剪叉式高空作業平臺雙油缸同步性研究

胡仕成 盧銀玲 黎新齊 肖葉萌

摘要：為減少雙油缸不同步對剪叉式高空作業平臺穩定性及安全性的影響，探究了影響雙油缸同步性能的因素，并對液壓控制系統進行改進。目前，大多數企業采用機械連接同步回路的方法，利用剪叉機構自身結構上的優勢，在運動時迫使兩液壓油缸達到同步運動的效果，這種情況下雙油缸的同步精度不高。本文對液壓系統進行了改進，采用主從式電液比例閉環控制的方法，建立了剪叉式高空作業平臺液壓系統的AMESim仿真模型，仿真結果表明同步誤差降低到6%左右。為進一步提高控制精度，結合經典PID控制進行系統校正和同步控制，仿真結果顯示雙油缸的同步誤差有效控制在1.2%以內。

關鍵詞：雙油缸同步;電液比例閉環控制;AMESim;經典PID控制

Abstract： In order to reduce the influence of the non-synchronization of dual hydraulic cylinders on the stability and safety of the scissor aerial work platform， the factors affecting the synchronization were analyzed， and the hydraulic control system was improved. At present， most companies use the method of connecting the synchronous circuit mechanically， which forces the two hydraulic cylinders to move synchronously by using the advantage of scissor mechanism in structure. However， the synchronization precision of dual hydraulic cylinders is not good in this case. In this paper， the hydraulic system was improved by adopting the method of master-slave electro-hydraulic proportional closed-loop control， and the AMESim simulation model of the hydraulic system of the scissors aerial work platform was established. The simulation result indicates that the synchronization ?error of the dual hydraulic cylinders reaches about 6%. In order to further improve the control precision， the classical PID control was used for system calibration and synchronization control， and it shows that the synchronization error is within 1.2%.

Key words： Synchronization of dual hydraulic cylinders; Electro-hydraulic proportional closed-loop control; AMESim; Classical PID control

0 ?前言

剪叉式高空作業平臺屬于高空作業平臺的一種，具有場地適應性強、操作靈活、承載能力強等優點，適用于室內外及不平整工況，可實現多人同時工作，具有較高的穩定性，廣泛應用于建筑維修、電氣維修、市政園林施工、機場碼頭運輸、廣告裝潢等領域[1]。10m及10m以上的高空作業產品的需求量不斷增加，很多企業開始采用上下平行布置的雙液壓油缸進行驅動控制[2]。當引入雙油缸驅動時，剪叉式高空作業平臺的運動特性也變得更加復雜。剪叉式高空作業平臺的機構自由度為一，采用雙油缸驅動時，各油缸所受載荷雖有減少，但是機構運動的自由度數小于驅動器的數目，這種情況下會造成“驅動冗余”，導致運動狀態不穩定。目前市場上的大多數企業采用機械連接同步回路的方法，并且液壓系統多數采用開環控制，作業平臺在啟動和停止時刻會出現沖擊現象，系統自身不能調節干擾的影響，導致整體同步控制精度不高，影響了其作業效果[3]。因此，對剪叉式高空作業平臺雙油缸的同步控制研究具有十分重要的工程實踐意義。

1 剪叉式高空作業平臺雙油缸同步控制系統研究

開環控制的同步系統性能完全依靠液壓元件如節流閥、同步閥、調速閥等元件本身的精度控制，所以不能抑制或者消除誤差，適合應用在同步精度要求較低的場合。閉環同步控制系統在開環控制的基礎上加入反饋系統，根據輸出量不斷調節控制閥的精度不斷縮小誤差，從而完成同步控制[4]。為更好的提高液壓系統的同步性，保障平臺快速穩定的工作，對液壓控制系統采用閉環控制的方式。通常采用的閉環同步控制方式分為兩種：“同等方式”和“主從方式”[5]。“同等方式”是指所有執行元件同時跟蹤既定的基準輸出達到同步驅動的目的，但是此方法要求各控制元件、執行元件、檢測元件、反饋元件等之間有較好的匹配效果，雖然同步精度高，但是控制方式的實現難度較大，給工程應用增加了難度。“主從方式”是指在需要完成同步的元件中選定一個輸出為理想輸出，其它執行元件跟蹤這一理想輸出并達到同步驅動的目的。綜合控制效果和控制成本，本文采用主從閉環控制系統進行雙油缸的同步控制，其控制原理圖如圖1所示。通過大量的文獻資料查詢并結合實際工況，最終選用電液比例閉環控制系統進行雙油缸的同步控制，它不但控制精度較高，而且性能安全、造價低[6，7]。

2 剪叉式高空作業平臺雙油缸同步控制系統建模與仿真

AMESim是一款多學科領域復雜系統建模仿真平臺軟件，主要應用于仿真及動力學分析、液壓系統和機械建模，能夠為系統控制、熱傳動、流體動力提高較好的仿真環境[8]。本文利用AMESim軟件搭建雙油缸同步控制系統的仿真模型，各液壓元件參數如表1所示，仿真模型如圖2所示。液壓系統采用的是“主從方式”的同步閉環控制，選定下起升油缸為主動液壓缸，作為理想輸出，上起升油缸為從動液壓缸，在工作過程中，位移傳感器檢測到從動液壓缸的位移與主動液壓缸位移之間的偏差時，用偏差信號控制電液比例方向閥，改變閥開口量，使得從動液壓缸的輸出與理想液壓缸的輸出相適應，進而實現雙油缸運動同步的效果。仿真結果如圖3所示。

仿真結果分析：下起升油缸從運動狀態到穩定狀態需要21.69s，上起升油缸從運動狀態到穩定狀態需要23.12s，上下油缸動態響應調整時間差為1.43s，雙油缸的同步誤差為6.19%。由仿真結果可知此液壓系統是合理有效的，但是同步精度仍然不高。

3 經典PID優化建模仿真

為取得較高的同步控制效果，采用經典PID控制進行系統的校正。經典PID控制器是一種線性控制器，因其算法簡單、可靠性高、魯棒性好等優點被廣泛應用于工業工程中[9]，其控制原理如圖4所示。在控制系統中，穩定性、準確性以及快速響應性三者之間往往互相制約，難以同時取得最優，因此需要求得PID參數的最優解。選用絕對誤差作為PID的優化指標，絕對誤差積分取得最小值時的PID參數即為系統最優解。

仿真結果分析：PID校正后下起升油缸從運動狀態到穩定狀態18.4s，上起升油缸從運動狀態到穩定狀態19.02s，上下油缸動態響應調整時間差為0.62s，雙油缸的同步誤差減小到1.19%。與未加入經典PID校正的系統相比，下起升油缸的調整時間縮短了3.29s，上起升油缸的調整時間縮短了4.1s，上下油缸動態響應調整時間差縮短了0.81s，雙油缸的同步誤差減小5%。仿真結果表明，加入經典PID控制在提高系統動態響應及雙油缸同步性能方面效果顯著。

4 結論

（1）對剪叉式高空作業平臺的雙液壓缸同步效果而言，傳統的采用機械連接同步回路與開環控制相結合的控制精度并不高且系統穩定性差，本文采用主從式電液比例閉環控制的方法有效的提高了剪叉式高空作業平臺雙液壓缸的同步性能，使得系統響應比較平穩，同步誤差控制在6%左右;

（2）與經典PID控制相結合，降低了外界干擾對系統穩態的破壞程度，并且能夠更快速的做出響應，縮短上下油缸達到穩定狀態的時間，將雙液壓缸的同步誤差有效控制在1.2%以內，性能良好。

參考文獻：

[1]SmiThings looking up for aerial work platformsth Anne. [J]. Diesel Progress North American Edition， 2005，71（1）：12-14.

[2]高恒路，桑勇.同步控制策略及其典型應用的研究[J].液壓氣動與密封，2012，32（5）：43-46.

[3]徐社連，侯波.剪叉式升降機液壓系統改造[J].液壓與氣動，2007：75-76.

[4]Zhongwei L.Hydraulic Synchronization Control System and Its Application on Giant Hydraulic Press [J]. Hydraulics Pneumatics & Seals，2007，1：004.

[5]王仁福.幾種典型液壓同步系統探討[J].四川冶金，2007，29（3）：44-47.

[6]李志忠.電液比例位置跟蹤同步控制系統研究[ D].沈陽：東北大學，2015.

[7]謝建，羅治軍，田桂，等.基于AMESim的多級液壓缸建模與仿真[J].機床與液壓，2010，38（7）：126-129.

[8]賈曉輝，李宏波.基于自適應PID控制的雙護盾TBM液壓同步控制系統研究[J].液壓氣動與密封，2018（4）：48-52.

[9]余佑官，龔國芳，胡國良.AMESim仿真技術及其在液壓系統中的應用[J].液壓氣動與密封，2005（3）：28-31.