一種耙管雙油缸自動(dòng)同步控制算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃偉明，黃宗銳

0 引言

隨著現(xiàn)代疏浚市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，業(yè)界對(duì)疏浚施工技術(shù)的研究也愈發(fā)重視，創(chuàng)建了“疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目”，建立起了疏浚共性技術(shù)和關(guān)鍵裝備的研究、試驗(yàn)和工程化平臺(tái)。耙吸試驗(yàn)平臺(tái)是該項(xiàng)目的重要組成部分，可以模擬耙吸挖泥船在風(fēng)浪流、多種泥沙介質(zhì)等多種工況下的施工過(guò)程，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)[1]。該試驗(yàn)平臺(tái)的耙管由2臺(tái)對(duì)稱(chēng)的液壓油缸共同驅(qū)動(dòng)進(jìn)行升降，由于耙管前端的耙頭面應(yīng)保持水平，因此2臺(tái)油缸在升降過(guò)程中應(yīng)盡可能保持同步。為此，本文提出了一種耙管雙油缸自動(dòng)同步控制算法，對(duì)2臺(tái)液壓油缸自動(dòng)進(jìn)行精確控制，使得耙頭傾斜角度的誤差在合理范圍內(nèi)。液壓同步控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行，控制方便等特點(diǎn)，在疏浚船舶上得到了廣泛應(yīng)用[2]。本文重點(diǎn)介紹自動(dòng)同步控制算法的原理、流程，并對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比與研究。

1 問(wèn)題描述

耙吸試驗(yàn)平臺(tái)中使用的耙管是由雙液壓油缸共同驅(qū)動(dòng)，2個(gè)液壓油缸的伸縮通過(guò)2個(gè)比例電磁閥來(lái)調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)耙管進(jìn)行升降。比例電磁閥簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，響應(yīng)速度快，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性及控制精度[3]。在傳統(tǒng)的手動(dòng)控制中，人工給到2個(gè)比例電磁閥相同指令，但在油缸實(shí)際的動(dòng)作中，由于閥塊的制造誤差、油路負(fù)載差異的原因，總會(huì)造成2個(gè)油缸的實(shí)際行程不一致[4]。在升降過(guò)程中2個(gè)油缸如果不同步會(huì)造成耙管前端的耙頭傾斜，從而影響試驗(yàn)結(jié)果，如果誤差不斷累積，2個(gè)油缸長(zhǎng)度相差過(guò)多，耙頭兩端嚴(yán)重受力不均，可能造成耙頭斷裂，并且耙頭在試驗(yàn)過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間在水下，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，維護(hù)很不方便[5]。如果人工對(duì)2臺(tái)油缸分別進(jìn)行控制，難免會(huì)出現(xiàn)控制不夠精細(xì)、反應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)等問(wèn)題。因此對(duì)雙油缸的自動(dòng)精確控制，保證耙頭安全，并且使耙頭傾斜滿(mǎn)足試驗(yàn)要求就顯得十分重要。為此，本文提出了一種耙管雙油缸自動(dòng)同步控制算法。

2 耙管雙油缸自動(dòng)同步控制算法

本文提出的耙管雙油缸自動(dòng)同步控制算法采用閉環(huán)控制[6]，控制方法為PLC控制，此方式的控制精度比單片機(jī)更高[7]。在耙管升降過(guò)程中根據(jù)耙頭的傾斜自動(dòng)計(jì)算并調(diào)節(jié)雙油缸的比例電磁閥，從而使雙油缸保持同步誤差在設(shè)定范圍內(nèi)，誤差設(shè)定由人工輸入，既可以設(shè)定耙頭傾斜角度的誤差范圍，也可以設(shè)定油缸行程的誤差范圍。設(shè)定傾斜角度的誤差范圍后，由軟件根據(jù)當(dāng)前的位置結(jié)合油缸機(jī)械尺寸換算出2個(gè)油缸長(zhǎng)度的誤差范圍。

2.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

耙管雙油缸自動(dòng)同步控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。參數(shù)設(shè)定主要包括傾斜角度誤差設(shè)定、油缸行程誤差設(shè)定、油缸行程誤差閾值1、油缸行程誤差閾值2、油缸行程誤差閾值3。傾角傳感器采集當(dāng)前耙頭的傾斜度；行程傳感器采集當(dāng)前的液壓油缸行程值；自動(dòng)同步控制算法是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，對(duì)采集到的所有信息進(jìn)行計(jì)算比對(duì)；控制器接收自動(dòng)同步控制算法的計(jì)算結(jié)果并發(fā)送控制指令至比例電磁閥；比例電磁閥控制液壓油缸進(jìn)行伸縮動(dòng)作。

圖1 耙管雙油缸自動(dòng)同步控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Automatic synchronization control system schematic diagram of double hydraulic cylinder on the trailing suction tube

2.2 自動(dòng)同步控制過(guò)程

自動(dòng)同步控制算法將采集到的傾角傳感器、行程傳感器的數(shù)值與參數(shù)設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較與計(jì)算，將運(yùn)算結(jié)果送至控制器，由控制器控制相應(yīng)的比例電磁閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，自動(dòng)同步耙管2個(gè)液壓油缸，使其滿(mǎn)足設(shè)定誤差要求。算法流程圖如圖2所示。具體的步驟如下。

步驟一：讀取設(shè)定的控制參數(shù)。

步驟二：判斷液壓系統(tǒng)是否備妥，如果沒(méi)有，人工檢查設(shè)備狀態(tài)后，按下準(zhǔn)備按鈕；如果已備妥，進(jìn)入步驟三。

步驟三：控制器采集傾角傳感器數(shù)值，并與參數(shù)設(shè)定的耙頭傾斜角度誤差范圍進(jìn)行比較，滿(mǎn)足設(shè)定要求，則進(jìn)入步驟十二；如不滿(mǎn)足設(shè)定要求，進(jìn)入步驟四。

步驟四：將設(shè)定的傾斜角度誤差范圍結(jié)合耙管機(jī)械尺寸與油缸行程進(jìn)行換算，計(jì)算出當(dāng)前深度下的油缸行程誤差范圍。

步驟五：控制器采集當(dāng)前2個(gè)油缸的實(shí)際行程值，并計(jì)算出兩者的差值，與設(shè)定誤差閾值進(jìn)行比較，若大于誤差閾值1且小于閾值2，進(jìn)入步驟六；如果不是，進(jìn)入步驟七。

步驟六：比較左右油缸行程值的大小，如左油缸行程大于右油缸行程，將左比例電磁閥減小20%，并返回步驟三；如右油缸行程大于左油缸行程，將右比例電磁閥減小20%，并返回步驟三。

步驟七：控制器將當(dāng)前2個(gè)油缸的實(shí)際行程差值與設(shè)定誤差閾值進(jìn)行比較，若大于誤差閾值2且小于閾值3，進(jìn)入步驟八；如果不是，進(jìn)入步驟九。

步驟八：比較左右油缸行程值的大小，如左油缸行程大于右油缸行程，將左比例電磁閥減小50%，并返回步驟三；如右油缸行程大于左油缸行程，將右比例電磁閥減小50%，并返回步驟三。

步驟九：控制器將當(dāng)前2個(gè)油缸的實(shí)際行程差值與設(shè)定誤差閾值進(jìn)行比較，若大于誤差閾值3，進(jìn)入步驟十；如果不是，進(jìn)入步驟十一。

步驟十：比較左右油缸行程值的大小，如左油缸行程大于右油缸行程，將左比例電磁閥停止，并返回步驟三；如右油缸行程大于左油缸行程，將右比例電磁閥停止，并返回步驟三。

步驟十一：控制器將當(dāng)前2個(gè)油缸的實(shí)際行程差值與設(shè)定誤差閾值進(jìn)行比較，若小于誤差閾值1，進(jìn)入步驟十二；若大于誤差閾值1，返回步驟五。

步驟十二：判斷自動(dòng)同步控制算法是否結(jié)束，如果是，進(jìn)入步驟十三；如果不是，返回步驟三。

步驟十三：自動(dòng)同步控制終止。

圖2 自動(dòng)同步控制算法流程圖Fig.2 Flowchart of automatic synchronization control algorithm

3 調(diào)試和結(jié)果

本文提出的自動(dòng)同步控制算法應(yīng)用于實(shí)際的耙管升降使用中，以下結(jié)合實(shí)際參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明。耙管油缸總長(zhǎng)3.6 m，手動(dòng)控制下一次下降大約需要3.5 min，耙頭的傾斜度誤差范圍要求在1%，設(shè)定油缸誤差閾值1為4 mm，閾值2為7 mm，閾值3為10 mm，采樣頻率為1 Hz。耙管一次下降過(guò)程中2個(gè)液壓油缸的長(zhǎng)度曲線(xiàn)如圖3所示，耙頭傾斜角度誤差曲線(xiàn)如圖4所示。

從圖3可以看出，在耙管下降過(guò)程中，2個(gè)油缸長(zhǎng)度不斷增加，雖略有差異，但基本同步，控制比較精準(zhǔn)；總體用時(shí)為3 min，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，總體耗時(shí)優(yōu)于手動(dòng)控制。

圖3 油缸長(zhǎng)度控制曲線(xiàn)Fig.3 Cylinder length control curve

圖4 耙頭傾斜角度誤差曲線(xiàn)Fig.4 Draghead tilt angleerror curve

從圖4可以看出，在同步控制算法的不斷調(diào)整下，耙頭傾斜角度誤差控制在0.6%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)耙管升降驅(qū)動(dòng)裝置——雙液壓油缸的同步問(wèn)題提出了一種自動(dòng)同步控制算法，可以自動(dòng)調(diào)整2臺(tái)液壓油缸的行程值，使其同步，以保證耙頭的傾斜角度誤差滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。從實(shí)際使用的效果看，算法有效地解決了雙油缸的同步問(wèn)題，且響應(yīng)時(shí)間短，控制平滑，總體耗時(shí)與手動(dòng)控制相比有所減少。在今后工作中還可以對(duì)算法進(jìn)一步優(yōu)化，提高控制精度和響應(yīng)時(shí)間。