基于AMESim的起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)液壓同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王亞亞,鄭凱

(西安交通工程學(xué)院,陜西 西安 710300)

0 引言

起重機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)輸、工業(yè)設(shè)備中應(yīng)用廣泛。變幅機(jī)構(gòu)是起重機(jī)進(jìn)行正常工作的核心部分,其雙液壓缸在車輛兩側(cè)對(duì)稱布置,提高了承載能力。但由于受到載荷變化,其在完成上升與回降的過程中,左右兩側(cè)的舉升液壓缸工作位置易受負(fù)載不均衡、摩擦阻力不等、液壓缸泄漏等因素的影響而產(chǎn)生同步誤差。隨著誤差的累積,可能出現(xiàn)上行卡死或下行無法正常復(fù)位的現(xiàn)象,進(jìn)而影響起重機(jī)的正常運(yùn)行[1-2]。因此,如何在保證變幅機(jī)構(gòu)原有性能的同時(shí),解決好兩側(cè)液壓缸運(yùn)動(dòng)不同步問題,提高變幅機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性及可靠性,成為值得研究的問題。本文設(shè)計(jì)了一種提高起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性的自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過PID反饋環(huán)節(jié)對(duì)起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)兩側(cè)液壓缸進(jìn)行同步控制,提高起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)在載荷不斷變化等特殊條件下的可靠性,擴(kuò)大起重機(jī)的使用范圍,提高效率。

1 起重裝置的結(jié)構(gòu)與參數(shù)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

本文參照三一重工SRSC45-H型起重裝置,其基本結(jié)構(gòu)與基本參數(shù),如表1所示。

表1 SRSC45-H型起重裝置的基本結(jié)構(gòu)與參數(shù)

1.2 變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

1)液壓系統(tǒng)原理圖

利用FLuidSIM繪制了起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的原理圖[3],如圖1所示。

1—主舉升液壓缸;2—從舉升液壓缸;3—電磁換向閥;4—液壓源。圖1 變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

2)液壓系統(tǒng)仿真與分析

在FLuidSIM的仿真環(huán)境下[4],對(duì)圖1變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖進(jìn)行了仿真,得到了主、從舉升液壓缸的工作變化特征曲線,如圖2所示。

圖2 變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真

如圖2所示,主、從舉升液壓缸有明顯的不同步現(xiàn)象,若液壓源4的工作壓力為6MPa,液壓泵流量為2L/min時(shí):主舉升液壓缸1的輸出壓力為P0=5.34MPa,速度為0.04m/s;從舉升液壓缸2的輸出壓力為P1=5.30MPa,速度為0.13m/s。

通過FLuidSIM仿真發(fā)現(xiàn),在主、從舉升液壓缸所受負(fù)載發(fā)生變化時(shí),輸出壓力具有明顯的變化,造成了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性,進(jìn)而降低了變幅機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 變幅機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型與受力分析

2.1 變幅機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型

結(jié)合表1中SRSC45-H型起重裝置的基本結(jié)構(gòu),繪制了變幅機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型,如圖3所示。

圖3 變幅機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型

由圖3,根據(jù)力矩平衡原理,變幅機(jī)構(gòu)力學(xué)模型:

Fjx0.3sin20°+Mg0.8cos20°-Fjy0.3cos20°=0

(1)

(2)

由式(1)、式(2)可知作用于升舉液壓缸的外部負(fù)載為

(3)

式中:Fj為作用在液壓缸上的外部負(fù)載,N/m;Fjx為x軸方向分力,N/m;Fjy為y軸方向分力,N/m;M為變幅機(jī)構(gòu)總質(zhì)量,kg;g為重力加速度。

2.2 變幅機(jī)構(gòu)受力分析

由圖3簡(jiǎn)化模型可知,變幅機(jī)構(gòu)的幅度變化通過主、從舉升液壓缸實(shí)現(xiàn)。本文中采用非對(duì)稱液壓缸組成變幅機(jī)構(gòu)的執(zhí)行系統(tǒng),非對(duì)稱液壓缸結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

圖4 非對(duì)稱液壓缸結(jié)構(gòu)原理圖

如圖4所示,當(dāng)閥芯右移時(shí),主、從舉升液壓缸的輸出力和外部負(fù)載間的平衡方程為[5-6]

(4)

式中:mt為負(fù)載系統(tǒng)總質(zhì)量,kg;BP為負(fù)載系統(tǒng)黏性阻尼系數(shù);AP為活塞有效作用面積,mm2;PL為系統(tǒng)工作壓力,MPa;xP為位移變化量,mm。

由式(4)可知,作用在主、從舉升液壓缸的外負(fù)載變化時(shí),其系統(tǒng)工作壓力和外部負(fù)載間具有一定比例關(guān)系,在FLuidSIM仿真環(huán)境中得到了不同外部負(fù)載下舉升液壓缸工作壓力的相對(duì)變化量,如表2所示。

表2 主、從舉升液壓缸壓力與外部負(fù)載關(guān)系

設(shè)外部負(fù)載力與主、從舉升液壓缸壓力相對(duì)變化量之間比例關(guān)系為

Fj=k·ΔP

(5)

式中k為比例系數(shù)。

本文在表2的基礎(chǔ)上,結(jié)合式(5)構(gòu)建了比例系數(shù)k的數(shù)學(xué)模型,并利用MATLAB分析[7-8]且得到了比例系數(shù):

(6)

可得k≈0.35。

為了減少負(fù)載對(duì)舉升液壓缸的影響,提高其穩(wěn)定性,本文結(jié)合PID控制環(huán)節(jié),進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[9-10]。利用MATLAB的PID模塊,并結(jié)合表2通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù),創(chuàng)建S函數(shù),并在MATLAB中建立PID仿真模型。通過調(diào)試及經(jīng)驗(yàn),文中PID控制器的參數(shù)為P=0.35、I=5和D=0.01。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文以PID算法中的比例環(huán)節(jié)為基礎(chǔ),選用Micro-chip公司具有較高響應(yīng)速度的DSPIC30F2010數(shù)字信號(hào)處理器[11]為控制核心進(jìn)行控制,控制流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

控制系統(tǒng)的主要功能是通過壓力傳感器對(duì)變幅機(jī)構(gòu)主、從舉升液壓缸的工作壓力進(jìn)行檢測(cè),得到兩缸壓力的相對(duì)增量(ΔP),同時(shí)通過PID反饋環(huán)節(jié)向控制系統(tǒng)中的電磁比例換向閥輸入適當(dāng)強(qiáng)度的電流,使系統(tǒng)成比例釋放壓力,進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力,提高變幅機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。

4 同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

本文運(yùn)用AMESim軟件[12]通過繪制系統(tǒng)草圖、建立子模型、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行仿真4個(gè)環(huán)節(jié),建立智能補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真模型,并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),得到了相應(yīng)的特性曲線。

4.1 同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1)建立仿真模型

分別從AMESim軟件的“Signal,Control”電子器件庫、“Hydraulic”液壓庫選取相應(yīng)的“元件”進(jìn)行相應(yīng)系統(tǒng)草圖的繪制,如圖6所示。

1—比例換向閥;2—壓力傳感器;3、4—升舉液壓缸;5—PID環(huán)節(jié);6—恒壓源;7—油箱;8—介質(zhì)。圖6 智能補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真模型

2)設(shè)定子模型參數(shù)

依據(jù)圖1、圖6,本文給出了變幅機(jī)構(gòu)同步控制系統(tǒng)的基本參數(shù)[3],為后續(xù)變幅機(jī)構(gòu)同步控制液壓系統(tǒng)的仿真提供了依據(jù),如表3所示。

表3 同步控制系統(tǒng)仿真模型參數(shù)

3)工作過程

如圖6所示,處于工作狀態(tài)時(shí),變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)中的主、從升舉液壓缸以一定速度伸出,驅(qū)動(dòng)變幅機(jī)構(gòu)上升或下降,同時(shí)安裝于主、從升舉液壓缸前端(不同負(fù)載)的壓力傳感器工作,完成位移信號(hào)的采集與處理,在得到位移變化的增量后,PID控制環(huán)節(jié)工作并按照預(yù)定算法向同步控制回路中的電磁比例換向閥輸入相應(yīng)比例的控制電流,使液壓系統(tǒng)成比例輸入壓力,進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力,提高變幅機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。

4.2 同步控制系統(tǒng)仿真與分析

1)同步控制系統(tǒng)特性曲線

本文依據(jù)4.1中的仿真模型,按照表3中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并進(jìn)行仿真,得到相應(yīng)的特性曲線,如圖7所示。

圖7 同步控制系統(tǒng)特性曲線

依據(jù)圖7中的運(yùn)行結(jié)果,對(duì)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析。當(dāng)采用同步控制系統(tǒng)時(shí),主、從液壓缸的系統(tǒng)壓力都能快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),且主、從液壓缸的系統(tǒng)壓力在2.0s時(shí),分別為106.66MPa、120.96MPa;在5.0 s時(shí),分別為235.24MPa、246.12MPa,通過仿真實(shí)驗(yàn)證明主、從液壓缸的系統(tǒng)壓力基本相同,無明顯壓力損失。

2)同步控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

結(jié)合圖6的仿真模型,得到實(shí)驗(yàn)在2.0～5.0s之間的主、從液壓缸壓力數(shù)據(jù)并進(jìn)行了分析,如表4所示。

表4 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,同步控制系統(tǒng)主、從液壓缸壓力的相對(duì)誤差平均值小于7.00%。通過分析證明同步控制系統(tǒng)起到了較好的壓力補(bǔ)償效果,提高了起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性,達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)語

本文首先分析了變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理,通過分析與仿真發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的控制方式造成了一定的系統(tǒng)壓力損失。其次,針對(duì)壓力損失這一問題,文中以比例換向閥、傳感器、PID控制環(huán)節(jié)為核心,設(shè)計(jì)了一種具有反饋環(huán)節(jié)的同步控制系統(tǒng),通過PID反饋環(huán)節(jié)控制向工作系統(tǒng)成比例進(jìn)行壓力輸入,進(jìn)而達(dá)到壓力補(bǔ)償?shù)淖饔?。最?以AMESim為手段搭建了同步控制系統(tǒng)的仿真模型,并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析,表明同步控制系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)所造成的壓力損失進(jìn)行了有效補(bǔ)償,保持了起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)所需壓力,提高了起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性,同時(shí)增強(qiáng)了設(shè)備的適用性。因此本設(shè)計(jì)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。