基于變幅信號前饋和傾角反饋的調(diào)平性能提升

趙 燕，王 駿，焦 祥，吳廣寧

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214000)

引言

調(diào)平技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代軍事與工程設(shè)備中，如雷達(dá)、導(dǎo)彈發(fā)射車、高空作業(yè)車、大型鉆機和重型起吊車等，調(diào)平對設(shè)備本身的工作性能有很大影響[1-3]。以高空作業(yè)消防車為例，主臂在變幅運動過程中與水平面形成一定夾角，導(dǎo)致工作平臺與水平面產(chǎn)生相同的夾角，而調(diào)平機構(gòu)需迅速對工作平臺的傾角進(jìn)行調(diào)整，保證工作平臺始終水平，防止因工作平臺的傾斜對操作人員的生命安全產(chǎn)生威脅[4-5]。然而，由于液壓系統(tǒng)本身固有的非線性、參數(shù)時變、元件非一致性、電液參數(shù)需匹配(電方面或電液或控制方面問題)等特性[6-8]，高空作業(yè)車輛在變幅過程中，電液調(diào)平系統(tǒng)易產(chǎn)生滯后，從而導(dǎo)致變幅初始動作時工作平臺與水平面之間的夾角偏差及夾角超調(diào)量增大，輕者引起整個變幅過程調(diào)平時間長，工作平臺抖動，重則直接影響操作人員的人身安全。因此，如何解決初始變幅起升時工作平臺與水平面的夾角超調(diào)量大的問題，對改善高空作業(yè)車輛的性能，提高產(chǎn)品安全性具有重要的研究意義。

目前，對于工作平臺的調(diào)平性能研究主要集中于調(diào)平元件優(yōu)化、調(diào)平鉸接點位置/機構(gòu)優(yōu)化、模糊PID控制、角度閉環(huán)反饋控制等方面[9-11]，同時結(jié)合前饋控制和反饋控制方面的研究較少。因此，本研究以某款典型高空作業(yè)消防車的變幅和調(diào)平系統(tǒng)為載體，結(jié)合機電液系統(tǒng)建模仿真和整機測試分析，在反饋控制的基礎(chǔ)上，從變幅信號前饋方面對電液調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化。

1 系統(tǒng)測試

圖1為某款消防車的變幅及調(diào)平液壓系統(tǒng)原理圖，主要由液壓泵、主閥、變幅油缸組件、調(diào)平油缸組件等組成，其中主閥是由1個電液比例變幅閥和1個電液比例調(diào)平閥組成，分別控制變幅油缸組件和調(diào)平油缸組件。消防車在工作平臺上安裝傾角傳感器采集工作平臺與水平面的夾角信號[12]，當(dāng)夾角信號大于設(shè)定的目標(biāo)值，電液比例調(diào)平閥通過接受控制器輸出的PWM脈寬調(diào)制信號，控制調(diào)平油缸伸縮來完成工作平臺前傾或后傾，從而完成調(diào)平控制，保證工作平臺始終與地面保持水平。

通過對該消防車現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，初始變幅起升時工作平臺與水平面的夾角出現(xiàn)超調(diào)且幅值較大，平臺出現(xiàn)抖動，給用戶帶來極大的不適感。典型的測試曲線如圖2所示，該工況為發(fā)動機高速(1600 r/min)、工作平臺滿載(300 kg)，主臂變幅角度φ由-12°開始起升至75°，具體如下：

圖2 變幅起升時主臂和工作平臺角度的測試曲線

(1)0～4.5 s時，主臂靜止不動，變幅角度φ為-12°，此時工作平臺角度θ保持在-0.8°；

(2)4.5～8 s，主臂開始變幅起升，變幅角度φ開始變大，工作平臺與水平面的夾角θ逐漸增大；第8秒時，變幅角度φ增大至-4°，工作平臺傾角θ由-0.8°增大至3.8°，角度變化量為4.6°，工作平臺與水平面的夾角超調(diào)量為3.8°；

(3)8～45 s，主臂角度φ由-4°變幅起至75°，工作平臺角度θ由3.8°回調(diào)振蕩，最終穩(wěn)定在1°左右。

2 問題分析與改進(jìn)措施

2.1 問題分析

閥控對稱液壓缸是由四邊滑閥和對稱液壓缸組成的，由圖1可知，該款消防車的調(diào)平系統(tǒng)屬于閥控對稱液壓缸，閥為電液比例調(diào)平閥，對稱液壓缸為2個調(diào)平油缸。

閥的線性化流量方程為：

QL=Kqxv-KcpL

(1)

式中，QL——負(fù)載流量

Kq——流量增益

xv——閥芯位移

Kc——流量-壓力系數(shù)

pL——負(fù)載壓力

液壓缸的連續(xù)性方程為：

(2)

式中，AP——液壓缸活塞有效面積

xP——活塞位移

Ctp——液壓缸總泄漏系數(shù)

Vt——液壓缸總壓縮容積

βe——有效體積彈性模量(包括油液、連接管道和缸體的機械柔度)

液壓缸的輸出力與負(fù)載力的平衡方程為：

(3)

式中，mt——活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量

BP——活塞及負(fù)載的黏性阻尼系數(shù)

K——負(fù)載彈簧剛度

FL——作用在活塞上的任意外負(fù)載力

(4)

式中,ωh——液壓固有頻率

ζh——液壓阻尼比

式(4)為以慣性負(fù)載為主時的閥控液壓缸的動態(tài)特性。分子中的第一項是穩(wěn)態(tài)下活塞的空載速度，第二項是因外負(fù)載力造成的速度降低。在調(diào)平液壓系統(tǒng)中，活塞位移xP看作調(diào)平油缸位移，對位移xP影響最大的2個因子為電液比例調(diào)平閥的閥芯位移xv和外負(fù)載力FL。外負(fù)載力FL為干擾信號，而電液比例調(diào)平閥的閥芯位移xv是指令信號。

調(diào)平液壓系統(tǒng)為電液比例系統(tǒng)，而電液比例系統(tǒng)受比例閥中位死區(qū)等因素的影響而呈現(xiàn)出很強的死區(qū)非線性，可導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，制約系統(tǒng)的動態(tài)性能，有效的死區(qū)補償可以改善電液比例位置系統(tǒng)的動靜特性，而比例閥死區(qū)補償效果由死區(qū)參數(shù)決定[14]。因此，對電液比例調(diào)平閥進(jìn)行臺架測試，圖3是電液比例調(diào)平閥在進(jìn)回油壓差為3 MPa時，控制電流從0 mA逐漸增大至1400 mA時其輸出流量的測試曲線。由曲線可知，該電液比例調(diào)平閥的控制區(qū)間為480～1200 mA，死區(qū)為0～480 mA。

圖3 電液比例調(diào)平閥控制特性測試曲線

當(dāng)主臂起升、變幅角度開始發(fā)生變化時，工作平臺與水平面的夾角通過傳感器反饋到控制器，控制器輸出PWM信號控制電液比例調(diào)平閥，使工作平臺跟隨主臂變幅運動。即變幅起升時，工作平臺需前傾，確保其與地面保持水平。然而，由于比例閥死區(qū)原因，當(dāng)控制器輸出PWM信號時，電液比例調(diào)平閥不能立即響應(yīng)控制信號，需控制信號越過死區(qū)后才能開啟[15]。如何補償比例閥死區(qū)，提高其控制性能，是比例閥控制面臨的一個挑戰(zhàn)[16]。此外，由于高空作業(yè)消防車作業(yè)高度是其重要指標(biāo)，因此長管路是不可避免的，而液壓長管路及液壓系統(tǒng)自身油液壓縮性、系統(tǒng)建壓時間等因素進(jìn)一步加劇了調(diào)平系統(tǒng)的遲滯現(xiàn)象[17-19]，導(dǎo)致主臂變幅至一定角度后，電液比例調(diào)平閥才有控制信號，調(diào)平系統(tǒng)才有流量通過，調(diào)平油缸才開始對工作平臺進(jìn)行調(diào)平，而這最終體現(xiàn)為初始變幅起升時工作平臺與水平面的夾角超調(diào)量大。

2.2 改進(jìn)措施

為解決初始變幅起升工作平臺與水平面的夾角超調(diào)量大的問題，提出以下改進(jìn)方案：在現(xiàn)有工作平臺傾角閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，增加變幅信號前饋，即通過檢測電液比例變幅閥的控制信號，間接檢測變幅角度，使控制器超前輸出控制信號控制電液比例調(diào)平閥；且使該控制信號越過電液比例調(diào)平閥的一定比例的死區(qū)，從而使工作平臺同步跟隨主臂變幅動作。即在工作平臺傾角PID閉環(huán)反饋的基礎(chǔ)上，通過“事前控制”及“電液比例調(diào)平閥死區(qū)補償”改善調(diào)平系統(tǒng)的遲滯現(xiàn)象，減小變幅起升初始動作下工作平臺傾角的超調(diào)幅值，提高初始調(diào)平性能，其控制流程圖如圖4所示。

圖4 控制流程圖

3 仿真優(yōu)化與整機驗證

3.1 仿真優(yōu)化

根據(jù)變幅、調(diào)平液壓系統(tǒng)元件配置，建立含變幅信號前饋的調(diào)平電液系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示，在仿真軟件中，設(shè)置各元件的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 變幅及調(diào)平系統(tǒng)仿真模型主要參數(shù)

1.電機泵及油箱 2.電液比例變幅閥 3.變幅控制信號 4.變幅油缸組件 5.工作平臺 6.調(diào)平油缸組件 7.電液比例調(diào)平閥 8.溢流閥 9.調(diào)平控制信號 10.梭閥

在仿真模型中，通過設(shè)置電液比例變幅閥的控制信號發(fā)送端A0與電液比例調(diào)平閥的控制信號接收端A0的通斷，控制變幅前饋信號引入與否。當(dāng)發(fā)送端A0和接收端A0斷開，表示不引入變幅前饋信號，模擬原變幅及調(diào)平系統(tǒng)，即只含工作平臺傾角閉環(huán)反饋；當(dāng)發(fā)送端A0和接收端A0連通，表示引入變幅角度前饋信號，同時在電液比例調(diào)平閥的A0接收端通過設(shè)置合理的函數(shù)f(x)，給定電液比例調(diào)平閥的死區(qū)補償信號。

首先，校正原系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確度，仿真工況保持與圖2曲線的測試工況一致，輸入電液比例變幅閥的控制信號控制主臂變幅動作，仿真輸出主臂變幅角度、變幅油缸無桿腔壓力以及工作平臺傾角的變化量；然后，根據(jù)功率流原理建模，將仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比，如圖6～圖8所示。

圖7 變幅缸無桿腔壓力仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比

圖8 工作平臺傾角仿真數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)對比

由圖6～圖8可知，主臂變幅角度、變幅油缸無桿腔壓力以及工作平臺傾角的仿真曲線與測試曲線整體趨勢一致，該仿真模型可以用于分析變幅起升時的調(diào)平性能。在此仿真模型的基礎(chǔ)上，引入變幅角度前饋信號，將發(fā)送端A0和接收端A0連通；同時對比不同的死區(qū)補償電流下工作平臺傾角的超調(diào)量，其仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9為仿真對比只引入變幅前饋信號的工作平臺傾角與原系統(tǒng)無變幅前饋信號的工作平臺傾角，由圖可知，工作平臺傾角均從-1°開始調(diào)平，引入變幅前饋信號后，初始動作時，工作平臺傾角的峰值由3.5°減少至2.3°，幅值降低了34%。

圖9 引入前饋信號前、后的工作平臺傾角仿真曲線對比

圖10為引入變幅前饋信號，對比電液比例調(diào)平閥不同死區(qū)補償量的工作平臺的傾角。由圖可知，死區(qū)補償量分別為電液比例調(diào)平閥死區(qū)的40%，70%，100%時，初始變幅時，工作平臺傾角的偏差分別為2.4°，0.8°，1.3°；當(dāng)死區(qū)補償量為100%時，工作平臺出現(xiàn)過補償。

圖10 不同的死區(qū)補償量下工作平臺傾角仿真曲線對比

由此可知，在工作平臺傾角閉環(huán)反饋的基礎(chǔ)上，引入變幅前饋信號后，電液比例調(diào)平閥死區(qū)補償電流設(shè)置太小，調(diào)平系統(tǒng)有延遲，工作平臺傾角超調(diào)量仍然大；電液比例調(diào)平閥死區(qū)補償電流設(shè)置太大，調(diào)平系統(tǒng)響應(yīng)太快，易引起工作平臺傾角的過補償。因此，電液比例調(diào)平閥需設(shè)置合理的死區(qū)補償值。

3.2 整機驗證

根據(jù)該技術(shù)方案對此款消防車產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定時間下，結(jié)合原工作平臺傾角閉環(huán)反饋，增加主臂變幅角度前饋控制，設(shè)置合理的電液比例調(diào)平閥死區(qū)補償電流值，保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速、控制手柄開度及外載荷與圖2曲線的測試工況相同，對主臂變幅進(jìn)行整機測試驗證。優(yōu)化后的測試曲線如圖11所示，主臂變幅初始角度φ為-12°，工作平臺初始角度θ為-0.1°；第4.5秒主臂開始變幅，變幅角度開始增大，工作平臺角度θ跟隨主臂角度出現(xiàn)超調(diào)，第6秒時達(dá)到最大超調(diào)角度0.75°，第7秒時工作平臺角度回調(diào)至0°并保持。變幅初始工作平臺與水平面的夾角超調(diào)量由之前的3.8°減少至0.75°，調(diào)平效果顯著。

圖11 優(yōu)化后變幅起升時主臂和工作平臺角度的測試曲線

4 結(jié)論

(1)針對高空作業(yè)消防車初始變幅起升時工作平臺與水平面的夾角超調(diào)量大的問題，在工作平臺傾角閉環(huán)反饋的基礎(chǔ)上，增加變幅信號前饋及設(shè)置合理的電液比例調(diào)平閥死區(qū)補償量，對電液比例調(diào)平閥進(jìn)行“事前控制”，可有效改善電液調(diào)平系統(tǒng)的遲滯現(xiàn)象，減小變幅起升初始動作下工作平臺與水平面夾角的超調(diào)幅值，提高調(diào)平性能；

(2)電液比例調(diào)平閥的死區(qū)補償需設(shè)置合理的值，死區(qū)補償值太小，調(diào)平系統(tǒng)仍有明顯延遲、超調(diào)量仍大；死區(qū)補償電流太大，易引起工作平臺傾角的過補償；

(3)該套仿真分析方法對高空作業(yè)車輛的電液系統(tǒng)的調(diào)平性能提升方面具有借鑒意義和參考價值。