挖掘裝載機(jī)工作裝置機(jī)電液控制系統(tǒng)集成仿真優(yōu)化

李 磊,徐大鵬,周宏根,袁春元,劉 迪,周嘉圣

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212100)

挖掘裝載機(jī)作為典型的工程機(jī)械產(chǎn)品,一般依靠駕駛?cè)藛T手動(dòng)控制多路閥口液壓流量來驅(qū)動(dòng)油缸完成挖掘、裝載、破碎等工作,由于工作載荷復(fù)雜多變,造成工作效率不高、操作費(fèi)力,整體操控性能較差．

為了提高挖掘裝載機(jī)控制的智能化程度,改善操縱性能,開展了深入研究.文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)新的液壓控制方式和液壓補(bǔ)償裝置,實(shí)現(xiàn)了工作裝置快速、精確、穩(wěn)定的控制,其油缸最大位移誤差為3 cm.文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)一種新的液壓系統(tǒng)操控手柄,實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)工作裝置位置的精確控制.文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)挖掘裝載機(jī)的觸覺控制器,經(jīng)過試驗(yàn)分析,在中等反饋力時(shí),得到最佳的控制性能,從而提高了其人機(jī)交互性能.文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)挖掘機(jī)的新型觸覺控制器和控制算法,實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)的遠(yuǎn)程控制,挖掘力可以通過觸覺裝置反饋給操作者.隨著視覺技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，文獻(xiàn)[5]研發(fā)出頭戴式觀察器以及便攜式遙控裝置,實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)的遠(yuǎn)程遙控,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種控制方式使得挖掘機(jī)的工作時(shí)間減少了12.5%,進(jìn)一步提高了工作效率.文獻(xiàn)[6]提出一種自動(dòng)挖掘機(jī)器人,包括各種硬件和軟件模塊的設(shè)計(jì),通過GPS和傳感器獲取挖掘機(jī)的工作狀態(tài),控制器得到反饋信息后,發(fā)出相應(yīng)的工作指令,控制其完成作業(yè)任務(wù)．為實(shí)現(xiàn)工作裝置智能控制,主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)多路閥閥芯位移的智能控制,文獻(xiàn)[7-11]利用PLC、單片機(jī)為控制器,實(shí)現(xiàn)了裝載工作裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),但其不能同時(shí)驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂和鏟斗油缸工作,也沒有進(jìn)一步驗(yàn)證方案可行性．文獻(xiàn)[12-17]在特殊條件、重載情況下實(shí)現(xiàn)油缸平穩(wěn)、準(zhǔn)確、快速控制,為挖掘裝載機(jī)液壓系統(tǒng)穩(wěn)定控制提供了技術(shù)支持．為了降低研發(fā)成本,提高設(shè)計(jì)效率,文獻(xiàn)[18-20]利用ADAMS、AMESim、MATLAB建立聯(lián)合仿真模型,并驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性,仿真分析可以找出各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)影響規(guī)律．雖然國(guó)內(nèi)開展了一些工程機(jī)械智能化控制技術(shù)研究,但缺乏實(shí)際應(yīng)用案例和應(yīng)用效果分析,已經(jīng)成為制約我國(guó)工程機(jī)械發(fā)展的瓶頸問題之一．

文中以挖掘裝載機(jī)裝載工作裝置為研究對(duì)象,分析其不同工況下的載荷變化情況,建立其機(jī)械系統(tǒng)模型、載荷變化函數(shù)和機(jī)電液比例控制模型;設(shè)計(jì)模糊PID控制器實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)多路閥口流量智能控制,通過機(jī)電液集成仿真,分析和優(yōu)化挖掘裝載機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)精度和控制效果．

1 挖掘裝載機(jī)工作過程分析

挖掘裝載機(jī)工作裝置裝卸物料工作循環(huán)由水平插入、地面收斗、重載運(yùn)輸、上限舉升、高位卸料以及動(dòng)臂歸位6個(gè)動(dòng)作構(gòu)成．根據(jù)物料在鏟斗的位置可以分為正載工況和偏載工況．文中采用對(duì)稱工況對(duì)其進(jìn)行載荷分析,為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)合仿真提供基礎(chǔ)．

水平插入工況和地面收斗工況統(tǒng)稱為鏟掘工況．在鏟掘工況下,挖掘裝載機(jī)裝載工作裝置主要承受插入阻力載荷、掘起阻力載荷和物料重力．

(1) 插入阻力

當(dāng)機(jī)器驅(qū)動(dòng)鏟斗插入物料堆時(shí),物料會(huì)對(duì)鏟斗產(chǎn)生一個(gè)作用在斗齒上的反向作用力,即插入阻力．其總的插入阻力[21]:

(1)

式中:K1為物料類型影響系數(shù);K2為物料堆放形式影響系數(shù);K3為物料顆粒大小的影響系數(shù)度影;K4為鏟斗容積影響系數(shù);B為斗寬;LC為插入深度．

根據(jù)挖掘裝載機(jī)性能參數(shù),在對(duì)稱載荷下,鏟斗水平插入階段,物料會(huì)對(duì)鏟斗產(chǎn)生一個(gè)對(duì)稱的水平方向插入阻力,由于鏟斗依靠挖掘裝載機(jī)牽引力鏟入物料堆,插入阻力受發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力和整機(jī)地面附著力影響,最大插入阻力計(jì)算公式可表達(dá)為[21]:

PX=FKMAX-Ff≤Gφ·φ

(2)

Ff=Gφ·f

(3)

式中:FKMAX為發(fā)動(dòng)機(jī)最大牽引力,FKMAX=54 000 N;Ff為摩擦阻力;φ為地面附著系數(shù);f為摩擦阻力系數(shù),這里取f=0.02;Gφ為整機(jī)自重,Gφ=7 930 kg．

(2) 掘起阻力

鏟斗插入物料堆后,鏟斗繞動(dòng)臂鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)至下限位置進(jìn)行收斗作業(yè)時(shí),受物料重力影響,鏟斗會(huì)受到一個(gè)始終垂直于斗面的掘起阻力，掘其極值出現(xiàn)在地面收斗作業(yè)開始時(shí)刻,此時(shí)物料重心最低,隨著鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng),物料重心逐漸靠近鏟斗重心,掘起阻力也隨之變化．掘起阻力同樣存在諸多影響因素,如斗面尺寸、物料種類以及堆放形式等,具體表達(dá)為[21]:

Fy=2.2KBLC

(4)

式中:K為物料影響系數(shù);LC為插入深度．

在地面收斗工況下,鏟斗受到垂直于斗面的對(duì)稱掘起力作用,影響掘起力大小的主要因素是整機(jī)的穩(wěn)定性,最大掘起力為[21]:

(5)

式中:L為整機(jī)重心與受力支點(diǎn)的距離,L=1 600 mm;I為鏟斗受載位置與整機(jī)受力支點(diǎn)的距離,I=2 546 mm．

基于ADAMS軟件,建立工作裝置機(jī)械系統(tǒng)模型,并施加載荷力,如圖1．其中,PX、PY、GW分別為工作裝置插入阻力、掘起阻力和物料重力．PX作用點(diǎn)位于鏟斗中心斗齒上,力的方向水平向左;PY作用點(diǎn)位于插入阻力后100 mm處,垂直于斗面;GW物料重力作用點(diǎn)位于鏟斗重心,豎直向下．

圖1 裝載工作裝置模型Fig.1 Load working device model

設(shè)定裝載工作裝置工作順序?yàn)?水平插入、掘起、舉升、卸料、復(fù)位．其中,插入阻力、掘起阻力和物料重力變化如圖2．

圖2 載荷變化曲線Fig.2 Load change curve

2 機(jī)電液比例液壓系統(tǒng)建模

結(jié)合工作裝置精確高效控制需求,對(duì)現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)工作裝置電液比例液壓系統(tǒng)如圖3．

1-動(dòng)臂油缸,2-轉(zhuǎn)斗油缸,3-單向閥,4-溢流閥,5-鏟斗換向閥,6、7-鏟斗電液比例減壓閥,8-動(dòng)臂換向閥,9、10-動(dòng)臂電液比例減壓閥,11-主回路液壓泵,12-主回路溢流閥,13-控制回路溢流閥,14-控制回路液壓泵

分析其液壓系統(tǒng)控制穩(wěn)定性,并基于AMESim軟件建立其液壓系統(tǒng)模型如圖4．

圖4 AMESim工作裝置液壓系統(tǒng)Fig.4 AMESim working device hydraulic system

液壓系統(tǒng)包括主液壓回路和輔助液壓回路．主液壓回路為工作裝置提供動(dòng)能,輔助液壓系統(tǒng)控制主回路多路閥閥芯位移．動(dòng)臂換向閥、轉(zhuǎn)斗換向閥分別控制動(dòng)臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸,實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂和鏟斗工作動(dòng)作．控制比例減壓閥控制電壓,從而控制多路閥的閥芯位移,驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗油缸工作,實(shí)現(xiàn)工作轉(zhuǎn)置定軌跡運(yùn)動(dòng)．

系統(tǒng)中,兩個(gè)電液比例減壓閥和一個(gè)液動(dòng)換向閥組合成一個(gè)電液比例換向閥．利用AMESim建立工作裝置液壓系統(tǒng)模型并設(shè)置各元件相關(guān)參數(shù),在此基礎(chǔ)上分別建立與ADAMS和MATLAB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口．考慮到裝載工作裝置在工作過程中動(dòng)臂和鏟斗油缸角度波動(dòng)較大,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定控制,為此這里采用油缸的位移傳感器．

3 基于模糊PID的控制算法設(shè)計(jì)

工作裝置工作過程不僅有物料的重力,而且有插入載荷和崛起載荷,在不同工況下載荷是變化的,因此,控制算法直接影響工作裝置的工作效果．文中設(shè)計(jì)傳統(tǒng)PID和模糊PID兩種控制算法，并進(jìn)行分析比較．

為了提高系統(tǒng)控制效果,采用液壓缸位移模糊PID控制器,由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PID控制器、模糊推理器和油缸位移傳感器組成,具體結(jié)構(gòu)如圖5．其中,被控對(duì)象由多路閥、比例減壓閥、液壓泵和液壓缸組成;U(t)為比例減壓閥控制電壓,通過控制其出口壓力值,進(jìn)而控制多路閥閥芯位移,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸位移的控制．控制器在運(yùn)行過程中不斷檢測(cè)油缸位移經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào),與操作桿輸入電壓信號(hào)比較得到偏差e和偏差變化率ec,實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制參數(shù)輸出適當(dāng)驅(qū)動(dòng)的電壓控制油缸位移．

圖5 液壓缸位移控制原理Fig.5 Hydraulic cylinder displacement control schematic

將油缸位移所需流量大小轉(zhuǎn)化為電液比例閥控制電壓大小的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)電壓,并作為模糊PID輸入設(shè)定值;將操作桿輸出的位移電壓信號(hào)與油缸傳感器測(cè)量電壓信號(hào)比較的偏差e和偏差變化率ec作為PID器的輸入語言變量．隸屬函數(shù)為zmf、trimf、smf分布函數(shù)．其模糊子集定義為:{正大(PB)，正中(PM)，正小(PM)，零(ZO)，負(fù)小(NS)，負(fù)中(NM)，負(fù)大(NB)},e對(duì)應(yīng)的論域?yàn)閇-6,6],ec對(duì)應(yīng)的論域?yàn)閇-3,3];KP、KD、KI變量的模糊子集定義為{正大(PB)，正中(PM)，正小(PM)，零(ZO)，負(fù)小(NS)，負(fù)中(NM)，負(fù)大(NB)},對(duì)應(yīng)的論域?yàn)閇-6,6]．動(dòng)臂比例因子Ke1=133.3，Kec1=13.3，KP1=100，KI1=15，KD1=10;轉(zhuǎn)斗油缸比例因子Ke2=107.8，Kec2=14.7，KP2=60，KI2=10，KD2=5．參數(shù)整定公式為:

(6)

式中:KP0、KI0、KD0為PID參數(shù)的設(shè)計(jì)值;ΔkP(k)、ΔkI(k)、ΔkD(k)為模糊控制器輸出值．輸入隸屬度函數(shù)如圖6,7.

圖6 模糊論域-偏差eFig.6 Fuzzy domain-deviation value(e)

圖7 模糊論域-偏差變化率ecFig.7 Fuzzy domain-rate of change of deviation(ec)

4 機(jī)電液聯(lián)合仿真分析

裝載工作裝置是機(jī)電液復(fù)雜系統(tǒng),要求精確地對(duì)其機(jī)械、液壓和控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，可通過ADAMS、AMESim和MATLAB軟件進(jìn)行系統(tǒng)集成仿真分析并對(duì)仿真接口進(jìn)行設(shè)置．基于ADAMS、AMESim和MATLAB軟件搭建集成仿真環(huán)境(圖8),分別建立工作裝置機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)模型;集成仿真環(huán)境以MATLAB平臺(tái)為核心,在ADAMS中建立工作裝置機(jī)械系統(tǒng)模型,并加載機(jī)械載荷,求解動(dòng)力學(xué)方程輸出油缸位移、速度信息,通過相應(yīng)的軟件接口傳輸給MATLAB和AMESim軟件．AMESim通過搭建液壓系統(tǒng)模型輸出液壓缸壓力和力矩,MATLAB控制液壓驅(qū)動(dòng)力的輸出．

圖8 機(jī)電液集成仿真模型及其數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系Fig.8 Electromechanical and liquid integrated simulation model and its data transfer relationship

針對(duì)裝載機(jī)工作裝置的載荷多變情況,需考慮其實(shí)際載荷下的控制效果．在空載狀態(tài)下,設(shè)置PID和模糊PID控制參數(shù),添加極限插入阻力、極限掘起阻力和物料重力,模擬工作裝置實(shí)際工作過程,從而驗(yàn)證液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的控制效果和控制方案可行性．具體分析空載和定載荷工況下的轉(zhuǎn)斗油缸和動(dòng)臂油缸的控制效果:

(1) 空載工況

分析轉(zhuǎn)斗油缸位移曲線(圖9)和油缸壓力變化(圖10,11),掘起、卸料和復(fù)位工況在模糊PID控制下轉(zhuǎn)斗油缸的油壓變化大于傳統(tǒng)PID控制下液壓缸油壓變化,即模糊PID控制下的液壓缸響應(yīng)速度快,滯后時(shí)間小于傳統(tǒng)PID控制下的液壓缸,雖然其在部分時(shí)間會(huì)出現(xiàn)振蕩,但整體控制效果好．在兩種控制器作用下,轉(zhuǎn)斗油缸在掘起、卸料、復(fù)位工況下的滯后時(shí)間進(jìn)行對(duì)比(表1)．

圖9 轉(zhuǎn)斗油缸位移Fig.9 Rotary cylinder displacement

圖10 傳統(tǒng)PID控制油缸油壓Fig.10 PID control cylinder oil pressure

圖11 模糊PID控制油缸油壓Fig.11 Fuzzy PID control cylinder oil pressure

表1 空載轉(zhuǎn)斗油缸控制效果對(duì)比Table 1 Comparison of control effects of no-load rotary cylinder

分析動(dòng)臂油缸位移曲線(圖12)和油缸壓力變化(圖13,14),在插入階段初期,同轉(zhuǎn)斗油缸一樣出現(xiàn)振蕩;舉升工況下,傳統(tǒng)PID控制油壓變化小于模糊PID控制的油壓變化,模糊PID控制下的液壓缸響應(yīng)速度更快;復(fù)位工況下,模糊PID控制下液壓缸油壓變化比較大,波動(dòng)后位移跟蹤能力更好．從整體控制效果看,模糊PID控制響應(yīng)速度快,滯后時(shí)間短(表2)．

圖12 動(dòng)臂油缸位移Fig.12 Boom cylinder displacement

圖13 PID控制油缸油壓Fig.13 PID control cylinder oil pressure

圖14 模糊PID控制油缸油壓Fig.14 Fuzzy PID control cylinder oil pressure

表2 空載動(dòng)臂油缸控制效果對(duì)比Table 2 Comparison of control effects of no-load boom cylinder

(2) 定載荷工況

進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)斗油缸位移曲線(圖15),在插入工況后位移“先凹后凸”,插入阻力在3 s減小為零,而此時(shí)轉(zhuǎn)斗上設(shè)置的物料重力和掘起阻力從零慢慢增加,油缸保持原有的油壓,即油壓大,液壓缸被壓縮;而在實(shí)際裝載過程中,鏟斗在3 s后已經(jīng)插入物料中,鏟斗被物料“夾緊”所以不會(huì)出現(xiàn)該現(xiàn)象．從總體來看傳統(tǒng)PID控制下液壓缸響應(yīng)速度慢(圖16，17)．表3為定載荷下掘起、卸料工況的兩種控制器作用下的滯后時(shí)間對(duì)比．總之，模糊PID滯后時(shí)間短，控制效果更好.

圖15 轉(zhuǎn)斗油缸位移Fig.15 Rotary cylinder displacement

圖16 PID控制油缸油壓Fig.16 PID control cylinder oil pressure

圖17 模糊PID控制油缸油壓Fig.17 Fuzzy PID control cylinder oil pressure

表3 定載轉(zhuǎn)斗油缸控制效果對(duì)比Table 3 Comparison of control effects of fixed-load rotary cylinder

定載轉(zhuǎn)斗油缸崛起過程中，傳統(tǒng)PID比模糊PID延遲控制0.2 s，卸料過程延遲控制0.08 s．

分析動(dòng)臂油缸位移曲線(圖18),插入和掘起工況,此處設(shè)置插入阻力和掘起阻力值都是工作裝置極限載荷,在0～2.8 s時(shí),插入阻力逐漸增加,在2.8～3 s由最大值變?yōu)榱?在仿真時(shí)沒有考慮物料對(duì)鏟斗支持力,所以在該工況時(shí)動(dòng)臂油缸被壓縮量比較大;而實(shí)際工作不會(huì)出現(xiàn)那么大的油缸壓縮量．在插入和掘起工況時(shí),從油壓曲線(圖19，20)可以看出,傳統(tǒng)PID和模糊PID控制效果一樣;舉升時(shí)模糊PID控制油壓變化大于傳統(tǒng)PID控制的油缸油壓,雖然模糊PID控制油缸油壓有波動(dòng),但液壓缸運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn);傳統(tǒng)PID控制與期望位移相差25.33 mm,模糊PID控制與期望相差6.58 mm；定載動(dòng)臂油缸舉升過程中傳統(tǒng)PID比模糊PID延遲控制0.13 s(表4)．

圖18 動(dòng)臂油缸位移Fig.18 Boom cylinder displacement

圖19 PID控制油缸油壓Fig.19 PID control cylinder oil pressure

圖20 模糊PID控制油缸油壓Fig.20 Fuzzy PID control cylinder oil pressure

表4 定載動(dòng)臂油缸控制效果對(duì)比Table 4 Comparison of control effects of fixed-load boom cylinder

綜合分析空載和定載荷仿真結(jié)果,在重載且載荷變化的情況下,模糊PID控制響應(yīng)速度更快,且控制的誤差更小,總體控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PID．

5 結(jié)論

(1) 通過ADAMS、AMESim和MATLAB軟件集成,構(gòu)建了挖掘裝載機(jī)工作裝置聯(lián)合仿真模型,實(shí)現(xiàn)了工作裝置機(jī)械、液壓和控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真．

(2) 設(shè)計(jì)挖掘裝載機(jī)工作裝置模糊PID控制器,實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)多路閥口流量智能控制,并分析了其運(yùn)動(dòng)精度和控制效果,仿真結(jié)果表明:模糊PID控制響應(yīng)速度快,控制效果比傳統(tǒng)PID控制效果好．