130 t 重型升降平台运输车转向液压控制系统计算机仿真 摘要:给 130 东莞 升降平台 运输车以 c 200 hg 可编程控制器为控制核心的液压转向计算机控制 系统建立了 simulink 仿真模型，在模型中考虑了转向摩擦阻力矩的非线性特征，加入了数 字 pid 调节环节。通过仿真模型对阶跃输入的瞬态响应，能够确定 pid 调节器工作参教的可 行范围，得到了车辆在原地转向条件下，准确、稳定和快速灵敏的车轮偏转角阶跃响应输出曲 线。从而使转向液压控制系统的设计计算过程操作更方便，设计效果实现可视化，减少对实际 系统进行性能测试的工作量。 1 升降平台运输车 转向系统 升降平台运输车是重型起重运输机械，它使所 运载的物体能作一定幅度的升降,且行驶机动灵 活,广泛应用于船舶制造、钢铁冶炼和输油管道敷 设等生产过程中的大型物件搬运。本文中的升降 平台运输车由江扬集团扬州特种车辆厂与江苏理 工大学合作研究开发，整车结构如图1，期载重量 为 130 t ， 车架平台被6组 ( 左右各3组)车轮支撑, 每组轮轴上安装4只车胎，每组轮轴承载能力为 28 t 。 每组轮轴经升降油缸和支腿与上方回转支承 相联，控制各轮组升降油缸的动作可实现平台的整 体升降或倾斜。回转支承由转向驱动油缸经连杆 机构带动左右转动，从而也就使车轮实现左右偏 转。该车的驱动形式是静液传动，大行驶速度 15/5 km / h (空载/满载)。 除车轮向左或向右偏转的范围分别需达到 10 (t 外，转向系统还设有5种转向模式:①正常模式，回 转中心在中间轮轴的延长线上。②车辆模式，回转 中心在后轮轴轴的延长线上，与多轴汽车转向方式 一致。③原地模式，回转中心与车辆几何中心重 合。④横向模式，所有轮轴向左或右偏转90°,平 台车横向行驶。⑤斜向模式，所有轮轴向同一方向 偏转相同角度，平台车斜向行驶。 1.2 转向驱动机构 常规的汽车转向梯形机构不能实现以上5种 转向模式，所以，将6组轮轴设计成机械上相互独 立的结构,采用由计算机、传感器与液压伺服系统 组成的电传操纵系统分别控制每一组轮轴的偏转。 从而获得巨大的车轮偏转范围和准确的偏转角度， 并保持各轮轴的偏转角度之间满足车辆转向特性 的要求。如图2所示，每一组轮轴的转向油缸 de 经连杆机构驱动回转支承 ab 转动（回支承与 ab 固结)，整个驱动机构是由转动缸四杆机构 ode 与 铰链四杆机构 oabc 串联成的六杆机构。 图 2 驱动回转支承的铰链四连杆机构 1 i i ： i m i v 1 國 i im _ ■ 图 1 130t 惠州 升降平台 运输车 1 . 1 转向模式 鉴于对升降平台运输车作业的特殊要求，该车 1.3 转向液压控制系统 图3是该车控制单组车轮偏转的液压控制系 统,它是电液阀控位置控制系统。系统工作原理是： 方向盘发出的转向指令与回转支承中心（图2中 a 点)上方安装的旋转电位器所检测的回转支承实际 转角反馈信号(经 a / d 转换后 ) 都输入计箅机，二 者经比较后进行控制计算，计算结果经 d / a 转换 后再行由控制电压到控制电流的变换，控制伺服阀 开度和油流方向，也就控制了驱动油缸活塞杆的伸 缩位置及活塞运动速度，从而确定车轮偏转的角 度。 2转向液压控制系统参数 表1是转向 液压 升降平台 控制系统的组成部件，表2是 系统有关参数，图4是转向液压控制系统的职能 图，表示出了控制系统的各个环节。图5是该控制 系统方框图，在图中注明了控制系统各环节的增益 和传递函数, h ( s ) 是系统所受干扰力，其余各参数 的名称见表3,表3是按液压控制系统计算公式计 算得到的系统有关数据。 图 4 转向液压控制系统职篛 图 5 转向控制系统方框图 表 1 升降平台运输车锌向控制系统组成 名称 s 号 数置 制造商 主要性能指标 cpu 单元 c 200 hg 33 - e 1 ompon 用户程序容貴为 15.2 kr 基本指令执行时间 o.isfun a / d 单元 c 200 h - ad 003 1 ompon 8路棋拟瑜人，支持 - 10 _ 10 v 电压信号，大分辨率 5 mv dm 单元 c 200 g - da 003 1 ompon 8路模拟输出，支持 - 10 ～ 10 v 电压输出，满貴程为4 000 计数单元 c 200 h - ct 001 1 ompon 能直接将编码器的相位差信号转变成败字量 旋转编码器 e 6 b 2 2 ompon 把方向盘的转角变成脉冲相位差信号,公辩率1脉冲/度 伺服放大器 ne 122-205-9 3 moog 双路 v / a 转换，输入 - 10 - 10 v , 输出 - 60 -60 ma 伺服阀 d 631 6 moog 二级四通伺服输人电流 -60 - 60 ma 旋转电位器 a 6 000 6 movo 电气量程345\阻值0 - 50 〇 a 大 dc 24 v 供电 向盘与编码器直接相连，所以，编码器输入 轴每转1°输出1个脉冲，收到1个脉冲计数器输出 数字1，编码器与计数器增益为1数字尸。 d / a 转换将计算机内2 000数字对应 10 v ， d / a 转换增益为 0.005 v / 数字，具有饱和效应。 伺服放大器输人 - 10 - 10 v ， 输出 - 60 - 60 ma ， 因此，伺服放大器增益为 6 ma / v 。 油缸行程 1.02 m 驱动车轮偏转200°，得到连 杆机构平均增益为 196.17 m 。 旋转电位器采用± 15 vdc 供电，它的工作范 围是345°，而200°的车轮偏转范围对应电压信号 输出范围为 ± 8.7 v 。 所以，旋转电位器增益为 0. 087 v / °〇 a / d 转换以 10 v 对应计算机内2 000数字， a / d 转换增益为200数宇/ v ，也有饱和效应。 假定油缸密封良好无泄漏，则 kec = ctp 。 3转向液压控制系统计算机仿真 由于 升降平台 运输车运行速度较低，经常在低 速以及原地停止状态下进行转向，这也是该车转向 阻力大，转向液压控制系统工作困难的时候， 因此，在这里仅研究车辆原地转向时的液压控制系 统动态响应问题。图6是用 simulink 动态仿 真软件按图5所建立的该控制系统仿真模型，有几 点说明如下： (1) 车辆原地转向时，忽略其它次要作用力的影 响，转向阻力主要来自于地面给车轮的摩擦力，所 以，仿真模型中系统干扰力是由转向摩擦阻力矩经 连杆机构换算到油缸活塞杆上受的阻力。因为摩擦 力方向与物体运动方向相反，它在物体运动静止位 置2边有突变，是一种非线性负荷。在控制系统仿 真模型中通过加入微分模块对输出（活塞杆位移 ) 进 行微分得到车轮运动的方向信号，然后从库仑摩擦 模块输出非线性的摩擦力干扰力施加在油缸上。 (2) 因为通过反馈环节送入计算机的车轮位置 信号每17个数字表示偏转角 t , 与之相应由计数 器输入到计箅机的方向盘转角信号也要变化17个 数字才能对等车轮偏转角变化1所引起的 a / d 转 换结果变化量°,这就是说方向盘转过17°发出要车 轮偏转角变化 t 的指令。 (3) 为了提高控制系统的响应速度，减小控制 误差，在控制回路中加人了 pid 调节器，这一点在 200 hg 系统 pc 上很容易实现，它具有特殊算术指 令 pid ( — ) 。 所以，控制编程变得十分简单，工程 人员要做的主要工作是进行 pid 计算参数（比例 系数、微分系数、积分系数）的整定，这也是系统仿 真目的之一。 (4) 由计箅机经过 a / d ; d / a 变换参与控制的液压伺服系统是属于离散和连续相结合的控制系 统，本文中 a / d ; d / a 变换的采样频率为 100 hz , 仿真模型中设置了采样时间是 0. 01 s 的采样保持 模块将连续信号离散化。而控制计箅的速度远高 于系统其它部分的工作速度，所以，把控制计算过 程当连续过程看待。 通过对转向液压控制系统仿真模型的仿真得到了在原地转向条件下方向盘阶跃输人170°(相 当于发出车轮偏转10°的指令 ）， 车轮偏转角度的 瞬态响应曲线。同时，应用仿真模型还能寻找出比 较好的 pid 调节参数组合，使瞬态响应快速、稳 图 7 方向盘阶跃输入 17(t 时 车轮偏转角度的瞬态晌应曲线 • 定、误差和超调量小，部分仿真结果见图7。左图 是采用增益为50的纯比例控制计算仿真所得曲 线;右图是采用 pid 控制算法（比例系统为50;微 分系数为5;积分系数为 7) 后，模型仿真所得车轮 偏转角响应曲线，可以看到经 pid 较正后的曲线 上升时间、过度过程时间都有缩短，并且位置控制 的静差很小，达到了理想控制效果。 4结论 应用 油 压 升降平台 控制系统理论和计算机仿真系统构 造的转向液压控制系统仿真模型能较准确的模拟 实际系统的响应特性，通过计算机仿真就得到了 pid 调节器的工作参数范围,这些都有力地促进了 液压控制系统的设计速度和设计质量，减少了大量 的现场测试工作置，实践证明计算机仿真作为一种 控制系统设计辅助手段行之有效。 用本研究建立的攻丝加工故障诊断系统 进行实验研究结果表明，本系统能有效地对攻丝加 工进行识别和判断，对提髙攻丝质置和效率有重要价值。 如想了解更多关于惠州市鲁信机械设备有限公司的信息，可关注网站： http:www.hzlu 联系电话： 0752-6826133 卢先生 联系电话： 0769-23111107/0769-23111102 联系手机： 13377524678/13649808052 联系人：卢先生 联系 ： 757758829/2360017945 联系地址：广东省惠州市博罗县四角大楼工业园