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裝載機線控轉向系統(tǒng)的設計與分析

2015-04-16 09:17,
液壓與氣動 2015年1期
關鍵詞:線控三通傳遞函數(shù)

,  ,

(四川大學 制造科學與工程學院, 四川 成都 610065)

引言

裝載機轉向系統(tǒng)在使用時主要存在以下問題:系統(tǒng)主要為節(jié)流和溢流控制,能量損耗大;方向盤與轉向系統(tǒng)連接復雜造成駕駛室工作環(huán)境差;駕駛員駕駛易疲勞。

針對以上缺點,設計了線控轉向系統(tǒng),該系統(tǒng)充分利用了電子和液壓技術,采用ECU作為系統(tǒng)的控制核心,利用傳感器采集的數(shù)據(jù),在ECU處實時比較,實現(xiàn)了裝載機的準確轉向。ECU作為控制中心可以在特點算法下處理一些情況,可以減輕駕駛員的勞動強度,另外本設計采用變量泵作為供油元件,變節(jié)流控制為容積控制,具有較好的節(jié)油性。

1 系統(tǒng)設計

如圖1所示,線控轉向系統(tǒng)主要由比例控制變量泵、方向盤、轉向馬達和電磁換向閥等組成。其中比例控制變量泵由三通比例閥、變量活塞和變量反饋桿以及變量泵組成。當系統(tǒng)工作時,首先由ECU發(fā)出信號控制三通比例閥,輸入的電流所產(chǎn)生的電磁力使三通比例閥產(chǎn)生一個與輸入電流成正比的開度,這樣先導液壓油通過打開的閥口進入變量活塞的無桿腔,變量活塞桿產(chǎn)生位移,使泵的排量增加,活塞桿位移通過反饋桿作用在三通比例閥的閥套上,使閥套移動,直到將剛才打開的閥口關閉,閥芯重新進入一個平衡狀態(tài),此位置對應泵的一個排量值,變量泵的排量與輸入三通比例閥的電信號大小成比例關系。轉向馬達的轉角通過轉角傳感器將轉向角度信號傳遞到ECU,ECU將馬達轉角信號與方向盤轉角信號進行比較,若比較結果為零,則ECU控制系統(tǒng)停止轉向;若不為零,則ECU控制轉向系統(tǒng)調(diào)整,直至停止轉向。

圖1 線控轉向系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)數(shù)學模型

2.1 三通比例閥數(shù)學模型[1]

三通比例閥的傳遞函數(shù)為:

(1)

其中,Kbv—— 比例閥的增益系數(shù)

ξbv—— 比例閥液壓阻尼系數(shù)

ωbv—— 比例閥液壓固有頻率

2.2 三通比例閥控制變量油缸

三通比例閥從本質(zhì)上來說是1個二位三通閥,因此三通比例閥控制變量油缸可以簡化為三通閥差動控制壓缸的數(shù)學模型。于是可有三通比例閥控制變量油缸的數(shù)學模型為[2]:

(2)

其中,Kq—— 液壓彈簧剛度

ωh—— 液壓固有頻率

ξh—— 液壓阻尼比

2.3 變量油缸控制變量泵傳遞函數(shù)[2]

變量油缸控制變量泵的傳遞函數(shù)為:

(3)

其中,L—— 活塞施力點與斜盤底面距離

2.4 變量泵控制轉向馬達數(shù)學模型

液壓馬達轉角對變量泵斜盤傾角的傳遞函數(shù)為:

(4)

液壓馬達轉角對外負載的傳遞函數(shù)為:

(5)

其中,Kp—— 變量泵的排量梯度

r—— 變量泵斜盤傾角

ωh—— 液壓固有頻率

ξh—— 液壓馬達液壓阻尼比

2.5 角位移傳感器數(shù)學模型

角位移傳感器是用來探測轉向馬達的轉角,并將轉角信號與方向盤轉角進行比較,以此來確定轉向的準確性。

角位移傳感器的動態(tài)響應很高,可以視為一階比例環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)為:

Kθ=U(s)/θm(s)

(6)

2.6 放大器建模

放大器為比例環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)為:

KF=I(s)/U(s)

(7)

2.7 方向盤轉角與轉速傳遞函數(shù)

(8)

2.8 傳遞函數(shù)化簡

在泵控馬達系統(tǒng)中,由于泵控馬達環(huán)節(jié)的動態(tài)遠低于比例閥控制變量油缸環(huán)節(jié)的動態(tài),因此忽略閥控液壓缸環(huán)節(jié),此時比例閥可以簡化為比例環(huán)節(jié)[3],所以,比例閥的傳遞函數(shù)可以簡化為:

(9)

比例閥控制變量油缸的環(huán)節(jié)可以簡化為一個比例環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)[5],所以閥控液壓缸環(huán)節(jié)可以簡化為:

(10)

2.9 系統(tǒng)控制方框圖

根據(jù)設計要求,方向盤的轉角要與轉向油缸活塞桿伸縮量成比例關系,方向盤轉速要與變量泵排量成比例關系,因此其傳遞函數(shù)方框圖如圖2、圖3所示。

圖2 線控轉向系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)控制方框圖

圖3 簡化控制方框圖

3 系統(tǒng)的PID模糊控制

PID模糊控制是PID控制技術與模糊控制技術的產(chǎn)物,PID控制可以方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的震蕩、超調(diào)和延遲等,模糊控制特別適用于難以獲得精確數(shù)學模型的系統(tǒng),例如裝載機轉向過程中,由于路面和負載的變化的不確定性,轉向負載難以精確量化,模糊控制給了我們最優(yōu)的選擇。

本設計的PID模糊控制是增量式模糊控制,通過在已有的PID參數(shù)基礎上加上裝載機轉向角度誤差的模糊控制輸出,最終對轉向系統(tǒng)進行控制矯正。其控制公式為:

(11)

(12)

(13)

誤差e和誤差變化ec的基本論域為:

e,ec={-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}。

ΔKp=[0,0.1],ΔKi=[0,0.01],

ΔKd=[0,0.001];模糊子集為:

e,ec={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB};

ΔKp,ΔKi,ΔKd={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。

NB——負大,NM——負中,NS——負小,ZO——零,PS——正小,PM——正中,PB——正大。

本設計的采集誤差為方向盤轉角與液壓缸活塞桿位移的伸縮量之間的差值,對應的意義如下:

NB——差值為負值,且很大;NM——差值為負值,且較大;NS——差值為負值,且較??;PB——差值為正,且很大;PM——差值為正,且較大;PS——差值為正,且較大;ZO——差值為零。

模糊控制規(guī)則如表1~表3所示。

表1 ΔKp的模糊控制規(guī)則表

表2 ΔKi模糊控制規(guī)則表

圖4 模糊控制方塊圖

eecPBPMPSZONSNMNBPBPBPSPSPMPMPMPBPMPBPSPSPSPSNSPMPSZOZOZOZOZOZOZOZOZONSNSNSNSNSZONSZONSNSNMNMNSZONMZONSNMNMNBNSPSNBPSNMNBNBNBNSPS

于是建立PID 模糊控制模型如圖4、圖5所示。

4 參數(shù)計算

誤差量化因子:

(14)

誤差變化量化因子:

(15)

ΔKp的量化因子:

(16)

ΔKi的量化因子:

(17)

ΔKd的量化因子:

(18)

表4是系統(tǒng)仿真參數(shù)表。

表4 執(zhí)行系統(tǒng)參數(shù)表

5 系統(tǒng)仿真

在系統(tǒng)穩(wěn)定工作在15 MPa時,設定以下仿真情形:

(1) 在階躍信號作用下加入單位階躍干擾信號的情況;

(2) 在輸入正弦信號作用下,突然在1 s加入階躍信號,其幅值為100(輕干擾);

(3) 在輸入正弦信號作用下,突然在1 s加入階躍信號,其幅值為500(中干擾);

(4) 在輸入正弦信號作用下,突然在1 s加入階躍信號,其幅值為1000(重干擾)。

圖6~圖9為在各種情況下的仿真圖形。

圖5 PID模糊控制系統(tǒng)仿真圖

圖6 單位階躍干擾仿真圖

圖7 輕微干擾仿真圖

圖8 中度干擾仿真圖

圖9 重度干擾仿真圖

6 結論

從以上圖形可知,當系統(tǒng)在不同干擾存在的情況下,系統(tǒng)可以根據(jù)控制策略自動調(diào)整,仿真表明,PID模糊控制較PID控制和無控制穩(wěn)定時間更快,震蕩更小,超調(diào)更小。PID模糊控制應用于線控轉向系統(tǒng)的控制系統(tǒng)是具有良好的穩(wěn)定性和靈敏性,完全滿足線控轉向的要求。

參考文獻:

[1]羅小梅.電液比例泵控馬達控制系統(tǒng)的分析研究[D].西安:長安大學,2005.

[2]王春行.液壓控制系統(tǒng).機械工業(yè)出版社[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.

[3]李壽剛.液壓傳動[M].北京:北京理工大學出版社,1993.

[4]盧長庚.液壓控制系統(tǒng)的分析與設計[M].北京:煤炭工業(yè)出版社.1991

[5]張磊,史小輝,許明恒,等.隧道挖掘裝載機液壓系統(tǒng)關鍵技術研究[J].液壓與氣動,2011,(5):10-12.

[6]劉增輝,杜長龍.連續(xù)式液壓裝載機閉式回路液壓系統(tǒng)設計[J].液壓與氣動,2012,(5):16-20.

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