基于Simulink的翻拋裝置液壓系統控制策略研究*

周茜琳 ， 林家祥 ， 黃健友 ， 李少偉 ， 胡 俊 ， 孫乙城

（廣西科技大學機械與汽車工程學院，廣西 柳州 545616）

0 引言

隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，養殖業、畜牧業、農業等產業發展迅速，在生產農副產品的同時會產生大量有機廢棄物，隨之而來的問題是如何妥善處理及利用城鄉有機廢棄物。翻拋機是動態堆肥中的核心設備[1]，可以處理各種固體有機廢棄物，具有對物料翻拋、打碎、散氣、控制發酵溫濕度等功能[2]。起初，我國翻拋機只能從國外引進，現如今隨著國家政策的支持，我國開始自主研發翻拋機，且逐步向節能高效、智能運行方向發展[3]。

國內外的公司和高校對翻拋機開展了大量設計及研究：德國的BACKHUS公司主要從事翻拋機的生產制造，其產品具有多樣性和規模性，該公司的翻拋機多采用液壓驅動，以保證工作過程的平穩可靠[4]；奧地利的MORAWETZ公司借鑒德國技術生產了一款履帶式全液壓翻拋機，其液壓泵直接連接到發動機上，駕駛室在需要時可放在機架內部，該結構有效地減小了機器的體積和重量[5]；Schedler等研發了一套翻拋機自動導航跟蹤系統，將無人駕駛技術應用到履帶式翻拋機的導航模塊中，通過衛星導航技術實現了翻拋機的自動化[6]。國內對翻拋機的理論性研究較少，目前，國家已加大政策支持力度，增加研發投入。山東大學的孫盛剛設計了一臺履帶式全液壓翻拋機，并對整機結構、翻拋裝置、行走裝置等進行了受力分析，通過實地試驗驗證該機器翻拋效率較高、可靠性強[7]。廣西科技大學的林家祥等設計了一套翻拋機行走液壓系統，該系統簡單實用，他們還對換向時的沖擊進行了仿真分析，得出蓄能器較溢流閥吸收沖擊更有效[8]。廣西科技大學的張寶巖利用虛擬樣機技術對翻拋機工作裝置的運動動力學特點、搖臂板結構等進行了仿真分析，針對搖臂板的共振問題對搖臂板進行了結構優化[9]。大連交通大學的馬一龍將BP神經網絡控制應用在控制物料堆內部發酵環境問題上，翻拋機能夠對比現場情況和最佳發酵環境的參數，進而完成相應動作，確保物料堆的內部環境始終處于有機肥的最佳發酵環境，該控制系統有效地提升了有機肥的發酵效率，使翻拋機控制技術進一步發展[10]。翻拋機如今已向智能、穩定、節能、高效方向發展，很多學者將現代技術應用到翻拋機上，但是對于翻拋機液壓系統的分析研究還存在不足。

翻拋裝置作為翻拋機的主要動作機構，對整機的工作效率以及節能減排具有很大的影響。目前國內翻拋機翻拋裝置液壓系統主要以定量泵-定量馬達作為驅動系統，針對不同的工作情況，系統調節能力較差，會產生能源浪費現象，在工作時還會因為外界負載產生較大波動。本文通過對翻拋裝置液壓系統的控制策略進行研究，實現翻拋裝置根據不同轉速需求進行調節，基于模糊PID控制，使系統具有良好的抗負載干擾能力，研究成果對翻拋裝置液壓系統的設計、性能優化具有指導意義。

1 翻拋裝置液壓系統的優化

本文以匯邦H230翻拋機為原型，對其翻拋裝置液壓系統進行優化。翻拋裝置三維模型如圖1所示，翻拋裝置的原液壓系統如圖2所示。翻拋裝置工作原理為：發動機1驅動液壓泵2，液壓泵2驅動液壓馬達3，液壓馬達3直接作用于翻拋輪，通過翻拋輪的旋轉，對物料進行翻拋。在實際的工作中，由于定量泵的排量不可調，會出現大功率驅動小負載的情況，溢流閥作為該系統的控制元件，對系統的控制調節能力較差，在翻拋作業中翻拋效率主要依賴駕駛員的操作熟練度。因此在翻拋過程中會造成液壓能使用效率不高、資源浪費，以及遇到突變負載工況時，操作不及時對翻拋機造成損壞的情況，增加了后期運行維護的成本。

圖1 翻拋裝置三維模型

圖2 翻拋裝置原液壓系統原理圖

20世紀70年代初，為了提高液壓系統能量利用效率，一些新型的液壓系統控制方式應運而生。其中，容積調速技術已被廣泛應用于農業機械、石化、工業生產自動化等領域，變量泵-定量馬達容積調速回路被廣泛應用在大型工程機械液壓系統中[11]。變量柱塞泵通過改變斜盤傾角來改變排量，從而實現定量馬達的調速，由于容積調速回路中沒有節流溢流閥的壓力損失，所以該回路具有傳動效率高、產生熱量少、調速范圍大等優點[12]。將原液壓系統的定量泵優化為電液比例變量泵，駕駛員可以根據壓力表對翻拋輪進行無級調速；將原液壓系統的開式回路優化為閉式回路，使油箱的體積縮小，減小翻拋機的體積和重量。翻拋機主要技術參數如表1所示。

表1 全液壓翻拋機主要技術參數

優化后的翻拋裝置液壓系統原理圖，如圖3所示。變量泵4和定量馬達11組成閉式泵控馬達系統，驅動翻拋輪旋轉，溢流閥6可以保護系統高壓回路不過載。在低壓管路上的輔助油泵3用作液壓系統的冷卻散熱和補充泄漏機構，并為變量泵的控制機構10提供恒定的控制壓力，其工作壓力由溢流閥5調整。控制器13通過定量馬達轉速傳感器12檢測的信號，根據控制策略調節變量泵的輸出流量，以維持馬達轉速穩定。

圖3 優化后的翻拋裝置液壓系統原理圖

2 翻拋裝置液壓系統泵控馬達的數學建模

翻拋裝置液壓系統泵控馬達原理圖，如圖4所示。變量泵通過斜盤傾角控制液壓泵輸出工作液的流量與方向，從而實現對液壓馬達的速度與方向的控制，在液壓能傳遞的過程中，由于受到液壓油的壓縮性以及液壓管路的阻尼等因素的影響，系統回路中的壓力和流量會發生瞬時的變化，定量馬達輸出的轉速也會隨著回路內的瞬時變化而改變。在分析閉式回路的傳遞函數時，不考慮管道的壓力損失并假設元件的泄漏為層流[13]。

圖4 翻拋裝置液壓系統泵控馬達原理圖

變量泵的排量Vp為：

式中，Kp為變量泵排量梯度；λ為變量泵斜盤傾角。

變量泵的流量方程為：

式中，ωp為變量泵輸入轉速；Cip為變量泵內泄漏系數；Cep為變量泵外泄漏系數；p1為高壓管道壓力；p2為低壓管道壓力。

式（2）的拉普拉斯變換式為：

式中，Ctp為變量泵總泄漏系數。

馬達高壓腔流量連續性方程為：

式中，Cim為液壓馬達內泄漏系數；Cem為液壓馬達外泄漏系數；Vm為液壓馬達排量；θm=θm(t)，為液壓馬達轉角；V0為高壓腔壓縮容積；βe為油液的有效體積彈性模量。

式（4）的拉普拉斯變換式為：

式中，Ctm為液壓馬達總泄漏系數。

液壓馬達的力矩平衡方程為：

式中，Jt為總轉動慣量；Bm為粘性阻尼系數；G為扭轉剛度負載；TL為液壓馬達所受外負載力矩。

式（6）的拉普拉斯變換式為：

以馬達輸出軸轉角θm為輸出變量，將式（3）、（5）、（7）聯立，得到：

式中，Ct為總泄漏系數。

假設負載中不存在彈性負載，即G=0；若CtBm/Vm2＜＜1，則式（8）可以簡化為：

式中，ωh為液壓動力元件固有頻率，為液壓動力元件阻尼比，

馬達輸出軸轉角θm對變量泵排量Vp的傳遞函數為：

馬達輸出軸轉角θm對負載力矩TL的傳遞函數為：

3 基于Simulink的翻拋裝置液壓系統控制策略研究

3.1 仿真模型建立

翻拋裝置液壓系統主要由變量泵、定量馬達、輔助油泵、過濾及冷卻系統以及過載保護回路構成。在翻拋機工作過程中，變量泵將柴油發動機提供的機械能轉化為液壓能，定量馬達再將液壓能轉化為機械能，為翻拋裝置提供動力；輔助油泵主要在液壓系統中液壓油泄漏時進行補充，以及對系統液壓油進行散熱、過濾清潔，同時也保證變量機構的控制壓力恒定。翻拋裝置液壓系統控制原理圖，如圖5所示，在翻拋裝置液壓系統中泵的排量主要由外界負載變化影響，使得馬達輸出的轉速出現波動。此時，控制單元通過將馬達輸出轉速與馬達輸入轉速作比較，來調整變量泵斜盤傾角，以此來保持變量泵流量穩定輸出，確保馬達輸出轉速穩定。

圖5 翻拋裝置液壓系統控制原理圖

翻拋裝置液壓系統仿真模型主要分為兩部分，分別為電液比例變量泵模型和泵控定量馬達模型。電液比例變量泵模型的原理是：電液比例控制系統，通過調整電壓大小來改變柱塞泵斜盤角度，來實現變量泵排量的改變[14]，最終可以簡化為比例環節，通過力平衡方程和流量連續方程，建立柱塞泵的數學模型。利用馬達輸出轉速的變化來調整變量泵斜盤傾角，實現閉環控制，系統方框圖如圖6所示，參數含義如表2所示。

表2 參數列表

圖6 翻拋機翻拋裝置液壓系統方框圖

3.2 翻拋裝置液壓系統控制策略研究

在線性系統中使用PID控制策略，通常能夠獲得滿意的控制效果，但是翻拋機工作對象是復雜多變的，傳統的PID控制無法使系統具有良好的穩定性和動態特性。模糊PID控制可解決系統非線性、時變性無法建立精確數學模型的難題，且控制靈活、魯棒性強、控制精度高。因此，將模糊PID控制方式應用到翻拋裝置液壓系統中，可達到馬達轉速滿足理想轉速輸出的目標。

模糊控制器主要由輸入輸出變量、模糊化、規則庫、模糊邏輯推理、解模糊組成[15]，模糊PID控制器輸入誤差e及誤差變化率ec，通過模糊推理實時對PID控制器的3個參數進行調整，以滿足不同時刻輸入的e和ec都能輸出實時變化的自整定的PID參數[16]。模糊PID控制器原理圖，如圖7所示。

圖7 模糊PID控制器原理圖

設轉速誤差論域e∈[-1，1]，轉速變化率論域為ec∈[-0.02，0.02]。其模糊子集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，分別代表：負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。ΔKp，ΔKi，ΔKd的模糊規則，如表3、表4、表5所示。

表3 ΔKp模糊規則表

表4 ΔKi模糊規則表

表5 ΔKd模糊規則表

3.3 仿真結果

根據系統方框圖，在MATLAB/Simulink軟件中搭建出翻拋裝置液壓系統仿真模型，如圖8所示。

圖8 翻拋裝置液壓系統仿真模型

1）無外界負載干擾。

給系統輸入馬達轉速為300 r/min的階躍信號，PID控制和模糊PID控制的對比響應曲線如圖9所示。PID控制達到系統要求的馬達轉速的調整時間為2 s，模糊PID控制的調整時間為0.4 s。PID控制的最大超調量為14%，模糊PID控制的最大超調量為0.6%。給系統輸入馬達轉速以240 r/min為振蕩中心，振幅為60 r/min，最大轉速為5 rad/s的正弦信號，PID控制和模糊PID控制的對比響應曲線如圖10所示。PID控制的最大超調量比模糊PID控制大，模糊PID控制的響應時間比PID控制短。從圖中可以看出，在加入模糊控制后，模糊PID控制較PID控制對電液比例變量泵控制系統具有更好的響應特性，模糊PID能更好地使翻拋機液壓系統達到速度控制要求。

圖9 無負載干擾時階躍輸入仿真結果

圖10 無負載干擾時正弦輸入仿真結果

2）有外界負載干擾。

當系統負載于5 s時從2 000 N·m突變到2 800 N·m，分別給系統輸入馬達轉速為300 r/min的階躍信號，以及馬達轉速以240 r/min為振蕩中心，振幅為60 r/min，最大轉速為5 rad/s的正弦信號。PID控制和模糊PID控制的對比響應曲線如圖11、圖12所示。仿真結果表明：模糊PID控制較PID控制調整速度更快，系統的穩定性更高。

圖11 負載突變時階躍輸入仿真結果

圖12 負載突變時正弦輸入仿真結果

通過對比分析得出，模糊PID控制系統較PID控制系統更加穩定，響應速度更快。在遇到突變負載時抗負載干擾能力更強，控制效果更好，滿足翻拋機翻拋過程中復雜工況的要求。

4 結論

本文以匯邦H230翻拋機為基礎，對翻拋裝置液壓系統進行了控制策略研究，結論如下：

1）將容積調速回路中的變量泵-定量馬達閉式回路應用到翻拋裝置液壓系統中，優化后的液壓系統可根據工作的實際需求對翻拋輪進行無級調速，系統響應迅速穩定，滿足設計要求。

2）針對翻拋裝置液壓系統，設計出模糊PID控制器。對于不同的輸入信號，具有響應速度快、超調量小、無滯后、跟蹤精度高等特性；在有外界負載干擾時，模糊PID控制抗干擾能力強，系統可以快速達到穩定狀態，取得了較好的控制效果。

3）本文僅對突變負載干擾進行了控制器設計及仿真分析，后續可以在緩變負載、交變負載的干擾下進行仿真分析，針對不同的負載干擾 設計出不同的控制策略。