剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)雙油缸同步性研究

胡仕成 盧銀玲 黎新齊 肖葉萌

摘要：為減少雙油缸不同步對(duì)剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定性及安全性的影響，探究了影響雙油缸同步性能的因素，并對(duì)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。目前，大多數(shù)企業(yè)采用機(jī)械連接同步回路的方法，利用剪叉機(jī)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，在運(yùn)動(dòng)時(shí)迫使兩液壓油缸達(dá)到同步運(yùn)動(dòng)的效果，這種情況下雙油缸的同步精度不高。本文對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，采用主從式電液比例閉環(huán)控制的方法，建立了剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型，仿真結(jié)果表明同步誤差降低到6%左右。為進(jìn)一步提高控制精度，結(jié)合經(jīng)典PID控制進(jìn)行系統(tǒng)校正和同步控制，仿真結(jié)果顯示雙油缸的同步誤差有效控制在1.2%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：雙油缸同步;電液比例閉環(huán)控制;AMESim;經(jīng)典PID控制

Abstract： In order to reduce the influence of the non-synchronization of dual hydraulic cylinders on the stability and safety of the scissor aerial work platform， the factors affecting the synchronization were analyzed， and the hydraulic control system was improved. At present， most companies use the method of connecting the synchronous circuit mechanically， which forces the two hydraulic cylinders to move synchronously by using the advantage of scissor mechanism in structure. However， the synchronization precision of dual hydraulic cylinders is not good in this case. In this paper， the hydraulic system was improved by adopting the method of master-slave electro-hydraulic proportional closed-loop control， and the AMESim simulation model of the hydraulic system of the scissors aerial work platform was established. The simulation result indicates that the synchronization ?error of the dual hydraulic cylinders reaches about 6%. In order to further improve the control precision， the classical PID control was used for system calibration and synchronization control， and it shows that the synchronization error is within 1.2%.

Key words： Synchronization of dual hydraulic cylinders; Electro-hydraulic proportional closed-loop control; AMESim; Classical PID control

0 ?前言

剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)屬于高空作業(yè)平臺(tái)的一種，具有場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)、操作靈活、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于室內(nèi)外及不平整工況，可實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)工作，具有較高的穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于建筑維修、電氣維修、市政園林施工、機(jī)場(chǎng)碼頭運(yùn)輸、廣告裝潢等領(lǐng)域[1]。10m及10m以上的高空作業(yè)產(chǎn)品的需求量不斷增加，很多企業(yè)開始采用上下平行布置的雙液壓油缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制[2]。當(dāng)引入雙油缸驅(qū)動(dòng)時(shí)，剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性也變得更加復(fù)雜。剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)的機(jī)構(gòu)自由度為一，采用雙油缸驅(qū)動(dòng)時(shí)，各油缸所受載荷雖有減少，但是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的自由度數(shù)小于驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目，這種情況下會(huì)造成“驅(qū)動(dòng)冗余”，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定。目前市場(chǎng)上的大多數(shù)企業(yè)采用機(jī)械連接同步回路的方法，并且液壓系統(tǒng)多數(shù)采用開環(huán)控制，作業(yè)平臺(tái)在啟動(dòng)和停止時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，系統(tǒng)自身不能調(diào)節(jié)干擾的影響，導(dǎo)致整體同步控制精度不高，影響了其作業(yè)效果[3]。因此，對(duì)剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)雙油缸的同步控制研究具有十分重要的工程實(shí)踐意義。

1 剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)雙油缸同步控制系統(tǒng)研究

開環(huán)控制的同步系統(tǒng)性能完全依靠液壓元件如節(jié)流閥、同步閥、調(diào)速閥等元件本身的精度控制，所以不能抑制或者消除誤差，適合應(yīng)用在同步精度要求較低的場(chǎng)合。閉環(huán)同步控制系統(tǒng)在開環(huán)控制的基礎(chǔ)上加入反饋系統(tǒng)，根據(jù)輸出量不斷調(diào)節(jié)控制閥的精度不斷縮小誤差，從而完成同步控制[4]。為更好的提高液壓系統(tǒng)的同步性，保障平臺(tái)快速穩(wěn)定的工作，對(duì)液壓控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制的方式。通常采用的閉環(huán)同步控制方式分為兩種：“同等方式”和“主從方式”[5]?！巴确绞健笔侵杆袌?zhí)行元件同時(shí)跟蹤既定的基準(zhǔn)輸出達(dá)到同步驅(qū)動(dòng)的目的，但是此方法要求各控制元件、執(zhí)行元件、檢測(cè)元件、反饋元件等之間有較好的匹配效果，雖然同步精度高，但是控制方式的實(shí)現(xiàn)難度較大，給工程應(yīng)用增加了難度。“主從方式”是指在需要完成同步的元件中選定一個(gè)輸出為理想輸出，其它執(zhí)行元件跟蹤這一理想輸出并達(dá)到同步驅(qū)動(dòng)的目的。綜合控制效果和控制成本，本文采用主從閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行雙油缸的同步控制，其控制原理圖如圖1所示。通過大量的文獻(xiàn)資料查詢并結(jié)合實(shí)際工況，最終選用電液比例閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行雙油缸的同步控制，它不但控制精度較高，而且性能安全、造價(jià)低[6，7]。

2 剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)雙油缸同步控制系統(tǒng)建模與仿真

AMESim是一款多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)軟件，主要應(yīng)用于仿真及動(dòng)力學(xué)分析、液壓系統(tǒng)和機(jī)械建模，能夠?yàn)橄到y(tǒng)控制、熱傳動(dòng)、流體動(dòng)力提高較好的仿真環(huán)境[8]。本文利用AMESim軟件搭建雙油缸同步控制系統(tǒng)的仿真模型，各液壓元件參數(shù)如表1所示，仿真模型如圖2所示。液壓系統(tǒng)采用的是“主從方式”的同步閉環(huán)控制，選定下起升油缸為主動(dòng)液壓缸，作為理想輸出，上起升油缸為從動(dòng)液壓缸，在工作過程中，位移傳感器檢測(cè)到從動(dòng)液壓缸的位移與主動(dòng)液壓缸位移之間的偏差時(shí)，用偏差信號(hào)控制電液比例方向閥，改變閥開口量，使得從動(dòng)液壓缸的輸出與理想液壓缸的輸出相適應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙油缸運(yùn)動(dòng)同步的效果。仿真結(jié)果如圖3所示。

仿真結(jié)果分析：下起升油缸從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)需要21.69s，上起升油缸從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)需要23.12s，上下油缸動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)整時(shí)間差為1.43s，雙油缸的同步誤差為6.19%。由仿真結(jié)果可知此液壓系統(tǒng)是合理有效的，但是同步精度仍然不高。

3 經(jīng)典PID優(yōu)化建模仿真

為取得較高的同步控制效果，采用經(jīng)典PID控制進(jìn)行系統(tǒng)的校正。經(jīng)典PID控制器是一種線性控制器，因其算法簡(jiǎn)單、可靠性高、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)工程中[9]，其控制原理如圖4所示。在控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性以及快速響應(yīng)性三者之間往往互相制約，難以同時(shí)取得最優(yōu)，因此需要求得PID參數(shù)的最優(yōu)解。選用絕對(duì)誤差作為PID的優(yōu)化指標(biāo)，絕對(duì)誤差積分取得最小值時(shí)的PID參數(shù)即為系統(tǒng)最優(yōu)解。

仿真結(jié)果分析：PID校正后下起升油缸從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)18.4s，上起升油缸從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)19.02s，上下油缸動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)整時(shí)間差為0.62s，雙油缸的同步誤差減小到1.19%。與未加入經(jīng)典PID校正的系統(tǒng)相比，下起升油缸的調(diào)整時(shí)間縮短了3.29s，上起升油缸的調(diào)整時(shí)間縮短了4.1s，上下油缸動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)整時(shí)間差縮短了0.81s，雙油缸的同步誤差減小5%。仿真結(jié)果表明，加入經(jīng)典PID控制在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及雙油缸同步性能方面效果顯著。

4 結(jié)論

（1）對(duì)剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)的雙液壓缸同步效果而言，傳統(tǒng)的采用機(jī)械連接同步回路與開環(huán)控制相結(jié)合的控制精度并不高且系統(tǒng)穩(wěn)定性差，本文采用主從式電液比例閉環(huán)控制的方法有效的提高了剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)雙液壓缸的同步性能，使得系統(tǒng)響應(yīng)比較平穩(wěn)，同步誤差控制在6%左右;

（2）與經(jīng)典PID控制相結(jié)合，降低了外界干擾對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的破壞程度，并且能夠更快速的做出響應(yīng)，縮短上下油缸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，將雙液壓缸的同步誤差有效控制在1.2%以內(nèi)，性能良好。

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