淺海移動(dòng)平臺(tái)懸掛電液控制系統(tǒng)優(yōu)化與研究

董奇峰 方之遙 吳中正 紀(jì)曉宇

1 中交第二航務(wù)工程局有限公司 武漢 430040

2 長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430040

3 交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心 武漢 430040

4 中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司 武漢 430040

0 引言

海洋不僅占據(jù)著地球上大約71%的遼闊面積，還擁有著豐富的資源，極具開發(fā)價(jià)值。隨著對海洋國土權(quán)益、海洋生態(tài)保護(hù)、海洋資源開發(fā)以及海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的愈發(fā)重視，2015 年發(fā)布的《中國制造2025》將海洋工程裝備制定為需要重點(diǎn)突破的十大戰(zhàn)略領(lǐng)域之一，旨在全面提升國家海洋工程裝備的國際競爭力[1]。近幾年，海洋工程裝備蓬勃發(fā)展，其中，海上移動(dòng)平臺(tái)由于其海洋環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可移動(dòng)靈活性較高而被廣泛研發(fā)應(yīng)用于海上施工、石油開采以及地質(zhì)勘查等多個(gè)前沿工程領(lǐng)域，為國之重器增添了新的光彩[2-4]。

淺海移動(dòng)平臺(tái)是一款能夠在淺海領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自行走的海上工程裝備，該裝備所擁有的自動(dòng)調(diào)平功能可使淺海移動(dòng)平臺(tái)適應(yīng)復(fù)雜地形的淺海領(lǐng)域，使其作業(yè)平臺(tái)在靜止或行進(jìn)過程中始終保持水平，能為淺海領(lǐng)域的基礎(chǔ)工程建設(shè)提供良好的作業(yè)平臺(tái)。如圖1 所示，淺海移動(dòng)平臺(tái)整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由行走機(jī)構(gòu)、平臺(tái)支架、懸掛機(jī)構(gòu)以及動(dòng)力站構(gòu)成。其中，懸掛機(jī)構(gòu)下部分與行走機(jī)構(gòu)相互鉸接，上部分則與平臺(tái)支架固連，為平臺(tái)的調(diào)平裝置，對整個(gè)機(jī)身的移動(dòng)和姿態(tài)調(diào)整起著至關(guān)重要的作用。

圖1 淺海移動(dòng)平臺(tái)整機(jī)結(jié)構(gòu)

然而，淺海移動(dòng)平臺(tái)在整機(jī)試驗(yàn)調(diào)試過程中表現(xiàn)并不理想，懸掛系統(tǒng)調(diào)整精度較差、響應(yīng)滯后。其中，懸掛系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間為2 s，導(dǎo)致平臺(tái)整體調(diào)平效果較差。由于懸掛系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏度和控制精度是決定淺海移動(dòng)平臺(tái)作業(yè)表現(xiàn)的關(guān)鍵因素，故有必要對其進(jìn)行分析、優(yōu)化和研究。

1 懸掛系統(tǒng)原理與問題分析

1.1 懸掛機(jī)構(gòu)

淺海移動(dòng)平臺(tái)懸掛系統(tǒng)是集機(jī)、電、液一體化的綜合性控制系統(tǒng)，可以從機(jī)械結(jié)構(gòu)和電液控制系統(tǒng)2 個(gè)方面進(jìn)行分析。

如圖2 所示，單個(gè)懸掛機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)主要由下鉸接頭、內(nèi)套筒、外套筒、外接法蘭、端蓋、液壓缸、頂推法蘭、移動(dòng)導(dǎo)向套、固定導(dǎo)向套和定位板組成。下鉸接頭與行走機(jī)構(gòu)通過銷軸鉸接，與內(nèi)套筒通過螺栓進(jìn)行連接；頂推法蘭與內(nèi)套筒通過螺栓進(jìn)行連接，與液壓缸活塞通過銷軸鉸接；端蓋與液壓缸缸筒通過銷軸鉸接，與外套筒通過螺栓進(jìn)行連接；移動(dòng)導(dǎo)向套通過螺栓固連在內(nèi)套筒端部；定位板通過螺栓固連在外套筒端部，同時(shí)將導(dǎo)向套卡固在外套筒的端部；外接法蘭與外套筒通過焊接方式固連在一起，同時(shí)與平臺(tái)支架通過螺栓進(jìn)行固連。其中，移動(dòng)導(dǎo)向套與固定導(dǎo)向套在內(nèi)套筒與外套筒相對滑動(dòng)的過程中起到導(dǎo)向和防止大面積摩擦的作用。當(dāng)液壓缸伸縮時(shí)，液壓缸活塞會(huì)帶動(dòng)內(nèi)套筒相對外套筒運(yùn)動(dòng)。由于行走裝置與地面接觸，所以下鉸接頭最終形成的支反力會(huì)導(dǎo)致外套筒帶動(dòng)平臺(tái)支架運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)該處懸掛的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)淺海移動(dòng)平臺(tái)的整體姿態(tài)調(diào)整。

圖2 懸掛機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)

1.2 懸掛電液控制系統(tǒng)

如圖3 所示，懸掛電液控制系統(tǒng)主要由液壓油箱、空氣過濾器、液位計(jì)、回油過濾器、風(fēng)冷、電動(dòng)機(jī)、負(fù)載敏感泵、比例閥組、平衡閥、蓄能器和液壓缸組成。其中，電動(dòng)機(jī)將外接電纜提供的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)的液壓能；比例閥組作為液壓系統(tǒng)的控制元件，可控制作為執(zhí)行元件的液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度和方向；平衡閥既能夠使液壓缸保持在某一位置不動(dòng)，又能避免液壓缸在運(yùn)行過程中因負(fù)載變化而出現(xiàn)的失穩(wěn)現(xiàn)象；蓄能器則在液壓系統(tǒng)中起到緩沖負(fù)載沖擊的作用。

圖3 懸掛電液控制系統(tǒng)

淺海移動(dòng)平臺(tái)在調(diào)平過程中需要4 個(gè)懸掛機(jī)構(gòu)同時(shí)協(xié)同工作，針對該項(xiàng)控制需求，且充分考慮了液壓系統(tǒng)應(yīng)具備的抗流量飽和性能以及節(jié)能性能，原設(shè)計(jì)采用將負(fù)載敏感泵和壓力補(bǔ)償閥（也稱減壓閥）位于主閥后面的比例負(fù)載敏感多路閥相結(jié)合的LUDV 系統(tǒng)作為懸掛系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)[5]，同時(shí)將與液壓缸適配的拉線傳感器作為反饋環(huán)節(jié)，結(jié)合PID 控制器，形成了懸掛系統(tǒng)的電液控制系統(tǒng)。由于該控制系統(tǒng)的檢測和控制對象為液壓缸的位移，故該控制系統(tǒng)為電液比例位置控制系統(tǒng)。

1.3 懸掛系統(tǒng)問題分析

在淺海移動(dòng)平臺(tái)整機(jī)試驗(yàn)調(diào)試的過程中，懸掛系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)問題，證明懸掛機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。所以，針對懸掛系統(tǒng)調(diào)整響應(yīng)滯后、控制精度較差等問題，應(yīng)從電液控制系統(tǒng)方面進(jìn)行分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.3.1 從液壓泵的角度分析

淺海移動(dòng)平臺(tái)電液控制系統(tǒng)采用負(fù)載敏感泵作為動(dòng)力元件。負(fù)載敏感多路閥中減壓閥的閥芯感應(yīng)負(fù)載壓力的變化，通過控制油路將負(fù)載壓力的狀態(tài)反饋給負(fù)載敏感泵的控制閥組，控制閥組及時(shí)對泵的輸出狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使泵的輸出流量和壓力與執(zhí)行器所需進(jìn)行及時(shí)的匹配。且負(fù)載壓力升高到設(shè)定值時(shí)，在保持泵的輸出壓力不變的情況下，控制閥組經(jīng)過調(diào)整減小泵的輸出流量，從而達(dá)到減少系統(tǒng)能量損耗的目的[6]。

負(fù)載敏感泵的工作原理決定了其輸出壓力僅與系統(tǒng)中負(fù)載壓力最高的執(zhí)行器相匹配，懸掛電液控制系統(tǒng)中有4 個(gè)執(zhí)行器，故負(fù)載敏感泵的最大輸出壓力取決于負(fù)載最高的液壓缸[7]。淺海移動(dòng)平臺(tái)在作業(yè)過程中，由于其作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，故系統(tǒng)中負(fù)載最大的執(zhí)行器為4個(gè)懸掛機(jī)構(gòu)中隨機(jī)的1 個(gè)。同時(shí)，最大負(fù)載壓力也會(huì)隨淺海移動(dòng)平臺(tái)位姿的不同而變化，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力產(chǎn)生波動(dòng)。然而，在電液控制系統(tǒng)中，往往要求油源壓力要穩(wěn)定，且為了滿足控制閥輸入恒值壓力的要求通常要使用恒壓式液壓泵[8]，故負(fù)載敏感泵應(yīng)作為電液控制系統(tǒng)的優(yōu)化對象之一。

1.3.2 從控制閥的角度分析

淺海移動(dòng)平臺(tái)電液控制系統(tǒng)采用負(fù)載敏感型比例多路閥作為控制元件。該系統(tǒng)因減壓閥位于主閥之后，當(dāng)多個(gè)執(zhí)行器同時(shí)作業(yè)時(shí)，即使在系統(tǒng)流量不足時(shí)，各執(zhí)行器也能按各自控制閥的閥開口度比例分配到相應(yīng)比例的流量，也稱為閥后補(bǔ)償系統(tǒng)，適用于多執(zhí)行器協(xié)同工作的工況中[9]。

負(fù)載敏感比例多路閥作為淺海移動(dòng)平臺(tái)懸掛電液控制系統(tǒng)的核心元件，對其頻率響應(yīng)和位置控制精度有著較高的要求，該閥流量-電流比曲線如圖4 所示。由圖4 可以看出，該閥最大控制流量為50 L/min，控制電流范圍為0.58～1.8 A，控制信號(hào)與輸出流量的線性度較差，且該閥頻率僅為13 Hz，在控制系統(tǒng)中，易對系統(tǒng)產(chǎn)生滯環(huán)等影響[10]，從而影響控制系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。鑒于在調(diào)試過程中出現(xiàn)懸掛系統(tǒng)響應(yīng)較慢的情況，將負(fù)載敏感比例多路閥也作為電液控制系統(tǒng)的優(yōu)化對象。

圖4 流量-電流比曲線

2 懸掛電液控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

根據(jù)現(xiàn)有液壓油箱、蓄能器、電動(dòng)機(jī)等元件的布置和安裝形式，同時(shí)結(jié)合上一節(jié)對調(diào)試中出現(xiàn)問題的分析，在現(xiàn)有電液控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部優(yōu)化。在經(jīng)過較小程度改變的基礎(chǔ)上，通過更換液壓泵和液壓控制閥，將液壓控制系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行優(yōu)化。

1）將負(fù)載敏感比例多路閥更換為高性能電液比例閥?？刂菩阅茌^好的電液控制閥有電液伺服閥和高性能電液比例閥2 種形式。其中，電液伺服閥因內(nèi)部存在反饋機(jī)制且加工精度較高，故控制精度很高。同時(shí)，電液伺服閥不存在零位死區(qū)，且頻率響應(yīng)一般為100 Hz以上，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電液比例閥[11]，但電液伺服閥存在抗污能力較弱、成本較高等缺點(diǎn)。相較于電液伺服閥，高性能電液比例閥能夠兼顧電液控制系統(tǒng)高速、高精度、低成本、抗污染能力等各項(xiàng)綜合需求，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)工程領(lǐng)域[12]。淺海移動(dòng)平臺(tái)使用條件較為惡劣，難以保證電液伺服閥對油液清潔度的要求，同時(shí)考慮到成本因素，使用高性能電液比例閥代替負(fù)載敏感比例多路閥。

根據(jù)懸掛控制性能需求，選取三位四通高性能電液比例閥，該閥最大控制流量為50 L/min，頻率響應(yīng)為80 Hz。既能滿足懸掛系統(tǒng)的最大速度控制需求，又提高了控制閥的頻率響應(yīng)。

2）將負(fù)載敏感泵更換為恒壓變量泵。常用的液壓系統(tǒng)恒壓源主要有3 種形式：定量泵-溢流閥組合式恒壓油源、定量泵-蓄能器-卸荷閥組合式恒壓油源以及恒壓變量泵。其中，恒壓變量泵的輸出流量取決于液壓系統(tǒng)所需要的流量，是一種高效節(jié)能、適用于高壓、大流量的系統(tǒng)，同時(shí)也適用于流量變化大和間歇作業(yè)的液壓系統(tǒng)。所以，恒壓變量泵廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、工業(yè)機(jī)械等多個(gè)工程領(lǐng)域[13]。但是，恒壓變量泵響應(yīng)不如定量泵-溢流閥組合式恒壓油源快，當(dāng)系統(tǒng)所需流量較大時(shí)，需配置蓄能器以滿足系統(tǒng)峰值流量的需求?？紤]到系統(tǒng)能耗因素，采用恒壓變量泵代替負(fù)載敏感泵。因原電液控制系統(tǒng)中每個(gè)液壓缸已設(shè)置有對應(yīng)的蓄能器，故不再為恒壓變量泵布置額外的蓄能器。

結(jié)合懸掛電液控制系統(tǒng)實(shí)際需求，考慮到當(dāng)淺海移動(dòng)平臺(tái)需要進(jìn)行調(diào)平時(shí)，至少有2 個(gè)懸掛機(jī)構(gòu)需快速調(diào)整，所需流量較大，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的節(jié)能性能，選取DR 型恒壓變量泵，該泵公稱壓力為28 MPa，工作轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，最大排量為71 mL/r。其中，排量選型過程為每個(gè)液壓缸最大輸入流量50 L/min，2 個(gè)懸掛液壓缸以最大速度同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大流量為

式中：Q 為所需液壓泵輸出流量；n 為液壓缸數(shù)量，n=2；Q1為液壓缸最大輸入流量，Q1=50 L/min。

由此，所需泵最大流量Q=100 L/min。

液壓泵排量為

式中：n 為工作轉(zhuǎn)速，n=1 800 r/min；V 為液壓泵排量；η 為液壓泵容積效率，η=0.95。

由此，V=58.5 mL/r，根據(jù)樣本選擇排量為71 mL/r型號(hào)的恒壓變量泵。

另外，該泵公稱壓力、工作轉(zhuǎn)速與負(fù)載敏感泵相同，且最大功率小于對應(yīng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率，可完成替換。

綜上所述，懸掛電液控制系統(tǒng)優(yōu)化方案如圖5 所示，恒壓變量泵1 替換掉原方案中的負(fù)載敏感泵，閥組2 替換掉原方案中的比例閥組，其余不變。其中，閥組2 由單向閥3、溢流閥4、電液比例閥5 以及將上述閥體連接在一起的1 個(gè)閥塊組成。

圖5 懸掛電液控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

3 懸掛電液控制系統(tǒng)仿真分析

懸掛電液控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，盡管已經(jīng)從理論層面對其進(jìn)行了分析和優(yōu)化，但由于淺海移動(dòng)平臺(tái)對懸掛控制系統(tǒng)的快速性、精確性要求較高，而理論分析對控制系統(tǒng)整體的性能難以把握。因此，考慮到需要對優(yōu)化后的電液控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行驗(yàn)證和分析，采用AMEsim 進(jìn)行懸掛電液控制系統(tǒng)的建模，對優(yōu)化后的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，從而驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性。

3.1 懸掛電液控制系統(tǒng)模型的搭建

在電液控制系統(tǒng)仿真建模過程中，可以省略次要的系統(tǒng)環(huán)節(jié)而僅保留核心的液壓元件，且常規(guī)的懸掛控制系統(tǒng)通常只需搭建單個(gè)閥控缸模型進(jìn)行仿真分析即可[14]?；贏MEsim 搭建閥淺海移動(dòng)平臺(tái)懸掛閥控缸電液比例位置控制系統(tǒng)模型如圖6 所示，主要元件有油箱、電動(dòng)機(jī)、恒壓變量泵、溢流閥、電液比例閥、位移傳感器、液壓缸和控制器等。

圖6 懸掛閥控缸電液比例位置控制系統(tǒng)模型

根據(jù)液壓元件及工程實(shí)際情況，各元件均在模型中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。其中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min；恒壓變量泵排量為71 mL/r、工作壓力為20 MPa；溢流閥閥門開啟壓力為21 MPa，流量為150 L/min；電液比例閥頻率響應(yīng)為80 Hz，最大控制流量為50 L/min，閥口壓差為35 bar，控制電流范圍為-20～20mA；液壓缸缸徑為60 mm，桿徑為40 mm，行程為300 mm，負(fù)載質(zhì)量為100 kg。由于外負(fù)載對閥控缸系統(tǒng)的控制性能影響幾乎可以忽略，故未對液壓缸施加外負(fù)載。

3.2 懸掛電液控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

為檢驗(yàn)優(yōu)化后懸掛電液控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能和準(zhǔn)確性，在搭建仿真模型時(shí)采用了與原方案相同的PID控制器進(jìn)行系統(tǒng)校正。由于懸掛系統(tǒng)還決定了淺海移動(dòng)平臺(tái)整體的穩(wěn)定性，故要求懸掛電液控制系統(tǒng)在盡量不出現(xiàn)超調(diào)的同時(shí)保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)。在5 s 時(shí)輸入階躍信號(hào)，使用Ziegler-Nichols 法對PID 控制器進(jìn)行參數(shù)整定，整定結(jié)果為Kp=78.4、Ki=0.172、Kd=0.057 2，懸掛電液控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知，懸掛電液控制系統(tǒng)在加載PID 控制器后未超調(diào)，且調(diào)整時(shí)間為0.6 s，相較于原方案的2 s，大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖7 電液控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)

4 結(jié)論

本文以淺海移動(dòng)平臺(tái)懸掛系統(tǒng)為研究對象，針對懸掛控制系統(tǒng)在調(diào)試過程中出現(xiàn)的響應(yīng)慢、精度差等問題，從理論層面對懸掛電液控制系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案：將負(fù)載敏感型比例多路閥更換為高性能電液比例閥，將負(fù)載敏感泵更換為恒壓變量泵。通過AMEsim 搭建了優(yōu)化后的電液控制系統(tǒng)仿真模型，結(jié)合工程實(shí)際，確定了系統(tǒng)仿真參數(shù)，并添加了PID 控制器，對懸掛控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，PID 控制下系統(tǒng)階躍響應(yīng)平穩(wěn)、快速、無超調(diào)，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。