機場貨運平臺拖車頂升系統(tǒng)液壓缸的同步控制

張積洪，孫野

(中國民航大學航空自動化學院，天津300300)

進口平臺車在機場中占絕大多數(shù)，由于其工作特殊性，具有價格昂貴(200 萬以上)、行駛速度慢(5 km/h)、工作場地分散的特點。文中設(shè)計的貨運平臺拖車能夠快速將其裝卸、轉(zhuǎn)運至各個工作場地，提高平臺車的使用效率。

設(shè)計了由4 個液壓缸同步舉升的動力單元，將拖車的托板由一個較低的位置舉升到一定高度，使拖車具有快速轉(zhuǎn)運的30 km/h 的速度。機場平臺車離地間隙166 mm，自身質(zhì)量將近20 t，在裝卸該平臺車的過程中要求平穩(wěn)、安全、可靠，因此，設(shè)計了多液壓缸同步頂升托板裝置，后車架采用懸浮半軸結(jié)構(gòu)，置于橫梁上的液壓缸先將托板下降到離地較低的裝卸位置，待將平臺車裝載到托板上之后，均布的多液壓缸頂升工作，將托板舉升到較高的行駛位置。

四缸同步舉升單元是該貨運平臺拖車的重要組成部分，舉升液壓系統(tǒng)采用分組控制，液壓缸的控制只是通過分別比較組內(nèi)液壓缸的位移或速度來實時地調(diào)節(jié)偏移。PID 控制具有算法簡單、可靠性高的特點而被廣泛應用，文中提出了組內(nèi)PID 控制方案，控制調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥和比例溢流閥實現(xiàn)雙缸精確控制。運用壓力、流量混合協(xié)調(diào)控制的方案，保證拖車將平臺車快速、完好地轉(zhuǎn)運到指定的工作場所。

1 拖車液壓頂升系統(tǒng)分析

1.1 托板頂升液壓缸分布

托板舉升液壓系統(tǒng)由兩組對稱分布于輪胎半軸托架上的4 個液壓缸組成，如圖1 所示，將分布于車兩側(cè)的4 個液壓缸分為兩組，即液壓缸1 和2 為A 組，液壓缸3 和4 為B 組。托板的舉升過程應是以液壓缸為動力支點，繞托板鉸軸旋轉(zhuǎn)一特定角度，依據(jù)幾何關(guān)系，A 組液壓缸總行程較B 組長，兩者呈現(xiàn)精確的比例關(guān)系，這是該拖車頂升液壓缸分組同步控制的基礎(chǔ)［1］。

圖1 貨運平臺拖車舉升液壓缸分布圖

1.2 液壓缸控制原理

圖2 為舉升系統(tǒng)液壓缸1 工作原理圖，采用變量泵供油，設(shè)計有安全閥、雙向液壓鎖，同時具備開機預熱回路和快速回退回路。液壓缸1 的位移傳感器實時檢測舉升位移信息，采用主從式同步控制式，反饋并與給定的參考值(液壓缸2 的位移控制信號)作比較，進行誤差分析，將誤差傳送到PLC 控制器中，按預設(shè)的控制策略進行控制輸出。同時壓力傳感器實時檢測舉升壓力，輸入控制器進行分析，最后將信號傳遞到比例放大器放大，按需求控制調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥的比例電磁鐵，調(diào)節(jié)進入液壓缸1 的液壓油流量進而控制舉升雙缸系統(tǒng)同步性，調(diào)節(jié)比例溢流閥開度控制液壓缸的舉升壓力，達到要求的舉升壓力進行工作，實現(xiàn)比例流量、壓力復合控制。

圖2 舉升系統(tǒng)單缸控制原理圖

2 組內(nèi)雙缸PID 控制

PID 控制方法廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域［2－4］。作為一種線性控制器，它根據(jù)設(shè)定值ysd(t)和實際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，將偏差按照比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對被控對象進行控制?？刂破鞯妮斎胼敵鲫P(guān)系可描述為:

式中:e(t)= ysd(t)－ y(t)，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。

在拖車的后托板舉升過程中，以液壓缸2 的舉升位移為參考位移，實時檢測液壓缸1 的舉升位移，采用主從式同步控制方式，與舉升缸2 的位移作比較得到偏差信號，通過輸入給PLC 協(xié)調(diào)，最后反饋到比例調(diào)速閥上，調(diào)節(jié)舉升缸1 比例調(diào)速閥中節(jié)流閥開度大小，調(diào)節(jié)進入兩缸的流量，最終實現(xiàn)雙杠舉升位移的同步。由壓力傳感器實時檢測推進壓力的大小，與給定的值進行比較，保證液壓缸的輸出壓力為所需的設(shè)定值。

依據(jù)舉升系統(tǒng)所選比例調(diào)速閥實物結(jié)構(gòu)原理，采用AMESim 中的HCD (基本元件設(shè)計庫)中的液壓元件搭建好比例調(diào)速閥的AMESim 模型。模型如圖3所示。

圖3 比例調(diào)速閥AMESim 模型

采用AMESim 進行仿真時，對比例調(diào)速閥中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行批處理以及優(yōu)化，得出仿真參數(shù)參考值。

仿真中主要分析比例調(diào)速閥［5］、液壓缸以及負載之間的動態(tài)關(guān)系，基于AMESim 建模時省略了液壓鎖以及三位四通換向閥，系統(tǒng)仿真時著重分析比例調(diào)速閥模塊以及負載和液壓缸模塊之間的動態(tài)特性。

如圖4 所示，在AMESim 中對PID 試驗參數(shù)批運行，得到優(yōu)化數(shù)據(jù):比例系數(shù)為1，積分時間常數(shù)為15，微分時間常數(shù)為0.05。

圖4 液壓雙缸同步控制仿真圖

通過選取合理的PID 控制參數(shù)，可以實現(xiàn)液壓雙缸的高精度同步控制。圖5 顯示峰值誤差75 ×10－6m，并在系統(tǒng)運行開始8 s 以后，誤差趨近于0;圖6為液壓缸比例調(diào)速閥的控制信號跟蹤曲線，以給定液壓缸2 的調(diào)速閥的控制信號為參考量，通過反饋跟蹤，液壓缸1 的比例調(diào)速閥得到對應的控制信號，在不到4 s 內(nèi)控制信號達到8，和作為參考的比例調(diào)速閥的控制信號相等，頂升缸同步舉升，控制效果達到要求;圖7 給出了舉升雙缸的速度跟蹤曲線，可以看出:在位移偏差達到要求的前提下，兩者的舉升速度也具有較高的一致性。

圖5 液壓雙缸舉升位移偏差圖

圖6 液壓雙缸比例調(diào)速閥控制信號跟蹤圖

圖7 液壓雙缸舉升速度信號跟蹤圖

3 組間多缸整體同步控制

拖車的舉升托板在裝卸平臺車的過程中，要求具備較高平穩(wěn)性，即4 個舉升液壓缸在工作過程中應具有高度的協(xié)調(diào)一致性，同步位移、速度誤差需嚴格控制在合理的范圍內(nèi)［8］。應用AMESim 軟件，在對A組內(nèi)雙缸同步控制仿真分析過程中，得到了要求的位移同步精度和速度跟隨特性，基于該原理，B 組內(nèi)兩個液壓缸應能達到相同的控制精度。

圖8 四缸同步控制原理圖

圖8給出了基于組內(nèi)PID 同步控制的多缸同步控制原理圖，在起始階段，控制器將成一定比例的兩個參考速度信號分別輸出到2 號和4 號液壓缸的兩個比例調(diào)速閥，在此工作狀態(tài)下，拖車托板完成平穩(wěn)、精確的舉升過程。

4 結(jié)論

文中探討了機場平臺快速拖車多缸同步舉升控制問題，對組內(nèi)液壓缸采用基于位置負反饋的PID 控制器，同時給出了組間多缸同步舉升的控制策略。仿真結(jié)果表明:基于流量控制的位置反饋PID 控制具有優(yōu)秀的同步特性，能夠?qū)崿F(xiàn)拖車托板舉升過程中的精度要求，保證其最佳的工作狀態(tài)。

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