后裝式餐廚垃圾車雙缸同步控制策略研究

摘要：后裝式餐廚垃圾車舉升雙缸存在偏載干擾與特性不同而導致左右雙缸提升不同步問題。基于此設計了一種雙伺服比例閥控制雙缸的同步控制方案，設計雙缸主從同步控制策略，實現雙缸同步頂升。通過最高缸判斷模塊辨識最高缸，通過PID控制伺服比例閥開口實現低缸追隨高缸，降低雙缸同步控制誤差。通過數值仿真與實車測試對所提出的主從同步控制方案進行驗證，結果表明：該方案能實現良好的同步控制精度。

關鍵詞：后裝式餐廚垃圾車；主從同步；同步控制系統；數值仿真

中圖分類號：U469" 收稿日期：2024-11-25

DOI：1019999/jcnki1004-0226202503013

1 前言

隨著我國城市化進程的加速推進，城市人口快速增長、工業化和商業化活動增多，隨之而來的垃圾處理問題日益凸顯[1]。因此，高效智能的環衛車輛成為城市垃圾處理的關鍵設備。后裝式餐廚垃圾車因其具有廣泛場景需求，在環衛車輛中具有重要意義。

后裝式餐廚垃圾車的兩側安裝雙油缸驅動連桿機構以實現垃圾桶提升，雙油缸大腔與小腔分別并聯，其示意圖如圖1所示。當垃圾桶偏載提升時左右液壓缸受力不均，受力大的液壓缸伸出速度慢，受力小的液壓缸伸出速度快，因此導致雙缸不同步運動而造成提升機構的歪斜。除偏載力的影響外，雙缸摩擦力、泄漏量等特性不同也將進一步增大雙缸同步誤差，降低提升機構的準確與平穩性，阻礙后裝式餐廚垃圾車的高端化。因此對于后裝式餐廚垃圾車的雙缸同步控制研究尤其重要。

液壓系統中的雙缸同步控制問題廣泛存在，也有許多相關研究[2]。在鍛壓機中，通過雙比例閥控制雙液壓缸，并結合誤差反饋來構建同步控制結構，其仿真結果表明了該方案對同步控制提高的有效性[3-4]。在雙比例閥的基礎上，結合前饋補償方法，通過仿真驗證了能將同步誤差控制在15 mm內[5]。在疲勞試驗機系統中，為實現高精度同步控制，通過結合獨特設計的2D數字閥，采用仿真試驗能將同步誤差降低至098 mm[6]。也有研究者將雙伺服閥結合至雙缸液壓系統中，實現了較好的同步控制精度[7]。在大型水電站泄洪洞液壓系統中，由于其工況復雜、器件老化等原因，使得雙缸同步控制困難，因此通過在雙缸上配置比例流量閥與調速閥，結合PLC調節閥口開度以改善同步控制[8]。

可見，通過配置液壓閥能提升同步控制精度，而其中數字閥造價昂貴，調速閥控制精度低，因此兼顧成本與精度設計后裝式餐廚垃圾車雙伺服比例閥控雙液壓缸的方案具有重要工程意義。基于此，本文設計一種雙調速閥控制雙液壓鎖的同步系統，提升偏斜下的同步性能，保障提升機構平穩精度。

2 雙缸同步系統液壓模型

設計雙伺服比例閥控制雙缸方案，其液壓原理如圖2所示，通過伺服比例閥控制液壓缸伸出。為分析液壓同步控制的性能，需建立單個液壓缸的數學模型。由于經典的傳遞函數無法表達系統的全部運動狀態，因此需要建立系統的狀態空間方程并作為控制設計的基礎。

1恒壓油源" 2油箱" 3伺服比例閥" 4位移傳感器

液壓缸的動力學方程可描述為：

[mixpi=Aip1i-aip2i-Bpixpi-Kixpi-FLi]" " " " " （1）

式中，i代表第i號液壓缸（i=1，2）；mi為第i號活塞桿的質量；Ai、ai分別為第i號液壓缸的無桿腔和有桿腔面積；pi1、pi2分別為第i號液壓缸的無桿腔和有桿腔壓力；Bpi為第i號活塞及負載的粘性阻尼系數；Ki為第i號液壓缸的負載彈簧剛度；xpi為第i號活塞桿的位移；FLi為第i號液壓缸的負載力。

流量連續性方程為：

[Q1i=Aixpi+Cipip1i-p2i+Cepip1i+V01i+Aixpiβeip1i]" （2）

[Q2i=aixpi+Cipip1i-p2i-Cepip1i-V02i+aixpiβeip2i] （3）

式中，[Q1i]、[Q2i]分別為第i號液壓缸流進、流出的流量；[Cipi]、[Cepi]分別為第i號液壓缸內、外泄漏系數；[V01i]、[V02i]為第i號液壓缸無桿腔和有桿腔的初始容積；[βei]為第i號液壓缸油液有效體積彈性模量。

閥口流量方程為：

[Q1i=CdiWixvi2ρ1+sgnxvips2-sgnxvip1i]" " （4）

[Q2i=CdiWixvi2ρ1-sgnxvips2+sgnxvip2i]" "（5）

式中，Cdi為第i號液壓缸的流量系數；Wi為第i號閥的面積梯度；xvi為第i號閥口開度；ps為泵源壓力。

[sgn·]變數的定義如下：

[sgn·=-1·gt;00·=01·lt;0]" " " " " " " " " " " （6）

伺服比例閥是一個二階系統，由于其頻響遠高于執行元件調平缸，對整個閥控缸系統進行動態特性分析時，可將其簡化為比例環節，則控制輸入信號為：

[ui=Kvixvi]" " " " " " " " " " " " " " " "（7）

選取狀態變量為：

[x1ix2ix3ix4iT=xpixpip1ip2iT]" " " " "（8）

則狀態空間方程為：

[x1i=x2ix2i=1miAix3i-aix4i-Bpix2i-Kx1i-FLix3i=f1i·+g1i·uix4i=f2i·+g2i·ui]" " " "（9）

其中：

[f1i·=βei-Aix2i-Cipi+Cepix3i+Cipix4iV01i+Aix1i]" " "（10）

[g1i·=βeiCdiWiKviV01i+Aix1i2ρ1+sgnuips2-sgnuip1i]" （11）

[f2i·=-βei-aix2i-Cipix3i+Cipi+Cepix4iV02i+aix1i]" " "（12）

[g1i·=-βeiCdiWiKviV01i+Aix1i2ρ1-sgnuips2+sgnuip2i] （13）

3 編程數值仿真

31 仿真搭建及參數設置

現有同步控制控制領域中典型的誤差分配方式為主從追逐最高缸控制，即主從同步控制。以兩缸中的最高缸為主缸，另外一缸跟隨主缸，達到同步控制效果。雙缸同步控制策略圖如圖3所示。采用主從同步PID控制，實現對期望位移的實時跟蹤以及同步控制，仿真具體參數如表1所示。給定輸入期望位移為[xd=0.04+0.02sin0.066 7πt+1.5π]，如圖4所示。兩缸所受的外負載力如圖5所示，分別為：

[FL1=1 000+200sin0.133 4πt]

[FL2=2 000+200sin0.133 4πt]

32 仿真結果及分析

對比傳統PID同步控制與所提出的主從同步PID控制策略跟蹤性能，得到的位移跟蹤曲線如圖6與圖7所示，雙缸跟蹤誤差對比如圖8和圖9所示。傳統PID同步控制下，1#缸跟蹤誤差最大值為236 mm，而主從同步PID控制下，1#缸跟蹤誤差最大值為1892 mm，1#缸最大跟蹤誤差降低了1979%。傳統PID同步控制下，2#缸跟蹤誤差最大值為2391 mm，而主從同步PID控制下，2#缸跟蹤誤差最大值為1905 mm，2#缸最大跟蹤誤差降低了2032%。由此表明，所設計的主從同步控制能較好地跟蹤給定的位移曲線。

對比傳統PID同步控制與所提出的主從同步PID控制策略同步控制性能，得到的雙缸同步誤差如圖10所示。傳統PID同步控制下，雙缸同步誤差最大值為113 mm，同步誤差均值為048 mm；所提出的主從同步PID控制下，雙缸同步誤差最大值為093 mm，同步誤差均值為038 mm，雙缸最大同步誤差降低1770%，雙缸平均同步誤差降低2083%，表明所提出的控制策略能有效提高同步控制精度。

4 基于壓縮垃圾車的實驗測試

為進一步驗證所提出的同步控制策略在后裝式餐廚垃圾車實車上的有效性，將裝有200 kg負載的垃圾桶偏載安置在靠右端以模擬偏載工況的影響，進行實車測試，如圖11所示。

在實車測試中，同樣進行了傳統同步PID控制與所提出的主從同步PID控制跟蹤性能測試。所得到的跟蹤曲線如圖12與圖13所示，雙缸跟蹤誤差對比如圖14和圖15所示。傳統PID同步控制下，1#缸跟蹤誤差最大值為3139 mm，而主從同步PID控制下，1#缸跟蹤誤差最大值為1902 mm，1#缸最大跟蹤誤差降低了3941%。傳統同步PID控制下，2#缸跟蹤誤差最大值為3218 mm，而主從同步PID控制下，2#缸跟蹤誤差最大值為1953 mm，2#缸最大跟蹤誤差降低了393%。由此表明所設計的主從同步控制在實車測試中具有良好的精度。

對比兩種控制策略在實車測試中的同步控制性能，所得雙缸同步誤差如圖16所示。傳統同步PID控制下，雙缸同步控制誤差均值為0704 mm；在主從同步PID控制下雙缸同步誤差均值為0513 mm，雙缸同步誤差均值降低2713%，表明所提出的主從同步PID控制策略在實車中能有效降低同步控制誤差，保持在05 mm左右，從而提升后裝式餐廚垃圾車提升穩定性。

5 結語

本文針對后裝式餐廚垃圾車雙缸系統存在不同步問題，設計了雙比例閥控雙液壓缸主從同步控制策略，并在數值仿真軟件上搭建雙缸同步控制系統控制仿真，通過仿真驗證了方案的可行性，同時在實車上進行測試，測試結果表明所提出的主從同步PID控制策略具有良好的同步控制精度，實現了雙缸系統高精度同步頂升，對改善后裝式餐廚垃圾車提升性能具有重要價值。

參考文獻：

[1]ZHANG D Q，TAN S K，GERSBERG R MMunicipal solid waste management in China：Status，problems and challenges[J]Journal of Environmental Management，2010，91（8）：1623-1633

[2]Lin Fei，Peng XiweiOn application of proportional valve-controlled hydraulic cylinder position servo system[C/OL]//2015 34th Chinese Control Conference（CCC）Hangzhou，China：IEEE，2015：3642-3647[2023-12-29]http：//ieeexploreieeeorg/document/7260202/

[3]李勝永鍛造液壓機雙缸同步控制系統研究[J]液壓與氣動，2020（7）：99-105

[4]陳杰，泮進明基于誤差反饋的雙缸液壓系統同步模糊PID控制系統設計[J]鍛壓技術，2022，47（3）：142-145+168

[5]劉愛玲，李盛林，于海麗基于模糊理論的雙缸液壓系統同步控制研究[J]液壓與氣動，2016（4）：44-47

[6]賈文昂，李展尚，陳統中，等疲勞試驗機舉升架雙缸同步控制研究[J]浙江工業大學學報，2022，50（5）：559-567

[7]汪飛雪，薛雄偉，曹曉明，等雙缸液壓同步控制系統建模及仿真 [J]鍛壓技術，2018，43（9）：113-118

[8]王子軍，盧舟鑫，史軍，等大型水電站泄洪洞液壓系統雙缸同步控制設計[J]人民長江，2023，54（S1）：97-98+103

作者簡介：

楊錦華，男，1990年生，工程師，研究方向為環衛裝備的研究與開發。