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(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室， 陜西 西安　710064)

引言

在世界各地，集裝箱運輸已成為一種高效且能配備標(biāo)準(zhǔn)運輸設(shè)備的物流運輸方式。我國的集裝箱運輸一般是把集裝箱裝在半掛車上，由牽引車拖動運輸。由于集裝箱較重，需使用專用的裝卸設(shè)備。對中小企業(yè)貨主而言，因貨物量少，一般不會配備專用裝卸設(shè)備，所以集裝箱中的貨物只能在車載的情況下進行裝卸，占用牽引車和司機的大量時間，導(dǎo)致運輸成本提高。集裝箱自裝卸運輸車，能有效地解決此問題[1]。該運輸車是一種在兩側(cè)均帶有自裝卸吊裝機構(gòu)的半掛車，可實現(xiàn)兩側(cè)自行裝卸貨物，實用性好，提高運輸效率，降低運輸成本。本研究的吊裝機構(gòu)如圖1所示。

圖1　吊裝機構(gòu)

1　自裝卸運輸車吊裝機構(gòu)同步液壓系統(tǒng)

吊裝機構(gòu)主要有伸縮和變幅(擺動)兩個工作過程，為保證兩端的機構(gòu)同步動作，采用電液比例同步控制方案[2]，所設(shè)計的吊裝機構(gòu)同步液壓系統(tǒng)如圖2所示。自裝卸運輸車由于整機長度不長，為節(jié)約經(jīng)濟成本及簡化系統(tǒng)，其液壓系統(tǒng)共用一個動力源。運輸車吊裝機構(gòu)液壓同步系統(tǒng)，按其功能分為伸縮系統(tǒng)和擺動(變幅)系統(tǒng)兩部分，并通過二位三通電液換向閥選擇油路，以完成相應(yīng)的動作，同時保證兩部分不同時動作。液壓源是定量泵，系統(tǒng)工作壓力由溢流閥調(diào)定，并且可由溢流閥完成卸荷，減少能源損耗。

伸縮系統(tǒng)由兩個平衡閥、兩個伸縮油缸、電液換向閥、電液比例方向閥和調(diào)速閥組成，主要控制伸縮油缸的伸縮。變幅系統(tǒng)由4個變幅油缸、兩個雙向平衡閥、電液換向閥和電液比例方向閥組成，主要控制變幅油缸的伸縮，使下擺臂擺動[3]。

同步原理：兩對應(yīng)油缸的位移誤差通過放大器控制比例閥的閥口開度，使其輸出流量與通過電液換向閥的流量相適應(yīng)，確保兩油缸同步運動，從而驅(qū)使兩吊裝機構(gòu)動作一致[4]。

2　PID控制器

PID控制器，是經(jīng)典控制理論中普遍使用的控制器，根據(jù)所需參數(shù)整定方案能自由靈活地將比例(Proportional)、積分(Integral)和微分(Derivative)環(huán)節(jié)組合，如P、PI、PD、PID控制器等，在實際應(yīng)用取得較好的控制效果。PID控制技術(shù)發(fā)展至今，具備完善成熟的控制理論，并且易于實現(xiàn)，具有魯棒性強，工作可靠穩(wěn)定等優(yōu)點，盡管新型控制器不斷發(fā)明問世，但仍占據(jù)主導(dǎo)位置。

PID控制器，通過對偏差信號ε(t)進行比例、積分和微分變換后，得到新的輸出信號，以控制被控對象，改善被控對象原來的響應(yīng)特性，即：

式中，Kpε(t) —— 比例控制項，Kp為比例系數(shù)

PID控制器中，每個環(huán)節(jié)具有相應(yīng)的功能[5]：

(1) 比例系數(shù)Kp越大則PID控制器的控制越強，使穩(wěn)態(tài)誤差和響應(yīng)性能得以改善，但是過大則會使系統(tǒng)震蕩無法穩(wěn)定輸出；

(2) 積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生的控制信號， 其職責(zé)是改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，積分作用越強，則穩(wěn)定性越好。但是過強的積分作用，會損害系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。1/Ti越大，則積分作用越強，反之，則越弱；

圖2　吊裝機構(gòu)液壓同步控制系統(tǒng)原理圖

(3) 微分控制能夠預(yù)測偏差，產(chǎn)生超前的校正作用，有助于減少超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，并能加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，但會放大噪聲。

3　系統(tǒng)仿真分析

運用AMESim進行仿真需要進行系統(tǒng)建模、選擇子模型、設(shè)置參數(shù)、運行仿真四個步驟[6]。在不影響整體液壓系統(tǒng)的性能的情況下，因為吊裝機構(gòu)伸縮動作和變幅動作互不干涉，可將吊裝機構(gòu)液壓同步系統(tǒng)拆解為伸縮液壓系統(tǒng)和變幅液壓系統(tǒng)兩部分，方便仿真分析。在建模過程中，因為冷卻器、濾油器等元件不會影響系統(tǒng)性能，所以將其省略。

3.1　伸縮液壓系統(tǒng)

1) 建立伸縮液壓系統(tǒng)仿真模型

打開AMESim軟件，從元件庫中選取現(xiàn)有的元件模型來搭建如圖3所示的伸縮液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)分為兩個部分，前端(左側(cè))為主動系統(tǒng)，后端(右側(cè))為從動系統(tǒng)。在工作過程中向主動系統(tǒng)施加一個信號，使主動系統(tǒng)的液壓缸按照一定的速度上下移動。液壓缸的位移由位移傳感器來檢測，并將檢測到的信號與從動系統(tǒng)液壓缸輸出的位移信號做差值，將差值信號輸入到從動系統(tǒng)的電液換向閥中，通過調(diào)節(jié)其閥口開度的大小改變其輸出的流量，使從動系統(tǒng)液壓缸的位移不斷趨近于主動系統(tǒng)液壓缸的位移，達到同步的目的。

圖3　基于AMESim的伸縮液壓系統(tǒng)原理圖

2) 主要子模型的選擇及其參數(shù)設(shè)置

對于子模型的選擇，如果沒有特殊要求，一般讓AMESim自動為每個元件選擇系統(tǒng)默認(rèn)的優(yōu)先子模型。通過理論計算，得出相應(yīng)液壓元件的關(guān)鍵參數(shù)值，以此為參照完成伸縮油缸、變幅油缸、電液換向閥、電液比例方向閥、泵等液壓件的選型。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計計算出的參數(shù)，對相應(yīng)子模型的參數(shù)進行修改。伸縮液壓系統(tǒng)子模型及參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　伸縮液壓系統(tǒng)子模型及參數(shù)設(shè)置

3) 仿真結(jié)構(gòu)分析

(1) 上升過程上升過程中，在0～10 s，電液換向閥處右位工作，伸縮油缸往外伸出，而在10～20 s，電液換向閥處中位O形機能。在上升過程中，有PID控制器(利用經(jīng)驗法多次調(diào)整PID控制器的參數(shù)[7],并采用AMESim中的參數(shù)批處理功能，對PID的三個參數(shù)進行選擇，調(diào)整后的PID參數(shù)為KP=2.5,KI=0.02,KD=0.001)和無PID控制器(KP=1,KI=0,KD=0)時系統(tǒng)的同步位移誤差如圖4所示。

圖4　兩伸縮油缸位移誤差曲線

(2) 下降過程下降過程中，在0～10 s，電液換向閥處左位工作，伸縮油缸縮回動作，而在10～20 s，電液換向閥處中位O形機能。在下降過程中，有PID控制器(KP=2.5,KI=0.02,KD=0.001)和無PID控制器(KP=1,KI=0,KD=0)時系統(tǒng)的同步位移誤差如圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，引入PID控制器后，上升過程中兩缸的最大同步位移誤差由20 mm縮減至10.7 mm，同步精度為10.7/2065=0.5%，而下降過程兩缸的最大同步位移誤差由58 mm縮減至13.1 mm，同步精度為13.1/2065=0.6%(所選用液壓缸最大行程L=2065 mm)。由此可見，PID控制器，良好地減少動態(tài)跟隨誤差，改善了系統(tǒng)的同步精度。

圖5　兩伸縮油缸位移誤差曲線

3.2　變幅液壓系統(tǒng)

1) 建立變幅液壓系統(tǒng)仿真模型

在AMESim軟件草圖繪制模式中，從液壓庫子模型中依次挑選需要的元件完成系統(tǒng)設(shè)計。變幅液壓系統(tǒng)原理圖如圖6所示，向主動系統(tǒng)(左側(cè))施加信號，使主動系統(tǒng)的液壓缸按照一定的速度移動，位移由位移傳感器來檢測。將檢測到的信號與從動系統(tǒng)液壓缸輸出的位移信號做差值，將差值信號輸入到從動系統(tǒng)(右側(cè))的電液換向閥中，通過調(diào)節(jié)其閥口開度的大小改變其輸出的流量，使從動系統(tǒng)液壓缸的位移不斷趨近于主動系統(tǒng)液壓缸的位移，達到同步的目的。

圖6　基于AMESim的變幅液壓系統(tǒng)原理圖

在AMESim中進行機液耦合系統(tǒng)仿真，同時可將其機械結(jié)構(gòu)可視化，把仿真結(jié)果轉(zhuǎn)化為動畫。圖7中左側(cè)部分為運輸車前端吊裝機構(gòu)，由圖6中的左側(cè)液壓回路控制；圖7中右側(cè)部分為運輸車后端吊裝機構(gòu)，是由圖6中右側(cè)液壓回路控制。后端吊裝機構(gòu)相對于前端吊裝機構(gòu)隨動。

圖7　機械結(jié)構(gòu)簡圖

2) 主要子模型的選擇及其參數(shù)設(shè)置

對于子模型，如果沒有特殊要求，點擊首選子模型按鈕， AMESim即為系統(tǒng)選擇默認(rèn)的最簡子模型。根據(jù)理論計算和已選擇的液壓元件型號，變幅液壓系統(tǒng)子模型及參數(shù)設(shè)置如表2所示。其中泵、溢流閥、順序閥、電液換向閥、電液比例方向閥子模型及參數(shù)設(shè)置同表1。

3) 仿真結(jié)構(gòu)分析

(1) 右擺卸載過程0～43 s，電液換向閥處左位，進行右擺動作；43～50 s，電液換向閥處中位，保持。在右擺卸載過程中，有PID控制器(利用經(jīng)驗法多次調(diào)整PID控制器的參數(shù)[7]，并采用AMESim中的參數(shù)批處理功能，對PID的三個參數(shù)進行選擇，調(diào)整后的PID參數(shù)為KP=4,KI=0,KD=1)和無PID控制(KP=1,KI=0,KD=0)時系統(tǒng)的同步位移誤差如圖8所示。

表2　變幅液壓系統(tǒng)子模型及參數(shù)設(shè)置

圖8　兩變幅油缸位移誤差曲線

兩側(cè)吊裝機構(gòu)右擺運動過程如圖9所示，右側(cè)的變幅機構(gòu)相對于左側(cè)的變幅機構(gòu)而隨動。

圖9　右擺卸載過程示意圖

(2) 左擺裝載過程0～53 s，電液換向閥處右位，吊裝機構(gòu)從最右位置擺回至豎直位置。在左擺裝載過程中，有PID控制器(KP=4,KI=0,KD=1)和無PID控制器(KP=1,KI=0,KD=0)時系統(tǒng)的同步位移誤差如圖10所示。

圖10　兩變幅油缸位移誤差曲線

兩側(cè)吊裝機構(gòu)左擺運動過程如圖11所示，右側(cè)的變幅機構(gòu)相對于左側(cè)的變幅機構(gòu)而隨動。

圖9和圖11，展示的是變幅機構(gòu)左擺和右擺的動作過程，可以直觀得出：該系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，且能實現(xiàn)同步運動。由圖8與圖10對比可以看出，引入PID控制器后，右擺卸載過程中兩缸的最大同步位移誤差由15.7 mm縮減至5 mm以內(nèi)，同步精度為5/1490=0.3%(液壓缸最大行程L=1490 mm)，而左擺裝載過程兩缸的最大同步位移誤差由40 mm縮減至13.6 mm， 同步精度為13.6/1490=0.9%。由此可見，PID控制器，良好地減少動態(tài)跟隨誤差，改善了系統(tǒng)的同步精度。

圖11　左擺裝載過程示意圖

自裝卸運輸車在左側(cè)進行右擺裝載和左擺卸載作業(yè)過程，與上述的左擺裝載和右擺卸載作業(yè)對稱，故將其省略。

4　結(jié)論

運用AMESim仿真軟件，分別搭建伸縮液壓系統(tǒng)和變幅液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并采用PID控制器，對比分析有PID控制器時和無PID控制時系統(tǒng)的同步性能差異。得出結(jié)論，PID控制器可改善系統(tǒng)的同步性能，提高同步控制精度，滿足設(shè)計需求。

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