電液比例鏟斗聯(lián)控制系統(tǒng)建模與聯(lián)合仿真

孫暢勵 賈文華

摘 ?要： 基于挖掘機SY215C8M樣機，分析鏟斗聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成原理并對其進行電液比例系統(tǒng)改造，利用AMEsim建模并仿真驗證。為提高控制精度，提出模糊自整定PID控制策略，用AMESim-Simulink聯(lián)合仿真，觀察比較傳統(tǒng)pid控制和模糊pid控制的區(qū)別。

關(guān)鍵詞： 鏟斗聯(lián)系統(tǒng);電液比例控制;模糊控制;聯(lián)合仿真

中圖分類號： TP273 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.026

本文著錄格式：孫暢勵，賈文華. 電液比例鏟斗聯(lián)控制系統(tǒng)建模與聯(lián)合仿真[J]. 軟件，2019，40（5）：134-139

【Abstract】： Based on SY215C8M prototype of excavator， the structural principle of bucket linkage system was analyzed and electro-hydraulic proportional system was reformed. AMEsim was used to model and simulate to verify the rationality of the system. ?In order to improve the control precision of excavator， a fuzzy PID control method is proposed. ?The AMESim-Simulink joint simulation is used to compare the difference between traditional pid control and fuzzy pid control.

【Key words】： Bucket linkage system; Electro-hydraulic proportional control; Fuzzy control; Joint simulation

0 ?引言

挖掘機（如圖1）在工程上應用十分廣泛。本文基于三一重機SY215C8M樣機鏟斗聯(lián)電鏟斗聯(lián)液比例系統(tǒng)，分析其工作原理并進行電液比例改造，推導挖掘機鏟斗聯(lián)電液比例系統(tǒng)數(shù)學模型并利用AMEsim進行建模并仿真驗證系統(tǒng)改造的合理性。采用模糊PID控制策略代替?zhèn)鹘y(tǒng)pid對液壓缸位置進行控制，利用AMESim-Simulink進行聯(lián)合仿真，觀察比較傳統(tǒng)pid控制器和模糊pid控制器在控制效果上的區(qū)別。

1 ?系統(tǒng)組成原理及改造

1.1 ?挖掘機鏟斗聯(lián)系統(tǒng)組成

挖掘機工作裝置中應用最為廣泛的是鉸接反鏟式工作裝置，主要由動臂、斗桿、鏟斗及其相應的液壓油缸組合而成，本文是基于挖掘機鏟斗聯(lián)系統(tǒng)進行研究。

鏟斗作為挖掘機進行挖掘動作的執(zhí)行元件，主要有內(nèi)收和外擺兩個動作，兩個動作之間的切換主要來實現(xiàn)[1-2]，液壓回路如圖2。在挖掘機作業(yè)之前，鏟斗主控閥1處于左位，鏟斗合流閥2關(guān)閉，前泵單獨供油，液壓缸有桿腔進油，鏟斗活塞后縮實現(xiàn)鏟斗外擺動，進入準備挖掘動作狀態(tài)。當鏟斗開始挖掘作業(yè)時，鏟斗主控閥1處于右位，液壓油經(jīng)過主控閥流入液壓缸無桿腔，活塞外伸，鏟斗內(nèi)收。因挖掘作業(yè)時負載較大，此時鏟斗合流閥2處于右位，前泵在供油的同時，后泵的液壓油也同時流向主控閥1，實現(xiàn)合流，提高了鏟斗挖掘的挖掘效率。設(shè)置防反轉(zhuǎn)閥3的目的是防止挖掘負載過大時引起鏟斗液壓缸活塞反向運動。

1.2 ?電液比例系統(tǒng)改造

三一重機經(jīng)典款SY215C8挖掘機液壓控制系統(tǒng)采用液控先導和正流量控制聯(lián)合的方式[3]。為了能夠讓挖掘機在環(huán)境惡劣、負載多變的情況下迅速、高精度動作，現(xiàn)提出利用電液比例技術(shù)對挖掘機鏟斗聯(lián)先導系統(tǒng)進行改造。

SY215C8挖掘機正流量控制系統(tǒng)中采用液控先導方式，即通過人為操作先導手柄，使之擺動一定角度，從而產(chǎn)生相應壓力的先導液壓油來控制主閥芯的開度[4]。同時挖掘機六個執(zhí)行裝置（兩組動臂液壓缸、兩組斗桿液壓缸、一組鏟斗液壓缸、行走機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)）共需約20組梭閥來篩選壓力信號并篩選出最大控制壓力信號以控制主泵輸出流量，導致液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)冗雜，系統(tǒng)的響應速度慢、響應精度較低。為了解決這一問題，現(xiàn)用電控先導替代液控先導，即使用電液比例減壓閥替代原有的液控先導閥，用電氣手柄替換原機械操作手柄。電氣手柄操縱方式與原手柄完全一樣，可同時在前后、左右擺動一定的角度，供電電壓為5V或者10V。由于電氣手柄產(chǎn)生的是電壓信號，比例減壓閥接受的驅(qū)動信號是電流，因此電氣手柄發(fā)出的電壓信號需要經(jīng)控制器轉(zhuǎn)換后輸出PWM信號，從而驅(qū)動比例減壓閥對主閥加以控制[5-6]。

改造后的電液控制系統(tǒng)原理如圖3所示。操縱手柄及腳踏板動作產(chǎn)生的操縱信號傳入控制器，經(jīng)過處理后送達主泵，流量調(diào)節(jié)比例閥組調(diào)節(jié)送達各執(zhí)行元件的流量，同時向各聯(lián)電液比例閥組傳送控制信號以調(diào)節(jié)主閥閥芯位移，從而推動液壓缸或者液壓馬達實現(xiàn)對工作裝置行走、回轉(zhuǎn)等動作的控制。

2 ?AMEsim建模仿真及參數(shù)設(shè)置

鏟斗聯(lián)電液比例控制系統(tǒng)主要由電液比例閥和主閥控液壓缸組成。在分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從電液比例閥動態(tài)方程，主閥流量方程、液壓缸流量連續(xù)性方程和液壓負載力平衡方程來建立系統(tǒng)數(shù)學模型[7-9]，具體推導過程不再贅述。

2.1 ?AMESim建模與參數(shù)設(shè)置

利用AMESim軟件對鏟斗聯(lián)系統(tǒng)進行建模，主要需要考慮液壓泵和多路閥建模。挖掘機采用近恒功率控制，主液壓回路中采用兩個柱塞式變量泵供油;先導液壓回路供油裝置采用一個定量齒輪泵。本文主要研究閥控液壓缸位置運動控制，為簡化問題，此處不對液壓泵自身機構(gòu)及內(nèi)部特性進行研究，只對主泵外部輸出特性，即輸出壓力—流量特性進行分析。根據(jù)各類泵的工作原理及AMESim軟件中規(guī)定的各泵的應用范圍，結(jié)合實際電液比例系統(tǒng)中主泵工作原理和控制方式，此處選取雙變量泵作為主泵的AMESim仿真模型。泵的額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為2050 r/min。

多路閥的建模需要根據(jù)三位六通閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，將鏟斗聯(lián)閥芯拆分為若干個基本功能單元，利用AMESim液壓元件設(shè)計庫（HCD）中相應的模塊來搭建模型。對對中彈簧、彈簧剛度彈簧預緊力、先導壓力、閥口過流面積等主要參數(shù)進行設(shè)置。液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)匯總于表1。

在仿真軟件中將雙變量泵仿真模型、鏟斗聯(lián)閥芯仿真模型、液壓缸模型等各模塊相連接，并設(shè)置相應先導控制，構(gòu)成鏟斗聯(lián)電液比例系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。

2.2 ?AMEsim仿真驗證

給定電氣手柄先導控制信號，運行仿真模型，主閥芯位移-時間曲線如下圖6。主閥芯0.23s時開始運動，運動初期控制信號足夠大，閥芯迅速打開至最大位移，過流面積達到飽和狀態(tài)并保持一段時間，隨后位移減小，閥口調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)，實現(xiàn)液壓缸從內(nèi)縮到完全伸出狀態(tài)。閥芯逐漸減小最終保持不動，液壓缸保持在頂位一定時間。閥芯位移為負時，液壓缸開始做回縮動作。

如圖7所示為液壓缸活塞桿位移-時間曲線。由圖7可知，由于閥芯存在死區(qū)，液壓缸在0至0.93 s時處于靜止狀態(tài)，當閥芯位移量大于2.5 mm時油路才通。0.93 s時活塞開始運動，6.39 s時活塞桿近似勻速伸出至最大行程1.15 m處，保持最大伸出量狀態(tài)至8.21 s，之后液壓缸回縮，12.48 s時收縮完成。

如圖8為動作過程中，無桿腔和有桿腔壓力隨時間變化的曲線。Port1、Port2分別代表了無桿腔和有桿腔。0-0.6 s，閥芯位于死區(qū)，有桿腔壓力保持在331 bar，無桿腔壓力為0。0.6 s后，無桿腔進油，有桿腔出油，有桿腔壓力降低，無桿腔壓力上升，當無桿腔壓力克服有桿腔壓力時活塞開始移動。該過程中，由于無桿腔作用面積比有桿腔大，背壓的作用，因此有桿腔壓力始終略大于無桿腔壓力。6.4 s時液壓缸處于最大位移處，壓力迅速上升至312.7 bar。

通過實際信號的輸入，對液壓缸壓力特性、主閥以及液壓缸位移特性三者的對比分析可知，系統(tǒng)仿真模型符合真實運動，較為真實了反應了實際狀態(tài)，間接驗證了液壓仿真模型的正確性。

3 ?PID控制器設(shè)計

傳統(tǒng)PID控制存在復雜變參數(shù)、外干擾系統(tǒng)難以整定，動態(tài)響應速度慢等缺點[10]。模糊控制作為一種非線性控制的控制策略，方法靈活，適應性強，能夠適用于一些精度要求高、非線性、變參數(shù)的復雜系統(tǒng)[11]。對于挖掘機電液比例系統(tǒng)，可以結(jié)合模糊控制和PID控制，采用模糊控制原理對PID參數(shù)進行二次最優(yōu)控制，從而滿足系統(tǒng)對控制精度和智能化的要求。

模糊自整定PID控制器主要由一個模糊控制器和一個變參數(shù)PID控制器共同作用完成參數(shù)自整定。根據(jù)輸入模糊控制器的獨立變量的個數(shù)，可將其分為一維、二維、三維模糊控制器（FC）。

考慮到挖掘機穩(wěn)定性及計算機性能，選取二維模糊控制器，采用兩輸入三輸出的形式[12-14]。模糊控制器的輸入為e和ec，其中e為挖掘機鏟斗聯(lián)液壓缸位移差，e=x0-x（x0為目標位移值，x為實際位移值）。ec為偏差的變化率，ec=de/dt。輸出為PID控制器三個參數(shù)的調(diào)整值。模糊PID控制器最終輸出信號u為液壓缸活塞桿對應的比例減壓閥的控制信號，如圖9所示。規(guī)則制定主要依據(jù)工作人員或?qū)＜业膶嶋H經(jīng)驗來適當選取，模糊推理在Matlab模糊工具箱中采用Mamdain型推理算法。

4 ?AMESim-Simulink聯(lián)合仿真

基于AMESim-Simulink對鏟斗聯(lián)電液比例系統(tǒng)進行在對軟件環(huán)境設(shè)置和聯(lián)合仿真接口設(shè)置完成后，分別建立PID控制和模糊自調(diào)整控制聯(lián)合仿真模型，并確定相關(guān)控制器參數(shù)。

4.1 ?階躍信號驗證

輸入階躍信號觀察系統(tǒng)的動態(tài)特性。階躍信號參考值取1m，如圖10所示為采用傳統(tǒng)PID控制方式和采用模糊自調(diào)整PID控制方式所得到的階躍信號位移響應曲線圖。

由仿真結(jié)果可知，兩者最終穩(wěn)態(tài)誤差近似為0。采用傳統(tǒng)PID控制時，系統(tǒng)上升時間為1.92 s、穩(wěn)定時間4.72 s;采用模糊自整定PID控制方式時，系統(tǒng)上升時間為1.19 s、穩(wěn)定時間2.81 s。說明模糊自整定PID控制方式能夠比傳統(tǒng)PID控制方式更快地進行動作反應，具有更好的輸出特性。

4.2 ?正弦信號驗證

輸入正弦信號以觀察系統(tǒng)的跟蹤性能。正弦波頻率為0.2 Hz，幅值0.5 m。如圖11所示為分別兩種控制方法下位移曲線圖以及標準參考位移曲線。由圖可知，傳統(tǒng)PID控制下的系統(tǒng)輸出滯后時間為0.38 s。模糊自整定PID方法控制下系統(tǒng)的滯后時間為0.18 s。另外，采用傳統(tǒng)PID控制時存在失真情況。

如圖12所示為采用兩種控制方式時位置誤差曲線圖。與傳統(tǒng)PID控制相比，采用模糊自整定控制位置誤差變化范圍小，液壓缸外伸工況下，活塞位移最大誤差值為95.6 mm，液壓缸回縮工況下，活塞位移最大誤差值為66.7 mm。PID控制時，液壓缸外伸工況下，活塞位移最大誤差值為175.7 mm，液壓缸回縮工況下，活塞位移最大誤差值為163.2 mm。兩種控制方式的結(jié)果對比見表2。

綜上所述，相同條件下，模糊自整定PID控制比傳統(tǒng)PID控制在跟蹤性能方面具有更好的效果。

5 ?結(jié)束語

挖掘機智能化是挖掘機發(fā)展的未來趨勢。本文以SY215C8M型挖掘機鏟斗聯(lián)液壓系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對鏟斗聯(lián)系統(tǒng)進行電液比例改造和仿真驗證。進而提出采用模糊自整定PID的控制方法對挖掘機進行控制，基于AMESim-Simulink聯(lián)合仿真比較與傳統(tǒng)方法的控制效果。仿真結(jié)果表明，較于傳統(tǒng)PID控制，模糊自整定PID控制下的鏟斗聯(lián)液壓系統(tǒng)具有較快的響應速度和良好的跟蹤性能，輸出特性較好。

參考文獻

賈文華， 殷晨波， 馮勇， 吳婷婷. 多路閥控液壓系統(tǒng)在工程機械中的應用研究[J]. 機床與液壓， 2016， （4）： 70-72.

李萍. 液壓挖掘機多路閥鏟斗聯(lián)系統(tǒng)及閥內(nèi)流暢仿真研究[D]. 南京工業(yè)大學， 2013.

陳欠根， 吳偉勝， 劉文國， 張新海. 挖掘機正流量系統(tǒng)泵控信號的研究[J]. 合肥工業(yè)大學學報（自然科學版）， 2014，?（06）： 645-649.

劉偉， 徐兵， 楊華勇， 朱曉軍. LUDV多路閥的挖掘機電液流量匹配控制系統(tǒng)特性[J]. 浙江大學學報（工學版）， 2012， （08）： 1360-1368.

李拓， 杜慶楠. 基于TMS320F28335的三相感應電機矢量控制系統(tǒng)的研究[J]. 軟件， 2018， 39（3）： 130-135

尹曉落. 直流電動機的PID整定[J]. 軟件， 2012， 33（5）： 134-135

賀繼林， 馮雨萌， 楊敏， 劉鵬飛. 液壓挖掘機工作裝置電液比例控制模型的建立與研究[J]. 現(xiàn)代制造工程， 2010， （3）： 111-114.

肖晟， 強寶民. 基于對稱四通閥控非對稱液壓缸的電液比例位置控制系統(tǒng)建模與仿真[J]. 機床與液壓， 2009， 37（6）.

黎波， 嚴駿， 郭剛， 曾擁華， 彭卓. 挖掘機電液控制系統(tǒng)及其分段模型[J]. 機床與液壓， 2012， 40（17）： 64-68.

馬宏云. 挖掘機工作裝置的模糊控制及實驗研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學， 2014

范云飛， 任小洪， 袁文林. 基于并聯(lián)PID 的四旋翼飛行控制策略設(shè)計[J]. 軟件， 2015， 36（4）： 37-39

郭再泉， 黃麟， 黃堃. 基于專家系統(tǒng)模糊PID控制的液壓挖掘機節(jié)能控制研究[J]. 液壓與氣動， 2012， （11）： 54-56.

尹曉落. 直流電動機的PID整定[J]. 軟件， 2012， 33（5）： 134-135.

陳鵬偉， 劉向軍， 劉洋. 基于Simulink的無刷直流電機自抗擾控制系統(tǒng)的仿真[J]. 軟件， 2012， 33（9）： 81-84.