿真模型中進行仿真分析，主要元件的仿真參數(shù)如表1：

設(shè)置4號液壓缸支腿為最高位移，對四液壓缸調(diào)平過程進行仿真，仿真時長設(shè)為50s，步長取0.1s。觀察四個液壓缸的支腿在調(diào)平過程中的位移曲線，可得到仿真結(jié)果如圖4所示。

四、結(jié)論

由仿真得到的位移曲線可以看出，在支腿調(diào)平過程中，處于不同位置的支腿上升速率并不相同，位于最低點的1號液壓缸支腿 上升速率最快，2號次之，3號最慢，而位于最高點的4號液壓缸支腿，在調(diào)平過程中，保持位移不變。

參 考 文 獻

[1]凌軒，王旭東，陳賽克.雷達(dá)天線車液壓升降系統(tǒng)同步控制仿真研究.[J]機床與液壓.2013（8）：81-83.

[2]仕潤霖，馮永保，李淑智，郭曉松.模糊PID控制的車載平臺高精度動態(tài)調(diào)平仿真研究[J]機床與液壓.2013（5）：150-153.