直驅式電靜液作動器的車載調平系統控制策略

魏列江， 成克云， 李 鋒， 杜文正， 馮永保

(1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院， 甘肅 蘭州 730050； 2.火箭軍工程大學， 陜西 西安 710025)

引言

液壓調平技術已經廣泛用于現代軍事與民用設備中，如雷達、火炮和導彈發射車基站平臺調平，以及大型鉆機、瀝青砂漿車和重型起吊車等大型設備的調平。

調平對設備本身的工作性能有重大影響，調平過程需要滿足響應快，穩定性好，且調平完成后不能存在“虛腿”等要求。

當車載平臺處于野外、山地等工作環境時，采用EHA做為調平平臺的支腿具有很大的優點：EHA液壓系統是只有一個呼吸孔的半閉式系統，有效避免泄漏污染；系統本身高度集成、結構緊湊、功率重量比大，適合應用在移動設備上；EHA采用功率電傳形式，用信號線電纜代替傳統液壓系統中的油管，電纜方便安裝布置且隱蔽性較強；在野外工作時，避免飛濺物對外露油管的碰撞損傷。在直驅式EHA做作動器的液壓調平平臺時，調平控制工程中容易出現平臺“虛腿”，調平時間慢的問題。針對上述問題，對平臺進行空載情況下的靜力學分析，在AMESim中搭建直驅式EHA液壓系統仿真模型，對單個EHA進行位移閉環控制仿真，得到粗略的仿真控制參數，并在實驗臺進行控制參數的調試。在實際調平中，傳統PID調平控制方案不僅會使平臺調平時間過長，而且由于4個作動器之間的耦合作用引起平臺產生“虛腿”現象；采用較大的比例增益時，作動器又出現比較大的超調，調平時間加長。仕潤霖等[1]對節流式EHA進行液壓系統仿真，提出模糊PID控制算法、文獻[2-6]中指出目前常用追逐最高點法進行工作平臺調平；李艷等[7]提出將傳統PID固定參數改進為自適應參數，明顯提高系統魯棒性。本研究提出采用多段非線性PID控制算法用于調平控制，有效縮短系統的調平時間，并能消除“虛腿”和預防“虛腿”的二次產生[8]。

1 調平控制方案設計

1.1 平臺調平原理

本研究中提出的調平方案分為以下三個階段，第一階段，完成平臺預支撐，消除“虛腿”；第二階段，以平臺傾角為判定依據，進行平臺調平；第三階段，頂升至目標高度。調平過程如圖1所示。

在平臺完成預支撐后，由于各個EHA中非線性因素的影響，每個作動器伸出不同時，導致其中1條作動器位置明顯高于其余3條作動器，使2個EHA作動筒上腔無壓力，此時平臺明顯傾斜并且存在“虛腿”現象，如圖2所示。通過4個作動筒上腔壓力傳感器的信號判斷4個作動器是否存在“虛腿”現象，當作動筒壓力小于0.5 MPa時，判定該作動器為“虛腿”，控制伺服電機低速旋轉，對作動筒上腔建壓，當壓力值大于壓力閾值時，可以判斷“虛腿”消除。

圖1 平臺調平過程流程圖

圖2 非水平狀態下四腿平臺的坐標關系

(1)

式中,α—— 平臺繞x軸旋轉角度

β—— 平臺繞y軸旋轉角度

假設最高點與平臺支點坐標為A1=(x1y1z1)，將其投影到水平面坐標為A0=(x0y0z0)，由式(2)計算得到，各點在O-xyz坐標下的z坐標由式(3)計算得到平臺各作動器位移偏差示意圖如圖3所示。

(2)

f(x)=z=αb-βa

(3)

式中,z—— 支點距離最高支點位移偏差

a—— EHA安裝中心距長

b—— EHA安裝中心距寬

圖3 平臺四腿位置偏差圖

在消除虛腿情況下，計算各支點與最高支點之間的位置偏差：

e0=0；e1=aα；e2=aα+bβ；e3=bβ

將各支點與最高支點間的位移偏差e0～e3作為控制器的輸入量，輸出量控制電機低速旋轉，使每個電機轉速不同，保證各支點同時逼近最高點位置處。

1.2 調平控制策略

整個調平過程，采用多段式PID控制對每個作動器進行位置閉環控制。根據單個EHA位移閉環仿真結果，在平臺預支撐階段，各個作動器伸出速度較快，比例增益較大，系統快速響應；平臺預支撐完成后，作動器存在虛腿，此時比例增益太大會引起系統的大超調，系統恢復到穩定狀態的時間加長，此時加入微分環節，能夠提高系統糾偏能力，調節時間變短，平臺快速完成調平。調平控制方案方框圖如圖4所示。

圖4 調平控制方案方框圖

預支撐階段時，需要完成“虛腿”消除工作，作動筒上腔壓力與壓力閾值比較，判斷“虛腿”位置，將壓力偏差作為伺服驅動器的輸入值，控制液壓缸緩慢伸出，完成“虛腿”消除工作，“虛腿”消除控制框圖如圖5所示；平臺調平過程中，根據平臺傾角與作動器間距關系，求解其余作動器與最高點的位移偏差，將各位移偏差值作為對應作動器的控制增量輸入給驅動器；雙軸傾角傳感器的傾角反饋作為平臺調平的判定條件，傾角傳感器的檢測精度為0.01°，當平臺的x，y方向的傾角誤差小于0.02°時，可以判定平臺已經調平。最高點判斷及位移偏差計算框圖如圖6所示。

圖5 虛腿消除控制框圖

圖6 最高點判斷位移偏差計算框圖

2 液壓系統原理圖及系統仿真

直驅式EHA液壓系統采用雙向定量齒輪泵和溢流閥組，組成恒壓供油單元，通過調節定量泵轉速控制流入液壓缸的流量，雙向液壓鎖用于作動器鎖緊，起到定位保持作用；在平臺回落時，平衡閥抵消因平臺自重而引起的超越負載；位移傳感器和壓力傳感器可以獲取當前作動器的位移和壓力值，用于作動器運動控制。直驅式電動靜液作動器液壓原理如圖7所示。

1.油箱 2.過濾器 3.單向閥 4.溢流閥 5.伺服電機6.雙向齒輪泵 7.壓力傳感器 8.平衡閥9.單出桿活塞缸 10.位移傳感器圖7 EHA工作原理

如圖8所示，在AMESim中搭建直驅式EHA液壓系統仿真模型，采用傳統PID進行位移閉環控制，仿真結果顯示，傳統PID控制精度低、控制時間長，仿真結果如圖9所示。通過分析傳統PID控制EHA的仿真結果，將傳統PID控制改進為多段非線性PID控制；在位移偏差較大時， 采用較大的增益， 迅速減小位移偏差，在接近目標位置時，采用小的增益進行微小偏差調節。多段非線性PID控制器結構框圖如圖10所示，在位移偏差較大時，采用PID1控制器進行控制，此時控制器參數增益較大，活塞能夠快速逼近目標位置。

圖8 傳統PID位移閉環控制系統仿真

當位移偏差較小時，此時較大的增益會引起系統超調，采用PID2小增益控制器進行控制，對油缸進行微調。多段非線性PID控制位置閉環仿真如圖11所示，將1個PID控制器換成了2個增益不同的PID控制器。

圖9 傳統PID位移閉環控制仿真結果

圖10 多段非線性PID控制器結構框圖

圖11 多段非線性PID位移閉環控制系統仿真

仿真結果如圖12所示，改進后的控制器明顯提高了系統的響應，15 s內活塞位置便接近目標位置處，經過小幅震蕩后便穩定在目標位置處。在kp=1.0時，位移靜態誤差較大， 系統調節時間過長； 在kp=1.5時，EHA的位置控制產生較大超調量，使調節過程加長；在kp=1.2，ki=0.00015，kd=0.006時，系統出現小幅超調現象，并快速進入微調階段，實現位置定位。

圖12 多段非線性PID位移閉環控制仿真結果

3 實驗

3.1 實驗臺構成

工控機作為調平控制的總控制器，實時采集平臺的傾角、作動器的上腔壓力和活塞位移信號，并將壓力、位移和傾角信號作為控制器的控制參數，計算后分別控制4臺伺服控制器，實現平臺調平，實驗臺構成原理如圖13所示。

1.雙軸傾角傳感器 2.直驅式EHA圖13 實驗臺構成原理

通過壓力信號與壓力閾值比較判斷存在“虛腿”的作動器，低速緩慢調節該作動器伸出，實現消除“虛腿”。根據x軸與y軸的傾角反饋值的符號，判斷平臺的最高點，通過實時反饋的各作動器位移信號和平臺的傾角值計算出各支點與最高點的位置偏差，將位移偏差作為各伺服控制器的輸入信號，使每個作動器以不同速度同時逼近最高點位置，四腿調平實驗臺如圖14所示。

1.剛性平臺 2.直驅式EHA 3.變壓器4.伺服驅動柜 5.雙軸傾角傳感器圖14 四腿調平實驗臺

3.2 實驗過程及結果

將仿真得到的PID控制參數作為實際控制參數，進行實驗臺調平控制，對實際實驗數據進行分析，如圖15所示，將采集的各作動器壓力信號數據繪制成位移-時間曲線圖。由于4個作動筒下腔壓力不一致，以及在安裝過程中的誤差，在平臺預支撐過程中，首先需要抵消下腔壓力，導致4個作動器伸出的時間有差異。作動器0在接收信號后直接伸出，作動器2在10 s時開始伸出，作動器1和作動器3同時伸出，速度一致。在同一時刻，4個作動器的位移不一致，導致平臺出現傾斜，在55 s時，平臺傾角最大，此時平臺已離開地面，需要對平臺進行“虛腿”檢測。如圖16所示，將采集的各作動器位移信號數據繪制成壓力-時間曲線圖。作動器未接觸地面時，各作動器無桿腔壓力為0.2 MPa，平臺完成預支撐后，各個作動器的伸出位移不同，導致作動器0和作動器2壓力升高，作動器1和作動器3壓力下降，出現“虛腿”，使得平臺只有作動器0和作動器2在支撐。上位機經過壓力檢測，使得作動器1和作動器3伸出，作動器0和作動器2停止，最終消除虛腿。如圖17所示，將平臺雙軸傾角信號數據繪制成傾角-時間曲線圖。在作動器未接觸地面時，平臺x，y方向傾角與水平面的夾角分別是-0.15°和-0.24°；在32 s時，4個作動器均接觸地面，平臺預支撐完成，此時平臺傾角發生變化，平臺出現傾斜，在64 s時，平臺傾角恢復至0.02°左右，滿足調平要求。

實驗結果表明，在平臺調平的起始階段，圖中所示的30 s左右，作動器有桿腔壓力增大，此時，所有作動器與地面接觸，隨著作動器繼續伸出，作動器出現“虛腿”，通過壓力反饋并對作動器及時糾偏，“虛腿”消除，并且平臺逐漸調平，在90 s時，平臺x軸與y軸傾角小于0.02°，此時平臺已經完成調平。

圖15 調平平臺各作動器位移變化曲線

圖16 平臺作動器無桿腔壓力變化曲線圖

圖17 調平平臺x， y軸傾角變化曲線

4 結論

本研究對典型液壓四腿調平設備進行調平機理分析，闡述調平過程中“虛腿”出現的原因和解決方法，并采用多段非線性PID控制算法解決四腿調平控制過程中，調平速度慢，控制精度低的問題。仿真和實驗結果表明，該算法在調平過程中能夠有效的消除調平初期的“虛腿”問題；在調平過程中，可以有效的預防因齒輪泵流量死區引起各作動器位移偏差與剛性平臺運動時的耦合問題產生的二次“虛腿”問題，實現平臺的快速、平穩調平。在整個調平過程中，平臺在32 s左右實現平臺的調平，且調平精度達到0.02°，滿足調平要求。