液壓提升式升船機(jī)主提升系統(tǒng)同步控制建模與仿真研究

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(1.杭州國電機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司， 浙江 杭州　310030； 2.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州　310027；3.華電電力科學(xué)研究院， 浙江 杭州　310030)

引言

升船機(jī)作為通航過壩的快速通道， 在江河航運(yùn)方面發(fā)揮著不可替代的作用。目前，國內(nèi)外所研究和建成的升船機(jī)，大多應(yīng)用于攔河大壩工程，主要用于運(yùn)載大噸位客貨船通航[1,2]。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，升船機(jī)開始應(yīng)用于城市水系貫通工程，主要用于旅游客運(yùn)，對(duì)安全性及乘坐的舒適平穩(wěn)性有著更高的要求。本研究針對(duì)旅游客運(yùn)專用升船機(jī)，對(duì)國內(nèi)首次采用的新型液壓提升式升船機(jī)[3]展開研究。

該升船機(jī)采用了液壓垂直提升、船廂入水的形式。升船機(jī)承船廂的升降由主提升油缸驅(qū)動(dòng)，主提升油缸對(duì)稱布置在承船廂兩側(cè)，通過電液控制系統(tǒng)控制油缸的升降速度[3]。船廂在運(yùn)行過程中，由于行程較長，若僅采用手動(dòng)調(diào)速閥進(jìn)行船廂同步控制，調(diào)速閥制造公差及調(diào)節(jié)偏差帶來的速度差累積會(huì)造成較大位移誤差；此外，船廂導(dǎo)軌安裝誤差會(huì)使各油缸負(fù)載相差較大，同樣會(huì)對(duì)船廂同步精度產(chǎn)生較大影響。針對(duì)以上因素，常規(guī)控制方法往往不能很好地滿足主提升缸的同步動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制精度要求[4，5]，因此本研究采用自整定模糊PID改善主提升缸同步特性。

本研究依據(jù)主提升缸的同步控制原理，建立主提升缸同步控制系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)自整定模糊PID控制器，建立液壓伺服系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，并進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了自整定模糊PID對(duì)提高同步動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制精度的可行性。

1　主提升缸同步控制系統(tǒng)原理

升船機(jī)電液比例同步系統(tǒng)如圖1所示， 三位四通電液換向閥8控制主提升油缸1，即承船廂的上升和下降；手動(dòng)調(diào)速閥5控制油缸上升或下降的速度，并粗調(diào)主提升缸同步，高頻響伺服比例閥4為旁路糾偏閥，精確控制油缸同步。

1.液壓缸　2.二位三通電磁換向閥　3.橋式整流閥組 4.高頻響伺服比例閥　5.手動(dòng)調(diào)速閥　6.位移傳感器 7.控制器　8.三位四通電液換向閥圖1　主提升缸電液比例同步控制系統(tǒng)原理圖

其具體工作原理如下：

(1) 主提升缸粗略同步的實(shí)現(xiàn)：手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)速閥6.1至設(shè)定開度，而后手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)速閥6.2至相同開度大小，通過開環(huán)控制完成主提升缸的粗略同步；

(2) 主提升缸精確同步的實(shí)現(xiàn)：在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)伺服比例閥控制系統(tǒng)，液壓缸1.1為主動(dòng)缸，1.2為從動(dòng)缸，位移傳感器L1、L2分別檢測兩缸的位置信號(hào)，將兩位置信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)控制器后，輸入到伺服比例閥，通過閉環(huán)伺服控制完成主提升缸的精確同步。

2　主提升缸同步控制系統(tǒng)模型

由于系統(tǒng)中的方向閥和單向閥僅控制液壓油液流動(dòng)方向，對(duì)主提升缸同步控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能影響不大，因此本研究只考慮手動(dòng)調(diào)速閥、伺服閥和液壓缸等關(guān)鍵元件的數(shù)學(xué)和仿真模型。

2.1　調(diào)速閥模型

在主提升缸同步控制系統(tǒng)中，用于實(shí)現(xiàn)粗略同步的是調(diào)速閥，該閥由壓力補(bǔ)償閥和節(jié)流閥組成。應(yīng)用AMESim建立調(diào)速閥模型如圖2所示。對(duì)調(diào)速閥中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測試，得出如表1所示的調(diào)速閥仿真參數(shù)表。

圖2　調(diào)速閥AMESim模型

符號(hào)意義數(shù)值d1壓力補(bǔ)償閥閥口周向開度直徑/m0．012A1壓力補(bǔ)償閥背腔后端面積/m23．02×10-3A2壓力補(bǔ)償閥背腔前端面積/m23．02×10-3M1壓力補(bǔ)償閥閥芯質(zhì)量/kg0．0741B1壓力補(bǔ)償閥芯阻尼系數(shù)/N·s·m-1100K1壓力補(bǔ)償閥彈簧剛度/N·m-16300F0彈簧預(yù)壓縮力/N528．3A0節(jié)流閥最大通流面積/m21．19×10-4

2.2　伺服比例閥模型

采用AMESim軟件自帶的三位四通液壓伺服閥模型SV00-3對(duì)系統(tǒng)伺服比例閥建模，建立伺服比例閥模型并設(shè)定伺服比例閥仿真參數(shù)如表2所示。

表2　伺服比例閥仿真參數(shù)表

2.3　液壓缸模型

應(yīng)用AMESim建立液壓缸模型如圖3所示。對(duì)比例調(diào)速閥中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測試，得出如表3所示的比例調(diào)速閥仿真參數(shù)表。

圖3　液壓缸模型

符號(hào)意義數(shù)值A(chǔ)c1液壓缸無桿腔作用面積/m29．08×10-2Ac2液壓缸有桿腔作用面積/m27．07×10-2M活塞及移動(dòng)部件的折算總質(zhì)量/kg7×104B活塞及負(fù)載的黏性阻尼　系數(shù)/N·m·s-15．6×105f庫侖摩擦力/N9．1×104

3　自整定模糊PID 控制器設(shè)計(jì)

自整定模糊PID 控制器采用雙輸入三輸出系統(tǒng)，即在控制過程中，不僅對(duì)實(shí)際誤差自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，還要求對(duì)實(shí)際誤差變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定，不致產(chǎn)生振蕩。以誤差和誤差變化率作為輸入，可滿足不同時(shí)刻對(duì)PID 參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自整定模糊PID 控制器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　模糊自整定PID結(jié)構(gòu)原理圖

由圖4可知，該系統(tǒng)由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PID控制器和一個(gè)模糊PID參數(shù)調(diào)節(jié)器組成。PID控制器根據(jù)主、從動(dòng)缸位移誤差e(t)產(chǎn)生控制信號(hào)u(t)，模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，即：

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)對(duì)特性參數(shù)變化的適應(yīng)能力， 我們采用改進(jìn)的模糊控制器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示?？刂破髟瓤刂频氖荎p、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)， 在改進(jìn)的控制器中采用控制器來控制Kp、Ki、Kd的增量，即ΔKp、ΔKi、ΔKd。由于ΔKp、ΔKi、ΔKd的變化范圍比較小，需要的計(jì)算量較Kp、Ki、Kd明顯減少，在保證了控制效果的基礎(chǔ)上，也提高了執(zhí)行速度。在其結(jié)構(gòu)中控制器之后有一保存器，保留的是上一次的Kp、Ki、Kd的值，加上控制器的輸出值，作用于控制對(duì)象。保留器的初始值可以根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來設(shè)定。

圖5　改進(jìn)的模糊PID控制器

3.1　模糊語言變量的確定

表4　Kp、Ki、Kd模糊控制規(guī)則表

3.2　隸屬函數(shù)的確定

隸屬函數(shù)的確定方法有很多，例如模糊統(tǒng)計(jì)法、專家經(jīng)驗(yàn)法、二元對(duì)比排序法等，自整定模糊PID控制器選用三角形為語言變量的隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)如圖6所示。

圖6　隸屬函數(shù)

3.3　模糊規(guī)則

3.4　去模糊化

平均值x0便是應(yīng)用加權(quán)平均法為模糊集合求得的判決結(jié)果。最后，用輸出量化因子乘以x0以適應(yīng)控制要求，從而可得到控制量的實(shí)際值。

4　仿真及結(jié)果分析

4.1　仿真模型

AMESim-Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)分別對(duì)液壓伺服系統(tǒng)中的機(jī)械液壓部分和控制部分進(jìn)行建模，充分利用兩套軟件分別在液壓系統(tǒng)建模仿真和數(shù)據(jù)處理能力方面的優(yōu)勢對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。聯(lián)合仿真的系統(tǒng)模型如圖7所示。

圖7　主提升缸同步控制系統(tǒng)AMESim仿真模型

利用Simulink仿真軟件分別建立采用常規(guī)PID控制算法和自整定模糊PID控制算法的仿真模型，與AMESim機(jī)械液壓模型聯(lián)合仿真，比較兩種控制器作用下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和控制精度，如圖8、圖9所示。

4.2　仿真結(jié)果分析

分以下兩種情況對(duì)主提升缸同步控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析：① 為了對(duì)手動(dòng)調(diào)速閥制造公差以及手動(dòng)設(shè)置誤差進(jìn)行仿真，設(shè)置從動(dòng)缸調(diào)速閥開口為主動(dòng)缸調(diào)速閥開口的80%和50%，使得主、從動(dòng)液壓缸分別具有20%和50%的初始速度差； ② 設(shè)置主、 從動(dòng)主提升缸對(duì)應(yīng)調(diào)速閥開口相同，但其負(fù)載的黏性阻尼系數(shù)相差20%和50%。按以上兩種情況分別對(duì)主提升缸同步控制系統(tǒng)的提升和下降過程進(jìn)行仿真分析，得到仿真結(jié)果如圖10～圖17所示。

圖8　主提升缸同步控制系統(tǒng)Simulink仿真模型

圖9　自整定模糊PID控制器Simulink模型

圖10　提升過程20%初始速度差位移誤差曲線

圖11　提升過程50%初始速度差位移誤差曲線

圖12　提升過程20%負(fù)載阻尼系數(shù)差位移誤差曲線

圖13　提升過程50%負(fù)載阻尼系數(shù)差位移誤差曲線

從以上各圖中可看出，自整定模糊PID控制器相對(duì)常規(guī)PID控制器，受控從動(dòng)主提升缸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有所改善， 很快消除了負(fù)載擾動(dòng)引起的抖振以及初始速度和負(fù)載阻尼系數(shù)的不同導(dǎo)致的位移誤差，完成了提升液壓缸的同步控制，抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)快速，具有較強(qiáng)的魯棒性。模糊PID控制器是升船機(jī)主提升缸同步控制系統(tǒng)的良好選擇。

圖14　下降過程20%初始速度差位移誤差曲線

圖15　下降過程50%初始速度差位移誤差曲線

圖16　下降過程20%負(fù)載阻尼系數(shù)差位移誤差曲線

圖17　下降過程50%負(fù)載阻尼系數(shù)差位移誤差曲線

5　結(jié)論

綜上所述，由于升船機(jī)運(yùn)行過程中，主提升液壓缸的同步受到很多復(fù)雜的非線性因素的影響，常規(guī)PID控制器難以保證主提升缸同步的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制精度。采用自整定模糊PID控制器，相對(duì)于常規(guī)PID 控制器，系統(tǒng)表現(xiàn)出更強(qiáng)的精確性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性得到了改善。

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