模糊控制在旋挖钻机桅杆油缸同步控制上的应用

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旋挖钻机是工程机械领域的新技术产品，主要用于打大直径的竖直孔，其钻孔深度可达上百米，钻杆的微小倾斜都可能导致较大的成孔偏差，影响成孔质量。

现在旋挖钻机桅杆垂直度的调整，主要分两步，首先通过驾驶室操作员的手动控制调整桅杆的垂直度在- 定的偏差范围内(如 5。左右)，然后通过安装在桅杆上的倾角传感器，测量桅杆在 -l，两个方向的偏离角度反馈给PID控制器，控制器通过对电液 比例阀的控制来调整桅杆油缸，从而使桅杆达到垂直。但是这种控制方法忽略了双缸不同步对桅杆垂直度的影响。在实际的操作过程中，双缸不同步会造成-桅杆油缸受载轻，而另-桅杆油缸受载重的现象。经常受力重的油缸会损坏，另外由于桅杆受力不平衡 ，会使桅杆垂直度的调节时间加大。本文提出了-种模糊控制方法来实现桅杆油缸的双缸同步，从而使桅杆在起升过程中受力均匀，使桅杆垂直度的调节时间更短。

1 系统描述和模型建立图 1是旋挖钻机桅杆部分结构图，它包括主桅杆、两桅杆油缸及电液比例阀部分。通过在桅杆油缸上安装的位移传感器，可以向模糊控制器反馈位移及速度信号，它们和标准输人信号比较形成误差信号，模糊控制器通过误差信号对电液比例阀进行控制，从而使桅杆的两个控制油缸达到同步。

1.左油缸 2.右油缸 3.半衡 闽 4.霄路 5.比例阀图1 旋挖钻机桅杆油缸部分图2是旋挖钻机桅杆部分的简化液压原理图，其中的油缸位移计用来检测两油缸的位移。

我们引入下标集合K∈ ， 来代表桅杆的左油缸和右油缸。根据图2旋挖钻机桅杆部分的液压原理收稿 日期：2012-11-28作者简介：娄磊(1985-)，男，河南南阳人，工程师，硕士，主要从事机电液系统与液压元件设计方面的研究工作。

82 液压与气动 2013年第6期1.油箱 2.柱塞泵 3.发动机 4、5.滤油器 6.蓄能器 7.安全阀8.远程调压阀 9.单向阀 10、11.电液比例阀 l2.左桅杆油缸l3.右桅杆油缸 14.左油缸位移计 15.右油缸位移计图2 桅杆部分液压原理图图，假设此系统管路中的油液处于层流状态及忽略电液比例阀的带宽影响，我们可以建立此系统的数学模型如下：QKIn (uK) Eo.5pK -0.5p。 -sign(uk)(p -0.5pK -0.5p )](1)QK。ul (uK)v/Eo.5pK。-0.5ptan sign(k)(p -0.5pK -0.5pt )]-Kt/Z，( K)CdA0-Kout(MK)CdA0公式中的参数含义如下：K (uK)(u )(2)(3)(4)P -- 电液比例阀前压力Q -- 油缸大腔流量Q -- 油缸小腔流量u (/Z )-- 电液比例控制阀在控制电压 作用下，阀前后节流口的面积比2 模糊控制器设计图3是旋挖钻机桅杆油缸双缸同步控制的方块图，把油缸的位移和速度作为反馈信号与期望的信号图3 双缸同步控制方块图进行比较，之后速度和位移的误差信号进入模糊控制器，控制器控制各自的油缸实质达到同步。

此控制系统是二阶系统，在模糊控制器的设计过程中，我们指定了7个模糊集合，包括(NB-负大、NM。

对于模糊集合 NM、NS、ZO、PS、PM我们采用隶属度函数：· ( )0( -0i)/(b-口i)(ci- )/(c-bi)0对于模糊集合 NB、PB我们采用隶属度函数：r 1 ≤ biNB( )(ci- )/(c-bi) b。< ≤cio ，≤f 0 ≤。iPB( )(ci- )/(ci-bi)口i< ≤bi (6)1 6i≤式中，oi、bi、和ci是变量 的第 i个 三角函数的转折点或交点。表 1为模糊控制器的设计规则，它依据 Mam。

dani的最大-最小模糊推理方法和基于重心法的去模糊方法。当e和 被输入模糊控制器后，依据表 1的模糊控制器设计规则，输入电压 将被确定，从而去控制电液比例阀的开口大校表1 模糊控制器的设计规则 NB NM NS Z0 PS PM PBde/dtPB NS PS PM PB PB PB PBPM NM Z0 PS PM PM PB PBPS NB NS ZO PS PS PM PBZ0 NB NM NS Z0 PS PM PBNS NB NM NS NS Z0 PS PBNM NB NB NM NM NS Z0 PMNB NB NB NB NB NM NS PS模糊控制器的设计是为了提高旋挖钻机桅杆油缸的同步精度，在模糊控制器的设计过程中，我们把液压缸的位移误差 L- d、 R- d和速度误差 L- R- d5 /L ≤ <蠡2013年第6期 液压与气动 83作为输入信号e和 ，从而去控制操作桅杆油缸的电液比例阀。桅杆油缸的最大速度限制在 150 mm/s，桅杆油缸的结构相同，控制桅杆油缸用的电液比例阀规格相同，这样可能极大地减小了系统由于机械结构不同所造成的误差。表2和表 3分别是左、右油缸的设计规则。

表2 左油缸的模糊控制器设计规则MF(i) NB(0) NM(1) NS(2) zo(3) PS(4) PM(5) PB(6)XL- d ni -60 -2 - l -0.5 0 0.5 lbi -2 -1 -0.5 0 0.5 1 2Cl -1 -0.5 0 0.5 1 2 50L- d 口· -3500 -l5 -8 -4 O 4 8bi -15 -8 -d 0 4 8 15Cl - 15 -8 -4 0 8 12 3500/L 口i -0.6 -0.45 -0.3O -0.25 O 0.25 O.30b -0.45 -0.3O -0.25 O 0.25 0.30 0.45Ci -0.30 -O.25 0 0.25 0.30 0.45 0.6表3 右油缸的模糊控制器设计规则MF(i) NB(0) NM(1) Ns(2) ZO(3) PS(4) PM(5) PB(6)R- d 口i -60 -2 - 1 -O.5 0 O.5 1bi -2 -1 -0.5 O O.5 1 2Ci -l -0.5 0 0.5 1 2 60R-Vd 0i -3500 -5O -35 -15 O 15 35bi -50 -35 -15 0 15 35 50Cl -35 -15 0 15 35 50 3500L Ⅱ： -O.3 -O.25 -0.16 -0.09 O 0.09 0.16bi -0.25 -0.16 -0.09 0 0.09 O.16 0.25Ci -0.16 -0.09 0 0.09 0.16 0.25 0.33 试验分析试验用的旋挖钻机桅杆油缸同步控制系统在旋挖钻机上进行 ，电液比例阀采用 M4负载敏感阀，PCI。

1602数据采集卡-块，采样频率为 150 Hz，PIO.DA16，16通道模拟量输出板-块，电气系统采用 PCI总线进行连接。数据采集卡接受来 自油缸位移计的信号，与标准信号比较后输入模糊控制器，经模糊规则运算后，模糊控制器输出信号经放大器后控制电液比例阀。系统的工作压力为 16 MPa，工作流量为 90 L/min，油缸负载为300 kg时，运行速度约为 120 mrn/s。

为了验证运用模糊控制器进行双缸同步控制的效果，我们分别在左右油缸上加的负载为250/0 kg，试验结果见图4。

鲁6 a)左油缸的位 bq)9右d.油K缸$/的l位J置追踪误差 置追踪误差时间/sc)两油缸的同步误差图4 左右油缸带载分别为250/0 kg时使用模糊控制器进行同步试验时的结果从图4中可以看出带载的左油缸的追踪误差在 ±1 mm以内，空载的右油缸的追踪误差在 ±2 mm以内，旋挖钻机的桅杆油缸的同步误差在 -12 mm以内。试验结果反映了模糊控制器在双缸同步控制中的良好效果。

4 结论本文提出的模糊控制在旋挖钻机桅杆油缸双缸同步上的应用，经试验验证，可以使桅杆油缸双缸同步的误差达到±2 mm，有效地改善了旋挖钻机起桅过程中桅杆的受力情况，并缩短了桅杆调垂过程的时间。