鄒發(fā)良，蘇亮

(長沙中聯(lián)消防機械有限公司，湖南 長沙 410300)

舉高作業(yè)車工作斗獨立調(diào)平控制系統(tǒng)

鄒發(fā)良，蘇亮

(長沙中聯(lián)消防機械有限公司，湖南 長沙 410300)

舉高作業(yè)車工作斗調(diào)平性能的好壞，是保障作業(yè)安全、考核車輛工作性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過分析現(xiàn)有非獨立調(diào)平系統(tǒng)存在的短板，設(shè)計了一套高性能的工作斗獨立調(diào)平系統(tǒng)。系統(tǒng)采用獨立于臂架運動的液壓動力源，同時設(shè)計了與之配套的閉環(huán)電氣控制系統(tǒng)。獨立的油源有效的解決了油路長、壓力波動大造成的響應(yīng)延時問題。而電控系統(tǒng)采用的前饋控制的變參數(shù)PID控制方法，加快了調(diào)平油缸的響應(yīng)速度，同時能夠更好的控制誤差。整個系統(tǒng)的實時調(diào)平過程中，誤差有效的控制在1°以內(nèi)。與原有的非獨立調(diào)平系統(tǒng)相比，極大的提高了工作斗調(diào)平的實時跟隨效果。

舉高車；工作斗；獨立調(diào)平；控制系統(tǒng)；變參數(shù)PID

Abstract: The leveling performance of the basket of lift cars is a key factor for guaranteeing operation safety and evaluating operational performance of the vehicle. On the basis of an analysis of the weaknesses of current non-independent leveling systems, this paper designs an independent high-performance leveling system for the basket, which uses a hydraulic power source independent of arm movement. Furthermore, it designs a matched closed-loop electric control system. The independent oil source effectively resolves the problem of response delay due to long oil lines and large pressure fluctuation. Variable parameter PID control combined with feed-forward control in the electronic control system help to raise the response speed of the leveling cylinder and achieve better error control within 1o throughout real-time leveling of the whole system. Real-time tracking effect of the basket leveling is thus improved greatly as compared with former non-independent leveling systems.

Keywords: lift car；basket；independent leveling；control system；variable parameter PID

0 引 言

隨著城市化進程的不斷加快，高層建筑越來越多，作為高層建筑滅火救援主戰(zhàn)裝備的舉高類消防車，應(yīng)用也越來越廣泛。帶工作斗的云梯消防車和登高平臺作業(yè)車，也隨著國家對消防事業(yè)的投入逐年加大，大批量的裝備到消防隊伍中。車輛配備的工作斗調(diào)平功能，是用來保證車輛在高空作業(yè)時工作斗始終保持水平的狀態(tài)，進而保證人員在斗內(nèi)操作或救援時的安全。連續(xù)穩(wěn)定的調(diào)平效果及完備的工作斗安全保護，可以為在斗內(nèi)操作及救援的工作人員提供良好的作業(yè)體驗。因此，工作斗調(diào)平性能的好壞，成為了保障作業(yè)安全，考核車輛工作性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。

工作平臺的調(diào)平方式經(jīng)歷了從自重調(diào)平到電液調(diào)平的發(fā)展過程[2]。舉高消防車工作高度高，其工作斗最常采用的調(diào)平方式是機械反饋電液控制調(diào)平機構(gòu)[3]。這種方式對控制元件和電液壓系統(tǒng)的要求較高。調(diào)平系統(tǒng)主要由傾角傳感器、PLC(可編程控制器)、電液比例閥、調(diào)平油缸等組成[4]。通過傾角的閉環(huán)控制，PLC控制電液比例閥驅(qū)動調(diào)平油缸，保證傾角始終趨近水平0度，從而實現(xiàn)工作斗在臂架運動過程中始終保持水平的狀態(tài)。目前，這種方式被國內(nèi)外大部分舉高車生產(chǎn)廠家使用。

如圖1所示，上述機械反饋電液控制調(diào)平方式，通常其液壓油源用主油泵或雙聯(lián)泵從下車經(jīng)過中心回轉(zhuǎn)，拖鏈系統(tǒng)向調(diào)平油缸輸送壓力油，使鉸結(jié)在調(diào)平油缸活塞桿上的工作斗進行翻轉(zhuǎn)和調(diào)平。其中，主油泵或雙聯(lián)泵裝在底盤主車架上，它輸出的壓力油要經(jīng)過液壓管路、經(jīng)過中心回轉(zhuǎn)、拖鏈中的拖鏈膠管才能到達調(diào)平閥，從而推動調(diào)平油缸中的活塞和活塞桿，使鉸結(jié)在活塞桿上的工作斗翻轉(zhuǎn)和調(diào)平。

1.工作斗 2.調(diào)平閥 3.調(diào)平油缸 4.液壓油箱 5.梯架 6.主油泵或雙聯(lián)泵 7.拖鏈 8.副車架 9.底盤主車架 10.液壓管路 11.中心回轉(zhuǎn) 12.轉(zhuǎn)臺 13.拖鏈膠管圖1 工作斗非獨立調(diào)平系統(tǒng)布置圖

這種調(diào)平方式其液壓管路，特別是拖鏈膠管長，因此帶來了壓力損失大，調(diào)平反應(yīng)速度慢的問題，同時還存在成本較高、安裝復(fù)雜、維修麻煩等諸多弊端，隨著使用時間的增長，管路老化后，上述問題也會愈發(fā)嚴(yán)重。

同時，由于臂架運動速度的不可預(yù)測性，梯架伸出后撓度、剛度的變化、工作斗內(nèi)載重量不同時引起的晃動、液壓系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)本身的響應(yīng)時滯性，普通的閉環(huán)控制并不能很好地保證控制精度，在實際應(yīng)用時，工作斗出現(xiàn)來回調(diào)整、過調(diào)等現(xiàn)象，無法保證連續(xù)穩(wěn)定的調(diào)平輸出，影響車輛性能。

國外的知名舉高車廠家(如：馬基路斯)為了解決上述問題，采用了獨立調(diào)平系統(tǒng)，從而使得整車的操作性能更加穩(wěn)定。國內(nèi)的廠家對于斗調(diào)平的研究相對落后，部分廠家甚至還使用鏈條鏈輪式調(diào)平機構(gòu)針對現(xiàn)有的狀況，本文設(shè)計開發(fā)的工作斗調(diào)平及控制系統(tǒng)，采用一種獨立調(diào)平的液壓設(shè)計方式，為工作斗調(diào)平提供獨立油源，解決了使用拖鏈膠管的非獨立系統(tǒng)線路長、反應(yīng)慢的問題，同時根據(jù)獨立液壓系統(tǒng)設(shè)計了一套專用、可靠的電氣控制系統(tǒng)，結(jié)合前饋自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)方法，有效地提升了工作斗調(diào)平快速性、穩(wěn)定性。與舊系統(tǒng)比較，具備結(jié)構(gòu)簡單易安裝維修、節(jié)能節(jié)約成本等優(yōu)點。通過將該項技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)品車，可以有效地提高工作斗調(diào)平的穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品性能。

1 工作斗獨立調(diào)平液壓系統(tǒng)

獨立調(diào)平的液壓系統(tǒng)部分區(qū)別于非獨立系統(tǒng)最大的特點，就是設(shè)計了獨立的油源，在本設(shè)計中，通過在工作斗調(diào)平比例閥附近設(shè)置直流電動泵及液壓油箱，當(dāng)工作斗需要調(diào)平作業(yè)時，用直流電動泵直接給調(diào)平閥供油。

1.工作斗 2.調(diào)平油缸 3.梯架 4.液壓油箱 5.調(diào)平閥 6.直流電動泵圖2 工作斗獨立調(diào)平系統(tǒng)布置圖

圖2所示為工作斗獨立調(diào)平系統(tǒng)布置圖，直流電動泵、液壓油箱、調(diào)平閥均安裝在梯架前端，在工作斗附近。直流電動泵從液壓油箱中吸油，產(chǎn)生壓力油，操縱調(diào)平閥，可使壓力油進入調(diào)平油缸，推動活塞及活塞桿運動，從而使鉸結(jié)在活塞桿上的工作斗翻轉(zhuǎn)和調(diào)平。這種設(shè)計方式有如下好處：

(1)不需要拖鏈及拖鏈膠管，對于規(guī)格越高的車輛，節(jié)省的拖鏈及膠管也越長，安裝簡單；

(2)到達工作斗調(diào)平閥液壓管路短，壓力損失小，受溫度影響?。?/p>

(3)獨立就近的油源，與長管路軟管供油的方式相比，壓力響應(yīng)速度快，無共用油路，壓力波動小

(4)易維護、易維修、顯著降低成本。

2 工作斗獨立調(diào)平電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)需要完成對直流電動泵、調(diào)平比例閥的實時控制。電控系統(tǒng)依托的電氣元件包括：控制器、接觸器、傾角傳感器。

本方案中，整個電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 工作斗獨立調(diào)平控制系統(tǒng)框圖

控制器接收處理斗傾角傳感器的信號、臂架操作手柄信號及臂架運動數(shù)據(jù)，其中斗傾角傳感器數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確獲知工作斗當(dāng)前角度與水平值的偏差，誤差越大，說明工作斗前傾或后傾越厲害。臂架操作手柄信號可以通過總線傳輸?shù)秸{(diào)平控制器，控制器可以實時監(jiān)控用戶手柄的操作狀態(tài)，從而反映臂架運動的速度趨勢。臂架運動數(shù)據(jù)，通過若干傳感器數(shù)據(jù)的匯總，獲得臂架角度、臂架姿態(tài)數(shù)據(jù)。

電機接觸器控制直流電動泵的運行，為了保證壓力油供應(yīng)的快速性，控制器接收到手柄操縱信號時，就開啟接觸器，讓電動泵運行。同時，也只有在臂架變幅比例閥完全關(guān)閉時，才斷開接觸器，從而保證臂架變幅運動的整個過程中，工作斗調(diào)平壓力油油壓提早建立與最后關(guān)閉，保證了調(diào)平壓力油始終處于供給狀態(tài)。

通過控制比例閥的開口度，控制斗調(diào)平油缸的速度慢，可以讓斗時刻保持或無限逼近水平零點，保證臂架運動過程中，工作斗始終保持水平狀態(tài)。

常規(guī)的調(diào)平控制方法通過傾角傳感器閉環(huán)獲得調(diào)平控制數(shù)據(jù)，具體控制原理如圖4所示。

圖4 調(diào)平閉環(huán)控制

通過對比傾角傳感器及水平0°時的數(shù)據(jù)，獲得偏差，然后由控制器根據(jù)偏差大小調(diào)整比例閥輸出控制調(diào)平油缸運動實現(xiàn)對工作斗調(diào)平的控制。

由于工作斗調(diào)平控制的最終執(zhí)行部件是液壓部件，其存在滯后大、反饋控制不及時等問題。同時，工作斗需要時刻跟隨臂架運動速度變化造成的角度變化，隨動性高，單純的閉環(huán)PID無法可靠保證調(diào)平性能，設(shè)計采用了加入前饋控制的優(yōu)化控制方案。

前饋控制和反饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅可以保持系統(tǒng)穩(wěn)定，大幅減小穩(wěn)態(tài)誤差，而且對抑制可測量擾動十分有效[5]。如加入結(jié)合臂架油缸鉸點數(shù)據(jù)的變幅比例閥門開口，將變幅油缸線速度換算為角速度，保證了運動軌跡的可監(jiān)控[6]、比例閥死區(qū)數(shù)據(jù)， 提前加入比例閥預(yù)開啟量，可以進一步加快調(diào)平響應(yīng)速度。

由于工作斗調(diào)平實時性要求高，對誤差控制、連續(xù)調(diào)平性都有很高的要求。整個調(diào)平過程中要求工作斗動作盡量連續(xù)、誤差控制范圍小。而由于臂架速度變化跨度大、隨機性強，一套PID參數(shù)整定較為復(fù)雜，難免造成超調(diào)量過大、調(diào)節(jié)時間長等問題。為了獲得更好的控制效果，采用變參數(shù)PID控制方法，結(jié)合當(dāng)前調(diào)整誤差范圍，實時選擇不同組合的Kp、Ki、Kd參數(shù)。針對偏差范圍較小、一般、較大的情況，整定不同的三組PID參數(shù)，提升了每個偏差范圍整定參數(shù)的調(diào)整精度，實現(xiàn)優(yōu)化的變參數(shù)PID控制(如圖5所示)。

圖5 變參數(shù)PID復(fù)合控制方法

圖6 工作斗獨立調(diào)平及控制系統(tǒng)實驗平臺

圖7 獨立調(diào)平系統(tǒng)構(gòu)成

圖8 工作斗獨立調(diào)平電機

圖6所示為工作斗獨立調(diào)平及其控制系統(tǒng)的實際車上安裝測試情況，圈內(nèi)標(biāo)記部分為電控系統(tǒng)，圖7中，圈內(nèi)標(biāo)記部分為液壓油箱和調(diào)平閥組，圖8中，圈內(nèi)標(biāo)記部分為電動液壓油泵。

3 測試及結(jié)果分析

3.1 實驗方案

通過手柄來控制臂架變幅運動，通過控制器采集變幅角度變化、斗傾角變化、手柄給定等數(shù)據(jù)，同時調(diào)試匹配參數(shù)，測試分析獨立調(diào)平系統(tǒng)的調(diào)平控制性能。

圖9 空載上升

圖9中，上部分曲線為臂架變幅角度變化，反應(yīng)臂架變幅上升的過程。下部分為斗傾角誤差實時數(shù)據(jù)，Y軸坐標(biāo)為0值時，代表此時斗傾角為0度，為其他值時，換算的方法為Y軸值/100，例如，Y軸值為100時傾角為100/100=1度，同時，當(dāng)Y軸值為負時，對應(yīng)的為工作斗負角度。角度為正時，工作斗下傾，角度為負時，工作斗上仰。

3.2 結(jié)果分析

分析圖9工作斗空載時的變幅上升曲線，工作斗調(diào)平誤差能夠較好的保持在±0.4度以內(nèi)。

圖10 空載下降

同時分別測試工作斗空載時變幅下降、工作斗滿載時變幅上升、工作斗滿載時變幅下降時的系統(tǒng)調(diào)平性能。分別對應(yīng)圖10、圖11、圖12?？梢钥闯?，上述的工況，工作斗調(diào)平效果穩(wěn)定，誤差能有效地控制在1度以內(nèi)，僅在滿載下降的工況，臂架剛啟動時由于慣性較大引起的短時間晃動，系統(tǒng)整體控制效果良好。圖13、圖14為非獨立調(diào)平系統(tǒng)的測試結(jié)果，空載上升和滿載下降的兩種工況中分別出現(xiàn)了啟動誤差大、調(diào)平過程不穩(wěn)定，存在持續(xù)晃動等問題。圖13非獨立調(diào)平空載上升啟動時，存在很明顯的反應(yīng)慢的問題，誤差峰值達到了3.5°，表現(xiàn)為工作斗調(diào)平反應(yīng)慢，傾斜厲害。圖14非獨立調(diào)平滿載下降過程中，整個工作斗不能夠很好地維持穩(wěn)定，存在長時間持續(xù)的向上向下的過調(diào)整的問題，工作斗表現(xiàn)為持續(xù)的抖動現(xiàn)象。

因此，相較于非獨立系統(tǒng)，工作斗獨立調(diào)平及其控制系統(tǒng)能夠更快地響應(yīng)角度變化，有效地控制調(diào)平誤差，保證持續(xù)調(diào)平的穩(wěn)定性。

圖11 滿載上升

圖13 非獨立調(diào)平空載上升

4 結(jié)束語

工作斗獨立調(diào)平系統(tǒng)通過設(shè)立獨立于臂架運動的工作斗調(diào)平液壓系統(tǒng)，選擇快速的電氣控制系統(tǒng)、優(yōu)化的閉環(huán)控制方法，搭建了一套高性能的系統(tǒng)，獨立的液壓系統(tǒng)解決了長管路帶來的壓力損失大、響應(yīng)速度慢的問題。同時，結(jié)合系統(tǒng)特性設(shè)計的前饋控制和反饋控制的復(fù)合控制方法，通過加入結(jié)合臂架油缸鉸點數(shù)據(jù)的變幅比例閥門開口、比例閥死區(qū)數(shù)據(jù)， 提前加入比例閥控制量等設(shè)計，可以加快調(diào)平響應(yīng)速度，有效提升調(diào)平效果。多組不同工況下的試驗結(jié)果表明，相比常規(guī)的非獨立調(diào)平，本方案的工作斗調(diào)平具備穩(wěn)定連續(xù)、調(diào)節(jié)誤差范圍小的優(yōu)點。

圖14 非獨立調(diào)平滿載下降

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An Independent Leveling System for the Baskets of Lift Cars

Zou Faliang, Su Liang

(Changsha Zhonglian Firefighting Machinery Co., Ltd., Changsha Hunan 410300, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.032

TP271+.4

A

1000-3886(2017)03-0106-04

定稿日期: 2016-09-12

鄒發(fā)良(1971-)，男，湖南長沙人，學(xué)士，工程師，主要從事舉高消防車結(jié)構(gòu)設(shè)計。 蘇亮(1985-)，男，湖南長沙人，碩士，電氣工程師，主要從事舉高消防車電氣設(shè)計。