傅依新 木合塔爾·克力木

摘要：為解決采棉機(jī)遇到路面障礙物時(shí)采棉頭升降液壓缸不同步問題，對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用AMESim仿真的方法，首先對(duì)采棉機(jī)采棉頭升降液壓系統(tǒng)進(jìn)行了AMESim液壓系統(tǒng)建模，施加變化的負(fù)載，分析整個(gè)液壓系統(tǒng)液壓缸的運(yùn)動(dòng)情況;其次，對(duì)整個(gè)采棉機(jī)采棉頭升降液壓系統(tǒng)施加PID控制，使3個(gè)液壓缸升降同步效果更好;最后對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)PID控制。結(jié)果表明，通過PID控制，可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)液壓缸的同步效果;對(duì)采棉機(jī)采棉頭升降系統(tǒng)進(jìn)行PLC設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)PID控制。

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng);不同步;PID控制;PLC設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH137.7;S225.91+1?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：1002-1302（2020）21-0233-05

我國是世界上棉花單產(chǎn)量最高的國家，新疆地區(qū)由于自然條件的優(yōu)勢，非常適合種植棉花，所以采棉機(jī)的研究對(duì)于新疆地區(qū)來說具有非常重要的意義[1-2]。目前國內(nèi)外采棉機(jī)分為2種形式，包括垂直摘錠式和水平摘錠式，垂直摘錠式采棉機(jī)采棉部件結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本較低，但是需要考慮采棉頭升降問題。本研究是在垂直摘錠式的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。本垂直摘錠式三行采棉機(jī)采棉頭共3組，每組采棉頭分別由2個(gè)采棉滾筒組成，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，每組采棉頭由一個(gè)液壓缸控制升降。但是實(shí)際過程中，3組采棉頭的升降過程中出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不同步現(xiàn)象。本研究采用常見的閥后補(bǔ)償控制系統(tǒng)[3-4]，進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)施加PID控制，以達(dá)到同步的效果，最后進(jìn)行PLC設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)PID控制功能。

1 采棉頭升降液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及基本方程

1.1 機(jī)械本體介紹

圖1為1組采棉頭的示意簡圖，當(dāng)采棉機(jī)前端障礙物檢測裝置被路面上的障礙物頂起時(shí)，傳感器前端障礙物檢測裝置與傳感器的距離為H，傳感器把信號(hào)傳輸?shù)絇LC中，從而用PLC控制采棉頭的升降，以避免觸碰到障礙物。本研究使用1個(gè)傳感器控制3個(gè)采棉頭的升降，以達(dá)到同步的效果。

1.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本液壓系統(tǒng)采用1個(gè)負(fù)載敏感泵控制3個(gè)液壓缸，其中1個(gè)液壓缸控制1個(gè)采棉頭的升降。采用負(fù)載敏感泵，使整個(gè)液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果更好;液壓油從負(fù)載敏感泵1流經(jīng)單向閥3，通過換向閥4控制液壓缸的伸出與縮回;梭閥6將高壓油引向補(bǔ)償器5和負(fù)載敏感泵1，從而控制液壓缸的同步和整個(gè)系統(tǒng)的流量壓力。

1.3 必要參數(shù)

通過ADAMS軟件仿真，液壓缸的出力約6 000 N，經(jīng)計(jì)算選液壓缸桿徑（d）為50 mm，缸徑（D）為 80 mm，系統(tǒng)的壓力為5 MPa，流量100 L/min。3個(gè)換向閥選擇原上海立新直動(dòng)式比例換向閥4WRA10E60-L2X/G24-15-N9-Z4，由于此負(fù)載敏感泵同時(shí)控制采棉機(jī)的采棉頭提升、發(fā)棉頭防卡、棉花壓實(shí)和棉箱側(cè)翻系統(tǒng)，所以此處暫時(shí)不選擇型號(hào)。

1.4 基本方程

變量泵排量為

式中：wp為變量泵的轉(zhuǎn)速（r/min）;Cip為泵內(nèi)泄漏系數(shù);Cep為泵外泄漏系數(shù);pr為低壓管道的補(bǔ)油壓力（MPa）;p1為高壓管道的壓力（MPa）。

滑閥的壓力-流量特性方程為

式中：Ap為缸有效面積（m2）;xp為活塞位移（m）;Ctp為缸總泄漏系數(shù);V1為缸進(jìn)、回油腔容積（m3）;βe為體積彈性模量;t表示時(shí)間（min）。

2 系統(tǒng)仿真分析

2.1 不施加控制的液壓系統(tǒng)仿真

原液壓系統(tǒng)采用1個(gè)定量泵控制3個(gè)液壓缸，每個(gè)液壓缸各通過1個(gè)節(jié)流閥控制流量，仿真模型如圖3所示。

對(duì)液壓缸施加不同的負(fù)載力（圖4）。

根據(jù)牛頓第二定律知：

式中：F為采棉頭液壓缸負(fù)載力（N）;m為采棉頭總質(zhì)量（kg）;g為重力加速度（9.8 m2/s）;a為采棉頭加速度（m2/s）。

加速度公式：

式中：vmax為采棉頭上升的最大速度（m/s）;x為采棉頭升降位移（m）。

根據(jù)實(shí)際測量，采棉頭的總質(zhì)量為600 kg，升降位移為0.7 m，采棉頭上升的最大速度為0.5 m/s。所以當(dāng)采棉頭靜止時(shí)，采棉頭液壓缸所承受的負(fù)載力為5 880 N，當(dāng)取最大速度時(shí)，負(fù)載力為6 180 N。為確保實(shí)際工作中更加穩(wěn)定可靠，仿真過程中將負(fù)載力的范圍擴(kuò)大到4 000～8 000 N之間?對(duì)3個(gè)采棉頭施加不斷變化的負(fù)載力，為確保在不同時(shí)刻3個(gè)液壓缸的負(fù)載力大小不同，對(duì)3個(gè)的液壓缸的負(fù)載力分別施加了0.2、0.1、0.3 Hz的頻率（圖4）。

設(shè)置采棉機(jī)在3 s時(shí)開始遇到路面上的障礙物，5 s時(shí)采棉機(jī)到達(dá)障礙物的最高點(diǎn)，之后開始下降直至到達(dá)路面。仿真結(jié)果如圖5所示，可以看出，在不施加任何控制時(shí)，液壓缸的伸出是不同步的，導(dǎo)致在遇到障礙物時(shí)3個(gè)采棉頭的升降不同步，5 s時(shí)3個(gè)液壓缸的活塞位移明顯不同。

2.2 施加PID控制液壓系統(tǒng)仿真

2.2.1 液壓缸同步控制策略 同步控制[6]方式分為同等控制方式、主從控制方式、交叉耦合控制方式。同等控制是指多個(gè)需要同步控制的對(duì)象跟蹤設(shè)定的輸出分別受到控制，通過各自的控制器調(diào)節(jié)并跟隨目標(biāo)值，從而達(dá)到所要求的理想同步動(dòng)作;主從方式，是指在系統(tǒng)中存在多個(gè)需要同步運(yùn)動(dòng)的對(duì)象，其中一個(gè)對(duì)象的輸出作為其他對(duì)象的輸入，從而達(dá)到同步控制的目的。本次仿真采用同等控制和主從控制2種控制結(jié)合的方式，已達(dá)到同步的效果（圖6）。

2.2.2 仿真模型建立 圖7為在AMESim中創(chuàng)建的液壓系統(tǒng)仿真模型。部分關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置：壓力補(bǔ)償閥HCD模型參數(shù)從左到右依次為D31=10 mm、d31=0 mm、f31=1 N、f32=12 N/mm、S3=6 mm、m3=0.01 kg、μ3=30 N/（m·s）、l3=-5-5 mm、D=10 mm、D32=8 mm、d32=0 mm。

式中：D31、d31、f31、f32、S3、m3、μ3、l3、D、D32、d32分別為活塞筒直徑、活塞桿直徑、零壓縮作用下彈簧作用力、活塞彈簧剛度、在零位移下的彈簧壓縮量、質(zhì)量塊質(zhì)量、質(zhì)量塊黏性摩擦系數(shù)、位移限制、柱塞彈弓直徑、柱塞筒直徑及柱塞桿直徑;電磁換向閥的流量為45 L/min;液壓缸的黏性摩擦系數(shù)為 1 000 （N·s）/m，液壓缸活塞桿的最大位移為 0.7 m。對(duì)液壓系統(tǒng)施加PID控制[7-9]，共設(shè)置了3個(gè)PID控制器，PID參數(shù)從左到右依次為P1=300、I1=10、D1=-2;P2=20、I2=10、D2=-1;P3=300、I3=10、D3=-2。

2.2.3 仿真結(jié)果分析 仿真時(shí)設(shè)置采棉機(jī)在地3 s時(shí)開始遇到路面上的障礙物，6 s時(shí)采棉機(jī)到達(dá)障礙物的最高點(diǎn)，之后開始下降直至到達(dá)路面（圖8）。由圖8可知，3 s時(shí)傳感器檢測到障礙物，3個(gè)液壓缸開始升起，到達(dá)6 s時(shí)，液壓缸上升到最高點(diǎn)，之后開始下降到最低點(diǎn)。可以看出，施加PID控制之后要比沒有施加控制時(shí)3個(gè)采棉機(jī)升降液壓缸同步效果更好。

3 PLC設(shè)計(jì)

3.1 PLC選型

本次PLC控制[10]設(shè)計(jì)只考慮了采棉機(jī)采棉頭提升系統(tǒng)，忽略了側(cè)翻、壓實(shí)和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。選擇西門子CPU ST20晶體管PLC。12點(diǎn)輸入，8點(diǎn)輸出，擴(kuò)展了EMAM06和EMAQ02模塊，共4個(gè)模擬量輸入點(diǎn)和4個(gè)模擬量輸出點(diǎn)。

3.2 PLC輸入、輸出

圖9為PLC輸入輸出分配表。其中利用了EMAM06和EMAQ02模塊中的3個(gè)模擬量輸入接口和3個(gè)模擬量輸出接口。

3.3 PLC程序設(shè)計(jì)（實(shí)現(xiàn)PID控制）

圖10為控制負(fù)載敏感泵（電機(jī)）的開啟與關(guān)閉程序，1個(gè)負(fù)載敏感泵控制3個(gè)采棉頭的升降。

圖11為對(duì)一個(gè)采棉頭升降液壓缸施加的PID控制[11]，PID控制模塊采用的是模擬量輸出模塊，其中模擬量標(biāo)定和過程變量標(biāo)定全為雙極性，控制電壓為±10 V。施加的P、I和D的數(shù)值與前面仿真時(shí)相同。

4 結(jié)論

本研究對(duì)采棉機(jī)采棉頭升降液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得出結(jié)論：（1）為解決采棉機(jī)遇到路面障礙物時(shí)采棉頭升降液壓缸不同步問題，采用閥后補(bǔ)償原理對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過AMESim仿真，分析未施加控制和施加PID控制時(shí)液壓缸運(yùn)動(dòng)情況，得出結(jié)論：施加PID控制之后3個(gè)采棉機(jī)升降液壓缸的同步效果要比沒有施加控制時(shí)更好。（2）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PLC控制設(shè)計(jì)，編寫PID控制模塊調(diào)用程序，利用PLC實(shí)現(xiàn)PID控制，以解決采棉機(jī)遇到路面障礙物時(shí)采棉頭升降液壓缸不同步問題。

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