基于分段控制多級缸舉升系統研究

張春輝　趙靜一　榮曉瑜　布　丹

1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室，河北秦皇島，0660042.燕山大學先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，河北秦皇島，066004

基于分段控制多級缸舉升系統研究

張春輝1,2趙靜一1,2榮曉瑜1,2布丹1,2

1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室，河北秦皇島，0660042.燕山大學先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，河北秦皇島，066004

針對某礦用自卸車多級缸舉升換級時的沖擊振動問題，研究了舉升過程中的參數關系；根據舉升系統電液比例控制方案提出了負載敏感舉升系統分段控制方法，對舉升缸換級時的模糊控制算法進行分析。仿真分析表明，分段控制較單一的電液比例控制能有效改善多級缸換級時的沖擊問題。現場試驗證明，該舉升系統有效解決了變負載和參數時變系統的控制穩定性問題。研究結果為分析同類問題提供借鑒與參考。

多級缸；沖擊；電液比例； 分段控制；模糊控制

0　引言

含有多個活塞桿的多級液壓缸由于具有結構緊湊，以及在原始長度相同的情況下比單級缸行程更長的特點而被廣泛應用于自卸車的舉升系統[1]。而在各級活塞桿依次伸出的過程中，由于活塞桿截面和負載的變化，以及需要通過活塞桿相互碰撞實現限位的情況，使得系統產生過大的沖擊，該沖擊通過整車車架車身傳導到駕駛室，使得即便有減震裝置的駕駛室也會產生極大的振動，從而影響駕駛人員的乘坐舒適性及安全。因此，如何克服這些問題成為自卸車舉升系統以及和多級缸相關的大型機械裝置亟待解決的問題。在變負載系統中，可以通過檢測負載壓力變化信號，向液壓系統進行反饋，實現節能控制，以及流量和調速控制[2]。

目前國內外的研究主要集中在以下幾個方面：在常規PID控制的基礎上，引入了自適應神經元對PID控制參數進行在線調整，實現了對多級缸系統運動過程的智能控制[3]；以機動導彈發射架為例,研究了大型液壓驅動機械裝置起豎過程的控制問題,實現了對液壓油源和起豎速度的靈活控制[4]；建立二級缸舉升系統的模型，并進行仿真研究以及改進的PID控制算法的研究[5-6]。以上研究成果為多級缸舉升系統的研究奠定了一定的基礎，但無法滿足礦用自卸車舉升系統的要求。本文根據礦用自卸車應用工況，在力求系統節能、安全、可靠的前提下，提出了負載敏感電液比例舉升控制系統方案，并通過分段控制方法即在多級缸正常伸出時采用電比例控制，在換級角度±5°范圍內對舉升過程采用模糊控制算法進行計算，并通過仿真分析及現場試驗進行驗證，從而證明了分段控制較采用單一電液比例控制的優越性。

1　舉升過程參數分析

礦用自卸車舉升系統主要由車廂、多級舉升缸及車架組成，其結構如圖1所示，液壓系統通過多級液壓油缸為車廂提供動力，實現車廂從水平狀態到最大角度狀態的運動。

1.車身　2.駕駛室　3.前輪總成　4.車架　5.車廂　6.多級舉升缸　7.后輪總成圖1　礦用自卸車舉升系統結構圖

舉升機構的簡化形式如圖2所示，其中O點為舉升缸與車架的鉸接點，A點為舉升缸與車廂相連的回轉中心，B點為車廂與車架的鉸接點，C點為舉升缸伸出使車廂繞回轉中心旋轉θ后的位置，車廂與OB的夾角為φ，多級缸伸出時的長度為l+x，其中l為舉升缸安裝長度，x為多級缸行程，根據幾何關系可以得到舉升角度與舉升缸行程變化之間的關系：

對于△OBC，有

(1)

圖2　舉升機構簡圖

對于△OAB，有

(2)

由式(1)、式(2)可得

(3)

將該車型舉升機構的參數代入式(3)，可以得到圖3所示的舉升角度與舉升缸行程變化關系曲線，從圖中可以看出舉升缸換級時所對應的舉升角度，從而為后續的舉升控制研究提供依據。

圖3　舉升角度與舉升缸行程變化關系曲線

2　基于負載敏感電液比例控制方案

由于在舉升過程中車廂中的載荷隨著舉升角度的變化而不斷變化，同時還要受到風載荷等隨機載荷變化的影響，因此舉升缸的受力是不斷變化的，采用負載敏感控制即與負載無關的流量控制，使舉升缸的運動速度在每一級內運動時不受負載的影響。

1.負載敏感變量泵　2.過濾器　3.蓄能器　4.多級舉升缸　5.安全閥圖4　舉升液壓系統原理圖

圖4為舉升液壓系統原理簡化圖，該系統由負載敏感變量泵、電液比例舉升控制回路組成。其中，CT1、CT2為比例壓力閥，CT3、CT9為梭閥，CT4為壓力順序閥，CT5～CT8為平衡型常閉邏輯閥，CT10為溢流閥，CT11為單向閥，CT12為電磁換向閥。當比例電磁鐵1AO獲得控制手柄發出的PWM信號后控制比例壓力閥CT1的閥芯開口度，蓄能器3的壓力油通過CT1后控制平衡型常閉邏輯閥CT6與CT8的先導腔，從而使變量泵的液壓油通過邏輯閥CT6進入多級缸的大腔，而小腔的液壓油通過CT8回油箱，實現車廂的舉升。同樣，當比例電磁鐵2AO獲得手柄發出的PWM信號后，變量泵的壓力油通過平衡型常閉邏輯閥CT5進入多級缸的小腔，而大腔的壓力油通過CT8回油箱，實現車廂的下降。平衡型常閉邏輯閥具有比例換向功能和雙向平衡功能，從而使車箱控制更為可靠和舒適，消除了車箱下降末端對底盤的沖擊，同時能夠平衡車箱在舉升末端物料流動反沖加速貨箱的后翻。

當車廂舉升或下降時，通過舉升手柄來實現舉升或下降功能及調節舉升速度，這里稱之為手柄控制，其實質為將控制手柄的角度信號轉化為電比例信號以驅動比例壓力閥CT1和CT2換向，圖5所示為舉升手柄擺角與輸出流量之間的關系。當多級舉升缸需要換級時，由于駕駛員無法判斷換級的具體位置，無法對多級缸換級進行控制，而換級時由于截面的變化，負載的變化以及活塞桿之間的相互碰撞實現限位而產生過大的沖擊，因此為了降低沖擊對整車的影響現采用分段控制方式，其控制流程如圖6所示。

圖5　手柄控制特性曲線

圖6　舉升控制流程圖

通過安裝在車廂上的角位移傳感器實時檢測舉升的角度θ，按照多級缸級間轉換的次數將舉升過程劃分成若干階段，由于一級缸伸出時，負載及截面的變化并不明顯，因此忽略一級缸伸出時的作用，將一級缸到二級缸，二級缸到三級缸過渡的角度值θ0、θ1設為控制點，根據上文對舉升缸長度變化和舉升角度的變化關系的分析確定兩個控制點的角度值,當通過角度傳感器采集到的舉升角度在這兩個角度控制點±5°范圍內時，通過模糊控制算法控制比例閥閥芯的位移。

3　模糊控制算法設計

當車廂舉升或下降時，通過舉升角度傳感器采集當前的舉升角度信號，當舉升角度在(θ0-5°,θ0+5°)或(θ1-5°,θ1+5°)內時，手柄工作失效，進入分段控制模式，通過模糊控制算法，計算出主閥芯的開口度，通過控制比例壓力閥實現主閥芯開口度的調節，從而達到抑制舉升缸換級時的速度突變。模糊控制系統的原理如圖7所示。

圖7　模糊控制系統原理圖

建立舉升液壓系統的AMESim模型，并進行編譯轉化為Simulink中常用的S函數形式，實現與Simulink的聯合，再利用Simulink中的fuzzy工具箱中的模糊控制器(fuzzy logic controller)和其他模塊搭建系統的仿真模型，如圖8所示，其中AMESim模型中將控制比例減壓閥的電壓信號作為輸入信號，舉升角度作為輸出信號。手柄控制方式和分段控制方式下的仿真結果如圖9所示。

表1　模糊控制規則

從圖9可以看出，在舉升過程中第8 s和第15 s也就是在二級缸和三級缸換級時，多級缸的速度發生顯著的波動，兩種控制方式差異也是主要發生在二級缸和三級缸換級時，分段控制方式下采用模糊控制算法后的系統穩定性增強，多級缸換級時的振動沖擊作用將會明顯減弱。

圖8　分段控制仿真模型

圖9　兩種控制方式下舉升缸運行速度

4　現場試驗驗證

為了驗證采用分段控制后對系統產生的效果以及仿真分析的正確性，對現場實車進行測試，在實驗測試過程中，通過液壓測試儀采集舉升缸大腔的壓力值，并通過液壓測試儀屏幕或通過PC聯機軟件可以顯示各類分析曲線[10]，如圖10所示。

圖10　數據采集流程圖

對空載及重載舉升過程中壓力信號進行采集與對比分析，圖11所示為多次空載舉升中任意兩次壓力曲線，從圖中可以看出,在整個舉升過程中采用手柄控制即電比例控制時，在二級缸和三級缸伸出時均會產生較大的壓力峰值，說明多級缸伸出時的沖擊主要發生在二級缸和三級缸換級前后，與仿真分析結果相一致，而采用分段控制即換級前后采用模糊控制算法雖然會使舉升時間滯后，但仍然在舉升設計時間允許的范圍內，并且能有效地緩解了換級時的壓力沖擊，使舉升過程中更加平穩。

圖11　空載實測壓力對比

重載舉升時由于慣性作用，啟動時的壓力會比空載時要大很多，為了使落料更加平穩需要放慢舉升速度，隨著舉升過程的進行，多級缸活塞桿逐級伸出，在二級缸和三級缸伸出時仍然會有沖擊作用。圖12所示為重載情況下兩種控制方式下舉升壓力測試曲線。通過對比可以發現，在每一級缸伸出的過程中，兩種控制方式效果相似，而在換級時能夠顯示出分段控制方式對于抑制沖擊的效果。

圖12　重載實測壓力對比

5　結論

(1)通過對舉升機構的模型簡化，分析了舉升過程中舉升缸的長度變化和舉升角度關系，為得到多級缸換級時的舉升角度提供依據。

(2)對負載敏感舉升系統電液比例控制原理進行了分析，并提出了分段控制方式即換級前采用手柄控制，在二級缸、三級缸換級角度±5°范圍內采用模糊控制算法。

(3)對模糊控制算法進行設計，并進行仿真研究,表明分段控制方式下采用模糊控制算法后的系統穩定性增強，多級缸換級時的沖擊作用將會明顯減弱。

(4)通過現場試驗對兩種控制方式即通過手柄實現比例控制和分段控制下的空載和重載舉升過程中的壓力信號進行對比，驗證了仿真分析的正確性，比較了兩種控制方式下的控制效果，為多級缸相關的大型裝置的設計和研究提供參考。

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(編輯郭偉)

Research on Multi-stage Cylinder Lifting System Based on Subsection Control

Zhang Chunhui1,2Zhao Jingyi1,2Rong Xiaoyu1,2Bu Dan1,2

1.Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004 2.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science，Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

Aimed at the lifting tipper impact problems of changing stage of multistage cylinder in mining dump truck, the parameter relationship was studied in the lifting process. A subsection control scheme of load sensitive lifting system was proposed based on electric-hydraulic proportional control. The fuzzy control algorithm was analyzed during changing stage of the cylinder. Simulation analysis shows that the subsection control can improve changing stage impact problem of the multistage cylinder compared with electric-hydraulic proportional control. Through the field test, it is proved that the lifting system solves the control stability of the variable load and parameter time-varying systems effectively，providing reference to analyze the same problem.

multistage cylinder; impact; electric-hydraulic proportional; subsection control; fuzzy control

2014-07-22

國家自然科學基金資助項目(51175448，51405424)；河北省自然科學基金資助項目(E2012203071)

TH137；TP273< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.03.007

張春輝，男，1985年生。燕山大學機械工程學院博士研究生。主要研究為電液控制系統。趙靜一，男，1957年生。燕山大學機械工程學院教授、博士研究生導師。榮曉瑜，男，1990年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。布丹，女，1990年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。