基于模糊PID的液壓調(diào)平系統(tǒng)的同步控制研究

李德剛

【摘要】 針對(duì)載重平臺(tái)液壓調(diào)平控制的特點(diǎn)，建立了載重平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型，在AMESim軟件中對(duì)組成平臺(tái)調(diào)平中液壓缸同步控制結(jié)構(gòu)的主要元件進(jìn)行了建模，引入模糊PID控制策略，設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，目的是使模糊PID控制能夠提高系統(tǒng)控制性能。

【關(guān)鍵詞】 液壓調(diào)平 模糊PID AMESim

引言

在現(xiàn)代民用工業(yè)領(lǐng)域如物料運(yùn)輸、礦井開(kāi)采、機(jī)械制造等方面，以及以及軍事工程領(lǐng)域中如導(dǎo)彈發(fā)射、雷達(dá)搜索等環(huán)節(jié)中，往往對(duì)各類載重平臺(tái)在作業(yè)過(guò)程中有水平度的要求，載重平臺(tái)的調(diào)平一般選用液壓調(diào)平方式來(lái)完成[1]，而在這個(gè)過(guò)程中，最重要的就是解決液壓支腿同步控制的問(wèn)題。

一、液壓調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

載重平臺(tái)調(diào)平系統(tǒng)一般采用閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，反饋的輸出量可以提高調(diào)平的同步精度和自動(dòng)化程度[2]。由信號(hào)采集裝置將采集到的輸入信號(hào)以及反饋信號(hào)傳給控制器，控制器依據(jù)設(shè)定的要求來(lái)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，最后由執(zhí)行機(jī)構(gòu)（液壓缸）驅(qū)動(dòng)載重平臺(tái)動(dòng)作使得其達(dá)到水平狀態(tài)且無(wú)虛腿。其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1.2調(diào)平策略的選擇

在剛性液壓平臺(tái)的調(diào)平過(guò)程中，由于支腿在運(yùn)動(dòng)方向上只有一個(gè)自由度，其受到平臺(tái)牽引而形成的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條復(fù)雜的空間曲線，建模較為困難[3]。而對(duì)支腿建立的數(shù)學(xué)模型主要是為了得到水平傾角α、β與各液壓支腿位移△Z之間的函數(shù)關(guān)系，因此借助微分思想將平臺(tái)的空間運(yùn)動(dòng)進(jìn)行離散，可在相對(duì)坐標(biāo)系內(nèi)建立比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。

載重平臺(tái)系統(tǒng)的調(diào)平過(guò)程依據(jù)可以由平臺(tái)上的兩條相交直線達(dá)到水平狀態(tài)來(lái)確定。為了安裝與測(cè)量方便，可將傾角傳感器分別安裝在X軸與Y軸上，用來(lái)測(cè)量這兩個(gè)方向上的角度信號(hào)，角度信號(hào)經(jīng)過(guò)算法轉(zhuǎn)化，輸出實(shí)際的位移控制量，由液壓缸驅(qū)動(dòng)來(lái)使得液壓支腿上升或者下降，從而讓平臺(tái)達(dá)到水平狀態(tài)，載重平臺(tái)的調(diào)平方式，從控制的誤差類型來(lái)說(shuō)，可以分為基于位置誤差控制和基于角度誤差控制兩類調(diào)平方式。

基于角度誤差的調(diào)平由于存在分別調(diào)整α、β角度值這兩個(gè)階段，平臺(tái)水平狀態(tài)很難通過(guò)一次調(diào)平就達(dá)到要求，需要反復(fù)多次進(jìn)行調(diào)整，因此液壓支腿總移動(dòng)距離較大，調(diào)平總耗時(shí)也比較長(zhǎng)。而基于位置誤差調(diào)平中，由于液壓系統(tǒng)存在一定的滯后性，不能及時(shí)響應(yīng)發(fā)出的指令，故應(yīng)避免出現(xiàn)液壓支腿下降的動(dòng)作，綜合考慮，采用追逐式朝最高點(diǎn)靠齊的方式進(jìn)行調(diào)平。

二、液壓同步控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

常見(jiàn)的四液壓缸載重平臺(tái)，由一閥控一缸的原理[4]，建立其系統(tǒng)模型，系統(tǒng)由平臺(tái)平面，四個(gè)液壓缸和液壓支腿以及相應(yīng)的附件構(gòu)成，為了能夠直觀地描述液壓支腿與平臺(tái)的調(diào)平過(guò)程，建立系統(tǒng)的坐標(biāo)系如圖2。

以液壓缸1與液壓缸4的連線作為系統(tǒng)坐標(biāo)系的X軸，液壓缸1與液壓缸2的連線作為系統(tǒng)坐標(biāo)系的Y軸，Z軸為豎直方向，每個(gè)液壓缸由單獨(dú)的比例閥來(lái)控制，Qi1、Qi2分別代表閥到液壓缸無(wú)桿腔與有桿腔的油液流量，Pi1、Pi2分別代表液壓缸無(wú)桿腔與有桿腔進(jìn)油口的壓力，PiS是電液比例閥進(jìn)口壓力，QiS是油源到電液比例閥的油液流量，i=1，2，3，4，pp是油源處油液壓力，Qp是油源處油液流量。Fi是第i個(gè)液壓支腿的輸出力，Pi（Pix，Piy，Piz）為液壓支腿與載重平臺(tái)鉸接的中心點(diǎn)坐標(biāo)，Si（Six，Siy，Siz）為液壓支腿的中心點(diǎn)坐標(biāo)，M是載重平臺(tái)的質(zhì)量。

在載重平臺(tái)調(diào)平的過(guò)程中，液壓支腿運(yùn)動(dòng)軌跡可以由質(zhì)心OC在豎直方向上的位移ZC，繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θx和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θy來(lái)描述，因此，以載重平臺(tái)為對(duì)象，由牛頓第二定律以及剛體轉(zhuǎn)動(dòng)定律可以求出其運(yùn)動(dòng)方程 ：

三、液壓同步控制系統(tǒng)仿真分析

液壓平臺(tái)調(diào)平控制過(guò)程中針對(duì)液壓缸工作模式采用了主從式，將其中一個(gè)液壓缸的輸出設(shè)定成為其余液壓缸輸出跟蹤的理想值，可在AMESim軟件中建立同步控制系統(tǒng)的仿真模型如下圖3所示，

根據(jù)數(shù)學(xué)模型中建立的相應(yīng)元件，關(guān)聯(lián)一組常見(jiàn)的元件參數(shù)，可設(shè)置到仿真模型中進(jìn)行仿真分析，主要元件的仿真參數(shù)如表1：

設(shè)置4號(hào)液壓缸支腿為最高位移，對(duì)四液壓缸調(diào)平過(guò)程進(jìn)行仿真，仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)為50s，步長(zhǎng)取0.1s。觀察四個(gè)液壓缸的支腿在調(diào)平過(guò)程中的位移曲線，可得到仿真結(jié)果如圖4所示。

四、結(jié)論

由仿真得到的位移曲線可以看出，在支腿調(diào)平過(guò)程中，處于不同位置的支腿上升速率并不相同，位于最低點(diǎn)的1號(hào)液壓缸支腿 上升速率最快，2號(hào)次之，3號(hào)最慢，而位于最高點(diǎn)的4號(hào)液壓缸支腿，在調(diào)平過(guò)程中，保持位移不變。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]凌軒，王旭東，陳賽克.雷達(dá)天線車液壓升降系統(tǒng)同步控制仿真研究.[J]機(jī)床與液壓.2013（8）：81-83.

[2]仕潤(rùn)霖，馮永保，李淑智，郭曉松.模糊PID控制的車載平臺(tái)高精度動(dòng)態(tài)調(diào)平仿真研究[J]機(jī)床與液壓.2013（5）：150-153.