车载自动调平液压系统设计及其模糊PID控制分析

张梅红

（河南工业贸易职业学院机电工程系，河南郑州451191）

为达到稳定控制车载飞行过程，可以引入调平系统并通过液压方法实施调控。由于液压控制结构在实际运行过程中呈现非线性特点，同时液压部件失效形式与故障类型也存在明显差异，多种因素都会对故障产生多方面的作用［1-4］。由于实际液压传动过程都处于封闭环境中，不能获得准确的运动参数，无法及时检测到异常状况［5］。到目前为止，国内大部分学者还没有针对液压系统部件故障开展相关研究，各项技术还是处在初期测试阶段，但总体获得了较大的进步［6-10］。

许多学者对液压系统结构开展了检测研究，取得了显著进步，并且能够更好地适应各类复杂的工况条件［11］。孙春耕等［12］采用被动结构的四角调平液压系统实现对液压机的运动控制功能，进行调平处理时，需要通过4 个高响应比例的伺服阀设置在基座四角位置实现对回油量的调节，以AMESim 进行仿真分析，建立在通过复合控制策略实现的PID 算法基础上，达到四角调平的状态；娄华威等［13］设计了一种综合运用蛙腿和调平腿实现的液压自动调平控制方法，获得了对调平腿载荷进行控制的新模式，通过测试发现，采用上述自动调平系统可以满足设计条件；窦海斌等［14］对柔性负载进行简化处理，形成悬臂梁结构，构建得到液压缸耦合的参数模型，之后通过数字仿真的方法进行测试表明该方法满足可行性；王玮洋等［15］分别对压机空载下行、压制、保压、脱模的各个环节实施调平与闭环控制，由此达到更高的四角调平精度。本文利用控制电磁换向阀实现调平液压缸的往复运动控制，选择四点模式支撑车载平台液压调平系统，实现电磁阀通断的控制，再通过调速阀实现对调平支腿伸出速度的调节，由此达到系统的低速微调过程。

1 系统设计

1.1 车载自动调平液压系统设计

本文选择四点模式支撑车载平台液压调平系统，可以实现单向调节的过程，进行调平时需通过PLC 系统进行控制。液压系统的组成结构包括齿轮泵、液压锁、电磁换向阀与各部件连接结构。

该系统的工作方式如下：启动电动机后，齿轮泵获得动力，对液压油产生压力作用，利用不同的阀组与管路组合模式，到达调平支腿液压缸腔体内，此时调平支腿往外伸展，随着调平支腿的压力值增大至临界值后，完成所有动作过程，当所有调平支腿的各项动作都完成后，开始实施调平控制。其中，车载液压系统利用A/D 模块对X-Y双向水平仪传感器产生的倾角参数进行数据收集，再利用CPU包含的控制算法实现电磁换向阀控制的功能，之后利用A/D 模块以及信号放大器使控制信号被传输至电磁换向阀，实现所有调平液压缸的往复运动控制，使X轴与Y轴达到水平状态，完成车载平台调平过程，直到车载平台水平度差异低于≤4°以内，完成整个调平过程。

车载平台液压调平系统进行保压时是通过双向液压锁来实现的，该结构可以在伸展支腿后达到对油路的锁定作用，从而确保调平支腿处于精确的工作区域，获得良好的调平精度。液压调平系统原理如图1所示。

图1 车载平台液压调平系统原理图Fig.1 Schematic diagram of hydraulic leveling system for vehicle platform

1.2 液压系统监控系统设计

本研究综合运用3G通信与DSP技术建立可以远程实时监测风电增速箱的系统；之后，将F28335芯片及无线数据传输模块安装到硬件系统内，通过A/D 数据收集模块完成参数的采集过程，通过模糊PID 实现故障特征分析以及实现精确分辨的过程；最后，通过3G 无线模块将检测到的故障参数传输到终端上位机。

本系统利用32 位浮点型处理器进行建立，通过传感器实现信号快速探测收集，再通过信号处理电路以及A/D 模块将上述模拟数据转变成数字信号，确保这些参数能够被DSP芯片精确识别。该系统的各结构如图2所示。

图2 远程监测诊断系统Fig.2 Remote monitoring and diagnosis system diagram

2 调平系统建模与仿真

2.1 调平系统建模

将各模型同构管线进行连接形成监控系统，构成液压调平系统的模型结构如图3所示。

图3 液压调平系统仿真模型Fig.3 Simulation model of hydraulic leveling system

2.2 参数设置

以AMESIM 软件进行系统仿真时，先元件模块设置合适的参数，包含电机转速、油泵排量、液压缸外形尺寸等，保证获得合理的参数。本次测试的车载液压调平系统质量为20 t，采用4 根支腿进行支撑，平均每个液压缸需承受载荷50 kN。本文只对某些重要参数进行分析，并根据实际运行工况为系统其他部件设置合适的运行参数，仿真得到的结果见表1。

表1 主要仿真参数Tab.1 Main simulation parameters

2.3 调平过程仿真与结果分析

进行车载调平时应控制时间在1 min 内。设定仿真时间为1 min，通过仿真得到各项参数如图4所示。

图4 调平支腿参数分布Fig.4 Parameter distribution of leveling outrigger

结果显示：在最初的20 s 阶段中，支腿未接触到地面，保持稳定的直线上升过程；当时间到达20~40 s 范围时，位移和运动速度都出现换向的情况，此时正处于调平的过程；接着位移幅度逐渐降低，获得了更短的换向周期，形成稳定的车载参数；系统速度在40 s时减小到0，此时位移达到0.61 m，形成稳定车载状态。

由图4 可知：在最初的20 s 时间中，调平支腿的腔体压力处于一个较为稳定的状态，此时调平支腿未接触到地面；当时间到达20~40 s 范围内时，形成了大幅波动的腔体压力，这是由于进行调平的过程中发生了支腿换向的结果；接着波动周期持续变短，最后趋于稳定。

从表2 可以看到通过仿真形成的曲线，具体包含腔体压力、调平时间、支腿位移各项参数，之后对仿真结果和实测数据进行比较。结果显示，由于受到管路长度与油液黏度各项因素综合作用后，仿真得到的结果与实际测试参数具有较大差异，但相对误差低于3%，该模型符合可行性条件。

表2 仿真结果与实测数据对比Tab.2 Comparison between simulation results and measured data

前35 s 仿真测试得到的液压缸活塞杆运动参数如图5 所示。结果显示，液压缸运动过程呈现对称性特征，确保液压结构能够顺利运行。通过测试发现，本文设计的车载平台液压调平系统可以满足应用要求。

图5 液压缸活塞杆的位移和速度参数曲线Fig.5 Displacement and velocity parameter curves of hydraulic cylinder piston rod

3 模糊PID控制分析

模糊PID 控制结构图如图6 所示，PID 封装结构图如图7所示。

图6 模糊PID控制结构图Fig.6 Fuzzy PID control structure diagram

图7 PID封装结构图Fig.7 PID package structure diagram

图8为阶跃响应对比图。上述2种控制方法都形成了很小的阶跃响应静态误差，也没有出现超调量，设定误差带为2%，进行PID控制时候需8 s过渡时间，模糊PID 所需调节时间为5 s。通过对比发现PID 控制存在滞后性，无法满足快速调节的要求，采用模糊PID 时则可以实现快速响应的过程。模糊PID 具备比PID 控制方式更快的响应速度，同时获得更高控制精度，表现出良好的动态响应性能。由于汽车在调平期间4 个支撑点产生的力存在耦合过程，并且外部载荷也会对其造成干扰，因此为单支腿仿真过程增加了外力干扰因素。

图8 阶跃响应对比图Fig.8 Comparison diagram of step response

依次在t=3 s 时设置外部干扰力F=5 000、10 000 N，得到如图9 所示的PID 控制阶跃响应图。当系统受到外力干扰作用后，表现出了响应延迟与波动的状态；随着干扰力的增加，系统发生了更大波动，此时采用PID 控制方式已经无法消除干扰力造成的影响。采用模糊PID控制方式则可以有效抑制干扰力对系统产生的波动干扰，获得了更优的鲁棒性。

图9 不同外力干扰下PID控制阶跃响应图Fig.9 Step response diagram of PID control under interference of different external forces

4 结论

（1）选择四点模式支撑车载平台液压调平系统，通过调速阀实现对调平支腿伸出速度的调节，由此达到系统的低速微调过程。

（2）仿真得到的结果与实际测试参数具有较大差异，但相对误差低于3%，该模型符合可行性条件。液压缸运动过程呈现对称性特征，确保液压结构能够顺利运行，测试表明本文设计车载平台液压调平系统满足应用要求。

（3）模糊PID 具备比PID 控制方式更快的响应速度，同时获得更高控制精度，表现出良好的动态响应性能。当系统受到外力干扰作用后，表现出了响应延迟与波动的状态，获得了更优的鲁棒性。