机舱罩装配平台双液压缸同步控制策略

罗擎，苏东海，胡懿宸，杨皓琦

（沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110000）

0 引言

风力发电机机舱罩装配平台液压系统主要包括液压缸、液压泵、液压控制阀等。液压伺服系统通常分为位置控制、力控制[1]。装配平台液压系统电液伺服系统采用主从控制的方式，通过位置反馈的闭环控制，实现对前后液压缸的同步位置控制。同步控制的精度决定了装配平台的装配精度，传统的PID控制难以达到控制要求。针对液压系统存在的非线性、液压缸外负载差异等问题，基于MATLAB仿真软件，本文将模糊自适应PID控制应用于液压同步控制系统中[2-3]。为深入研究装配平台液压缸同步控制系统的同步精度提供了依据。

1 风力发电机舱罩装配平台

机舱罩装配平台在实际工作中使用液压系统结合真空吸附装置固定并移动机舱罩，完成装配工作。现有的机舱罩装配方案多使用天车吊装或固定的地面工装，无法根据装配过程中的实际情况精确地调整机舱罩位置，无法满足机舱罩装配精度要求。在实际的机舱罩装配过程中，不同型号的机舱罩大小、质量、形状均不同，导致现有的装配方式无法同时满足多种型号机舱罩的装配要求。每装配一种型号的机舱罩，就需要反复调整吊装位置或者使用不同的地面工装，成本高，效率低。

风力发电机装配平台由4个行走装配平台组成，左右两侧各2个。左右两侧的2套行走装配平台完全相同，每侧的前后2个行走装配平台除液压控制系统外完全相同。装配平台根据技术协议要求，每侧2个行走装配平台共需要承受的机舱罩质量大于5 t，各个方向位移速度为1000～1500 mm/min，水平调整液压缸、推进液压缸运行时最大加速度按0.2 m/s2计算。设计计算时，每个行走装配平台承受的机舱罩质量按3 t计算。单侧装配平台的机械结构如图1所示。

图1 单侧机舱罩装配平台机械结构

每套行走装配平台由液压真空及电控部分、位置控制部分、真空吸附部分组成。装配平台启动后，真空吸附装置先吸附并固定解体后的机舱罩左右壳体，泵站为液压系统供油，驱动位置控制部分的4组液压缸运动，经过位置调整后，将左右壳体移动到安装位置，待完成机舱罩内部组装后退回到预装场地。

液压真空及电控部分是装配平台的动力源，由液压泵站、真空泵、电控设备等组成，负责驱动并控制位置控制部分与真空吸附部分。

行走装配平台的位置控制部分包括4个液压缸、垂直滑动支撑架、水平滑动支撑架、支撑架基座、推进基座等。位置控制部分依靠推进液压缸、举升液压缸、水平调整液压缸完成对机舱罩水平、竖直方向的位置调整；通过倾斜液压缸完成机舱罩的角度调整。装配平台重心前置问题在基座机械结构设计中解决。垂直滑动支撑架通过横向限位滚轮组固定在水平滑动支撑架上，依靠固定在水平滑动支撑架上举升液压缸的运动完成对机舱罩竖直位置的调整。垂直滑动支撑架与机舱罩接触部分为硬橡胶材质，配合真空吸附装置后，能够允许前后2个行走装配平台的倾斜液压缸出现微小同步误差，根据技术协议，该同步误差不能大于1 mm。倾斜液压缸通过铰链联接在水平滑动支撑架及支撑架基座上，水平滑动支撑架通过铰链联接在支撑架基座上。倾斜液压缸负载的主要来源为机舱罩所受重力。支撑架基座由水平调整液压缸驱动，通过限位滚轮组在推进基座上前后运动。推进基座由推进液压缸驱动，通过限位滚轮组在底座上左右运动。

真空吸附部分被固定在垂直滑动支撑架上，依靠真空吸盘组配合垂直滑动支撑架实现对机舱罩外表面的吸附，从而固定机舱罩与装配平台的相对位置。为了有效吸附并固定机舱罩，每个行走装配平台上设置8个直径为300 mm的真空吸盘，这8个吸盘均可在一定范围内自由旋动，保证了当同侧的2个行走装配平台出现位移误差小于1 mm时，吸盘与机舱罩之间可以完全接触。实际真空泵能够产生的真空度大于0.08 MPa，按0.08 MPa的真空度计算，由8个直径为300 mm的吸盘组成的真空吸附装置共能产生45 216 N的横向拉力。当垂直滑动支撑架承载机舱罩的主要重力后，吸盘组能够完成单个行走装配平台的真空吸附要求。真空吸附装置内部设置有真空度检测元件，当真空有失效趋势时会发出报警信号。

2 装配平台液压伺服控制系统数学模型

装配平台液压系统采用四通滑阀控非对称液压缸。根据实际工况，装配平台运行过程中，阀控缸系统无阻尼、无弹性负载，建立四通滑阀控非对称液压缸的物理模型，如图2所示[4]。

图2 四通滑阀控非对称缸的物理模型

首先定义液压系统负载流量qL、负载压力pL分别为：

式中：q1为进入液压缸无杆腔的流量；q2为从液压缸无杆腔排出的流量；ps为供油压力；Cd为流量系数；ω为伺服阀面积梯度；xv为滑阀阀芯位移；ρ为液压油密度；p1为液压缸无杆腔内压力；p2为液压缸无杆腔内压力。

式中：βe为有效体积弹性模量；Ctp为液压缸总泄漏系数；Vt为液压缸总容积；Ap为液压缸等效面积;n为液压缸左右两工作腔有效面积比。

液压缸与负载的力平衡方程为

系统的固有频率和阻尼分别为：ωh=139.803 rad/s；εh=0.013。

实际上正常液压系统的液压阻尼比在0.1～0.2之间，本系统取εh=0.15。

根据伺服阀频率响应特性图，确定伺服阀频宽为210 Hz，则ωh=6.28×210=1318 rad/s。伺服阀频宽约为阀控缸系统的固有频率的10倍，则将伺服阀的动态视为比例环节。于是电液伺服阀的数学模型简化为

通过伺服阀工作压力下流量与输入最大控制电流10 mA之比，得到流量增益计算公式为

装配平台液压系统没有弹性负载，根据上文公式结合具体参数得到负载扰动环节：

系统中的数字控制器主要是伺服放大器，用来调定、限制电流，保护伺服阀。伺服放大器主要由运算放大器构成，数学模型为一节惯性环节。但相对于电液伺服系统，伺服放大器的响应速度过快，在设计计算时可以忽略伺服放大器传递函数中的时间常数，则伺服放大器可以看做一个比例环节。控制系统最大输入电压为10 V，力士乐4WS2EM6伺服阀输入的最大控制电流为10 mA。传递函数为

式中：I为伺服阀输入最大控制电流；U为系统输出最大控制电压。

液压系统中，电液伺服阀依靠接收位移传感器发出的液压缸位移信号来调节液压缸位移。位移传感器将检测到的液压缸位移数据按指定比例转化为电压信号发送至信号处理装置，所以在控制系统建模中用比例环节代表位移传感器：

位移传感器对液压缸位移的量程为0～300 mm，位移传感器输出反馈电压为0～10 V，取Kf=33.33 V/m。

所以不考虑负载影响时，阀控非对称缸的数学模型为

通过运动方程，结合液压系统具体结构，并对液压系统进行压力反馈校正后，单个液压缸的控制系统位置闭环方框图如图3所示。

图3 控制系统方框图

通过图2得到反馈回路的开环传递函数为为总开环增益。

3 装配平台双液压缸模糊自适应PID同步控制

模糊自适应PID控制是指：基于模糊控制的基本理论，将PID控制的各项参数用模糊集合表示，根据实际参数的评价指标，设置模糊规则并记录后，由控制器根据系统收到的输入信号进行计算，输出经模糊控制后PID控制的各项参数，从而实现对PID各项参数的实时调节[5-6]。

模糊自适应PID控制器的输入量为误差e与误差变化率ec，输出量为（e,ec）P、（e,ec）I、（e,ec）D，控制器具体结构如图4所示。

图4 控制器结构图

PID参数的模糊自适应控制，是在系统输入当前误差e与误差变化率ec后，经模糊规则表实时调整KP、KI、KD的值。

模糊自适应PID控制对普通PID控制三个环节的修正公式为：

设置输入量e、ec的模糊集合为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。式中：NB代表负大；NM代表负中；NS代表负小；ZO代表零；PS代表正小；PM代表正中；PB代表正大。与其相对应的论域为：e={－10,10}；ec={－3,3}。e、ec的隶属度函数选择gaussmf型与trimf型混合使用。设置输出量（e,ec）P、（e,ec）I、（e,ec）D的模糊集合为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，与其相对应的论域分别为：

在工程实际中，通过大量的实验与应用，已经总结出丰富的整定方法。结合普通PID控制参数变化对控制系统响应特性的影响，归纳出系统输入不同的输入量e、ec时模糊自适应PID控制器输出的（e,ec）P、（e,ec）I、（e,ec）D值的变化规律。倾斜液压缸液压系统模糊自适应PID控制器的模糊规则表依据如下原则设置：输入误差e对应负大时，（e,ec）P取为较大值，（e,ec）I取为较小值，（e,ec）D取为零；输入误差变化率ec对应负时，（e,ec）P取为正大；输入误差变化率ec对应正时，（e,ec）P取为负大以减小误差超调；输入误差变化率ec对应正小时，（e,ec）P取为正中；输入误差变化率ec对应正时，（e,ec）P取为正小。详细控制原则不再赘述。

根据上述内容，在MATLAB中编辑模糊控制器，并代入图5所示的同步控制系统中，进行仿真。

图5 模糊自适应PID同步控制系统

针对装配平台前后液压缸的控制要求，基于MATLAB仿真平台，将传统PID控制与模糊自适应PID控制进行对比仿真。仿真中采用的液压系统参数见表1。

表1 液压系统参数

装配平台在实际工作过程中，导致前后液压缸实际承受负载并非相同，产生负载差异。仿真时，设置液压系统承受负载为FLa=65300 N、FLb=32700 N，模拟前后液压缸承受不同负载时的运行情况。初始状态下，设置幅值为10的阶跃信号模拟输入系统的10 V控制电压。进行仿真后，前后两液压缸位移差如图6所示。

图6 前后两液压缸位移差

当前后倾斜液压缸负载分别为32 700、65 300 N时，采用模糊自适应PID控制后，前后倾斜液压缸位移差在约1.2 s达到最大值约0.375 mm，并开始逐渐减小。相比于普通PID控制系统，系统开始工作约3 s之后，模糊自适应PID控制的同步误差减小到0.13 mm以下。由此可见，模糊自适应PID控制减小了前后液压缸的同步位移差，提高了机舱罩装配平台的装配精度，为后续研究提供了借鉴。

4 结论

本文介绍了风力发电机机舱罩装配平台的具体结构与工作方式，并针对装配平台电液伺服系统控制双液压缸同步位移问题做了相关研究。设计了基于模糊自适应PID的双缸位置同步控制系统。将普通PID控制与模糊自适应PID控制的仿真结果进行对比，模糊自适应PID控制降低了由于负载差异导致的液压缸同步误差，可有效增强系统的抗干扰能力。且模糊自适应PID控制结构简单、易于设计，有较高的实用价值。