基于AMESim與Simulink的絞車速度同步控制系統(tǒng)研究

陳永清 劉偉亮 徐其彬 徐新和

（三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

液壓絞車是利用液壓馬達(dá)直接或通過(guò)減速箱間接來(lái)拖動(dòng)滾筒的一種絞車，常用于港口、建筑、礦山和林業(yè)等行業(yè).本文所研究的液壓絞車用于攤鋪機(jī)的牽引，兩臺(tái)絞車共同牽引一臺(tái)攤鋪機(jī)工作，絞車牽引速度的平穩(wěn)性、同步性將直接影響攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的質(zhì)量和效率，但由于液壓波動(dòng)、系統(tǒng)泄漏、外部干擾等因素的影響，常常出現(xiàn)同步誤差，如何保證雙絞車牽引速度同步是擺在設(shè)計(jì)人員面前的重要問(wèn)題.

僅按靜態(tài)過(guò)程對(duì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，很難達(dá)到系統(tǒng)的性能要求，而采用樣機(jī)試驗(yàn)在時(shí)間和成本上花費(fèi)較大，因此本文采用計(jì)算機(jī)仿真的方法研究系統(tǒng)性能，采用AMESim和Simulink聯(lián)合仿真分析絞車在模糊PID控制下的同步性能.

1 絞車工況分析與液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 絞車工況分析

攤鋪機(jī)牽引絞車平臺(tái)是為水庫(kù)坡面瀝青攤鋪碾壓工程設(shè)計(jì)的專用平臺(tái)，平臺(tái)主要由底盤、機(jī)架、兩臺(tái)攤鋪機(jī)液壓絞車，送料車液壓絞車、旋臂起重機(jī)、斜平臺(tái)、司機(jī)室等組成.兩臺(tái)攤鋪機(jī)絞車卷筒對(duì)稱布置在平臺(tái)后部左右兩邊，攤鋪機(jī)本身無(wú)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，為了保證攤鋪質(zhì)量和作業(yè)效率，絞車的牽引速度要有很高的穩(wěn)定性和同步性，起步和制動(dòng)時(shí)速度變化平穩(wěn)而快速，具有較強(qiáng)的抗外負(fù)載干擾能力，要達(dá)到以下幾點(diǎn)基本要求：①具有攤鋪?zhàn)鳂I(yè)與高速行走兩種工作模式，兩種模式下均要求起步平穩(wěn)、能無(wú)級(jí)調(diào)速，速度變化范圍分別為0.5～5m／min和0～15m／min，牽引力分別為110kN和77kN；②在兩種模式下，都能夠?qū)崿F(xiàn)攤鋪機(jī)直線行駛，要求兩絞車具有較高的速度同步性能；③由于運(yùn)料車撞擊、攤鋪料減少、路面不平整等原因?qū)е落摻z繩牽引力變化時(shí)，要求絞車牽引速度穩(wěn)定.

1.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙絞車液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)主要包括變量泵主泵、輔助泵、變量馬達(dá)、變量機(jī)構(gòu)、高壓溢流閥組、補(bǔ)油溢流閥組、壓力切斷閥、沖洗閥，控制單元等組成，采用閉式變量泵控變量馬達(dá)回路，馬達(dá)排量采用兩點(diǎn)式控制，在攤鋪模式下馬達(dá)調(diào)到較大的排量，保證能提供較大的轉(zhuǎn)矩，高速行走模式下馬達(dá)調(diào)到較小的排量，保證馬達(dá)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)變量泵變量機(jī)構(gòu)改變泵的流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速.

圖1 雙絞車液壓系統(tǒng)原理圖

兩臺(tái)絞車分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，集中控制，在控制器輸入一定信號(hào)，變量泵變量機(jī)構(gòu)的比例閥閥芯移動(dòng)，控制油液進(jìn)入變量缸，推動(dòng)斜盤到一定傾角，改變泵的排量，泵的流量變化實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速改變，兩馬達(dá)均裝有角速度傳感器，測(cè)得馬達(dá)轉(zhuǎn)速反饋到控制器，與輸入信號(hào)對(duì)比，形成獨(dú)立的反饋控制，同時(shí)，兩傳感器測(cè)得的馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，將速度差值信號(hào)反饋到控制器，形成主、從兩絞車的同步.

2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

2.1 模糊語(yǔ)言變量與隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)

模糊控制器采用兩輸入三輸出結(jié)構(gòu)，輸入為絞車牽引速度偏差e及其變化率ec，輸出量為PID控制器的比例系數(shù)調(diào)節(jié)量dKP、積分系數(shù)調(diào)節(jié)量dKI、微分系數(shù)調(diào)節(jié)量dKD，且這兩個(gè)輸入量對(duì)于3個(gè)輸出量取相同的隸屬度函數(shù)［1］.

絞車在攤鋪模式下最大牽引速度為0.083m／s，高速行走模式下最大牽引速度為0.25m／s，取絞車牽引速度偏差范圍為［－0.1 0.1］，則基本論域設(shè)為［－0.1 0.1］，偏差變化率基本論域?yàn)椋郏?.5 0.5］，量化因子分別取10和12，輸入的模糊語(yǔ)言變量E和EC的模糊論域均為［－6 6］.通過(guò)不斷調(diào)節(jié)修正，比例、積分、微分系數(shù)調(diào)節(jié)量dKP、dKI、dKD分別確定為［－1 1］、［－0.5 0.5］、［－0.5 0.5］，輸出的模糊語(yǔ)言變量分別為 ΔKP、ΔKI、ΔKD，模糊論域均取［－10 10］，則量化因子分別為0.1、0.05、0.05.

輸入、輸出語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值都設(shè)定為7個(gè)，即｛NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB｝，各符號(hào)分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大.

設(shè)定模糊語(yǔ)言變量E、EC、ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬度函數(shù)，三角形隸屬度函數(shù)是應(yīng)用最多的隸屬度函數(shù)，具有數(shù)學(xué)表達(dá)簡(jiǎn)單，運(yùn)算快速的特點(diǎn)，模糊變量輸入、輸出隸屬度見(jiàn)表1.

表1 模糊變量輸入／輸出隸屬度函數(shù)分布

2.2 模糊規(guī)則集設(shè)定

模糊控制器選擇Mamdani規(guī)則，針對(duì)絞車牽引速度平穩(wěn)的控制要求，模糊算法對(duì)參數(shù)的推理規(guī)則為：當(dāng)速度偏差較大時(shí)，比例增益值取大值增加系統(tǒng)響應(yīng)速度，微分增益取中等大小的值以減少系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，防止微分飽和溢出，此時(shí)去除積分避免出現(xiàn)超調(diào)和積分飽和；當(dāng)速度偏差和偏差變化率均為中等大小時(shí)，為保證上升時(shí)間，應(yīng)適當(dāng)減小比例增益；系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化積分作用，使系統(tǒng)盡快回到穩(wěn)態(tài)值；超調(diào)誤差減小呈現(xiàn)向穩(wěn)態(tài)變化的趨勢(shì)時(shí)，再使用積分會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)回調(diào)，去除積分作用；微分增益取適中值保證系統(tǒng)響應(yīng)速度；當(dāng)系統(tǒng)的速度偏差較小時(shí)，增加比例和微分作用，應(yīng)注意振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生；偏差變化率不大時(shí)加大微分作用［2］.

根據(jù)速度偏差、偏差變化率及以上規(guī)則，初步設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則見(jiàn)表2.

表2 模糊變量ΔKP／ΔKI／ΔKD的模糊規(guī)則表

3 建立仿真模型

建立絞車液壓系統(tǒng)仿真模型，首先在AMESim中建立液壓回路模型，其次在Simulink中建立控制系統(tǒng)模型，通過(guò)聯(lián)合仿真分析基于模糊PID控制的系統(tǒng)性能.

3.1 建立AMESim液壓回路模型

利用AMESim軟件的HCD庫(kù)搭建比例閥和變量缸的模型，利用信號(hào)庫(kù)和機(jī)械庫(kù)元件搭建反饋桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)模型，建立變量機(jī)構(gòu)仿真模型如圖2所示，圖中端口1、2為比例電磁鐵電流信號(hào)輸入口，端口3為伺服壓力油液輸入口，端口4為變量缸伸出位移量，推動(dòng)斜盤傾角變化.

圖2 變量泵變量機(jī)構(gòu)模型

變量缸活塞桿位移與斜盤傾角之間的關(guān)系為［3］

式中，xp為變量缸活塞桿伸出位移（m）；L為變量缸對(duì)斜盤力的作用點(diǎn)與斜盤鉸接點(diǎn)的距離（m）；γ為變量泵斜盤傾角（rad）.

當(dāng)γ很小時(shí)，有sinγ≈γ，上式可近似簡(jiǎn)化為

其他液壓元件采用AMESim液壓標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的模型，絞車負(fù)載模型中的減速機(jī)、卷筒、鋼絲繩、質(zhì)量塊、負(fù)載力等模型采用AMESim機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的模型，建立仿真模型如圖3所示，圖中“bianliangjigou”模塊是由變量泵變量機(jī)構(gòu)模型建立的超級(jí)元件模型，圖中“TO SIMULINK”模塊是AMESim軟件與Simulink軟件的接口模塊［4］.

圖3 絞車系統(tǒng)AMESim模型

3.2 建立聯(lián)合仿真模型

在Simulink中建立模糊控制器模型如圖4所示，輸入為反饋的絞車速度信號(hào)與輸入信號(hào)的偏差，輸出為PID 3個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)量，將模型封裝為“Fuzzy Controller”模塊.再調(diào)用由絞車系統(tǒng)AMESim模型編譯而成的S函數(shù)模塊，建立系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型如圖5所示.

圖4 模糊控制器模型

圖5 絞車系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

4 仿真分析

在AMESim模型中設(shè)置各元件參數(shù)，分別仿真絞車在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)模式和高速行走模式下的動(dòng)態(tài)性能.

4.1 攤鋪?zhàn)鳂I(yè)模式下性能

在Simulink中，設(shè)定PID控制器初始參數(shù)為KP0＝0.9、KI0＝3.5、KD0＝1，仿真攤鋪機(jī)攤鋪模式下最大速度0.083m／s時(shí)的工況，比例閥輸入332mA階躍電流信號(hào)，仿真時(shí)間5s，質(zhì)量塊模型速度曲線如圖6所示，系統(tǒng)在0.6s時(shí)刻達(dá)到峰值0.108m／s，超調(diào)量30%，在1.4s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)精度高.

圖6 絞車牽引速度響應(yīng)曲線

攤鋪機(jī)在工作時(shí)可能由于運(yùn)料小車的撞擊、料斗加料不均、路面不平整等因素致使兩側(cè)鋼絲繩受力不均，對(duì)一側(cè)絞車在6s時(shí)刻施加階躍外負(fù)載200kN，仿真觀察兩側(cè)絞車的速度變化曲線如圖7所示.

圖7 受沖擊后速度變化曲線圖

絞車受沖擊力后，速度瞬間減小到約0.7m／s，在7s時(shí)調(diào)整回正常速度值，在6.5s時(shí)有峰值約0.90 m／s.位移變化曲線如圖8所示，在6.3s時(shí)刻兩側(cè)最大位移差僅為3mm.可見(jiàn)攤鋪模式下系統(tǒng)在一側(cè)受沖擊時(shí)，兩絞車速度同步性很好.

圖8 受沖擊后位移變化曲線

4.2 高速行走模式下性能

仿真高速模式下最大速度0.25m／s時(shí)的工況，比例閥輸入480mA階躍電流信號(hào)，仿真時(shí)間5s，質(zhì)量塊模型速度曲線如圖9所示，系統(tǒng)在0.6s時(shí)刻達(dá)到峰值0.28m／s，超調(diào)量12%，在1.4s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)精度高.

圖9 絞車牽引速度響應(yīng)曲線

同樣對(duì)一側(cè)絞車施加階躍負(fù)載，仿真觀察兩側(cè)絞車的速度變化曲線如圖10所示，絞車受沖擊力后，速度瞬間減小到約0.18m／s，在7s時(shí)調(diào)整回正常速度值，在6.5s時(shí)有峰值0.27m／s.位移變化曲線如圖11所示，在6.2s時(shí)刻兩側(cè)有最大位移差為18mm.可見(jiàn)系統(tǒng)在高速行走模式下一側(cè)受沖擊時(shí)，兩絞車仍能保持很好的速度同步性.

圖10 受沖擊后速度變化曲線圖

圖11 受沖擊后位移變化曲線

5 結(jié) 論

根據(jù)絞車牽引速度快速性、平穩(wěn)性、同步性等特性要求，設(shè)計(jì)了泵控馬達(dá)液壓系統(tǒng)和模糊PID控制器，分別在AMESim和Simulink中建立液壓系統(tǒng)模型和控制器模型，仿真分析了絞車在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)模式下和高速行走模式下的性能，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)絞車系統(tǒng)對(duì)階躍輸入信號(hào)響應(yīng)快速、準(zhǔn)確，在外負(fù)載干擾條件下具有較高的速度同步性，滿足實(shí)際工況要求.

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［4］ 付永領(lǐng)，祈曉野.LMS Imagine.Lab AMESim 系統(tǒng)建模和仿真參考手冊(cè)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.