農用機械液壓驅動同步控制仿真分析

穆洪云，羅艷蕾，羅瑜，鄧行，杜威

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽 550025)

0 前言

隨著“精準農業”的實施，農用機械自動駕駛已經成為實現現代化精準農業的必然選擇。通過在傳統的液壓驅動執行機構上加入傳感器和控制器，利用衛星定位導航系統精確定位實時位置，從而實現農用機械的自動駕駛功能。對于液壓驅動的農用機械，要求行走時具有良好的直線行駛性、高準確性和安全性，因此必須對驅動馬達進行同步控制。對于液壓系統的同步控制，國內外學者進行了大量研究，李超研究了液壓同步控制回路在煤礦機械控制中的應用；譚頓等人研究了基于改進粒子群算法的雙液壓馬達同步控制策略，仿真結果顯示該方法能夠有效減少系統超調量與同步誤差，并且能夠提高系統響應速度。胡愛閩等利用算法結合PID對被控對象進行控制，得到了不錯的控制效果。

為了提高農用機械的直線行駛性、高準確性和安全性，提出一種具有緩沖制動功能的液壓驅動系統，在該系統的基礎上進行同步控制，本文作者采用主從控制和模糊自適應PID控制，在提高農用機械安全性的同時，也提高了農用機械的直線行駛性、高準確性。

1 系統工作原理

1.1 液壓系統工作原理

如圖1所示，該系統為恒流量系統，電液比例換向閥6.1-6.2中位工作時，液壓泵2處于卸荷狀態，由于單向閥5.7-5.10設有背壓，液壓馬達4.1-4.2處于制動狀態。當電液比例換向閥6.1-6.2處于左位或右位時，動力源1帶動定量泵2轉動輸出高壓油，通過電液比例換向閥6.1-6.2進入液壓馬達4.1-4.2，液壓馬達4.1-4.2開始轉動，將動力傳給車輪1-4，從液壓馬達4.1-4.2出來的低壓油通過電液比例換向閥6.1-6.2后，再通過冷卻器7和過濾器8流回油箱9.1。該回路具有良好的緩沖功能，當系統突然制動時，液壓馬達4.1-4.2低壓端可以通過單向閥5.3-5.4和5.5-5.6從油箱9.2-9.3吸油，高壓端可以分別通過單向閥5.7-5.8和5.9-5.10后，通過安全閥3.2和3.3向油箱9.2-9.3回油。

圖1 農用機械液壓驅動系統原理

轉速傳感器10.1-10.2實時采集液壓馬達4.1-4.2的實際轉速，并將采集信號分別傳給控制器1.1-1.2，經過控制器1.1-1.2處理后分別將控制信號傳給電液比例換向閥6.1-6.2，控制閥芯開口的大小，從而控制進入液壓馬達4.1-4.2的流量，實現液壓馬達4.1-4.2轉速同步。

1.2 控制策略

采用主從控制方式，如圖2所示：首先設定液壓馬達4.1的轉速，通過處理1將控制信號傳輸給電液比例換向閥6.1，控制電液比例換向閥6.1閥芯開口的大小，控制進入液壓馬達4.1的流量，從而控制液壓馬達4.1的轉速。將從液壓馬達4.1采集的實際轉速作為液壓馬達4.2的目標值，經處理2后將控制信號傳給電液比例換向閥6.2，從而控制液壓馬達4.2的轉速。

圖2 主從控制原理

2 AMESim建模

2.1 安全閥和電液比例換向閥建模

根據安全閥的工作原理，其系統滑閥模型如圖3所示，1口接油箱，2口接泵高壓端，當壓力超出設定值時，推動閥芯向左移動，高壓油流回油箱。電液比例換向閥可以根據輸入電信號的大小與對應產生的電磁力成比例的特點，來實時控制閥芯的位移，從而控制輸出的壓力、方向和流量。根據電液比例換向閥的工作原理建立如圖4所示的模型，1口和5口接油箱，高壓油從3口進入，當閥芯向左移動時，高壓油從4口流出，當閥芯向右移動時，高壓油從2口流出。

圖3 安全閥

圖4 電液比例換向閥

2.2 系統模型

由圖1可建立如圖5所示模型。考慮到農用機械工作環境惡劣，在啟動過程容易出現偏載啟動現象，忽略系統的泄漏，設定液壓元件仿真參數如表1所示。

圖5 AMESim仿真模型

表1 仿真參數

3 Simulink建模

3.1 PID控制原理

如圖6所示，首先設定液壓馬達4.1的目標轉速，然后分別通過PID1-PID4控制液壓馬達4.1-4.2的轉速。本文作者采用Ziegler-Nichols法，初步整定該系統的初始值為，=1.5，=18，=0.1。

圖6 PID控制原理

3.2 模糊PID控制原理

農用機械在行駛或啟動過程中容易出現負載波動的情況，本文作者采用模糊自適應PID分別對液壓馬達4.1-4.2的轉速進行實時跟蹤，以確保液壓馬達4.1-4.2快速達到穩定的目標轉速。

模糊自適應PID控制器由模糊推理器和PID控制器模塊組成，如圖7所示，通過轉速傳感器反饋回來的實際液壓馬達轉速值與設定液壓馬達轉速值的誤差和誤差變化率作為模糊推理器的輸入值，輸出Δ、Δ和Δ，從而實時控制電液比例換向閥6.1-6.2閥芯開口的大小，實現液壓馬達4.1-4.2轉速同步。本文作者定義了7個模糊子集來描述變量的值：、、、、={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；輸入和輸出隸屬度函速均采用三角形。、、根據設定的模糊控制規則，得到輸出控制三維圖，如圖8所示。

圖7 模糊PID控制原理

圖8 Kp、Ki、Kd輸出控制三維圖

3.3 Simulink模型

根據圖7模糊PID控制原理，可以運用MATLAB/Simulink模塊建立如圖9所示模型。

圖9 Simulink仿真模型

4 仿真結果與分析

設置仿真時間為4 s，運行AMESim打開MATLAB進行聯合仿真，在AMESim中得到液壓馬達的同步轉速和誤差曲線，分別如圖10—圖17所示。由圖10和圖11可知:在=0.7 s時，在模糊自適應PID控制器的控制下，初始負載不同的液壓馬達4.1-4.2達到穩定的目標轉速，最大同步誤差為121.83 r/min，液壓馬達4.1的轉速為300.45 r/min，液壓馬達4.2的轉速為299.8 r/min，穩定后同步誤差為0.65 r/min。達到設定轉速前，液壓馬達4.1超調量為4%，液壓馬達4.2超調量為1.8%，系統響應的時間較短。

圖10 液壓馬達同步轉速曲線 圖11 液壓馬達同步誤差曲線

圖12 液壓馬達4.1負載波動同步轉速曲線 圖13 液壓馬達4.1負載波動同步誤差曲線

圖14 液壓馬達4.2負載波動同步轉速曲線 圖15 液壓馬達4.2負載波動同步誤差曲線

圖16 液壓馬達負載同時波動轉速同步曲線 圖17 液壓馬達負載同時波動同步誤差曲線

為了驗證系統的魯棒性，在=2 s時分別進行以下操作：(1)僅液壓馬達4.1負載減少50 N·m；(2)僅液壓馬達4.2負載減少50 N·m；(3)同時進行(1)和(2)。仿真結果如圖12—圖17所示：系統在0.8 s內達到穩定的目標轉速，達到穩定的目標轉速前最大同步誤差為30.35 r/min，達到穩定的目標轉速后最大同步誤差為0.65 r/min，故該系統具有較好的魯棒性，能夠滿足精準農業需求。

5 結論

首先建立農用機械液壓驅動系統原理模型，并分析其工作原理，選擇控制策略。其次在AMESim中建模，然后在MATLAB/Simulink中建立模糊自適應PID模型，最后進行聯合仿真并分析系統同步性和魯棒性。仿真結果顯示：系統啟動后0.7 s時達到穩定的目標轉速，最大同步誤差為121.83 r/min，達到穩定的目標轉速前最大超調量為4%，達到穩定的目標轉速后同步誤差為0.65 r/min；當系統負載波動時，系統也能在0.8 s內達到穩定的目標轉速，最大同步誤差為30.35 r/min，達到穩定的目標轉速后同步誤差為0.65 r/min。因此對于該農用機械液壓驅動系統，采用主從控制和模糊自適應PID控制，能夠實現快的響應速度，超調量小，魯棒性好，能夠保證農用機械行走時具有良好的直線行駛性、高準確性和安全性。