機(jī)艙罩裝配平臺(tái)雙液壓缸同步控制策略

羅擎，蘇東海，胡懿宸，楊皓琦

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110000）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙罩裝配平臺(tái)液壓系統(tǒng)主要包括液壓缸、液壓泵、液壓控制閥等。液壓伺服系統(tǒng)通常分為位置控制、力控制[1]。裝配平臺(tái)液壓系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)采用主從控制的方式，通過(guò)位置反饋的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)前后液壓缸的同步位置控制。同步控制的精度決定了裝配平臺(tái)的裝配精度，傳統(tǒng)的PID控制難以達(dá)到控制要求。針對(duì)液壓系統(tǒng)存在的非線性、液壓缸外負(fù)載差異等問(wèn)題，基于MATLAB仿真軟件，本文將模糊自適應(yīng)PID控制應(yīng)用于液壓同步控制系統(tǒng)中[2-3]。為深入研究裝配平臺(tái)液壓缸同步控制系統(tǒng)的同步精度提供了依據(jù)。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙罩裝配平臺(tái)

機(jī)艙罩裝配平臺(tái)在實(shí)際工作中使用液壓系統(tǒng)結(jié)合真空吸附裝置固定并移動(dòng)機(jī)艙罩，完成裝配工作?，F(xiàn)有的機(jī)艙罩裝配方案多使用天車吊裝或固定的地面工裝，無(wú)法根據(jù)裝配過(guò)程中的實(shí)際情況精確地調(diào)整機(jī)艙罩位置，無(wú)法滿足機(jī)艙罩裝配精度要求。在實(shí)際的機(jī)艙罩裝配過(guò)程中，不同型號(hào)的機(jī)艙罩大小、質(zhì)量、形狀均不同，導(dǎo)致現(xiàn)有的裝配方式無(wú)法同時(shí)滿足多種型號(hào)機(jī)艙罩的裝配要求。每裝配一種型號(hào)的機(jī)艙罩，就需要反復(fù)調(diào)整吊裝位置或者使用不同的地面工裝，成本高，效率低。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝配平臺(tái)由4個(gè)行走裝配平臺(tái)組成，左右兩側(cè)各2個(gè)。左右兩側(cè)的2套行走裝配平臺(tái)完全相同，每側(cè)的前后2個(gè)行走裝配平臺(tái)除液壓控制系統(tǒng)外完全相同。裝配平臺(tái)根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求，每側(cè)2個(gè)行走裝配平臺(tái)共需要承受的機(jī)艙罩質(zhì)量大于5 t，各個(gè)方向位移速度為1000～1500 mm/min，水平調(diào)整液壓缸、推進(jìn)液壓缸運(yùn)行時(shí)最大加速度按0.2 m/s2計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，每個(gè)行走裝配平臺(tái)承受的機(jī)艙罩質(zhì)量按3 t計(jì)算。單側(cè)裝配平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單側(cè)機(jī)艙罩裝配平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)

每套行走裝配平臺(tái)由液壓真空及電控部分、位置控制部分、真空吸附部分組成。裝配平臺(tái)啟動(dòng)后，真空吸附裝置先吸附并固定解體后的機(jī)艙罩左右殼體，泵站為液壓系統(tǒng)供油，驅(qū)動(dòng)位置控制部分的4組液壓缸運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)位置調(diào)整后，將左右殼體移動(dòng)到安裝位置，待完成機(jī)艙罩內(nèi)部組裝后退回到預(yù)裝場(chǎng)地。

液壓真空及電控部分是裝配平臺(tái)的動(dòng)力源，由液壓泵站、真空泵、電控設(shè)備等組成，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)并控制位置控制部分與真空吸附部分。

行走裝配平臺(tái)的位置控制部分包括4個(gè)液壓缸、垂直滑動(dòng)支撐架、水平滑動(dòng)支撐架、支撐架基座、推進(jìn)基座等。位置控制部分依靠推進(jìn)液壓缸、舉升液壓缸、水平調(diào)整液壓缸完成對(duì)機(jī)艙罩水平、豎直方向的位置調(diào)整；通過(guò)傾斜液壓缸完成機(jī)艙罩的角度調(diào)整。裝配平臺(tái)重心前置問(wèn)題在基座機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中解決。垂直滑動(dòng)支撐架通過(guò)橫向限位滾輪組固定在水平滑動(dòng)支撐架上，依靠固定在水平滑動(dòng)支撐架上舉升液壓缸的運(yùn)動(dòng)完成對(duì)機(jī)艙罩豎直位置的調(diào)整。垂直滑動(dòng)支撐架與機(jī)艙罩接觸部分為硬橡膠材質(zhì)，配合真空吸附裝置后，能夠允許前后2個(gè)行走裝配平臺(tái)的傾斜液壓缸出現(xiàn)微小同步誤差，根據(jù)技術(shù)協(xié)議，該同步誤差不能大于1 mm。傾斜液壓缸通過(guò)鉸鏈聯(lián)接在水平滑動(dòng)支撐架及支撐架基座上，水平滑動(dòng)支撐架通過(guò)鉸鏈聯(lián)接在支撐架基座上。傾斜液壓缸負(fù)載的主要來(lái)源為機(jī)艙罩所受重力。支撐架基座由水平調(diào)整液壓缸驅(qū)動(dòng)，通過(guò)限位滾輪組在推進(jìn)基座上前后運(yùn)動(dòng)。推進(jìn)基座由推進(jìn)液壓缸驅(qū)動(dòng)，通過(guò)限位滾輪組在底座上左右運(yùn)動(dòng)。

真空吸附部分被固定在垂直滑動(dòng)支撐架上，依靠真空吸盤組配合垂直滑動(dòng)支撐架實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)艙罩外表面的吸附，從而固定機(jī)艙罩與裝配平臺(tái)的相對(duì)位置。為了有效吸附并固定機(jī)艙罩，每個(gè)行走裝配平臺(tái)上設(shè)置8個(gè)直徑為300 mm的真空吸盤，這8個(gè)吸盤均可在一定范圍內(nèi)自由旋動(dòng)，保證了當(dāng)同側(cè)的2個(gè)行走裝配平臺(tái)出現(xiàn)位移誤差小于1 mm時(shí)，吸盤與機(jī)艙罩之間可以完全接觸。實(shí)際真空泵能夠產(chǎn)生的真空度大于0.08 MPa，按0.08 MPa的真空度計(jì)算，由8個(gè)直徑為300 mm的吸盤組成的真空吸附裝置共能產(chǎn)生45 216 N的橫向拉力。當(dāng)垂直滑動(dòng)支撐架承載機(jī)艙罩的主要重力后，吸盤組能夠完成單個(gè)行走裝配平臺(tái)的真空吸附要求。真空吸附裝置內(nèi)部設(shè)置有真空度檢測(cè)元件，當(dāng)真空有失效趨勢(shì)時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 裝配平臺(tái)液壓伺服控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

裝配平臺(tái)液壓系統(tǒng)采用四通滑閥控非對(duì)稱液壓缸。根據(jù)實(shí)際工況，裝配平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，閥控缸系統(tǒng)無(wú)阻尼、無(wú)彈性負(fù)載，建立四通滑閥控非對(duì)稱液壓缸的物理模型，如圖2所示[4]。

圖2 四通滑閥控非對(duì)稱缸的物理模型

首先定義液壓系統(tǒng)負(fù)載流量qL、負(fù)載壓力pL分別為：

式中：q1為進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔的流量；q2為從液壓缸無(wú)桿腔排出的流量；ps為供油壓力；Cd為流量系數(shù)；ω為伺服閥面積梯度；xv為滑閥閥芯位移；ρ為液壓油密度；p1為液壓缸無(wú)桿腔內(nèi)壓力；p2為液壓缸無(wú)桿腔內(nèi)壓力。

式中：βe為有效體積彈性模量；Ctp為液壓缸總泄漏系數(shù)；Vt為液壓缸總?cè)莘e；Ap為液壓缸等效面積;n為液壓缸左右兩工作腔有效面積比。

液壓缸與負(fù)載的力平衡方程為

系統(tǒng)的固有頻率和阻尼分別為：ωh=139.803 rad/s；εh=0.013。

實(shí)際上正常液壓系統(tǒng)的液壓阻尼比在0.1～0.2之間，本系統(tǒng)取εh=0.15。

根據(jù)伺服閥頻率響應(yīng)特性圖，確定伺服閥頻寬為210 Hz，則ωh=6.28×210=1318 rad/s。伺服閥頻寬約為閥控缸系統(tǒng)的固有頻率的10倍，則將伺服閥的動(dòng)態(tài)視為比例環(huán)節(jié)。于是電液伺服閥的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為

通過(guò)伺服閥工作壓力下流量與輸入最大控制電流10 mA之比，得到流量增益計(jì)算公式為

裝配平臺(tái)液壓系統(tǒng)沒有彈性負(fù)載，根據(jù)上文公式結(jié)合具體參數(shù)得到負(fù)載擾動(dòng)環(huán)節(jié)：

系統(tǒng)中的數(shù)字控制器主要是伺服放大器，用來(lái)調(diào)定、限制電流，保護(hù)伺服閥。伺服放大器主要由運(yùn)算放大器構(gòu)成，數(shù)學(xué)模型為一節(jié)慣性環(huán)節(jié)。但相對(duì)于電液伺服系統(tǒng)，伺服放大器的響應(yīng)速度過(guò)快，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可以忽略伺服放大器傳遞函數(shù)中的時(shí)間常數(shù)，則伺服放大器可以看做一個(gè)比例環(huán)節(jié)。控制系統(tǒng)最大輸入電壓為10 V，力士樂(lè)4WS2EM6伺服閥輸入的最大控制電流為10 mA。傳遞函數(shù)為

式中：I為伺服閥輸入最大控制電流；U為系統(tǒng)輸出最大控制電壓。

液壓系統(tǒng)中，電液伺服閥依靠接收位移傳感器發(fā)出的液壓缸位移信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)液壓缸位移。位移傳感器將檢測(cè)到的液壓缸位移數(shù)據(jù)按指定比例轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)發(fā)送至信號(hào)處理裝置，所以在控制系統(tǒng)建模中用比例環(huán)節(jié)代表位移傳感器：

位移傳感器對(duì)液壓缸位移的量程為0～300 mm，位移傳感器輸出反饋電壓為0～10 V，取Kf=33.33 V/m。

所以不考慮負(fù)載影響時(shí)，閥控非對(duì)稱缸的數(shù)學(xué)模型為

通過(guò)運(yùn)動(dòng)方程，結(jié)合液壓系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，并對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行壓力反饋校正后，單個(gè)液壓缸的控制系統(tǒng)位置閉環(huán)方框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)方框圖

通過(guò)圖2得到反饋回路的開環(huán)傳遞函數(shù)為為總開環(huán)增益。

3 裝配平臺(tái)雙液壓缸模糊自適應(yīng)PID同步控制

模糊自適應(yīng)PID控制是指：基于模糊控制的基本理論，將PID控制的各項(xiàng)參數(shù)用模糊集合表示，根據(jù)實(shí)際參數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)置模糊規(guī)則并記錄后，由控制器根據(jù)系統(tǒng)收到的輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，輸出經(jīng)模糊控制后PID控制的各項(xiàng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PID各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)[5-6]。

模糊自適應(yīng)PID控制器的輸入量為誤差e與誤差變化率ec，輸出量為（e,ec）P、（e,ec）I、（e,ec）D，控制器具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制器結(jié)構(gòu)圖

PID參數(shù)的模糊自適應(yīng)控制，是在系統(tǒng)輸入當(dāng)前誤差e與誤差變化率ec后，經(jīng)模糊規(guī)則表實(shí)時(shí)調(diào)整KP、KI、KD的值。

模糊自適應(yīng)PID控制對(duì)普通PID控制三個(gè)環(huán)節(jié)的修正公式為：

設(shè)置輸入量e、ec的模糊集合為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。式中：NB代表負(fù)大；NM代表負(fù)中；NS代表負(fù)小；ZO代表零；PS代表正小；PM代表正中；PB代表正大。與其相對(duì)應(yīng)的論域?yàn)椋篹={－10,10}；ec={－3,3}。e、ec的隸屬度函數(shù)選擇gaussmf型與trimf型混合使用。設(shè)置輸出量（e,ec）P、（e,ec）I、（e,ec）D的模糊集合為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，與其相對(duì)應(yīng)的論域分別為：

在工程實(shí)際中，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用，已經(jīng)總結(jié)出豐富的整定方法。結(jié)合普通PID控制參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響，歸納出系統(tǒng)輸入不同的輸入量e、ec時(shí)模糊自適應(yīng)PID控制器輸出的（e,ec）P、（e,ec）I、（e,ec）D值的變化規(guī)律。傾斜液壓缸液壓系統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID控制器的模糊規(guī)則表依據(jù)如下原則設(shè)置：輸入誤差e對(duì)應(yīng)負(fù)大時(shí)，（e,ec）P取為較大值，（e,ec）I取為較小值，（e,ec）D取為零；輸入誤差變化率ec對(duì)應(yīng)負(fù)時(shí)，（e,ec）P取為正大；輸入誤差變化率ec對(duì)應(yīng)正時(shí)，（e,ec）P取為負(fù)大以減小誤差超調(diào)；輸入誤差變化率ec對(duì)應(yīng)正小時(shí)，（e,ec）P取為正中；輸入誤差變化率ec對(duì)應(yīng)正時(shí)，（e,ec）P取為正小。詳細(xì)控制原則不再贅述。

根據(jù)上述內(nèi)容，在MATLAB中編輯模糊控制器，并代入圖5所示的同步控制系統(tǒng)中，進(jìn)行仿真。

圖5 模糊自適應(yīng)PID同步控制系統(tǒng)

針對(duì)裝配平臺(tái)前后液壓缸的控制要求，基于MATLAB仿真平臺(tái)，將傳統(tǒng)PID控制與模糊自適應(yīng)PID控制進(jìn)行對(duì)比仿真。仿真中采用的液壓系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 液壓系統(tǒng)參數(shù)

裝配平臺(tái)在實(shí)際工作過(guò)程中，導(dǎo)致前后液壓缸實(shí)際承受負(fù)載并非相同，產(chǎn)生負(fù)載差異。仿真時(shí)，設(shè)置液壓系統(tǒng)承受負(fù)載為FLa=65300 N、FLb=32700 N，模擬前后液壓缸承受不同負(fù)載時(shí)的運(yùn)行情況。初始狀態(tài)下，設(shè)置幅值為10的階躍信號(hào)模擬輸入系統(tǒng)的10 V控制電壓。進(jìn)行仿真后，前后兩液壓缸位移差如圖6所示。

圖6 前后兩液壓缸位移差

當(dāng)前后傾斜液壓缸負(fù)載分別為32 700、65 300 N時(shí)，采用模糊自適應(yīng)PID控制后，前后傾斜液壓缸位移差在約1.2 s達(dá)到最大值約0.375 mm，并開始逐漸減小。相比于普通PID控制系統(tǒng)，系統(tǒng)開始工作約3 s之后，模糊自適應(yīng)PID控制的同步誤差減小到0.13 mm以下。由此可見，模糊自適應(yīng)PID控制減小了前后液壓缸的同步位移差，提高了機(jī)艙罩裝配平臺(tái)的裝配精度，為后續(xù)研究提供了借鑒。

4 結(jié)論

本文介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙罩裝配平臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)與工作方式，并針對(duì)裝配平臺(tái)電液伺服系統(tǒng)控制雙液壓缸同步位移問(wèn)題做了相關(guān)研究。設(shè)計(jì)了基于模糊自適應(yīng)PID的雙缸位置同步控制系統(tǒng)。將普通PID控制與模糊自適應(yīng)PID控制的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，模糊自適應(yīng)PID控制降低了由于負(fù)載差異導(dǎo)致的液壓缸同步誤差，可有效增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。且模糊自適應(yīng)PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)，有較高的實(shí)用價(jià)值。