直驱式电静液作动器的车载调平系统控制策略

魏列江， 成克云， 李 锋， 杜文正， 冯永保

(1.兰州理工大学 能源与动力工程学院， 甘肃 兰州 730050； 2.火箭军工程大学， 陕西 西安 710025)

引言

液压调平技术已经广泛用于现代军事与民用设备中，如雷达、火炮和导弹发射车基站平台调平，以及大型钻机、沥青砂浆车和重型起吊车等大型设备的调平。

调平对设备本身的工作性能有重大影响，调平过程需要满足响应快，稳定性好，且调平完成后不能存在“虚腿”等要求。

当车载平台处于野外、山地等工作环境时，采用EHA做为调平平台的支腿具有很大的优点：EHA液压系统是只有一个呼吸孔的半闭式系统，有效避免泄漏污染；系统本身高度集成、结构紧凑、功率重量比大，适合应用在移动设备上；EHA采用功率电传形式，用信号线电缆代替传统液压系统中的油管，电缆方便安装布置且隐蔽性较强；在野外工作时，避免飞溅物对外露油管的碰撞损伤。在直驱式EHA做作动器的液压调平平台时，调平控制工程中容易出现平台“虚腿”，调平时间慢的问题。针对上述问题，对平台进行空载情况下的静力学分析，在AMESim中搭建直驱式EHA液压系统仿真模型，对单个EHA进行位移闭环控制仿真，得到粗略的仿真控制参数，并在实验台进行控制参数的调试。在实际调平中，传统PID调平控制方案不仅会使平台调平时间过长，而且由于4个作动器之间的耦合作用引起平台产生“虚腿”现象；采用较大的比例增益时，作动器又出现比较大的超调，调平时间加长。仕润霖等[1]对节流式EHA进行液压系统仿真，提出模糊PID控制算法、文献[2-6]中指出目前常用追逐最高点法进行工作平台调平；李艳等[7]提出将传统PID固定参数改进为自适应参数，明显提高系统鲁棒性。本研究提出采用多段非线性PID控制算法用于调平控制，有效缩短系统的调平时间，并能消除“虚腿”和预防“虚腿”的二次产生[8]。

1 调平控制方案设计

1.1 平台调平原理

本研究中提出的调平方案分为以下三个阶段，第一阶段，完成平台预支撑，消除“虚腿”；第二阶段，以平台倾角为判定依据，进行平台调平；第三阶段，顶升至目标高度。调平过程如图1所示。

在平台完成预支撑后，由于各个EHA中非线性因素的影响，每个作动器伸出不同时，导致其中1条作动器位置明显高于其余3条作动器，使2个EHA作动筒上腔无压力，此时平台明显倾斜并且存在“虚腿”现象，如图2所示。通过4个作动筒上腔压力传感器的信号判断4个作动器是否存在“虚腿”现象，当作动筒压力小于0.5 MPa时，判定该作动器为“虚腿”，控制伺服电机低速旋转，对作动筒上腔建压，当压力值大于压力阈值时，可以判断“虚腿”消除。

图1 平台调平过程流程图

图2 非水平状态下四腿平台的坐标关系

(1)

式中,α—— 平台绕x轴旋转角度

β—— 平台绕y轴旋转角度

假设最高点与平台支点坐标为A1=(x1y1z1)，将其投影到水平面坐标为A0=(x0y0z0)，由式(2)计算得到，各点在O-xyz坐标下的z坐标由式(3)计算得到平台各作动器位移偏差示意图如图3所示。

(2)

f(x)=z=αb-βa

(3)

式中,z—— 支点距离最高支点位移偏差

a—— EHA安装中心距长

b—— EHA安装中心距宽

图3 平台四腿位置偏差图

在消除虚腿情况下，计算各支点与最高支点之间的位置偏差：

e0=0；e1=aα；e2=aα+bβ；e3=bβ

将各支点与最高支点间的位移偏差e0～e3作为控制器的输入量，输出量控制电机低速旋转，使每个电机转速不同，保证各支点同时逼近最高点位置处。

1.2 调平控制策略

整个调平过程，采用多段式PID控制对每个作动器进行位置闭环控制。根据单个EHA位移闭环仿真结果，在平台预支撑阶段，各个作动器伸出速度较快，比例增益较大，系统快速响应；平台预支撑完成后，作动器存在虚腿，此时比例增益太大会引起系统的大超调，系统恢复到稳定状态的时间加长，此时加入微分环节，能够提高系统纠偏能力，调节时间变短，平台快速完成调平。调平控制方案方框图如图4所示。

图4 调平控制方案方框图

预支撑阶段时，需要完成“虚腿”消除工作，作动筒上腔压力与压力阈值比较，判断“虚腿”位置，将压力偏差作为伺服驱动器的输入值，控制液压缸缓慢伸出，完成“虚腿”消除工作，“虚腿”消除控制框图如图5所示；平台调平过程中，根据平台倾角与作动器间距关系，求解其余作动器与最高点的位移偏差，将各位移偏差值作为对应作动器的控制增量输入给驱动器；双轴倾角传感器的倾角反馈作为平台调平的判定条件，倾角传感器的检测精度为0.01°，当平台的x，y方向的倾角误差小于0.02°时，可以判定平台已经调平。最高点判断及位移偏差计算框图如图6所示。

图5 虚腿消除控制框图

图6 最高点判断位移偏差计算框图

2 液压系统原理图及系统仿真

直驱式EHA液压系统采用双向定量齿轮泵和溢流阀组，组成恒压供油单元，通过调节定量泵转速控制流入液压缸的流量，双向液压锁用于作动器锁紧，起到定位保持作用；在平台回落时，平衡阀抵消因平台自重而引起的超越负载；位移传感器和压力传感器可以获取当前作动器的位移和压力值，用于作动器运动控制。直驱式电动静液作动器液压原理如图7所示。

1.油箱 2.过滤器 3.单向阀 4.溢流阀 5.伺服电机6.双向齿轮泵 7.压力传感器 8.平衡阀9.单出杆活塞缸 10.位移传感器图7 EHA工作原理

如图8所示，在AMESim中搭建直驱式EHA液压系统仿真模型，采用传统PID进行位移闭环控制，仿真结果显示，传统PID控制精度低、控制时间长，仿真结果如图9所示。通过分析传统PID控制EHA的仿真结果，将传统PID控制改进为多段非线性PID控制；在位移偏差较大时， 采用较大的增益， 迅速减小位移偏差，在接近目标位置时，采用小的增益进行微小偏差调节。多段非线性PID控制器结构框图如图10所示，在位移偏差较大时，采用PID1控制器进行控制，此时控制器参数增益较大，活塞能够快速逼近目标位置。

图8 传统PID位移闭环控制系统仿真

当位移偏差较小时，此时较大的增益会引起系统超调，采用PID2小增益控制器进行控制，对油缸进行微调。多段非线性PID控制位置闭环仿真如图11所示，将1个PID控制器换成了2个增益不同的PID控制器。

图9 传统PID位移闭环控制仿真结果

图10 多段非线性PID控制器结构框图

图11 多段非线性PID位移闭环控制系统仿真

仿真结果如图12所示，改进后的控制器明显提高了系统的响应，15 s内活塞位置便接近目标位置处，经过小幅震荡后便稳定在目标位置处。在kp=1.0时，位移静态误差较大， 系统调节时间过长； 在kp=1.5时，EHA的位置控制产生较大超调量，使调节过程加长；在kp=1.2，ki=0.00015，kd=0.006时，系统出现小幅超调现象，并快速进入微调阶段，实现位置定位。

图12 多段非线性PID位移闭环控制仿真结果

3 实验

3.1 实验台构成

工控机作为调平控制的总控制器，实时采集平台的倾角、作动器的上腔压力和活塞位移信号，并将压力、位移和倾角信号作为控制器的控制参数，计算后分别控制4台伺服控制器，实现平台调平，实验台构成原理如图13所示。

1.双轴倾角传感器 2.直驱式EHA图13 实验台构成原理

通过压力信号与压力阈值比较判断存在“虚腿”的作动器，低速缓慢调节该作动器伸出，实现消除“虚腿”。根据x轴与y轴的倾角反馈值的符号，判断平台的最高点，通过实时反馈的各作动器位移信号和平台的倾角值计算出各支点与最高点的位置偏差，将位移偏差作为各伺服控制器的输入信号，使每个作动器以不同速度同时逼近最高点位置，四腿调平实验台如图14所示。

1.刚性平台 2.直驱式EHA 3.变压器4.伺服驱动柜 5.双轴倾角传感器图14 四腿调平实验台

3.2 实验过程及结果

将仿真得到的PID控制参数作为实际控制参数，进行实验台调平控制，对实际实验数据进行分析，如图15所示，将采集的各作动器压力信号数据绘制成位移-时间曲线图。由于4个作动筒下腔压力不一致，以及在安装过程中的误差，在平台预支撑过程中，首先需要抵消下腔压力，导致4个作动器伸出的时间有差异。作动器0在接收信号后直接伸出，作动器2在10 s时开始伸出，作动器1和作动器3同时伸出，速度一致。在同一时刻，4个作动器的位移不一致，导致平台出现倾斜，在55 s时，平台倾角最大，此时平台已离开地面，需要对平台进行“虚腿”检测。如图16所示，将采集的各作动器位移信号数据绘制成压力-时间曲线图。作动器未接触地面时，各作动器无杆腔压力为0.2 MPa，平台完成预支撑后，各个作动器的伸出位移不同，导致作动器0和作动器2压力升高，作动器1和作动器3压力下降，出现“虚腿”，使得平台只有作动器0和作动器2在支撑。上位机经过压力检测，使得作动器1和作动器3伸出，作动器0和作动器2停止，最终消除虚腿。如图17所示，将平台双轴倾角信号数据绘制成倾角-时间曲线图。在作动器未接触地面时，平台x，y方向倾角与水平面的夹角分别是-0.15°和-0.24°；在32 s时，4个作动器均接触地面，平台预支撑完成，此时平台倾角发生变化，平台出现倾斜，在64 s时，平台倾角恢复至0.02°左右，满足调平要求。

实验结果表明，在平台调平的起始阶段，图中所示的30 s左右，作动器有杆腔压力增大，此时，所有作动器与地面接触，随着作动器继续伸出，作动器出现“虚腿”，通过压力反馈并对作动器及时纠偏，“虚腿”消除，并且平台逐渐调平，在90 s时，平台x轴与y轴倾角小于0.02°，此时平台已经完成调平。

图15 调平平台各作动器位移变化曲线

图16 平台作动器无杆腔压力变化曲线图

图17 调平平台x， y轴倾角变化曲线

4 结论

本研究对典型液压四腿调平设备进行调平机理分析，阐述调平过程中“虚腿”出现的原因和解决方法，并采用多段非线性PID控制算法解决四腿调平控制过程中，调平速度慢，控制精度低的问题。仿真和实验结果表明，该算法在调平过程中能够有效的消除调平初期的“虚腿”问题；在调平过程中，可以有效的预防因齿轮泵流量死区引起各作动器位移偏差与刚性平台运动时的耦合问题产生的二次“虚腿”问题，实现平台的快速、平稳调平。在整个调平过程中，平台在32 s左右实现平台的调平，且调平精度达到0.02°，满足调平要求。