機場貨運平臺拖車頂升系統液壓缸的同步控制

張積洪，孫野

(中國民航大學航空自動化學院，天津300300)

進口平臺車在機場中占絕大多數，由于其工作特殊性，具有價格昂貴(200 萬以上)、行駛速度慢(5 km/h)、工作場地分散的特點。文中設計的貨運平臺拖車能夠快速將其裝卸、轉運至各個工作場地，提高平臺車的使用效率。

設計了由4 個液壓缸同步舉升的動力單元，將拖車的托板由一個較低的位置舉升到一定高度，使拖車具有快速轉運的30 km/h 的速度。機場平臺車離地間隙166 mm，自身質量將近20 t，在裝卸該平臺車的過程中要求平穩、安全、可靠，因此，設計了多液壓缸同步頂升托板裝置，后車架采用懸浮半軸結構，置于橫梁上的液壓缸先將托板下降到離地較低的裝卸位置，待將平臺車裝載到托板上之后，均布的多液壓缸頂升工作，將托板舉升到較高的行駛位置。

四缸同步舉升單元是該貨運平臺拖車的重要組成部分，舉升液壓系統采用分組控制，液壓缸的控制只是通過分別比較組內液壓缸的位移或速度來實時地調節偏移。PID 控制具有算法簡單、可靠性高的特點而被廣泛應用，文中提出了組內PID 控制方案，控制調節比例調速閥和比例溢流閥實現雙缸精確控制。運用壓力、流量混合協調控制的方案，保證拖車將平臺車快速、完好地轉運到指定的工作場所。

1 拖車液壓頂升系統分析

1.1 托板頂升液壓缸分布

托板舉升液壓系統由兩組對稱分布于輪胎半軸托架上的4 個液壓缸組成，如圖1 所示，將分布于車兩側的4 個液壓缸分為兩組，即液壓缸1 和2 為A 組，液壓缸3 和4 為B 組。托板的舉升過程應是以液壓缸為動力支點，繞托板鉸軸旋轉一特定角度，依據幾何關系，A 組液壓缸總行程較B 組長，兩者呈現精確的比例關系，這是該拖車頂升液壓缸分組同步控制的基礎［1］。

圖1 貨運平臺拖車舉升液壓缸分布圖

1.2 液壓缸控制原理

圖2 為舉升系統液壓缸1 工作原理圖，采用變量泵供油，設計有安全閥、雙向液壓鎖，同時具備開機預熱回路和快速回退回路。液壓缸1 的位移傳感器實時檢測舉升位移信息，采用主從式同步控制式，反饋并與給定的參考值(液壓缸2 的位移控制信號)作比較，進行誤差分析，將誤差傳送到PLC 控制器中，按預設的控制策略進行控制輸出。同時壓力傳感器實時檢測舉升壓力，輸入控制器進行分析，最后將信號傳遞到比例放大器放大，按需求控制調節比例調速閥的比例電磁鐵，調節進入液壓缸1 的液壓油流量進而控制舉升雙缸系統同步性，調節比例溢流閥開度控制液壓缸的舉升壓力，達到要求的舉升壓力進行工作，實現比例流量、壓力復合控制。

圖2 舉升系統單缸控制原理圖

2 組內雙缸PID 控制

PID 控制方法廣泛應用于工業控制領域［2－4］。作為一種線性控制器，它根據設定值ysd(t)和實際輸出值y(t)構成控制偏差e(t)，將偏差按照比例、積分、微分通過線性組合構成控制量u(t)，對被控對象進行控制?？刂破鞯妮斎胼敵鲫P系可描述為:

式中:e(t)= ysd(t)－ y(t)，Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。

在拖車的后托板舉升過程中，以液壓缸2 的舉升位移為參考位移，實時檢測液壓缸1 的舉升位移，采用主從式同步控制方式，與舉升缸2 的位移作比較得到偏差信號，通過輸入給PLC 協調，最后反饋到比例調速閥上，調節舉升缸1 比例調速閥中節流閥開度大小，調節進入兩缸的流量，最終實現雙杠舉升位移的同步。由壓力傳感器實時檢測推進壓力的大小，與給定的值進行比較，保證液壓缸的輸出壓力為所需的設定值。

依據舉升系統所選比例調速閥實物結構原理，采用AMESim 中的HCD (基本元件設計庫)中的液壓元件搭建好比例調速閥的AMESim 模型。模型如圖3所示。

圖3 比例調速閥AMESim 模型

采用AMESim 進行仿真時，對比例調速閥中的關鍵結構參數進行批處理以及優化，得出仿真參數參考值。

仿真中主要分析比例調速閥［5］、液壓缸以及負載之間的動態關系，基于AMESim 建模時省略了液壓鎖以及三位四通換向閥，系統仿真時著重分析比例調速閥模塊以及負載和液壓缸模塊之間的動態特性。

如圖4 所示，在AMESim 中對PID 試驗參數批運行，得到優化數據:比例系數為1，積分時間常數為15，微分時間常數為0.05。

圖4 液壓雙缸同步控制仿真圖

通過選取合理的PID 控制參數，可以實現液壓雙缸的高精度同步控制。圖5 顯示峰值誤差75 ×10－6m，并在系統運行開始8 s 以后，誤差趨近于0;圖6為液壓缸比例調速閥的控制信號跟蹤曲線，以給定液壓缸2 的調速閥的控制信號為參考量，通過反饋跟蹤，液壓缸1 的比例調速閥得到對應的控制信號，在不到4 s 內控制信號達到8，和作為參考的比例調速閥的控制信號相等，頂升缸同步舉升，控制效果達到要求;圖7 給出了舉升雙缸的速度跟蹤曲線，可以看出:在位移偏差達到要求的前提下，兩者的舉升速度也具有較高的一致性。

圖5 液壓雙缸舉升位移偏差圖

圖6 液壓雙缸比例調速閥控制信號跟蹤圖

圖7 液壓雙缸舉升速度信號跟蹤圖

3 組間多缸整體同步控制

拖車的舉升托板在裝卸平臺車的過程中，要求具備較高平穩性，即4 個舉升液壓缸在工作過程中應具有高度的協調一致性，同步位移、速度誤差需嚴格控制在合理的范圍內［8］。應用AMESim 軟件，在對A組內雙缸同步控制仿真分析過程中，得到了要求的位移同步精度和速度跟隨特性，基于該原理，B 組內兩個液壓缸應能達到相同的控制精度。

圖8 四缸同步控制原理圖

圖8給出了基于組內PID 同步控制的多缸同步控制原理圖，在起始階段，控制器將成一定比例的兩個參考速度信號分別輸出到2 號和4 號液壓缸的兩個比例調速閥，在此工作狀態下，拖車托板完成平穩、精確的舉升過程。

4 結論

文中探討了機場平臺快速拖車多缸同步舉升控制問題，對組內液壓缸采用基于位置負反饋的PID 控制器，同時給出了組間多缸同步舉升的控制策略。仿真結果表明:基于流量控制的位置反饋PID 控制具有優秀的同步特性，能夠實現拖車托板舉升過程中的精度要求，保證其最佳的工作狀態。

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