基于AMESim的起重機變幅機構液壓同步控制系統設計

王亞亞,鄭凱

(西安交通工程學院,陜西 西安 710300)

0 引言

起重機在生產運輸、工業設備中應用廣泛。變幅機構是起重機進行正常工作的核心部分,其雙液壓缸在車輛兩側對稱布置,提高了承載能力。但由于受到載荷變化,其在完成上升與回降的過程中,左右兩側的舉升液壓缸工作位置易受負載不均衡、摩擦阻力不等、液壓缸泄漏等因素的影響而產生同步誤差。隨著誤差的累積,可能出現上行卡死或下行無法正常復位的現象,進而影響起重機的正常運行[1-2]。因此,如何在保證變幅機構原有性能的同時,解決好兩側液壓缸運動不同步問題,提高變幅機構的穩定性及可靠性,成為值得研究的問題。本文設計了一種提高起重機變幅機構運行穩定性與可靠性的自動控制系統。通過PID反饋環節對起重機變幅機構兩側液壓缸進行同步控制,提高起重機變幅機構在載荷不斷變化等特殊條件下的可靠性,擴大起重機的使用范圍,提高效率。

1 起重裝置的結構與參數

1.1 基本結構

本文參照三一重工SRSC45-H型起重裝置,其基本結構與基本參數,如表1所示。

表1 SRSC45-H型起重裝置的基本結構與參數

1.2 變幅機構液壓系統

1)液壓系統原理圖

利用FLuidSIM繪制了起重機變幅機構液壓系統的原理圖[3],如圖1所示。

1—主舉升液壓缸;2—從舉升液壓缸;3—電磁換向閥;4—液壓源。圖1 變幅機構液壓系統原理圖

2)液壓系統仿真與分析

在FLuidSIM的仿真環境下[4],對圖1變幅機構液壓系統原理圖進行了仿真,得到了主、從舉升液壓缸的工作變化特征曲線,如圖2所示。

圖2 變幅機構液壓系統仿真

如圖2所示,主、從舉升液壓缸有明顯的不同步現象,若液壓源4的工作壓力為6MPa,液壓泵流量為2L/min時:主舉升液壓缸1的輸出壓力為P0=5.34MPa,速度為0.04m/s;從舉升液壓缸2的輸出壓力為P1=5.30MPa,速度為0.13m/s。

通過FLuidSIM仿真發現,在主、從舉升液壓缸所受負載發生變化時,輸出壓力具有明顯的變化,造成了系統的不穩定性,進而降低了變幅機構的穩定性。

2 變幅機構數學模型與受力分析

2.1 變幅機構的簡化模型

結合表1中SRSC45-H型起重裝置的基本結構,繪制了變幅機構的簡化模型,如圖3所示。

圖3 變幅機構的簡化模型

由圖3,根據力矩平衡原理,變幅機構力學模型:

Fjx0.3sin20°+Mg0.8cos20°-Fjy0.3cos20°=0

(1)

(2)

由式(1)、式(2)可知作用于升舉液壓缸的外部負載為

(3)

式中:Fj為作用在液壓缸上的外部負載,N/m;Fjx為x軸方向分力,N/m;Fjy為y軸方向分力,N/m;M為變幅機構總質量,kg;g為重力加速度。

2.2 變幅機構受力分析

由圖3簡化模型可知,變幅機構的幅度變化通過主、從舉升液壓缸實現。本文中采用非對稱液壓缸組成變幅機構的執行系統,非對稱液壓缸結構原理圖如圖4所示。

圖4 非對稱液壓缸結構原理圖

如圖4所示,當閥芯右移時,主、從舉升液壓缸的輸出力和外部負載間的平衡方程為[5-6]

(4)

式中:mt為負載系統總質量,kg;BP為負載系統黏性阻尼系數;AP為活塞有效作用面積,mm2;PL為系統工作壓力,MPa;xP為位移變化量,mm。

由式(4)可知,作用在主、從舉升液壓缸的外負載變化時,其系統工作壓力和外部負載間具有一定比例關系,在FLuidSIM仿真環境中得到了不同外部負載下舉升液壓缸工作壓力的相對變化量,如表2所示。

表2 主、從舉升液壓缸壓力與外部負載關系

設外部負載力與主、從舉升液壓缸壓力相對變化量之間比例關系為

Fj=k·ΔP

(5)

式中k為比例系數。

本文在表2的基礎上,結合式(5)構建了比例系數k的數學模型,并利用MATLAB分析[7-8]且得到了比例系數:

(6)

可得k≈0.35。

為了減少負載對舉升液壓缸的影響,提高其穩定性,本文結合PID控制環節,進行了優化設計[9-10]。利用MATLAB的PID模塊,并結合表2通過設置相應的參數,創建S函數,并在MATLAB中建立PID仿真模型。通過調試及經驗,文中PID控制器的參數為P=0.35、I=5和D=0.01。

3 控制系統的設計

本文以PID算法中的比例環節為基礎,選用Micro-chip公司具有較高響應速度的DSPIC30F2010數字信號處理器[11]為控制核心進行控制,控制流程如圖5所示。

圖5 控制系統流程圖

控制系統的主要功能是通過壓力傳感器對變幅機構主、從舉升液壓缸的工作壓力進行檢測,得到兩缸壓力的相對增量(ΔP),同時通過PID反饋環節向控制系統中的電磁比例換向閥輸入適當強度的電流,使系統成比例釋放壓力,進而達到穩定系統壓力,提高變幅機構穩定性的目的。

4 同步控制系統的設計與仿真

本文運用AMESim軟件[12]通過繪制系統草圖、建立子模型、參數設置、運行仿真4個環節,建立智能補償系統的仿真模型,并進行仿真實驗,得到了相應的特性曲線。

4.1 同步控制系統的設計

1)建立仿真模型

分別從AMESim軟件的“Signal,Control”電子器件庫、“Hydraulic”液壓庫選取相應的“元件”進行相應系統草圖的繪制,如圖6所示。

1—比例換向閥;2—壓力傳感器;3、4—升舉液壓缸;5—PID環節;6—恒壓源;7—油箱;8—介質。圖6 智能補償系統的仿真模型

2)設定子模型參數

依據圖1、圖6,本文給出了變幅機構同步控制系統的基本參數[3],為后續變幅機構同步控制液壓系統的仿真提供了依據,如表3所示。

表3 同步控制系統仿真模型參數

3)工作過程

如圖6所示,處于工作狀態時,變幅機構液壓系統中的主、從升舉液壓缸以一定速度伸出,驅動變幅機構上升或下降,同時安裝于主、從升舉液壓缸前端(不同負載)的壓力傳感器工作,完成位移信號的采集與處理,在得到位移變化的增量后,PID控制環節工作并按照預定算法向同步控制回路中的電磁比例換向閥輸入相應比例的控制電流,使液壓系統成比例輸入壓力,進而達到穩定系統壓力,提高變幅機構穩定性的目的。

4.2 同步控制系統仿真與分析

1)同步控制系統特性曲線

本文依據4.1中的仿真模型,按照表3中的參數進行設置并進行仿真,得到相應的特性曲線,如圖7所示。

圖7 同步控制系統特性曲線

依據圖7中的運行結果,對智能控制系統進行仿真實驗,并對結果進行比較分析。當采用同步控制系統時,主、從液壓缸的系統壓力都能快速達到穩定狀態,且主、從液壓缸的系統壓力在2.0s時,分別為106.66MPa、120.96MPa;在5.0 s時,分別為235.24MPa、246.12MPa,通過仿真實驗證明主、從液壓缸的系統壓力基本相同,無明顯壓力損失。

2)同步控制系統數據分析

結合圖6的仿真模型,得到實驗在2.0～5.0s之間的主、從液壓缸壓力數據并進行了分析,如表4所示。

表4 仿真實驗數據

由表4的實驗結果可知,同步控制系統主、從液壓缸壓力的相對誤差平均值小于7.00%。通過分析證明同步控制系統起到了較好的壓力補償效果,提高了起重機變幅機構的穩定性,達到了設計目標。

5 結語

本文首先分析了變幅機構液壓系統的結構與工作原理,通過分析與仿真發現傳統的控制方式造成了一定的系統壓力損失。其次,針對壓力損失這一問題,文中以比例換向閥、傳感器、PID控制環節為核心,設計了一種具有反饋環節的同步控制系統,通過PID反饋環節控制向工作系統成比例進行壓力輸入,進而達到壓力補償的作用。最后,以AMESim為手段搭建了同步控制系統的仿真模型,并進行了仿真實驗。通過實驗結果的對比分析,表明同步控制系統對傳統液壓系統所造成的壓力損失進行了有效補償,保持了起重機變幅機構液壓系統所需壓力,提高了起重機變幅機構運行的可靠性,同時增強了設備的適用性。因此本設計具有一定的應用價值。