農(nóng)用機械液壓驅(qū)動同步控制仿真分析

穆洪云，羅艷蕾，羅瑜，鄧行，杜威

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽 550025)

0 前言

隨著“精準農(nóng)業(yè)”的實施，農(nóng)用機械自動駕駛已經(jīng)成為實現(xiàn)現(xiàn)代化精準農(nóng)業(yè)的必然選擇。通過在傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)上加入傳感器和控制器，利用衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)精確定位實時位置，從而實現(xiàn)農(nóng)用機械的自動駕駛功能。對于液壓驅(qū)動的農(nóng)用機械，要求行走時具有良好的直線行駛性、高準確性和安全性，因此必須對驅(qū)動馬達進行同步控制。對于液壓系統(tǒng)的同步控制，國內(nèi)外學者進行了大量研究，李超研究了液壓同步控制回路在煤礦機械控制中的應(yīng)用；譚頓等人研究了基于改進粒子群算法的雙液壓馬達同步控制策略，仿真結(jié)果顯示該方法能夠有效減少系統(tǒng)超調(diào)量與同步誤差，并且能夠提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。胡愛閩等利用算法結(jié)合PID對被控對象進行控制，得到了不錯的控制效果。

為了提高農(nóng)用機械的直線行駛性、高準確性和安全性，提出一種具有緩沖制動功能的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行同步控制，本文作者采用主從控制和模糊自適應(yīng)PID控制，在提高農(nóng)用機械安全性的同時，也提高了農(nóng)用機械的直線行駛性、高準確性。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 液壓系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，該系統(tǒng)為恒流量系統(tǒng)，電液比例換向閥6.1-6.2中位工作時，液壓泵2處于卸荷狀態(tài)，由于單向閥5.7-5.10設(shè)有背壓，液壓馬達4.1-4.2處于制動狀態(tài)。當電液比例換向閥6.1-6.2處于左位或右位時，動力源1帶動定量泵2轉(zhuǎn)動輸出高壓油，通過電液比例換向閥6.1-6.2進入液壓馬達4.1-4.2，液壓馬達4.1-4.2開始轉(zhuǎn)動，將動力傳給車輪1-4，從液壓馬達4.1-4.2出來的低壓油通過電液比例換向閥6.1-6.2后，再通過冷卻器7和過濾器8流回油箱9.1。該回路具有良好的緩沖功能，當系統(tǒng)突然制動時，液壓馬達4.1-4.2低壓端可以通過單向閥5.3-5.4和5.5-5.6從油箱9.2-9.3吸油，高壓端可以分別通過單向閥5.7-5.8和5.9-5.10后，通過安全閥3.2和3.3向油箱9.2-9.3回油。

圖1 農(nóng)用機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理

轉(zhuǎn)速傳感器10.1-10.2實時采集液壓馬達4.1-4.2的實際轉(zhuǎn)速，并將采集信號分別傳給控制器1.1-1.2，經(jīng)過控制器1.1-1.2處理后分別將控制信號傳給電液比例換向閥6.1-6.2，控制閥芯開口的大小，從而控制進入液壓馬達4.1-4.2的流量，實現(xiàn)液壓馬達4.1-4.2轉(zhuǎn)速同步。

1.2 控制策略

采用主從控制方式，如圖2所示：首先設(shè)定液壓馬達4.1的轉(zhuǎn)速，通過處理1將控制信號傳輸給電液比例換向閥6.1，控制電液比例換向閥6.1閥芯開口的大小，控制進入液壓馬達4.1的流量，從而控制液壓馬達4.1的轉(zhuǎn)速。將從液壓馬達4.1采集的實際轉(zhuǎn)速作為液壓馬達4.2的目標值，經(jīng)處理2后將控制信號傳給電液比例換向閥6.2，從而控制液壓馬達4.2的轉(zhuǎn)速。

圖2 主從控制原理

2 AMESim建模

2.1 安全閥和電液比例換向閥建模

根據(jù)安全閥的工作原理，其系統(tǒng)滑閥模型如圖3所示，1口接油箱，2口接泵高壓端，當壓力超出設(shè)定值時，推動閥芯向左移動，高壓油流回油箱。電液比例換向閥可以根據(jù)輸入電信號的大小與對應(yīng)產(chǎn)生的電磁力成比例的特點，來實時控制閥芯的位移，從而控制輸出的壓力、方向和流量。根據(jù)電液比例換向閥的工作原理建立如圖4所示的模型，1口和5口接油箱，高壓油從3口進入，當閥芯向左移動時，高壓油從4口流出，當閥芯向右移動時，高壓油從2口流出。

圖3 安全閥

圖4 電液比例換向閥

2.2 系統(tǒng)模型

由圖1可建立如圖5所示模型?？紤]到農(nóng)用機械工作環(huán)境惡劣，在啟動過程容易出現(xiàn)偏載啟動現(xiàn)象，忽略系統(tǒng)的泄漏，設(shè)定液壓元件仿真參數(shù)如表1所示。

圖5 AMESim仿真模型

表1 仿真參數(shù)

3 Simulink建模

3.1 PID控制原理

如圖6所示，首先設(shè)定液壓馬達4.1的目標轉(zhuǎn)速，然后分別通過PID1-PID4控制液壓馬達4.1-4.2的轉(zhuǎn)速。本文作者采用Ziegler-Nichols法，初步整定該系統(tǒng)的初始值為，=1.5，=18，=0.1。

圖6 PID控制原理

3.2 模糊PID控制原理

農(nóng)用機械在行駛或啟動過程中容易出現(xiàn)負載波動的情況，本文作者采用模糊自適應(yīng)PID分別對液壓馬達4.1-4.2的轉(zhuǎn)速進行實時跟蹤，以確保液壓馬達4.1-4.2快速達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速。

模糊自適應(yīng)PID控制器由模糊推理器和PID控制器模塊組成，如圖7所示，通過轉(zhuǎn)速傳感器反饋回來的實際液壓馬達轉(zhuǎn)速值與設(shè)定液壓馬達轉(zhuǎn)速值的誤差和誤差變化率作為模糊推理器的輸入值，輸出Δ、Δ和Δ，從而實時控制電液比例換向閥6.1-6.2閥芯開口的大小，實現(xiàn)液壓馬達4.1-4.2轉(zhuǎn)速同步。本文作者定義了7個模糊子集來描述變量的值：、、、、={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；輸入和輸出隸屬度函速均采用三角形。、、根據(jù)設(shè)定的模糊控制規(guī)則，得到輸出控制三維圖，如圖8所示。

圖7 模糊PID控制原理

圖8 Kp、Ki、Kd輸出控制三維圖

3.3 Simulink模型

根據(jù)圖7模糊PID控制原理，可以運用MATLAB/Simulink模塊建立如圖9所示模型。

圖9 Simulink仿真模型

4 仿真結(jié)果與分析

設(shè)置仿真時間為4 s，運行AMESim打開MATLAB進行聯(lián)合仿真，在AMESim中得到液壓馬達的同步轉(zhuǎn)速和誤差曲線，分別如圖10—圖17所示。由圖10和圖11可知:在=0.7 s時，在模糊自適應(yīng)PID控制器的控制下，初始負載不同的液壓馬達4.1-4.2達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速，最大同步誤差為121.83 r/min，液壓馬達4.1的轉(zhuǎn)速為300.45 r/min，液壓馬達4.2的轉(zhuǎn)速為299.8 r/min，穩(wěn)定后同步誤差為0.65 r/min。達到設(shè)定轉(zhuǎn)速前，液壓馬達4.1超調(diào)量為4%，液壓馬達4.2超調(diào)量為1.8%，系統(tǒng)響應(yīng)的時間較短。

圖10 液壓馬達同步轉(zhuǎn)速曲線 圖11 液壓馬達同步誤差曲線

圖12 液壓馬達4.1負載波動同步轉(zhuǎn)速曲線 圖13 液壓馬達4.1負載波動同步誤差曲線

圖14 液壓馬達4.2負載波動同步轉(zhuǎn)速曲線 圖15 液壓馬達4.2負載波動同步誤差曲線

圖16 液壓馬達負載同時波動轉(zhuǎn)速同步曲線 圖17 液壓馬達負載同時波動同步誤差曲線

為了驗證系統(tǒng)的魯棒性，在=2 s時分別進行以下操作：(1)僅液壓馬達4.1負載減少50 N·m；(2)僅液壓馬達4.2負載減少50 N·m；(3)同時進行(1)和(2)。仿真結(jié)果如圖12—圖17所示：系統(tǒng)在0.8 s內(nèi)達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速，達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速前最大同步誤差為30.35 r/min，達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速后最大同步誤差為0.65 r/min，故該系統(tǒng)具有較好的魯棒性，能夠滿足精準農(nóng)業(yè)需求。

5 結(jié)論

首先建立農(nóng)用機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理模型，并分析其工作原理，選擇控制策略。其次在AMESim中建模，然后在MATLAB/Simulink中建立模糊自適應(yīng)PID模型，最后進行聯(lián)合仿真并分析系統(tǒng)同步性和魯棒性。仿真結(jié)果顯示：系統(tǒng)啟動后0.7 s時達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速，最大同步誤差為121.83 r/min，達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速前最大超調(diào)量為4%，達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速后同步誤差為0.65 r/min；當系統(tǒng)負載波動時，系統(tǒng)也能在0.8 s內(nèi)達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速，最大同步誤差為30.35 r/min，達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速后同步誤差為0.65 r/min。因此對于該農(nóng)用機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)，采用主從控制和模糊自適應(yīng)PID控制，能夠?qū)崿F(xiàn)快的響應(yīng)速度，超調(diào)量小，魯棒性好，能夠保證農(nóng)用機械行走時具有良好的直線行駛性、高準確性和安全性。