蔡宛濤,喻瑞波,胡盈真,李東雨
(1.河南省特種設(shè)備安全檢測研究院,鄭州 450000;2.南陽防爆電氣研究所有限公司,南陽 473000)
叉車是目前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的車輛,叉車結(jié)合了垂直提升技術(shù)和水平運輸技術(shù),具有運輸、起重以及裝卸的重要作用。叉車目前廣泛應(yīng)用于物流配送、廠礦等應(yīng)用中。叉車的機動靈活性是評價其性能的重要指標(biāo),常規(guī)叉車僅可在寬敞作業(yè)環(huán)境中工作。伴隨叉車應(yīng)用性不斷提升,叉車的應(yīng)用范圍擴大至軍工、煤礦等場所中。叉車應(yīng)用于特殊環(huán)境時,常規(guī)叉車已經(jīng)無法滿足特殊環(huán)境中叉車的應(yīng)用需求。全向側(cè)面防爆叉車的出現(xiàn)解決了常規(guī)叉車無法滿足特殊環(huán)境作業(yè)的問題。
全向側(cè)面防爆叉車可應(yīng)用于易燃易爆環(huán)境中,在高密度以及狹小環(huán)境中,仍然可以實現(xiàn)高效作業(yè)。全向側(cè)面防爆叉車是結(jié)合了吊裝、叉裝等眾多功能的全面型叉車。全向側(cè)面防爆叉車選取防爆蓄電池作為叉車運行提供能源,防爆蓄電池具有降低環(huán)境污染、使用成本低以及噪聲較小的特點。防爆蓄電池利用較高的環(huán)境適應(yīng)能力,在特殊環(huán)境中仍然具有較高的應(yīng)用性能[1]。全向側(cè)面防爆叉車可以解決狹小空間中,長體物品的搬運問題,全向側(cè)面防爆叉車相比于普通叉車,增加了縱橫向行駛功能。液壓馬達是全向側(cè)面防爆叉車行駛過程中的關(guān)鍵執(zhí)行元件,液壓馬達的控制性能決定了全向側(cè)面防爆叉車的運行性能。液壓馬達控制性能較低時,容易造成全向側(cè)面防爆叉車能量損失嚴(yán)重,液壓元件高溫以及發(fā)熱的情況,影響全向側(cè)面防爆叉車的防爆需求。
模糊控制方法具有超調(diào)小的特點,廣泛應(yīng)用于汽車動力傳動系統(tǒng)中。模糊控制方法僅采用模糊信息處理方法,容易造成自適應(yīng)能力差的缺陷。由于模糊控制中整定量化因子的過程過于復(fù)雜,模糊控制參數(shù)整定問題較為困難。目前針對液壓馬達控制的研究較多,王曉晶等人將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于液壓馬達的模糊控制中[2];沈偉等人利用自適應(yīng)魯棒積分實現(xiàn)液壓馬達的伺服位置控制[3]。以上兩種方法均可以實現(xiàn)液壓馬達的有效控制,但是不具有普適性,應(yīng)用范圍受到限制。研究全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達自適應(yīng)模糊控制技術(shù),通過實驗驗證采用該技術(shù)控制液壓馬達,具有較高的低速穩(wěn)定性,同時具有較高的傳動效率,令全向側(cè)面防爆叉車應(yīng)用過程中穩(wěn)定運行,提升全向側(cè)面防爆叉車的運行安全性。
將全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達的伺服系統(tǒng)作為自適應(yīng)控制技術(shù)的控制目標(biāo)。不考慮全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達運行過程中的結(jié)構(gòu)柔度以及彈性負(fù)載,對叉車運行的影響,建立以流量為輸入,全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達的轉(zhuǎn)角動態(tài)方程表達式如式(1)所示:
式(1)中,Lm與q0分別表示液壓馬達排量與伺服閥的空載流量;Kce與Vt分別表示液壓馬達的總流量與液壓馬達容積;ηe與ωh分別表示有效體積彈性模量以及液壓固有頻率;TL與ζh分別表示液壓馬達軸上的隨機外負(fù)載力矩以及液壓阻尼比。
通過式(1)獲取全向側(cè)面防爆叉車閥控液壓馬達的傳遞函數(shù)表達式如式(2)所示:
利用二階振蕩環(huán)節(jié)表示全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達的伺服閥的傳遞函數(shù),可得表達式如式(3)所示:
式(3)中,Ksv與ωsv分別表示液壓馬達伺服閥的流量增益以及固有頻率;Δl與ζsv分別表示液壓流量變化以及伺服閥阻尼比。
可得全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達的齒輪減速傳動比表達式如式(4)所示:
式(4)中,αm與βm分別表示液壓馬達轉(zhuǎn)角以及輸出軸轉(zhuǎn)角。
全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達中,減速齒輪與絲杠的傳遞函數(shù)表達式如式(5)所示:
式(5)中,Xp表示齒輪轉(zhuǎn)速。
利用模糊PID控制器作為全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達的控制方法,控制所建立全面?zhèn)让娣辣孳囈簤厚R達的數(shù)學(xué)模型。模糊PID控制方法是傳統(tǒng)PID控制方法基礎(chǔ)上,實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制的重要方法??墒褂媚:齈ID控制方法的調(diào)節(jié)參數(shù)整定,實現(xiàn)全面?zhèn)让娣辣孳囈簤厚R達的控制需求。
全面?zhèn)让娣辣孳囈簤厚R達實際控制過程中,伺服執(zhí)行機構(gòu)容易受到工作環(huán)境以及外部負(fù)載影響,導(dǎo)致全面?zhèn)让娣辣孳囈簤厚R達工作過程中,執(zhí)行結(jié)構(gòu)參數(shù)不斷改變。利用模糊PID控制器實時調(diào)整全面?zhèn)让娣辣孳囈簤厚R達的指定機構(gòu),實現(xiàn)PID控制參數(shù)的在線調(diào)節(jié),提升全面?zhèn)让娣辣孳囈簤厚R達的控制性能。
利用模糊PID控制器控制全面?zhèn)让娣辣孳囈簤厚R達,控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
通過圖1模糊PID控制器控制結(jié)構(gòu)圖可以看出,設(shè)置液壓馬達實時輸出的偏差e以及液壓馬達輸出的偏差變化率e˙為模糊推理的輸入。依據(jù)參數(shù)e與e˙,隨著液壓馬達運行時間變化,利用模糊推理規(guī)則,在線修正PID控制參數(shù)中的Kp、Kl與KD,利用修正后的PID控制參數(shù),實現(xiàn)全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達的自適應(yīng)控制。
圖1 模糊PID控制器控制結(jié)構(gòu)圖
模糊控制算法中的隸屬度函數(shù)確定是決定控制性能的重要部分。隸屬度函數(shù)曲線具有較大斜率時,液壓馬達伺服系統(tǒng)的分辨率較高[4],此時控制器對系統(tǒng)的誤差響應(yīng)靈敏度較高;隸屬度函數(shù)曲線的斜率較小時,模糊PID控制器對液壓馬達伺服系統(tǒng)控制誤差的響應(yīng)靈敏度較低,但是提升了液壓馬達伺服系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性。隸屬度函數(shù)的選擇對于自適應(yīng)模糊控制器的控制性能影響極大??紤]全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達伺服系統(tǒng)誤差較大時,控制靈敏度仍然較高。選取Z形函數(shù)作為模糊PID控制算法的模糊子集的負(fù)大(NB)函數(shù),可得負(fù)大的隸屬度函數(shù)表達式如式(6)所示:
式(6)中,x與y分別表示模糊PID控制的輸出以及輸出,a、b與c均為模糊控制參數(shù)。
選取S形函數(shù)作為正大(PB)的隸屬度函數(shù),可得正大的隸屬度函數(shù)的表達式如式(7)所示:
選取三角形函數(shù)作為模糊控制算法中,其他子集的隸屬度函數(shù),可得表達式如式(8)所示:
全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達伺服系統(tǒng)輸入變量的隸屬度函數(shù)利用MATLAB軟件中的Fuzzy模塊繪制。
模糊PID控制器的模糊控制規(guī)則中的最佳修正因子確定屬于非線性優(yōu)化過程,最佳修正因子在實際應(yīng)用中較難確定。利用粒子群優(yōu)化算法修正模糊控制規(guī)則,令全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達實際運行中,動態(tài)調(diào)整模糊控制器修正因子,實現(xiàn)自適應(yīng)模糊控制技術(shù)的優(yōu)化。
用ε表示修正因子,可得模糊控制規(guī)則的修正規(guī)則表達式如式(9)所示:
通過式(9)可以看出,液壓馬達實時輸出的偏差e以及液壓馬達輸出的偏差變化率e˙的加權(quán),伴隨修正因子的調(diào)整存在變化。自適應(yīng)模糊控制技術(shù)實際運行中,依據(jù)液壓馬達的實際運行狀況,設(shè)定不同的修正因子。
選取最佳的修正因子,改善自適應(yīng)模糊控制技術(shù),利用粒子群優(yōu)化算法快速搜尋最優(yōu)修正因子,實現(xiàn)控制規(guī)則的實時調(diào)整。選取ITAE積分性能指標(biāo),作為評價全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達控制性能的指標(biāo),可得粒子群優(yōu)化自適應(yīng)模糊控制的目標(biāo)函數(shù)表達式如式(10)所示:
式(10)中,T與E分別表示時間與誤差,I與A分別表示積分以及誤差絕對值;J(ITAE)表示加權(quán)處理的誤差函數(shù)積分值。
利用ITAE積分衡量自適應(yīng)模糊控制性能,該指標(biāo)可展示液壓馬達伺服系統(tǒng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間以及穩(wěn)態(tài)誤差等指標(biāo)。
將式(10)轉(zhuǎn)化為離散形式,可得表達式如式(11)所示:
式(11)中,λ表示粒子群優(yōu)化算法獲取的粒子適應(yīng)度值。
采用粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達的模糊PID控制器的模糊規(guī)則修正過程,實現(xiàn)自適應(yīng)模糊控制過程如下:
1)利用粒子群優(yōu)化算法的粒子表示模糊控制器的修正因子,初始化粒子群內(nèi)的n個粒子。粒子群內(nèi)粒子的初始位置以及初始速度為隨機生成;
2)依據(jù)粒子當(dāng)前位置以及當(dāng)前速度生成粒子的新位置;
3)計算各粒子運動至新位置的適應(yīng)度值,求解新位置各粒子與自適應(yīng)模糊控制技術(shù)的ITAE積分性能指標(biāo)。新位置的積分性能指標(biāo)優(yōu)于原粒子時,利用粒子的新位置代替原有位置[5],新位置的個體最優(yōu)解設(shè)置為此時粒子群算法的當(dāng)前適應(yīng)度;
4)依據(jù)粒子群內(nèi)各粒子的個體最優(yōu)解,獲取自適應(yīng)模糊控制技術(shù)的全局最優(yōu)解;
5)更新粒子群內(nèi)各粒子的速度與位置;
6)判斷是否滿足自適應(yīng)模糊控制的終止條件,滿足時,轉(zhuǎn)至下一步;否則返回至步驟3)
7)輸出當(dāng)前的最優(yōu)粒子位置,該粒子輸出結(jié)果即優(yōu)化后自適應(yīng)模糊控制技術(shù)中模糊控制器的修正因子。采用輸出的修正因子調(diào)整自適應(yīng)模糊控制的控制規(guī)則,利用完成優(yōu)化的自適應(yīng)模糊控制技術(shù)控制全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達。
為了驗證所研究全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達自適應(yīng)模糊控制技術(shù)對全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達的控制性能,將該技術(shù)應(yīng)用于某全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達中,利用MATLAB軟件建立全向側(cè)面防爆叉車模型。通過全向側(cè)面防爆叉車模型的運行結(jié)果,驗證本文技術(shù)的自適應(yīng)控制性能。
所建立全向側(cè)面防爆叉車模型的基本參數(shù)如表1所示。
表1 全向側(cè)面防爆叉車參數(shù)
叉車為空載狀態(tài)時,采用本文技術(shù)控制全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達的控制結(jié)果如圖2所示。
圖2 空載時控制結(jié)果
通過圖2實驗結(jié)果可以看出,全向側(cè)面防爆叉車為空載工況時,采用本文技術(shù)控制全向側(cè)面防爆叉車,橫擺角速度波動性明顯小于采用PID控制技術(shù)以及采用模糊PID控制技術(shù)時。相比于單一控制技術(shù),本文技術(shù)可以在全向側(cè)面防爆叉車空載狀況時,獲取良好的控制效果,提升全向側(cè)面防爆叉車的運行安全性。采用本文技術(shù)控制全向側(cè)面防爆叉車的橫擺角速度以及車身側(cè)傾角明顯低于采用PID控制技術(shù)以及采用模糊PID控制技術(shù),驗證本文技術(shù)具有良好的控制效果。
叉車為滿載狀態(tài)時,采用本文技術(shù)控制全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達的控制結(jié)果如圖3所示。
圖3 滿載時控制結(jié)果
通過圖3實驗結(jié)果可以看出,全向側(cè)面防爆叉車為滿載工況時,采用本文技術(shù)控制全向側(cè)面防爆叉車的橫擺角速度以及車身側(cè)傾角均小于未采用模糊控制以及采用模糊PID控制技術(shù)時。實驗結(jié)果驗證本文技術(shù)可以實現(xiàn)全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達的有效控制,降低全向側(cè)面防爆叉車運行時候的側(cè)傾角變化,令全向側(cè)面防爆叉車維持穩(wěn)定運行狀況。同時本文技術(shù)具有良好的橫向控制穩(wěn)定性,相比于僅采用PID控制技術(shù)以及采用模糊PID控制技術(shù),本文技術(shù)具有更優(yōu)的自適應(yīng)控制效果,可以保證全向側(cè)面防爆叉車穩(wěn)定運行。
統(tǒng)計采用本文技術(shù)控制全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達,不同轉(zhuǎn)速情況以及不同壓力變化時,液壓馬達的機械效率統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。
圖4 液壓馬達運行的機械效率
通過圖4實驗結(jié)果可以看出,全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達在不同轉(zhuǎn)速以及不同壓力時,均可以保持90%以上的機械效率。本文技術(shù)控制全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達,具有較高的機械效率,驗證本文技術(shù)控制全向側(cè)面防爆叉車在壓力沖擊以及超載情況下,可以良好地適應(yīng)負(fù)載變化,提升叉車的全向側(cè)面防爆性能。
統(tǒng)計采用本文技術(shù)控制全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達時,不同轉(zhuǎn)速情況以及不同壓力時,液壓馬達的泄漏量統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。
圖5 液壓馬達泄漏量統(tǒng)計結(jié)果
通過圖5實驗結(jié)果可以看出,不同壓力以及不同轉(zhuǎn)速情況下,采用本文技術(shù)自適應(yīng)控制全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達的泄漏量均低于200cm3/min。采用本文技術(shù)自適應(yīng)控制全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達,在低壓、高壓以及不同轉(zhuǎn)速運行工況下,均具有較高的控制性能,保證全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達維持較高的傳動效率,滿足全向側(cè)面防爆叉車速度以及壓力變化的運行需求。
全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達運行過程中具有時變以及不確定性的復(fù)雜特征,全向側(cè)面防爆叉車通常運行于復(fù)雜環(huán)境中,液壓馬達的控制性能極為重要。研究全向側(cè)面防爆叉車液壓馬達自適應(yīng)模糊控制技術(shù),所研究自適應(yīng)模糊控制技術(shù)具有較高的自適應(yīng)能力,動態(tài)調(diào)整能力較高。通過實驗驗證該方法具有較高的低速穩(wěn)定性,傳動效率高,可以提升全向側(cè)面防爆叉車在不同工況時的驅(qū)動效率,在全向側(cè)面防爆叉車空載行駛以及滿載行駛時,均具有較高的控制性能,應(yīng)用前景廣泛。