電液比例鏟斗聯控制系統建模與聯合仿真

孫暢勵 賈文華

摘 ?要： 基于挖掘機SY215C8M樣機，分析鏟斗聯系統的結構組成原理并對其進行電液比例系統改造，利用AMEsim建模并仿真驗證。為提高控制精度，提出模糊自整定PID控制策略，用AMESim-Simulink聯合仿真，觀察比較傳統pid控制和模糊pid控制的區別。

關鍵詞： 鏟斗聯系統;電液比例控制;模糊控制;聯合仿真

中圖分類號： TP273 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.026

本文著錄格式：孫暢勵，賈文華. 電液比例鏟斗聯控制系統建模與聯合仿真[J]. 軟件，2019，40（5）：134-139

【Abstract】： Based on SY215C8M prototype of excavator， the structural principle of bucket linkage system was analyzed and electro-hydraulic proportional system was reformed. AMEsim was used to model and simulate to verify the rationality of the system. ?In order to improve the control precision of excavator， a fuzzy PID control method is proposed. ?The AMESim-Simulink joint simulation is used to compare the difference between traditional pid control and fuzzy pid control.

【Key words】： Bucket linkage system; Electro-hydraulic proportional control; Fuzzy control; Joint simulation

0 ?引言

挖掘機（如圖1）在工程上應用十分廣泛。本文基于三一重機SY215C8M樣機鏟斗聯電鏟斗聯液比例系統，分析其工作原理并進行電液比例改造，推導挖掘機鏟斗聯電液比例系統數學模型并利用AMEsim進行建模并仿真驗證系統改造的合理性。采用模糊PID控制策略代替傳統pid對液壓缸位置進行控制，利用AMESim-Simulink進行聯合仿真，觀察比較傳統pid控制器和模糊pid控制器在控制效果上的區別。

1 ?系統組成原理及改造

1.1 ?挖掘機鏟斗聯系統組成

挖掘機工作裝置中應用最為廣泛的是鉸接反鏟式工作裝置，主要由動臂、斗桿、鏟斗及其相應的液壓油缸組合而成，本文是基于挖掘機鏟斗聯系統進行研究。

鏟斗作為挖掘機進行挖掘動作的執行元件，主要有內收和外擺兩個動作，兩個動作之間的切換主要來實現[1-2]，液壓回路如圖2。在挖掘機作業之前，鏟斗主控閥1處于左位，鏟斗合流閥2關閉，前泵單獨供油，液壓缸有桿腔進油，鏟斗活塞后縮實現鏟斗外擺動，進入準備挖掘動作狀態。當鏟斗開始挖掘作業時，鏟斗主控閥1處于右位，液壓油經過主控閥流入液壓缸無桿腔，活塞外伸，鏟斗內收。因挖掘作業時負載較大，此時鏟斗合流閥2處于右位，前泵在供油的同時，后泵的液壓油也同時流向主控閥1，實現合流，提高了鏟斗挖掘的挖掘效率。設置防反轉閥3的目的是防止挖掘負載過大時引起鏟斗液壓缸活塞反向運動。

1.2 ?電液比例系統改造

三一重機經典款SY215C8挖掘機液壓控制系統采用液控先導和正流量控制聯合的方式[3]。為了能夠讓挖掘機在環境惡劣、負載多變的情況下迅速、高精度動作，現提出利用電液比例技術對挖掘機鏟斗聯先導系統進行改造。

SY215C8挖掘機正流量控制系統中采用液控先導方式，即通過人為操作先導手柄，使之擺動一定角度，從而產生相應壓力的先導液壓油來控制主閥芯的開度[4]。同時挖掘機六個執行裝置（兩組動臂液壓缸、兩組斗桿液壓缸、一組鏟斗液壓缸、行走機構和回轉機構）共需約20組梭閥來篩選壓力信號并篩選出最大控制壓力信號以控制主泵輸出流量，導致液壓系統結構冗雜，系統的響應速度慢、響應精度較低。為了解決這一問題，現用電控先導替代液控先導，即使用電液比例減壓閥替代原有的液控先導閥，用電氣手柄替換原機械操作手柄。電氣手柄操縱方式與原手柄完全一樣，可同時在前后、左右擺動一定的角度，供電電壓為5V或者10V。由于電氣手柄產生的是電壓信號，比例減壓閥接受的驅動信號是電流，因此電氣手柄發出的電壓信號需要經控制器轉換后輸出PWM信號，從而驅動比例減壓閥對主閥加以控制[5-6]。

改造后的電液控制系統原理如圖3所示。操縱手柄及腳踏板動作產生的操縱信號傳入控制器，經過處理后送達主泵，流量調節比例閥組調節送達各執行元件的流量，同時向各聯電液比例閥組傳送控制信號以調節主閥閥芯位移，從而推動液壓缸或者液壓馬達實現對工作裝置行走、回轉等動作的控制。

2 ?AMEsim建模仿真及參數設置

鏟斗聯電液比例控制系統主要由電液比例閥和主閥控液壓缸組成。在分析系統結構的基礎上，從電液比例閥動態方程，主閥流量方程、液壓缸流量連續性方程和液壓負載力平衡方程來建立系統數學模型[7-9]，具體推導過程不再贅述。

2.1 ?AMESim建模與參數設置

利用AMESim軟件對鏟斗聯系統進行建模，主要需要考慮液壓泵和多路閥建模。挖掘機采用近恒功率控制，主液壓回路中采用兩個柱塞式變量泵供油;先導液壓回路供油裝置采用一個定量齒輪泵。本文主要研究閥控液壓缸位置運動控制，為簡化問題，此處不對液壓泵自身機構及內部特性進行研究，只對主泵外部輸出特性，即輸出壓力—流量特性進行分析。根據各類泵的工作原理及AMESim軟件中規定的各泵的應用范圍，結合實際電液比例系統中主泵工作原理和控制方式，此處選取雙變量泵作為主泵的AMESim仿真模型。泵的額定轉速設定為2050 r/min。

多路閥的建模需要根據三位六通閥內部結構和工作原理，將鏟斗聯閥芯拆分為若干個基本功能單元，利用AMESim液壓元件設計庫（HCD）中相應的模塊來搭建模型。對對中彈簧、彈簧剛度彈簧預緊力、先導壓力、閥口過流面積等主要參數進行設置。液壓系統相關參數匯總于表1。

在仿真軟件中將雙變量泵仿真模型、鏟斗聯閥芯仿真模型、液壓缸模型等各模塊相連接，并設置相應先導控制，構成鏟斗聯電液比例系統仿真模型，如圖4所示。

2.2 ?AMEsim仿真驗證

給定電氣手柄先導控制信號，運行仿真模型，主閥芯位移-時間曲線如下圖6。主閥芯0.23s時開始運動，運動初期控制信號足夠大，閥芯迅速打開至最大位移，過流面積達到飽和狀態并保持一段時間，隨后位移減小，閥口調節至穩定狀態，實現液壓缸從內縮到完全伸出狀態。閥芯逐漸減小最終保持不動，液壓缸保持在頂位一定時間。閥芯位移為負時，液壓缸開始做回縮動作。

如圖7所示為液壓缸活塞桿位移-時間曲線。由圖7可知，由于閥芯存在死區，液壓缸在0至0.93 s時處于靜止狀態，當閥芯位移量大于2.5 mm時油路才通。0.93 s時活塞開始運動，6.39 s時活塞桿近似勻速伸出至最大行程1.15 m處，保持最大伸出量狀態至8.21 s，之后液壓缸回縮，12.48 s時收縮完成。

如圖8為動作過程中，無桿腔和有桿腔壓力隨時間變化的曲線。Port1、Port2分別代表了無桿腔和有桿腔。0-0.6 s，閥芯位于死區，有桿腔壓力保持在331 bar，無桿腔壓力為0。0.6 s后，無桿腔進油，有桿腔出油，有桿腔壓力降低，無桿腔壓力上升，當無桿腔壓力克服有桿腔壓力時活塞開始移動。該過程中，由于無桿腔作用面積比有桿腔大，背壓的作用，因此有桿腔壓力始終略大于無桿腔壓力。6.4 s時液壓缸處于最大位移處，壓力迅速上升至312.7 bar。

通過實際信號的輸入，對液壓缸壓力特性、主閥以及液壓缸位移特性三者的對比分析可知，系統仿真模型符合真實運動，較為真實了反應了實際狀態，間接驗證了液壓仿真模型的正確性。

3 ?PID控制器設計

傳統PID控制存在復雜變參數、外干擾系統難以整定，動態響應速度慢等缺點[10]。模糊控制作為一種非線性控制的控制策略，方法靈活，適應性強，能夠適用于一些精度要求高、非線性、變參數的復雜系統[11]。對于挖掘機電液比例系統，可以結合模糊控制和PID控制，采用模糊控制原理對PID參數進行二次最優控制，從而滿足系統對控制精度和智能化的要求。

模糊自整定PID控制器主要由一個模糊控制器和一個變參數PID控制器共同作用完成參數自整定。根據輸入模糊控制器的獨立變量的個數，可將其分為一維、二維、三維模糊控制器（FC）。

考慮到挖掘機穩定性及計算機性能，選取二維模糊控制器，采用兩輸入三輸出的形式[12-14]。模糊控制器的輸入為e和ec，其中e為挖掘機鏟斗聯液壓缸位移差，e=x0-x（x0為目標位移值，x為實際位移值）。ec為偏差的變化率，ec=de/dt。輸出為PID控制器三個參數的調整值。模糊PID控制器最終輸出信號u為液壓缸活塞桿對應的比例減壓閥的控制信號，如圖9所示。規則制定主要依據工作人員或專家的實際經驗來適當選取，模糊推理在Matlab模糊工具箱中采用Mamdain型推理算法。

4 ?AMESim-Simulink聯合仿真

基于AMESim-Simulink對鏟斗聯電液比例系統進行在對軟件環境設置和聯合仿真接口設置完成后，分別建立PID控制和模糊自調整控制聯合仿真模型，并確定相關控制器參數。

4.1 ?階躍信號驗證

輸入階躍信號觀察系統的動態特性。階躍信號參考值取1m，如圖10所示為采用傳統PID控制方式和采用模糊自調整PID控制方式所得到的階躍信號位移響應曲線圖。

由仿真結果可知，兩者最終穩態誤差近似為0。采用傳統PID控制時，系統上升時間為1.92 s、穩定時間4.72 s;采用模糊自整定PID控制方式時，系統上升時間為1.19 s、穩定時間2.81 s。說明模糊自整定PID控制方式能夠比傳統PID控制方式更快地進行動作反應，具有更好的輸出特性。

4.2 ?正弦信號驗證

輸入正弦信號以觀察系統的跟蹤性能。正弦波頻率為0.2 Hz，幅值0.5 m。如圖11所示為分別兩種控制方法下位移曲線圖以及標準參考位移曲線。由圖可知，傳統PID控制下的系統輸出滯后時間為0.38 s。模糊自整定PID方法控制下系統的滯后時間為0.18 s。另外，采用傳統PID控制時存在失真情況。

如圖12所示為采用兩種控制方式時位置誤差曲線圖。與傳統PID控制相比，采用模糊自整定控制位置誤差變化范圍小，液壓缸外伸工況下，活塞位移最大誤差值為95.6 mm，液壓缸回縮工況下，活塞位移最大誤差值為66.7 mm。PID控制時，液壓缸外伸工況下，活塞位移最大誤差值為175.7 mm，液壓缸回縮工況下，活塞位移最大誤差值為163.2 mm。兩種控制方式的結果對比見表2。

綜上所述，相同條件下，模糊自整定PID控制比傳統PID控制在跟蹤性能方面具有更好的效果。

5 ?結束語

挖掘機智能化是挖掘機發展的未來趨勢。本文以SY215C8M型挖掘機鏟斗聯液壓系統為基礎，對鏟斗聯系統進行電液比例改造和仿真驗證。進而提出采用模糊自整定PID的控制方法對挖掘機進行控制，基于AMESim-Simulink聯合仿真比較與傳統方法的控制效果。仿真結果表明，較于傳統PID控制，模糊自整定PID控制下的鏟斗聯液壓系統具有較快的響應速度和良好的跟蹤性能，輸出特性較好。

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