基于变频液压技术的多级缸起竖系统仿真研究

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Simulation Study.of Erecting Hydraulic System of Telescopic M ultistage Cylinder Based onVariable Frequency TechnologyDENG Biao ，ZHANG Lei ，REN Jianhua1. ，YU Jie(1.Second Artilery Engineering University，Xian Shaanxi 710025，China；2.Troops No.63817，PLA，Xichang Shaanxi 615000，China)Abstract：、， control erecting hydraulic system combination method of a Throtle and Variable Displacement Speed Control basedon variable frequency technology is proposed by aiming at the problem of low eficiency of energy utilization and large impact when chan-ging leveling of the erecting hydraulic system of Telescopic multistage cylinder.In AMESim and Matlab，the model was simulated jointly，by using the angular signal as the following referenced trajectory and puting Fuzzy control plan for system contro1.The simulation resultsindicate that the Fuzzy control cal reduce impact when changing leveling.By using variable frequency hydraulic technology ，the losses ofTh rotle and overflow can be efectively reduced，and eficiency of energy utilization in the system is improved。

Keywords：V/F control；Fuzzy control；Telescopic multistage cylinder model；AMESim；Simulink大型设备的多级缸起竖系统大多采用液压驱动方式，但在工程实际中起竖系统存在换级冲击大、能量利用率不高的问题 。换级时，液压缸活塞的横截面积发生突变会产生很大液压冲击，传统的PID算法难以取得满意的控制效果，采用鲁棒性很强的模糊控制可以有效减谢级时的冲击。能量利用率不高是因为传统起竖液压回路的泵源是定量泵，泵的输出流量不能随着负载流量的变化而改变，采用节流调速时，存在较大的节流和溢流损失～变频液压技术应用到起竖系统中，用变频器普通电机定量泵的结构形式代替了传统的普通电机定量泵的结构形式，通过改变变频器输入电压调节泵的输出流量以适应负载流量的变化 ，从而能够减小系统的节流和溢流损失 ，提高能量利用率 。

作者在AMESim和Simulink环境中建立了起竖系统仿真模型，将节流调速和变频液压技术有机地结合起来，采用模糊控制算法，有效地解决了系统换级冲击大、能量利用率不高的问题。

1 起竖系统介绍和建模1.1 系统介绍起竖系统的工作原理图如图1所示。

图1 起竖系统工作原理图收稿日期：2012-06-04作者简介：邓飙 (1969-)，男 ，副教授，博士，研究方向为机电控制。E-mail：wutongxiyu2###163.tom。

4 l-重物2-起竖臂3-二级液压缸4m回转中心5-双向平衡阔6-三位四通电磁换向阀7-控制系统8-比例流量阀. 9-变频器10-电机11-定量泵· 148· 机床与液压 第41卷起竖系统 由机械系统、控制系统和液压回路组成。机械系统由起竖臂和重物组成；控制系统由工业控制计算机、数字量隔离 DI、DO卡，A/D-D/A卡，信号调理系统，外部指令输入系统组成；液压回路由变频器、变频调速三相异步电机、定量泵、溢流阀、比例流量阀，三位四通电磁换向阀、二级液压缸组成。

三相电源接人变频器9的输入侧，变频器9将380 V/50 Hz的工频电源转换成特定频率和特定电压的正弦电压信号驱动异步电机 10转动，电机 10带动液压泵 11旋转，泵 11输出的压力油经比例流量阀8、换 向阀 6、双向平衡 阀 5驱动起竖缸 3运动。起竖油缸在液压力的作用下驱动起竖臂，实现重物由水平状态向起竖状态转变∝制系统将采集压力、角度传感器信号处理后得到变频器和比例流量阀的控制信号。改变变频器和比例流量阀的输入信号调节系统流量适应负载流量的变化，从而实现快速平稳起竖。

1.2 系统建模根据系统工作原理图，在 AMESim中建立的系统模型如图2所示。

二级液压缸 .II· - - - 图 2 起竖系统 AMESim模型2 控制方案图3为控制方案框图，以规划的角度信号为参考跟踪轨迹，控制系统通过控制变频器和比例流量阀的输入信号调节系统流量，从而改变起竖速度实现角度跟踪。变频器采用开环控制，控制信号根据理论计算结果预先设定；比例流量阀采用闭环控制，控制信号由反狼度信号和规划角度信号的偏差信号经过控制算法处理后得到。

液压泵存在最低稳定转速，因此变频器的控制电压不能过低。对该系统来说，变频器的最小输入电压为6 V，此时泵的输出流量62 L/min。当负载流量小于泵的最小稳定流量时，泵输出最小稳定流量，系统控制比例流量阀使系统流量适应负载流量；当负载流量大于泵的最小稳定流量时，系统将比例流量阀完全打开，系统改变变频器输入电压使系统流量适应负载流量。

系统仿真模型比例流量阀广-- -----N L - 1 J角度规划曲线 角度图3 控制方案框图第 13期 邓飙 等：基于变频液压技术的多级缸起竖系统仿真研究 ·149·3 模糊控制算法研究模糊控制 是建立在模糊逻辑推理基础上的-种非线性控制策略，具有很强的鲁棒性，适合于液压系统这种具有非线性和时变特征的系统。

理论上，模糊控制的维数越高，控制的精度越高，但是控制规则越复杂，控制算法越难实现，根据实际需要采用二维模糊控制。设定误差E、误差变化率EC作为输入，控制量 为输出，其论域为[-6，6]。二级缸在换级时，误差 E和误差变化率会发生突变，因此将误差 E的论域扩大到[-10，10]，误差变化率的论域扩大到[-30，30]。

模糊子集均采用 7条词汇来描述，即 NB (负大)，NM (负 中)，NS (负小)，0，PS(正小)，PM (正中)，PB (正大)。隶属度函数采用三角函数，隶属度函数的重叠系数为0.5。

表 1 模糊控制规则表NB NM Ns o Ps PMNB PB PB PB PB PM Q QNM PB PB PB PB PM o QNs pM PM PM PM o Ns Nso PM PM Ps o Ns NM NMPs Ps Ps Q NM NM NM NMpM o Q NM NB NB NB NBPB Q Q NM NB NB NB NB在 Simulink环境中建立模糊控制器，与 AMESim进行联合仿真，联合仿真控制拈如图4所示。

.-. . ..] onv auv.... Controler - 橱图4 联合仿真控制拈4 系统仿真4.1 控制算法仿真研究角度跟踪控制策略的关键是设定合理的角度规划曲线，为满足大型设备起竖过程平稳性和快速性的要求，设定起竖时间为60.5 s，起竖角度为90。。采用正弦加速度函数法 规划理想角度曲线、角速度曲线、角加速度曲线如图5所示。

在AMESim和Simulink设定好仿真参数，分别采用PID控制器和模糊控制器，得到的仿真结果如图6所示。

罂-o.：图5 角度规划信号0 20 40 6O时间，s(a)、J、-v- -]Jn20 40 60时间，s(c)--。/ 、， - - 0 20 40 6O时间，s(e)图6 PID控制器和模糊控制器仿真结果图6(a)、(c)、(e)分别为采用 PID控制器仿真所得的角度误差曲线、角速度误差曲线、角加速度误差曲线；图6(b)、(d)、(f)分别为采用模糊控制器仿真所得的角度误差曲线、角速度误差曲线、角加速度误差曲线。

从图6可知，采用PID控制器，最大的角度、角速度、角加速度误差分别为0.9。，0.38。/s，3.8/s ；采用模糊控制器，最大的角度、角速度、角加速度误差分别为0.75。，0.387。/s，2.15。/s 。从角度误差曲线的对比可知，采用模糊控制器，系统的跟踪性能更· 150· 机床与液压 第41卷好；从角速度误差曲线和角加速度误差曲线的对比可知，采用模糊控制器可以有效减谢级时的冲击。从图6还可知，除了换级点以外曲线没有突变，说明节流调速和容积调速间的转换比较平稳。

4.2 节能效果仿真研究变频液压技术通过改变变频器的输入电压调节泵的输出流量，实现系统流量和负载流量的匹配，从而达到节能的目的。分别设定起竖时间为 40，60.5，80 S，可得到泵源的输出流量如图7所示。

1- 当t40 s时，泵的输 出流量2- 当扣6O.5 s时，泵的输出流量3- 当t-80 s时，泵 的输 出流量图7 泵源输出流量变化曲线曲线 1、2、3分别为40、60.5、80 S起竖时，泵源的输出流量随角度变化曲线；曲线4为泵的最大输出流量。从图7可知，采用变频液压技术可以使泵源的输出流量与负载所需流量匹配，减小了节流和溢流损失，提高系统能量利用率。另外，起竖时间越长，泵源的输出流量越小，节能效果越明显。

4 结论(1)采用变频容积调速和节流调速相结合的复合调速方案，可以有效减小泵源的输出流量，明显减汹流和溢流损失，系统能量利用率有了很大的提高。

(2)采用模糊控制，可以有效地减谢级时的冲击，提高系统的稳定性和鲁棒性。