道路綠化養(yǎng)護車割草頭泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)研究

劉波 趙俊鋒

摘 要：泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)可以滿足道路綠化養(yǎng)護車不同工作裝置的作業(yè)要求，針對目前道路綠化養(yǎng)護車割草頭作業(yè)質量高的要求，以AMESim仿真軟件為平臺，使用PID閉環(huán)控制的控制方法，建立變負載泵-定量馬達恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，得到了系統(tǒng)在變負載下的控制效果。結果表明，PID控制應用于割草頭馬達控制系統(tǒng)可以大大改善系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性，使其受負載擾動的影響更小，為道路綠化養(yǎng)護車作業(yè)裝置控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了借鑒意義。

關鍵詞：道路綠化養(yǎng)護車 泵控馬達系統(tǒng) AMESim PID控制

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（b）-0-02

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，道路里程數(shù)逐年增加，道路旁的綠化帶的修理逐漸成為了一個很大的問題。目前主流采用人工修剪的方式效率太低，道路綠化養(yǎng)護車的出現(xiàn)能極大地提高修剪速度和作業(yè)質量，也避免人員的傷亡。道路綠化養(yǎng)護車是一種綜合性的車輛，是在二類底盤上加裝工作裝置，配備不同的作業(yè)裝置，如割草頭、樹籬頭、剪枝頭、清淤器等，能完成不同的工作。道路綠化養(yǎng)護車在作業(yè)過程中，是一邊行走一邊修剪的，一般作業(yè)速度低于20km/h，對于不同的作業(yè)速度，工作裝置的馬達會對應不同的速度，轉速太慢，修剪效果不好，而轉速太快，多余的功率就會浪費，所以要求維持轉速的恒定。

變量泵控馬達液壓系統(tǒng)配備快速插頭能很好地調(diào)節(jié)多種不同的作業(yè)裝置，這些作業(yè)裝置在對應的功率都相對較小，外負載的沖擊會引起系統(tǒng)壓力較大的變化，在調(diào)速過程中負載突變會導致馬達轉速的較大變化[1]，影響修剪質量。該文擬采用PID控制方式對其中的一種作業(yè)裝置割草頭調(diào)速系統(tǒng)進行速度控制，以達到良好的速度穩(wěn)定性，提高修剪質量，其他作業(yè)裝置和割草頭只是參數(shù)不同，調(diào)速方法和機理都是一致的。

1 系統(tǒng)工作原理

道路綠化養(yǎng)護車作業(yè)裝置液壓原理圖如圖1所示[2]，系統(tǒng)由電比例雙向變量泵1，補油泵2，單向閥3、4，安全閥5、6，補油安全閥7，背壓閥 8，沖洗閥9，雙向定量馬達10組成，電比例變量泵1是系統(tǒng)的動力元件，泵的變量機構使用一個三位四通電比例換節(jié)閥來控制變量活塞，變量活塞的移動可調(diào)節(jié)泵的排量，使其排量與輸入電流信號成正比。道路綠化養(yǎng)護車工作過程中，操作人員通過電手柄輸出電流控制信號，經(jīng)比例放大器放大后控制比例電磁鐵，改變泵的斜盤傾角，從而改變泵的排量，實現(xiàn)道路綠化養(yǎng)護車作業(yè)裝置割草頭旋轉速度控制。系統(tǒng)工作時，上側油路為進油路，壓力由負載決定，是高壓油路；下側油路是回油路，壓力取決于補油壓力，是低壓油路。當進油路壓力過大超過安全閥的設定壓力時，安全閥5起作用，防止壓力沖擊損壞液壓元件。變量泵反轉時，上下油管狀態(tài)互換，安全閥6起作用。補油泵2通過單向閥3或4向低壓油路的一側補油，彌補系統(tǒng)泄露，也使低壓油路有一恒定的壓力值，防止空氣混入造成氣穴現(xiàn)象。補油泵6的補油壓力由溢流閥7決定。背壓閥8的設定壓力稍小于7，它和梭閥9用于排除系統(tǒng)熱油，排除的是從馬達低壓側出來的熱油，保持低壓側壓力為溢流閥7的設定壓力。

2 仿真模型參數(shù)設置與建立

根據(jù)設計要求，滿足所有工作裝置的流量要求為

75L/min，發(fā)動機額定轉速1800r/min，所以選擇的電比例變量泵為A10VG的45cc/r，補油泵的排量為8.6cc/r。割草頭的切割裝置選用的是甩刀式，屬于無支撐切割，故要求有很高的切割速度，其刀軸轉速一般達3000r/min以上[3]，我們選用3000r/min，系統(tǒng)最大設定為22MPa，因作業(yè)對象為雜草、細灌木叢生的綠地、野外草地，所以需要的轉矩不大，一般為幾十牛米，所以選用A2FM16，排量為16cc/r。

PID控制器結構簡單，易于實現(xiàn)，應用廣泛。它是一個經(jīng)典的反饋控制器，通過輸入量和反饋回路得到偏差，經(jīng)過比例、積分、微分3個環(huán)節(jié)線性組合構成系統(tǒng)控制量[4]，以滿足系統(tǒng)性能要求。這里以期望馬達轉速3000r/min為輸入，得到0～600mA控制量，通過PID參數(shù)整定原則，調(diào)試得到KP（比例系數(shù)）=0.1、KI（積分系數(shù)）=1.2、KD（微分系數(shù)）=-0.0017時控制效果較好。

使用AMESim進行建模，在整個液壓系統(tǒng)中，大部分的元件都是可以在相應的標準庫中找到。但是電比例變量泵中變量機構的變量活塞無法在標準庫找到，只能自己搭建。它配合三位四通電比例換節(jié)閥來控制泵的排量，使其與輸入電流成正比。將變量活塞建立好后，工作裝置液壓系統(tǒng)建模的其他元件在液壓庫、信號庫、機械庫的選用即可，作業(yè)裝置液壓系統(tǒng)仿真模型如圖2所示[5]。

3 仿真分析

系統(tǒng)仿真的AMESim仿真模型如圖2所示，這里通過階躍信號來模擬負載擾動的情況，設定輸入轉速3000r/min，負載在系統(tǒng)運行5s后將負載0N·m增加到40N·m，仿真得到系統(tǒng)速度響應曲線如圖3所示。

從圖3的仿真結果分析可知，PID控制的整體曲線明顯比沒有控制時要平滑，在轉速上升時期，PID的曲線比較平緩，作業(yè)裝置割草頭部分時通過幾節(jié)臂懸掛在作業(yè)區(qū)域，而且負載小，轉速快，曲線平緩，對于系統(tǒng)的沖擊小，有利于道路綠化養(yǎng)護車工作裝置的穩(wěn)定，避免震動。5s時負載突然增大，PID控制的曲線的速度變化明顯較小，無PID控制的馬達轉速波動較大，表現(xiàn)為割草頭修剪質量不好。

4 結語

該文針對道路綠化養(yǎng)護車作業(yè)裝置液壓系統(tǒng)，利用AMESim軟件建立PID控制的泵控馬達模型，通過對比仿真曲線，驗證出擁有PID控制器的液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，受負載擾動的影響小，能夠很好地滿足道路綠化養(yǎng)護車割草頭作業(yè)裝置的需要，提升修剪質量。為道路綠化養(yǎng)護車其他作業(yè)裝置的控制提供參考，也為道路綠化養(yǎng)護車智能化控制提供理論基礎。

參考文獻

[1] 范宇恒，王崴，楊潔，等.變負載變轉速輸入泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)[J].火力與指揮控制，2017，42（8）：76-81，86.

[2] 張海平.液壓速度控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[3] 劉毅，沈瑞珍，顧正平.草坪與園林綠化機械選用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[4] 許倩.基于PID策略的電液比例泵控馬達速度控制系統(tǒng)研究[D].長安大學，2008.

[5] 王俊倩.基于AMESim與Simulink聯(lián)合仿真的泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)控制研究[D].西華大學，2016.