淺海移動平臺懸掛電液控制系統優化與研究

董奇峰 方之遙 吳中正 紀曉宇

1 中交第二航務工程局有限公司 武漢 430040

2 長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室 武漢 430040

3 交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心 武漢 430040

4 中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司 武漢 430040

0 引言

海洋不僅占據著地球上大約71%的遼闊面積，還擁有著豐富的資源，極具開發價值。隨著對海洋國土權益、海洋生態保護、海洋資源開發以及海洋經濟發展的愈發重視，2015 年發布的《中國制造2025》將海洋工程裝備制定為需要重點突破的十大戰略領域之一，旨在全面提升國家海洋工程裝備的國際競爭力[1]。近幾年，海洋工程裝備蓬勃發展，其中，海上移動平臺由于其海洋環境適應性強、可移動靈活性較高而被廣泛研發應用于海上施工、石油開采以及地質勘查等多個前沿工程領域，為國之重器增添了新的光彩[2-4]。

淺海移動平臺是一款能夠在淺海領域實現自行走的海上工程裝備，該裝備所擁有的自動調平功能可使淺海移動平臺適應復雜地形的淺海領域，使其作業平臺在靜止或行進過程中始終保持水平，能為淺海領域的基礎工程建設提供良好的作業平臺。如圖1 所示，淺海移動平臺整機結構主要由行走機構、平臺支架、懸掛機構以及動力站構成。其中，懸掛機構下部分與行走機構相互鉸接，上部分則與平臺支架固連，為平臺的調平裝置，對整個機身的移動和姿態調整起著至關重要的作用。

圖1 淺海移動平臺整機結構

然而，淺海移動平臺在整機試驗調試過程中表現并不理想，懸掛系統調整精度較差、響應滯后。其中，懸掛系統調整時間為2 s，導致平臺整體調平效果較差。由于懸掛系統的反應靈敏度和控制精度是決定淺海移動平臺作業表現的關鍵因素，故有必要對其進行分析、優化和研究。

1 懸掛系統原理與問題分析

1.1 懸掛機構

淺海移動平臺懸掛系統是集機、電、液一體化的綜合性控制系統，可以從機械結構和電液控制系統2 個方面進行分析。

如圖2 所示，單個懸掛機構整體結構主要由下鉸接頭、內套筒、外套筒、外接法蘭、端蓋、液壓缸、頂推法蘭、移動導向套、固定導向套和定位板組成。下鉸接頭與行走機構通過銷軸鉸接，與內套筒通過螺栓進行連接；頂推法蘭與內套筒通過螺栓進行連接，與液壓缸活塞通過銷軸鉸接；端蓋與液壓缸缸筒通過銷軸鉸接，與外套筒通過螺栓進行連接；移動導向套通過螺栓固連在內套筒端部；定位板通過螺栓固連在外套筒端部，同時將導向套卡固在外套筒的端部；外接法蘭與外套筒通過焊接方式固連在一起，同時與平臺支架通過螺栓進行固連。其中，移動導向套與固定導向套在內套筒與外套筒相對滑動的過程中起到導向和防止大面積摩擦的作用。當液壓缸伸縮時，液壓缸活塞會帶動內套筒相對外套筒運動。由于行走裝置與地面接觸，所以下鉸接頭最終形成的支反力會導致外套筒帶動平臺支架運動，實現該處懸掛的調整，進而實現淺海移動平臺的整體姿態調整。

圖2 懸掛機構整體結構

1.2 懸掛電液控制系統

如圖3 所示，懸掛電液控制系統主要由液壓油箱、空氣過濾器、液位計、回油過濾器、風冷、電動機、負載敏感泵、比例閥組、平衡閥、蓄能器和液壓缸組成。其中，電動機將外接電纜提供的電能轉化為機械能，驅動負載敏感泵將機械能轉化為液壓系統的液壓能；比例閥組作為液壓系統的控制元件，可控制作為執行元件的液壓缸的運動速度和方向；平衡閥既能夠使液壓缸保持在某一位置不動，又能避免液壓缸在運行過程中因負載變化而出現的失穩現象；蓄能器則在液壓系統中起到緩沖負載沖擊的作用。

圖3 懸掛電液控制系統

淺海移動平臺在調平過程中需要4 個懸掛機構同時協同工作，針對該項控制需求，且充分考慮了液壓系統應具備的抗流量飽和性能以及節能性能，原設計采用將負載敏感泵和壓力補償閥（也稱減壓閥）位于主閥后面的比例負載敏感多路閥相結合的LUDV 系統作為懸掛系統的液壓系統[5]，同時將與液壓缸適配的拉線傳感器作為反饋環節，結合PID 控制器，形成了懸掛系統的電液控制系統。由于該控制系統的檢測和控制對象為液壓缸的位移，故該控制系統為電液比例位置控制系統。

1.3 懸掛系統問題分析

在淺海移動平臺整機試驗調試的過程中，懸掛系統的機械結構未出現問題，證明懸掛機構設計合理。所以，針對懸掛系統調整響應滯后、控制精度較差等問題，應從電液控制系統方面進行分析以及優化設計。

1.3.1 從液壓泵的角度分析

淺海移動平臺電液控制系統采用負載敏感泵作為動力元件。負載敏感多路閥中減壓閥的閥芯感應負載壓力的變化，通過控制油路將負載壓力的狀態反饋給負載敏感泵的控制閥組，控制閥組及時對泵的輸出狀態進行調節，使泵的輸出流量和壓力與執行器所需進行及時的匹配。且負載壓力升高到設定值時，在保持泵的輸出壓力不變的情況下，控制閥組經過調整減小泵的輸出流量，從而達到減少系統能量損耗的目的[6]。

負載敏感泵的工作原理決定了其輸出壓力僅與系統中負載壓力最高的執行器相匹配，懸掛電液控制系統中有4 個執行器，故負載敏感泵的最大輸出壓力取決于負載最高的液壓缸[7]。淺海移動平臺在作業過程中，由于其作業環境較為復雜，故系統中負載最大的執行器為4個懸掛機構中隨機的1 個。同時，最大負載壓力也會隨淺海移動平臺位姿的不同而變化，導致液壓系統壓力產生波動。然而，在電液控制系統中，往往要求油源壓力要穩定，且為了滿足控制閥輸入恒值壓力的要求通常要使用恒壓式液壓泵[8]，故負載敏感泵應作為電液控制系統的優化對象之一。

1.3.2 從控制閥的角度分析

淺海移動平臺電液控制系統采用負載敏感型比例多路閥作為控制元件。該系統因減壓閥位于主閥之后，當多個執行器同時作業時，即使在系統流量不足時，各執行器也能按各自控制閥的閥開口度比例分配到相應比例的流量，也稱為閥后補償系統，適用于多執行器協同工作的工況中[9]。

負載敏感比例多路閥作為淺海移動平臺懸掛電液控制系統的核心元件，對其頻率響應和位置控制精度有著較高的要求，該閥流量-電流比曲線如圖4 所示。由圖4 可以看出，該閥最大控制流量為50 L/min，控制電流范圍為0.58～1.8 A，控制信號與輸出流量的線性度較差，且該閥頻率僅為13 Hz，在控制系統中，易對系統產生滯環等影響[10]，從而影響控制系統的控制精度和響應速度。鑒于在調試過程中出現懸掛系統響應較慢的情況，將負載敏感比例多路閥也作為電液控制系統的優化對象。

圖4 流量-電流比曲線

2 懸掛電液控制系統優化方案

根據現有液壓油箱、蓄能器、電動機等元件的布置和安裝形式，同時結合上一節對調試中出現問題的分析，在現有電液控制系統的基礎上進行局部優化。在經過較小程度改變的基礎上，通過更換液壓泵和液壓控制閥，將液壓控制系統的控制性能進行優化。

1）將負載敏感比例多路閥更換為高性能電液比例閥。控制性能較好的電液控制閥有電液伺服閥和高性能電液比例閥2 種形式。其中，電液伺服閥因內部存在反饋機制且加工精度較高，故控制精度很高。同時，電液伺服閥不存在零位死區，且頻率響應一般為100 Hz以上，要遠遠高于電液比例閥[11]，但電液伺服閥存在抗污能力較弱、成本較高等缺點。相較于電液伺服閥，高性能電液比例閥能夠兼顧電液控制系統高速、高精度、低成本、抗污染能力等各項綜合需求，已廣泛應用于多個工程領域[12]。淺海移動平臺使用條件較為惡劣，難以保證電液伺服閥對油液清潔度的要求，同時考慮到成本因素，使用高性能電液比例閥代替負載敏感比例多路閥。

根據懸掛控制性能需求，選取三位四通高性能電液比例閥，該閥最大控制流量為50 L/min，頻率響應為80 Hz。既能滿足懸掛系統的最大速度控制需求，又提高了控制閥的頻率響應。

2）將負載敏感泵更換為恒壓變量泵。常用的液壓系統恒壓源主要有3 種形式：定量泵-溢流閥組合式恒壓油源、定量泵-蓄能器-卸荷閥組合式恒壓油源以及恒壓變量泵。其中，恒壓變量泵的輸出流量取決于液壓系統所需要的流量，是一種高效節能、適用于高壓、大流量的系統，同時也適用于流量變化大和間歇作業的液壓系統。所以，恒壓變量泵廣泛應用于工程機械、工業機械等多個工程領域[13]。但是，恒壓變量泵響應不如定量泵-溢流閥組合式恒壓油源快，當系統所需流量較大時，需配置蓄能器以滿足系統峰值流量的需求。考慮到系統能耗因素，采用恒壓變量泵代替負載敏感泵。因原電液控制系統中每個液壓缸已設置有對應的蓄能器，故不再為恒壓變量泵布置額外的蓄能器。

結合懸掛電液控制系統實際需求，考慮到當淺海移動平臺需要進行調平時，至少有2 個懸掛機構需快速調整，所需流量較大，同時考慮到系統的節能性能，選取DR 型恒壓變量泵，該泵公稱壓力為28 MPa，工作轉速為1 800 r/min，最大排量為71 mL/r。其中，排量選型過程為每個液壓缸最大輸入流量50 L/min，2 個懸掛液壓缸以最大速度同時運動時的最大流量為

式中：Q 為所需液壓泵輸出流量；n 為液壓缸數量，n=2；Q1為液壓缸最大輸入流量，Q1=50 L/min。

由此，所需泵最大流量Q=100 L/min。

液壓泵排量為

式中：n 為工作轉速，n=1 800 r/min；V 為液壓泵排量；η 為液壓泵容積效率，η=0.95。

由此，V=58.5 mL/r，根據樣本選擇排量為71 mL/r型號的恒壓變量泵。

另外，該泵公稱壓力、工作轉速與負載敏感泵相同，且最大功率小于對應驅動電動機的功率，可完成替換。

綜上所述，懸掛電液控制系統優化方案如圖5 所示，恒壓變量泵1 替換掉原方案中的負載敏感泵，閥組2 替換掉原方案中的比例閥組，其余不變。其中，閥組2 由單向閥3、溢流閥4、電液比例閥5 以及將上述閥體連接在一起的1 個閥塊組成。

圖5 懸掛電液控制系統優化方案

3 懸掛電液控制系統仿真分析

懸掛電液控制系統是一個復雜的控制系統，盡管已經從理論層面對其進行了分析和優化，但由于淺海移動平臺對懸掛控制系統的快速性、精確性要求較高，而理論分析對控制系統整體的性能難以把握。因此，考慮到需要對優化后的電液控制系統的動態性能進行驗證和分析，采用AMEsim 進行懸掛電液控制系統的建模，對優化后的控制系統進行仿真研究，從而驗證優化方案的可行性。

3.1 懸掛電液控制系統模型的搭建

在電液控制系統仿真建模過程中，可以省略次要的系統環節而僅保留核心的液壓元件，且常規的懸掛控制系統通常只需搭建單個閥控缸模型進行仿真分析即可[14]。基于AMEsim 搭建閥淺海移動平臺懸掛閥控缸電液比例位置控制系統模型如圖6 所示，主要元件有油箱、電動機、恒壓變量泵、溢流閥、電液比例閥、位移傳感器、液壓缸和控制器等。

圖6 懸掛閥控缸電液比例位置控制系統模型

根據液壓元件及工程實際情況，各元件均在模型中設置相應的參數。其中，電動機轉速為1 800 r/min；恒壓變量泵排量為71 mL/r、工作壓力為20 MPa；溢流閥閥門開啟壓力為21 MPa，流量為150 L/min；電液比例閥頻率響應為80 Hz，最大控制流量為50 L/min，閥口壓差為35 bar，控制電流范圍為-20～20mA；液壓缸缸徑為60 mm，桿徑為40 mm，行程為300 mm，負載質量為100 kg。由于外負載對閥控缸系統的控制性能影響幾乎可以忽略，故未對液壓缸施加外負載。

3.2 懸掛電液控制系統仿真結果分析

為檢驗優化后懸掛電液控制系統的快速響應性能和準確性，在搭建仿真模型時采用了與原方案相同的PID控制器進行系統校正。由于懸掛系統還決定了淺海移動平臺整體的穩定性，故要求懸掛電液控制系統在盡量不出現超調的同時保證系統的快速響應。在5 s 時輸入階躍信號，使用Ziegler-Nichols 法對PID 控制器進行參數整定，整定結果為Kp=78.4、Ki=0.172、Kd=0.057 2，懸掛電液控制系統階躍響應仿真結果如圖7 所示。

由圖7 可知，懸掛電液控制系統在加載PID 控制器后未超調，且調整時間為0.6 s，相較于原方案的2 s，大大提高了系統的響應速度。

圖7 電液控制系統階躍響應

4 結論

本文以淺海移動平臺懸掛系統為研究對象，針對懸掛控制系統在調試過程中出現的響應慢、精度差等問題，從理論層面對懸掛電液控制系統存在的問題進行了分析并提出了相應的優化方案：將負載敏感型比例多路閥更換為高性能電液比例閥，將負載敏感泵更換為恒壓變量泵。通過AMEsim 搭建了優化后的電液控制系統仿真模型，結合工程實際，確定了系統仿真參數，并添加了PID 控制器，對懸掛控制系統的動態響應特性進行了仿真。仿真結果表明，PID 控制下系統階躍響應平穩、快速、無超調，驗證了優化方案的可行性。