張積洪，孫野

(中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津300300)

進(jìn)口平臺(tái)車在機(jī)場(chǎng)中占絕大多數(shù)，由于其工作特殊性，具有價(jià)格昂貴(200 萬(wàn)以上)、行駛速度慢(5 km/h)、工作場(chǎng)地分散的特點(diǎn)。文中設(shè)計(jì)的貨運(yùn)平臺(tái)拖車能夠快速將其裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)至各個(gè)工作場(chǎng)地，提高平臺(tái)車的使用效率。

設(shè)計(jì)了由4 個(gè)液壓缸同步舉升的動(dòng)力單元，將拖車的托板由一個(gè)較低的位置舉升到一定高度，使拖車具有快速轉(zhuǎn)運(yùn)的30 km/h 的速度。機(jī)場(chǎng)平臺(tái)車離地間隙166 mm，自身質(zhì)量將近20 t，在裝卸該平臺(tái)車的過(guò)程中要求平穩(wěn)、安全、可靠，因此，設(shè)計(jì)了多液壓缸同步頂升托板裝置，后車架采用懸浮半軸結(jié)構(gòu)，置于橫梁上的液壓缸先將托板下降到離地較低的裝卸位置，待將平臺(tái)車裝載到托板上之后，均布的多液壓缸頂升工作，將托板舉升到較高的行駛位置。

四缸同步舉升單元是該貨運(yùn)平臺(tái)拖車的重要組成部分，舉升液壓系統(tǒng)采用分組控制，液壓缸的控制只是通過(guò)分別比較組內(nèi)液壓缸的位移或速度來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)偏移。PID 控制具有算法簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，文中提出了組內(nèi)PID 控制方案，控制調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥和比例溢流閥實(shí)現(xiàn)雙缸精確控制。運(yùn)用壓力、流量混合協(xié)調(diào)控制的方案，保證拖車將平臺(tái)車快速、完好地轉(zhuǎn)運(yùn)到指定的工作場(chǎng)所。

1 拖車液壓頂升系統(tǒng)分析

1.1 托板頂升液壓缸分布

托板舉升液壓系統(tǒng)由兩組對(duì)稱分布于輪胎半軸托架上的4 個(gè)液壓缸組成，如圖1 所示，將分布于車兩側(cè)的4 個(gè)液壓缸分為兩組，即液壓缸1 和2 為A 組，液壓缸3 和4 為B 組。托板的舉升過(guò)程應(yīng)是以液壓缸為動(dòng)力支點(diǎn)，繞托板鉸軸旋轉(zhuǎn)一特定角度，依據(jù)幾何關(guān)系，A 組液壓缸總行程較B 組長(zhǎng)，兩者呈現(xiàn)精確的比例關(guān)系，這是該拖車頂升液壓缸分組同步控制的基礎(chǔ)［1］。

圖1 貨運(yùn)平臺(tái)拖車舉升液壓缸分布圖

1.2 液壓缸控制原理

圖2 為舉升系統(tǒng)液壓缸1 工作原理圖，采用變量泵供油，設(shè)計(jì)有安全閥、雙向液壓鎖，同時(shí)具備開機(jī)預(yù)熱回路和快速回退回路。液壓缸1 的位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)舉升位移信息，采用主從式同步控制式，反饋并與給定的參考值(液壓缸2 的位移控制信號(hào))作比較，進(jìn)行誤差分析，將誤差傳送到PLC 控制器中，按預(yù)設(shè)的控制策略進(jìn)行控制輸出。同時(shí)壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)舉升壓力，輸入控制器進(jìn)行分析，最后將信號(hào)傳遞到比例放大器放大，按需求控制調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥的比例電磁鐵，調(diào)節(jié)進(jìn)入液壓缸1 的液壓油流量進(jìn)而控制舉升雙缸系統(tǒng)同步性，調(diào)節(jié)比例溢流閥開度控制液壓缸的舉升壓力，達(dá)到要求的舉升壓力進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)比例流量、壓力復(fù)合控制。

圖2 舉升系統(tǒng)單缸控制原理圖

2 組內(nèi)雙缸PID 控制

PID 控制方法廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域［2－4］。作為一種線性控制器，它根據(jù)設(shè)定值ysd(t)和實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，將偏差按照比例、積分、微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制?？刂破鞯妮斎胼敵鲫P(guān)系可描述為:

式中:e(t)= ysd(t)－ y(t)，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。

在拖車的后托板舉升過(guò)程中，以液壓缸2 的舉升位移為參考位移，實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓缸1 的舉升位移，采用主從式同步控制方式，與舉升缸2 的位移作比較得到偏差信號(hào)，通過(guò)輸入給PLC 協(xié)調(diào)，最后反饋到比例調(diào)速閥上，調(diào)節(jié)舉升缸1 比例調(diào)速閥中節(jié)流閥開度大小，調(diào)節(jié)進(jìn)入兩缸的流量，最終實(shí)現(xiàn)雙杠舉升位移的同步。由壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)推進(jìn)壓力的大小，與給定的值進(jìn)行比較，保證液壓缸的輸出壓力為所需的設(shè)定值。

依據(jù)舉升系統(tǒng)所選比例調(diào)速閥實(shí)物結(jié)構(gòu)原理，采用AMESim 中的HCD (基本元件設(shè)計(jì)庫(kù))中的液壓元件搭建好比例調(diào)速閥的AMESim 模型。模型如圖3所示。

圖3 比例調(diào)速閥AMESim 模型

采用AMESim 進(jìn)行仿真時(shí)，對(duì)比例調(diào)速閥中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行批處理以及優(yōu)化，得出仿真參數(shù)參考值。

仿真中主要分析比例調(diào)速閥［5］、液壓缸以及負(fù)載之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，基于AMESim 建模時(shí)省略了液壓鎖以及三位四通換向閥，系統(tǒng)仿真時(shí)著重分析比例調(diào)速閥模塊以及負(fù)載和液壓缸模塊之間的動(dòng)態(tài)特性。

如圖4 所示，在AMESim 中對(duì)PID 試驗(yàn)參數(shù)批運(yùn)行，得到優(yōu)化數(shù)據(jù):比例系數(shù)為1，積分時(shí)間常數(shù)為15，微分時(shí)間常數(shù)為0.05。

圖4 液壓雙缸同步控制仿真圖

通過(guò)選取合理的PID 控制參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)液壓雙缸的高精度同步控制。圖5 顯示峰值誤差75 ×10－6m，并在系統(tǒng)運(yùn)行開始8 s 以后，誤差趨近于0;圖6為液壓缸比例調(diào)速閥的控制信號(hào)跟蹤曲線，以給定液壓缸2 的調(diào)速閥的控制信號(hào)為參考量，通過(guò)反饋跟蹤，液壓缸1 的比例調(diào)速閥得到對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，在不到4 s 內(nèi)控制信號(hào)達(dá)到8，和作為參考的比例調(diào)速閥的控制信號(hào)相等，頂升缸同步舉升，控制效果達(dá)到要求;圖7 給出了舉升雙缸的速度跟蹤曲線，可以看出:在位移偏差達(dá)到要求的前提下，兩者的舉升速度也具有較高的一致性。

圖5 液壓雙缸舉升位移偏差圖

圖6 液壓雙缸比例調(diào)速閥控制信號(hào)跟蹤圖

圖7 液壓雙缸舉升速度信號(hào)跟蹤圖

3 組間多缸整體同步控制

拖車的舉升托板在裝卸平臺(tái)車的過(guò)程中，要求具備較高平穩(wěn)性，即4 個(gè)舉升液壓缸在工作過(guò)程中應(yīng)具有高度的協(xié)調(diào)一致性，同步位移、速度誤差需嚴(yán)格控制在合理的范圍內(nèi)［8］。應(yīng)用AMESim 軟件，在對(duì)A組內(nèi)雙缸同步控制仿真分析過(guò)程中，得到了要求的位移同步精度和速度跟隨特性，基于該原理，B 組內(nèi)兩個(gè)液壓缸應(yīng)能達(dá)到相同的控制精度。

圖8 四缸同步控制原理圖

圖8給出了基于組內(nèi)PID 同步控制的多缸同步控制原理圖，在起始階段，控制器將成一定比例的兩個(gè)參考速度信號(hào)分別輸出到2 號(hào)和4 號(hào)液壓缸的兩個(gè)比例調(diào)速閥，在此工作狀態(tài)下，拖車托板完成平穩(wěn)、精確的舉升過(guò)程。

4 結(jié)論

文中探討了機(jī)場(chǎng)平臺(tái)快速拖車多缸同步舉升控制問(wèn)題，對(duì)組內(nèi)液壓缸采用基于位置負(fù)反饋的PID 控制器，同時(shí)給出了組間多缸同步舉升的控制策略。仿真結(jié)果表明:基于流量控制的位置反饋PID 控制具有優(yōu)秀的同步特性，能夠?qū)崿F(xiàn)拖車托板舉升過(guò)程中的精度要求，保證其最佳的工作狀態(tài)。

【1】施虎，龔國(guó)芳，楊華勇，等. 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)非線性PID 控制仿真分析［J］.機(jī)床與液壓，2008，36(7):76 －79.

【2】強(qiáng)寶民，劉寶杰.電液比例位置控制系統(tǒng)的新型PID 控制算法研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2012(2):15 －18.

【3】單根立.一種舉升式數(shù)控模擬試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2011(9):49 －50.

【4】祁帥，郭曉松.雙缸同步液壓系統(tǒng)單神經(jīng)元PID 控制仿真研究［J］.流體傳動(dòng)與控制，2008(9):5 －8.

【5】袁航，汪太琨.基于AMESim 的比例調(diào)速閥仿真［J］.航空制造技術(shù)，2011(10):86 －88.

【6】胡愛(ài)閩.基于AMESim 和Simulink 的液壓升降臺(tái)同步控制仿真研究［J］.煤礦機(jī)械，2007(12):44 －47.

【7】倪敬，項(xiàng)占琴，潘曉弘.多缸同步提升電液系統(tǒng)建模和控制［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006(11):81 －87.

【8】郭曉松，祁帥，于傳強(qiáng)，等.工程機(jī)械的節(jié)流調(diào)速液壓回路仿真分析［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(6):206 －208.