孫暢勵(lì) 賈文華

摘 ?要： 基于挖掘機(jī)SY215C8M樣機(jī)，分析鏟斗聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成原理并對(duì)其進(jìn)行電液比例系統(tǒng)改造，利用AMEsim建模并仿真驗(yàn)證。為提高控制精度，提出模糊自整定PID控制策略，用AMESim-Simulink聯(lián)合仿真，觀察比較傳統(tǒng)pid控制和模糊pid控制的區(qū)別。

關(guān)鍵詞： 鏟斗聯(lián)系統(tǒng);電液比例控制;模糊控制;聯(lián)合仿真

中圖分類號(hào)： TP273 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.026

本文著錄格式：孫暢勵(lì)，賈文華. 電液比例鏟斗聯(lián)控制系統(tǒng)建模與聯(lián)合仿真[J]. 軟件，2019，40（5）：134-139

【Abstract】： Based on SY215C8M prototype of excavator， the structural principle of bucket linkage system was analyzed and electro-hydraulic proportional system was reformed. AMEsim was used to model and simulate to verify the rationality of the system. ?In order to improve the control precision of excavator， a fuzzy PID control method is proposed. ?The AMESim-Simulink joint simulation is used to compare the difference between traditional pid control and fuzzy pid control.

【Key words】： Bucket linkage system; Electro-hydraulic proportional control; Fuzzy control; Joint simulation

0 ?引言

挖掘機(jī)（如圖1）在工程上應(yīng)用十分廣泛。本文基于三一重機(jī)SY215C8M樣機(jī)鏟斗聯(lián)電鏟斗聯(lián)液比例系統(tǒng)，分析其工作原理并進(jìn)行電液比例改造，推導(dǎo)挖掘機(jī)鏟斗聯(lián)電液比例系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并利用AMEsim進(jìn)行建模并仿真驗(yàn)證系統(tǒng)改造的合理性。采用模糊PID控制策略代替?zhèn)鹘y(tǒng)pid對(duì)液壓缸位置進(jìn)行控制，利用AMESim-Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，觀察比較傳統(tǒng)pid控制器和模糊pid控制器在控制效果上的區(qū)別。

1 ?系統(tǒng)組成原理及改造

1.1 ?挖掘機(jī)鏟斗聯(lián)系統(tǒng)組成

挖掘機(jī)工作裝置中應(yīng)用最為廣泛的是鉸接反鏟式工作裝置，主要由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗及其相應(yīng)的液壓油缸組合而成，本文是基于挖掘機(jī)鏟斗聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

鏟斗作為挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘動(dòng)作的執(zhí)行元件，主要有內(nèi)收和外擺兩個(gè)動(dòng)作，兩個(gè)動(dòng)作之間的切換主要來實(shí)現(xiàn)[1-2]，液壓回路如圖2。在挖掘機(jī)作業(yè)之前，鏟斗主控閥1處于左位，鏟斗合流閥2關(guān)閉，前泵單獨(dú)供油，液壓缸有桿腔進(jìn)油，鏟斗活塞后縮實(shí)現(xiàn)鏟斗外擺動(dòng)，進(jìn)入準(zhǔn)備挖掘動(dòng)作狀態(tài)。當(dāng)鏟斗開始挖掘作業(yè)時(shí)，鏟斗主控閥1處于右位，液壓油經(jīng)過主控閥流入液壓缸無桿腔，活塞外伸，鏟斗內(nèi)收。因挖掘作業(yè)時(shí)負(fù)載較大，此時(shí)鏟斗合流閥2處于右位，前泵在供油的同時(shí)，后泵的液壓油也同時(shí)流向主控閥1，實(shí)現(xiàn)合流，提高了鏟斗挖掘的挖掘效率。設(shè)置防反轉(zhuǎn)閥3的目的是防止挖掘負(fù)載過大時(shí)引起鏟斗液壓缸活塞反向運(yùn)動(dòng)。

1.2 ?電液比例系統(tǒng)改造

三一重機(jī)經(jīng)典款SY215C8挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)采用液控先導(dǎo)和正流量控制聯(lián)合的方式[3]。為了能夠讓挖掘機(jī)在環(huán)境惡劣、負(fù)載多變的情況下迅速、高精度動(dòng)作，現(xiàn)提出利用電液比例技術(shù)對(duì)挖掘機(jī)鏟斗聯(lián)先導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行改造。

SY215C8挖掘機(jī)正流量控制系統(tǒng)中采用液控先導(dǎo)方式，即通過人為操作先導(dǎo)手柄，使之?dāng)[動(dòng)一定角度，從而產(chǎn)生相應(yīng)壓力的先導(dǎo)液壓油來控制主閥芯的開度[4]。同時(shí)挖掘機(jī)六個(gè)執(zhí)行裝置（兩組動(dòng)臂液壓缸、兩組斗桿液壓缸、一組鏟斗液壓缸、行走機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）共需約20組梭閥來篩選壓力信號(hào)并篩選出最大控制壓力信號(hào)以控制主泵輸出流量，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)冗雜，系統(tǒng)的響應(yīng)速度慢、響應(yīng)精度較低。為了解決這一問題，現(xiàn)用電控先導(dǎo)替代液控先導(dǎo)，即使用電液比例減壓閥替代原有的液控先導(dǎo)閥，用電氣手柄替換原機(jī)械操作手柄。電氣手柄操縱方式與原手柄完全一樣，可同時(shí)在前后、左右擺動(dòng)一定的角度，供電電壓為5V或者10V。由于電氣手柄產(chǎn)生的是電壓信號(hào)，比例減壓閥接受的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是電流，因此電氣手柄發(fā)出的電壓信號(hào)需要經(jīng)控制器轉(zhuǎn)換后輸出PWM信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)比例減壓閥對(duì)主閥加以控制[5-6]。

改造后的電液控制系統(tǒng)原理如圖3所示。操縱手柄及腳踏板動(dòng)作產(chǎn)生的操縱信號(hào)傳入控制器，經(jīng)過處理后送達(dá)主泵，流量調(diào)節(jié)比例閥組調(diào)節(jié)送達(dá)各執(zhí)行元件的流量，同時(shí)向各聯(lián)電液比例閥組傳送控制信號(hào)以調(diào)節(jié)主閥閥芯位移，從而推動(dòng)液壓缸或者液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作裝置行走、回轉(zhuǎn)等動(dòng)作的控制。

2 ?AMEsim建模仿真及參數(shù)設(shè)置

鏟斗聯(lián)電液比例控制系統(tǒng)主要由電液比例閥和主閥控液壓缸組成。在分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從電液比例閥動(dòng)態(tài)方程，主閥流量方程、液壓缸流量連續(xù)性方程和液壓負(fù)載力平衡方程來建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[7-9]，具體推導(dǎo)過程不再贅述。

2.1 ?AMESim建模與參數(shù)設(shè)置

利用AMESim軟件對(duì)鏟斗聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行建模，主要需要考慮液壓泵和多路閥建模。挖掘機(jī)采用近恒功率控制，主液壓回路中采用兩個(gè)柱塞式變量泵供油;先導(dǎo)液壓回路供油裝置采用一個(gè)定量齒輪泵。本文主要研究閥控液壓缸位置運(yùn)動(dòng)控制，為簡(jiǎn)化問題，此處不對(duì)液壓泵自身機(jī)構(gòu)及內(nèi)部特性進(jìn)行研究，只對(duì)主泵外部輸出特性，即輸出壓力—流量特性進(jìn)行分析。根據(jù)各類泵的工作原理及AMESim軟件中規(guī)定的各泵的應(yīng)用范圍，結(jié)合實(shí)際電液比例系統(tǒng)中主泵工作原理和控制方式，此處選取雙變量泵作為主泵的AMESim仿真模型。泵的額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為2050 r/min。

多路閥的建模需要根據(jù)三位六通閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，將鏟斗聯(lián)閥芯拆分為若干個(gè)基本功能單元，利用AMESim液壓元件設(shè)計(jì)庫（HCD）中相應(yīng)的模塊來搭建模型。對(duì)對(duì)中彈簧、彈簧剛度彈簧預(yù)緊力、先導(dǎo)壓力、閥口過流面積等主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)匯總于表1。

在仿真軟件中將雙變量泵仿真模型、鏟斗聯(lián)閥芯仿真模型、液壓缸模型等各模塊相連接，并設(shè)置相應(yīng)先導(dǎo)控制，構(gòu)成鏟斗聯(lián)電液比例系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。

2.2 ?AMEsim仿真驗(yàn)證

給定電氣手柄先導(dǎo)控制信號(hào)，運(yùn)行仿真模型，主閥芯位移-時(shí)間曲線如下圖6。主閥芯0.23s時(shí)開始運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)初期控制信號(hào)足夠大，閥芯迅速打開至最大位移，過流面積達(dá)到飽和狀態(tài)并保持一段時(shí)間，隨后位移減小，閥口調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)液壓缸從內(nèi)縮到完全伸出狀態(tài)。閥芯逐漸減小最終保持不動(dòng)，液壓缸保持在頂位一定時(shí)間。閥芯位移為負(fù)時(shí)，液壓缸開始做回縮動(dòng)作。

如圖7所示為液壓缸活塞桿位移-時(shí)間曲線。由圖7可知，由于閥芯存在死區(qū)，液壓缸在0至0.93 s時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)閥芯位移量大于2.5 mm時(shí)油路才通。0.93 s時(shí)活塞開始運(yùn)動(dòng)，6.39 s時(shí)活塞桿近似勻速伸出至最大行程1.15 m處，保持最大伸出量狀態(tài)至8.21 s，之后液壓缸回縮，12.48 s時(shí)收縮完成。

如圖8為動(dòng)作過程中，無桿腔和有桿腔壓力隨時(shí)間變化的曲線。Port1、Port2分別代表了無桿腔和有桿腔。0-0.6 s，閥芯位于死區(qū)，有桿腔壓力保持在331 bar，無桿腔壓力為0。0.6 s后，無桿腔進(jìn)油，有桿腔出油，有桿腔壓力降低，無桿腔壓力上升，當(dāng)無桿腔壓力克服有桿腔壓力時(shí)活塞開始移動(dòng)。該過程中，由于無桿腔作用面積比有桿腔大，背壓的作用，因此有桿腔壓力始終略大于無桿腔壓力。6.4 s時(shí)液壓缸處于最大位移處，壓力迅速上升至312.7 bar。

通過實(shí)際信號(hào)的輸入，對(duì)液壓缸壓力特性、主閥以及液壓缸位移特性三者的對(duì)比分析可知，系統(tǒng)仿真模型符合真實(shí)運(yùn)動(dòng)，較為真實(shí)了反應(yīng)了實(shí)際狀態(tài)，間接驗(yàn)證了液壓仿真模型的正確性。

3 ?PID控制器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)PID控制存在復(fù)雜變參數(shù)、外干擾系統(tǒng)難以整定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)[10]。模糊控制作為一種非線性控制的控制策略，方法靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠適用于一些精度要求高、非線性、變參數(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)[11]。對(duì)于挖掘機(jī)電液比例系統(tǒng)，可以結(jié)合模糊控制和PID控制，采用模糊控制原理對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行二次最優(yōu)控制，從而滿足系統(tǒng)對(duì)控制精度和智能化的要求。

模糊自整定PID控制器主要由一個(gè)模糊控制器和一個(gè)變參數(shù)PID控制器共同作用完成參數(shù)自整定。根據(jù)輸入模糊控制器的獨(dú)立變量的個(gè)數(shù)，可將其分為一維、二維、三維模糊控制器（FC）。

考慮到挖掘機(jī)穩(wěn)定性及計(jì)算機(jī)性能，選取二維模糊控制器，采用兩輸入三輸出的形式[12-14]。模糊控制器的輸入為e和ec，其中e為挖掘機(jī)鏟斗聯(lián)液壓缸位移差，e=x0-x（x0為目標(biāo)位移值，x為實(shí)際位移值）。ec為偏差的變化率，ec=de/dt。輸出為PID控制器三個(gè)參數(shù)的調(diào)整值。模糊PID控制器最終輸出信號(hào)u為液壓缸活塞桿對(duì)應(yīng)的比例減壓閥的控制信號(hào)，如圖9所示。規(guī)則制定主要依據(jù)工作人員或?qū)＜业膶?shí)際經(jīng)驗(yàn)來適當(dāng)選取，模糊推理在Matlab模糊工具箱中采用Mamdain型推理算法。

4 ?AMESim-Simulink聯(lián)合仿真

基于AMESim-Simulink對(duì)鏟斗聯(lián)電液比例系統(tǒng)進(jìn)行在對(duì)軟件環(huán)境設(shè)置和聯(lián)合仿真接口設(shè)置完成后，分別建立PID控制和模糊自調(diào)整控制聯(lián)合仿真模型，并確定相關(guān)控制器參數(shù)。

4.1 ?階躍信號(hào)驗(yàn)證

輸入階躍信號(hào)觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。階躍信號(hào)參考值取1m，如圖10所示為采用傳統(tǒng)PID控制方式和采用模糊自調(diào)整PID控制方式所得到的階躍信號(hào)位移響應(yīng)曲線圖。

由仿真結(jié)果可知，兩者最終穩(wěn)態(tài)誤差近似為0。采用傳統(tǒng)PID控制時(shí)，系統(tǒng)上升時(shí)間為1.92 s、穩(wěn)定時(shí)間4.72 s;采用模糊自整定PID控制方式時(shí)，系統(tǒng)上升時(shí)間為1.19 s、穩(wěn)定時(shí)間2.81 s。說明模糊自整定PID控制方式能夠比傳統(tǒng)PID控制方式更快地進(jìn)行動(dòng)作反應(yīng)，具有更好的輸出特性。

4.2 ?正弦信號(hào)驗(yàn)證

輸入正弦信號(hào)以觀察系統(tǒng)的跟蹤性能。正弦波頻率為0.2 Hz，幅值0.5 m。如圖11所示為分別兩種控制方法下位移曲線圖以及標(biāo)準(zhǔn)參考位移曲線。由圖可知，傳統(tǒng)PID控制下的系統(tǒng)輸出滯后時(shí)間為0.38 s。模糊自整定PID方法控制下系統(tǒng)的滯后時(shí)間為0.18 s。另外，采用傳統(tǒng)PID控制時(shí)存在失真情況。

如圖12所示為采用兩種控制方式時(shí)位置誤差曲線圖。與傳統(tǒng)PID控制相比，采用模糊自整定控制位置誤差變化范圍小，液壓缸外伸工況下，活塞位移最大誤差值為95.6 mm，液壓缸回縮工況下，活塞位移最大誤差值為66.7 mm。PID控制時(shí)，液壓缸外伸工況下，活塞位移最大誤差值為175.7 mm，液壓缸回縮工況下，活塞位移最大誤差值為163.2 mm。兩種控制方式的結(jié)果對(duì)比見表2。

綜上所述，相同條件下，模糊自整定PID控制比傳統(tǒng)PID控制在跟蹤性能方面具有更好的效果。

5 ?結(jié)束語

挖掘機(jī)智能化是挖掘機(jī)發(fā)展的未來趨勢(shì)。本文以SY215C8M型挖掘機(jī)鏟斗聯(lián)液壓系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)鏟斗聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行電液比例改造和仿真驗(yàn)證。進(jìn)而提出采用模糊自整定PID的控制方法對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行控制，基于AMESim-Simulink聯(lián)合仿真比較與傳統(tǒng)方法的控制效果。仿真結(jié)果表明，較于傳統(tǒng)PID控制，模糊自整定PID控制下的鏟斗聯(lián)液壓系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和良好的跟蹤性能，輸出特性較好。

參考文獻(xiàn)

賈文華， 殷晨波， 馮勇， 吳婷婷. 多路閥控液壓系統(tǒng)在工程機(jī)械中的應(yīng)用研究[J]. 機(jī)床與液壓， 2016， （4）： 70-72.

李萍. 液壓挖掘機(jī)多路閥鏟斗聯(lián)系統(tǒng)及閥內(nèi)流暢仿真研究[D]. 南京工業(yè)大學(xué)， 2013.

陳欠根， 吳偉勝， 劉文國， 張新海. 挖掘機(jī)正流量系統(tǒng)泵控信號(hào)的研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2014，?（06）： 645-649.

劉偉， 徐兵， 楊華勇， 朱曉軍. LUDV多路閥的挖掘機(jī)電液流量匹配控制系統(tǒng)特性[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）， 2012， （08）： 1360-1368.

李拓， 杜慶楠. 基于TMS320F28335的三相感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究[J]. 軟件， 2018， 39（3）： 130-135

尹曉落. 直流電動(dòng)機(jī)的PID整定[J]. 軟件， 2012， 33（5）： 134-135

賀繼林， 馮雨萌， 楊敏， 劉鵬飛. 液壓挖掘機(jī)工作裝置電液比例控制模型的建立與研究[J]. 現(xiàn)代制造工程， 2010， （3）： 111-114.

肖晟， 強(qiáng)寶民. 基于對(duì)稱四通閥控非對(duì)稱液壓缸的電液比例位置控制系統(tǒng)建模與仿真[J]. 機(jī)床與液壓， 2009， 37（6）.

黎波， 嚴(yán)駿， 郭剛， 曾擁華， 彭卓. 挖掘機(jī)電液控制系統(tǒng)及其分段模型[J]. 機(jī)床與液壓， 2012， 40（17）： 64-68.

馬宏云. 挖掘機(jī)工作裝置的模糊控制及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2014

范云飛， 任小洪， 袁文林. 基于并聯(lián)PID 的四旋翼飛行控制策略設(shè)計(jì)[J]. 軟件， 2015， 36（4）： 37-39

郭再泉， 黃麟， 黃堃. 基于專家系統(tǒng)模糊PID控制的液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制研究[J]. 液壓與氣動(dòng)， 2012， （11）： 54-56.

尹曉落. 直流電動(dòng)機(jī)的PID整定[J]. 軟件， 2012， 33（5）： 134-135.

陳鵬偉， 劉向軍， 劉洋. 基于Simulink的無刷直流電機(jī)自抗擾控制系統(tǒng)的仿真[J]. 軟件， 2012， 33（9）： 81-84.