機艙罩裝配平臺雙液壓缸同步控制策略

羅擎，蘇東海，胡懿宸，楊皓琦

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110000）

0 引言

風力發電機機艙罩裝配平臺液壓系統主要包括液壓缸、液壓泵、液壓控制閥等。液壓伺服系統通常分為位置控制、力控制[1]。裝配平臺液壓系統電液伺服系統采用主從控制的方式，通過位置反饋的閉環控制，實現對前后液壓缸的同步位置控制。同步控制的精度決定了裝配平臺的裝配精度，傳統的PID控制難以達到控制要求。針對液壓系統存在的非線性、液壓缸外負載差異等問題，基于MATLAB仿真軟件，本文將模糊自適應PID控制應用于液壓同步控制系統中[2-3]。為深入研究裝配平臺液壓缸同步控制系統的同步精度提供了依據。

1 風力發電機艙罩裝配平臺

機艙罩裝配平臺在實際工作中使用液壓系統結合真空吸附裝置固定并移動機艙罩，完成裝配工作。現有的機艙罩裝配方案多使用天車吊裝或固定的地面工裝，無法根據裝配過程中的實際情況精確地調整機艙罩位置，無法滿足機艙罩裝配精度要求。在實際的機艙罩裝配過程中，不同型號的機艙罩大小、質量、形狀均不同，導致現有的裝配方式無法同時滿足多種型號機艙罩的裝配要求。每裝配一種型號的機艙罩，就需要反復調整吊裝位置或者使用不同的地面工裝，成本高，效率低。

風力發電機裝配平臺由4個行走裝配平臺組成，左右兩側各2個。左右兩側的2套行走裝配平臺完全相同，每側的前后2個行走裝配平臺除液壓控制系統外完全相同。裝配平臺根據技術協議要求，每側2個行走裝配平臺共需要承受的機艙罩質量大于5 t，各個方向位移速度為1000～1500 mm/min，水平調整液壓缸、推進液壓缸運行時最大加速度按0.2 m/s2計算。設計計算時，每個行走裝配平臺承受的機艙罩質量按3 t計算。單側裝配平臺的機械結構如圖1所示。

圖1 單側機艙罩裝配平臺機械結構

每套行走裝配平臺由液壓真空及電控部分、位置控制部分、真空吸附部分組成。裝配平臺啟動后，真空吸附裝置先吸附并固定解體后的機艙罩左右殼體，泵站為液壓系統供油，驅動位置控制部分的4組液壓缸運動，經過位置調整后，將左右殼體移動到安裝位置，待完成機艙罩內部組裝后退回到預裝場地。

液壓真空及電控部分是裝配平臺的動力源，由液壓泵站、真空泵、電控設備等組成，負責驅動并控制位置控制部分與真空吸附部分。

行走裝配平臺的位置控制部分包括4個液壓缸、垂直滑動支撐架、水平滑動支撐架、支撐架基座、推進基座等。位置控制部分依靠推進液壓缸、舉升液壓缸、水平調整液壓缸完成對機艙罩水平、豎直方向的位置調整；通過傾斜液壓缸完成機艙罩的角度調整。裝配平臺重心前置問題在基座機械結構設計中解決。垂直滑動支撐架通過橫向限位滾輪組固定在水平滑動支撐架上，依靠固定在水平滑動支撐架上舉升液壓缸的運動完成對機艙罩豎直位置的調整。垂直滑動支撐架與機艙罩接觸部分為硬橡膠材質，配合真空吸附裝置后，能夠允許前后2個行走裝配平臺的傾斜液壓缸出現微小同步誤差，根據技術協議，該同步誤差不能大于1 mm。傾斜液壓缸通過鉸鏈聯接在水平滑動支撐架及支撐架基座上，水平滑動支撐架通過鉸鏈聯接在支撐架基座上。傾斜液壓缸負載的主要來源為機艙罩所受重力。支撐架基座由水平調整液壓缸驅動，通過限位滾輪組在推進基座上前后運動。推進基座由推進液壓缸驅動，通過限位滾輪組在底座上左右運動。

真空吸附部分被固定在垂直滑動支撐架上，依靠真空吸盤組配合垂直滑動支撐架實現對機艙罩外表面的吸附，從而固定機艙罩與裝配平臺的相對位置。為了有效吸附并固定機艙罩，每個行走裝配平臺上設置8個直徑為300 mm的真空吸盤，這8個吸盤均可在一定范圍內自由旋動，保證了當同側的2個行走裝配平臺出現位移誤差小于1 mm時，吸盤與機艙罩之間可以完全接觸。實際真空泵能夠產生的真空度大于0.08 MPa，按0.08 MPa的真空度計算，由8個直徑為300 mm的吸盤組成的真空吸附裝置共能產生45 216 N的橫向拉力。當垂直滑動支撐架承載機艙罩的主要重力后，吸盤組能夠完成單個行走裝配平臺的真空吸附要求。真空吸附裝置內部設置有真空度檢測元件，當真空有失效趨勢時會發出報警信號。

2 裝配平臺液壓伺服控制系統數學模型

裝配平臺液壓系統采用四通滑閥控非對稱液壓缸。根據實際工況，裝配平臺運行過程中，閥控缸系統無阻尼、無彈性負載，建立四通滑閥控非對稱液壓缸的物理模型，如圖2所示[4]。

圖2 四通滑閥控非對稱缸的物理模型

首先定義液壓系統負載流量qL、負載壓力pL分別為：

式中：q1為進入液壓缸無桿腔的流量；q2為從液壓缸無桿腔排出的流量；ps為供油壓力；Cd為流量系數；ω為伺服閥面積梯度；xv為滑閥閥芯位移；ρ為液壓油密度；p1為液壓缸無桿腔內壓力；p2為液壓缸無桿腔內壓力。

式中：βe為有效體積彈性模量；Ctp為液壓缸總泄漏系數；Vt為液壓缸總容積；Ap為液壓缸等效面積;n為液壓缸左右兩工作腔有效面積比。

液壓缸與負載的力平衡方程為

系統的固有頻率和阻尼分別為：ωh=139.803 rad/s；εh=0.013。

實際上正常液壓系統的液壓阻尼比在0.1～0.2之間，本系統取εh=0.15。

根據伺服閥頻率響應特性圖，確定伺服閥頻寬為210 Hz，則ωh=6.28×210=1318 rad/s。伺服閥頻寬約為閥控缸系統的固有頻率的10倍，則將伺服閥的動態視為比例環節。于是電液伺服閥的數學模型簡化為

通過伺服閥工作壓力下流量與輸入最大控制電流10 mA之比，得到流量增益計算公式為

裝配平臺液壓系統沒有彈性負載，根據上文公式結合具體參數得到負載擾動環節：

系統中的數字控制器主要是伺服放大器，用來調定、限制電流，保護伺服閥。伺服放大器主要由運算放大器構成，數學模型為一節慣性環節。但相對于電液伺服系統，伺服放大器的響應速度過快，在設計計算時可以忽略伺服放大器傳遞函數中的時間常數，則伺服放大器可以看做一個比例環節。控制系統最大輸入電壓為10 V，力士樂4WS2EM6伺服閥輸入的最大控制電流為10 mA。傳遞函數為

式中：I為伺服閥輸入最大控制電流；U為系統輸出最大控制電壓。

液壓系統中，電液伺服閥依靠接收位移傳感器發出的液壓缸位移信號來調節液壓缸位移。位移傳感器將檢測到的液壓缸位移數據按指定比例轉化為電壓信號發送至信號處理裝置，所以在控制系統建模中用比例環節代表位移傳感器：

位移傳感器對液壓缸位移的量程為0～300 mm，位移傳感器輸出反饋電壓為0～10 V，取Kf=33.33 V/m。

所以不考慮負載影響時，閥控非對稱缸的數學模型為

通過運動方程，結合液壓系統具體結構，并對液壓系統進行壓力反饋校正后，單個液壓缸的控制系統位置閉環方框圖如圖3所示。

圖3 控制系統方框圖

通過圖2得到反饋回路的開環傳遞函數為為總開環增益。

3 裝配平臺雙液壓缸模糊自適應PID同步控制

模糊自適應PID控制是指：基于模糊控制的基本理論，將PID控制的各項參數用模糊集合表示，根據實際參數的評價指標，設置模糊規則并記錄后，由控制器根據系統收到的輸入信號進行計算，輸出經模糊控制后PID控制的各項參數，從而實現對PID各項參數的實時調節[5-6]。

模糊自適應PID控制器的輸入量為誤差e與誤差變化率ec，輸出量為（e,ec）P、（e,ec）I、（e,ec）D，控制器具體結構如圖4所示。

圖4 控制器結構圖

PID參數的模糊自適應控制，是在系統輸入當前誤差e與誤差變化率ec后，經模糊規則表實時調整KP、KI、KD的值。

模糊自適應PID控制對普通PID控制三個環節的修正公式為：

設置輸入量e、ec的模糊集合為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。式中：NB代表負大；NM代表負中；NS代表負小；ZO代表零；PS代表正小；PM代表正中；PB代表正大。與其相對應的論域為：e={－10,10}；ec={－3,3}。e、ec的隸屬度函數選擇gaussmf型與trimf型混合使用。設置輸出量（e,ec）P、（e,ec）I、（e,ec）D的模糊集合為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，與其相對應的論域分別為：

在工程實際中，通過大量的實驗與應用，已經總結出豐富的整定方法。結合普通PID控制參數變化對控制系統響應特性的影響，歸納出系統輸入不同的輸入量e、ec時模糊自適應PID控制器輸出的（e,ec）P、（e,ec）I、（e,ec）D值的變化規律。傾斜液壓缸液壓系統模糊自適應PID控制器的模糊規則表依據如下原則設置：輸入誤差e對應負大時，（e,ec）P取為較大值，（e,ec）I取為較小值，（e,ec）D取為零；輸入誤差變化率ec對應負時，（e,ec）P取為正大；輸入誤差變化率ec對應正時，（e,ec）P取為負大以減小誤差超調；輸入誤差變化率ec對應正小時，（e,ec）P取為正中；輸入誤差變化率ec對應正時，（e,ec）P取為正小。詳細控制原則不再贅述。

根據上述內容，在MATLAB中編輯模糊控制器，并代入圖5所示的同步控制系統中，進行仿真。

圖5 模糊自適應PID同步控制系統

針對裝配平臺前后液壓缸的控制要求，基于MATLAB仿真平臺，將傳統PID控制與模糊自適應PID控制進行對比仿真。仿真中采用的液壓系統參數見表1。

表1 液壓系統參數

裝配平臺在實際工作過程中，導致前后液壓缸實際承受負載并非相同，產生負載差異。仿真時，設置液壓系統承受負載為FLa=65300 N、FLb=32700 N，模擬前后液壓缸承受不同負載時的運行情況。初始狀態下，設置幅值為10的階躍信號模擬輸入系統的10 V控制電壓。進行仿真后，前后兩液壓缸位移差如圖6所示。

圖6 前后兩液壓缸位移差

當前后傾斜液壓缸負載分別為32 700、65 300 N時，采用模糊自適應PID控制后，前后傾斜液壓缸位移差在約1.2 s達到最大值約0.375 mm，并開始逐漸減小。相比于普通PID控制系統，系統開始工作約3 s之后，模糊自適應PID控制的同步誤差減小到0.13 mm以下。由此可見，模糊自適應PID控制減小了前后液壓缸的同步位移差，提高了機艙罩裝配平臺的裝配精度，為后續研究提供了借鑒。

4 結論

本文介紹了風力發電機機艙罩裝配平臺的具體結構與工作方式，并針對裝配平臺電液伺服系統控制雙液壓缸同步位移問題做了相關研究。設計了基于模糊自適應PID的雙缸位置同步控制系統。將普通PID控制與模糊自適應PID控制的仿真結果進行對比，模糊自適應PID控制降低了由于負載差異導致的液壓缸同步誤差，可有效增強系統的抗干擾能力。且模糊自適應PID控制結構簡單、易于設計，有較高的實用價值。