高空作业平台负载敏感液压控制系统开发设计

摘 要

　　作业平台是服务于高空作业、设备安装、检修等行业的一种高空作业的机械设备。

　　由于其应用于高空作业，因此它的液压控制系统需要安全、可靠且应有良好的操纵性，其调平控制应有较好的调平控制精度。这对作业平台液压控制系统的设计提出了较高的要求。作业平台负载敏感液压控制系统的研究意义在于根据作业平台的作业工况、负载变化等，设计并深入研究作业平台的负载敏感液压控制系统及工作斗电液比例自动调平控制系统，确保作业平台作业过程中液压系统工作良好、电液调平控制性能与精度满足作业要求。

　　论文根据某隧道轮胎式拱架安装机械手的作业特点和机械机构运动要求，对其上的作业平台的负载敏感液压控制系统进行设计并对液压系统中的各个元件进行计算选型，然后利用 Amesim 软件对作业平台负载敏感液压控制系统进行深入的分析研究，接着对作业平台中工作斗的电液比例自动调平控制系统进行了建模分析并且对该调平控制系统进行了模糊 PID 控制器设计及仿真研究。文章主要取得了以下研究成果：

　　(1) 根据作业平台作业工况、结构以及所做受力分析，设计了作业平台的定量泵负载敏感液压控制系统。并对作业平台定量泵负载敏感液压控制系统的各个元件进行选型计算，确定了所设计液压控制系统经济、合理、匹配。

　　(2) 对作业平台负载敏感液压系统的性能进行分析。利用 Amesim 软件，模拟了作业平台在上升下降整个工作过程中负载的变化情况。分析了作业平台各个执行元件中压力和流量的变化情况。研究了作业平台各个执行元件在作业工况下能否承受，并在分析后对作业平台液压控制系统进行了相关改进。

　　(3) 求出了作业平台电液比例调平控制系统的数学模型，并使用 Matlab 软件对作业平台电液比例调平控制系统进行了模糊 PID 控制设计，搭建了该系统的 PID 仿真模型与模糊 PID 仿真模型。然后在单位阶跃信号作为输入下，对设计的控制器进行了仿真研究，确定了所设计作模糊 PID 控制算法的准确、可靠。

　　关键词：作业平台；负载敏感；液压系统；电液比例；调平控制

Abstract

　　The operating platform is a mechanical equipment for high-altitude operation served for high altitude operation, equipment installation, maintenance and other industries. As it is used for high altitude operation, so its hydraulic control system should be safety, reliability and good maneuverability and its leveling control should have a good leveling control precision. This requires higher standard when design hydraulic control system of the operating platform. The researchful significance of the load sensitive hydraulic control system is to design and study the operating platform’s load sensitive hydraulic control system and the working bucket’s electro-hydraulic proportional automatic leveling control system according to the operating conditions, load changes etc. So that it ensures that the hydraulic system works well and performance and precision of the electro-hydraulic leveling control system meet operation requirements when operation platform works.

　　According to a ubber-tyred manipulator which is used for installing arch centering in tunnel; it studied the operating characteristics and mechanical movements. Then it design the operating platform’s load sensitive hydraulic control system. Through some calculations it selected elements of the hydraulic control system. Next, the load sensitive hydraulic control system of the operating platform is deeply analyzed by using a software called Amesim. After the hydraulic system is analyzed, the mathematical model of electro-hydraulic proportional automatic leveling control system is derived. According to the mathematical model, a fuzzy PID controller is designed and it simulated simulation research for the leveling control system. The main achievements of this paper are as follows:

　　(1) According to the operation condition, structure and stress analysis of the operating platform, a quantitative pump load sensitive hydraulic control system for the operation platform is designed. It calculated and selected the hydraulic control system’s elements to ensure the hydraulic control system is economical, reasonable and matched.

　　(2) It analyzed the load sensitive hydraulic system’s performance of the operation platform. By using Amesim, it simulated the load change during the whole operation process. Then the change of pressure and flow in each executive element are analyzed. It studied whether the executive elements of the operation platform could bear under the working conditions, and made some improvements for the hydraulic control system after analysis.

　　(3) The electro-hydraulic proportional leveling control system’s mathematical model of the operating platform is derived. Then it designed a fuzzy PID controller by using the software called MATLAB. The PID simulation model and the fuzzy PID simulation model of the system are built and under the input of unit step signal, the controller designed is simulated. Through the simulation results it determined that the fuzzy PID controller is accurate and reliable.

　　Keywords: Operating platform; Load sensing; Hydraulic system; Electro-hydraulic proportional control; Leveling control

　　随着社会的发展，作业平台在隧道、铁路、桥梁、工业安装、消防救援、港口建设等领域的应用越来越广泛[1]。现今流行的高空作业平台是一种可移动性高空作业机械设备，其主要服务于高空作业、检修、设备安装等行业[2]。在以往作业平台的液压系统使用的大都是电液比例控制，不具有负载反馈功能。但在作业平台的实际工作过程中，外界的负载是不断地发生变化的，操作时液压系统分配的流量也不稳定。所以为适应作业平台工作过程中的负载和速度变化，提高作业平台的操作性能，现在作业平台的液压系统越来越多的使用了负载敏感和压力补偿技术。近几年作业平台的发展越来越迅速，负载敏感和压力补偿技术的使用也越来越广泛。随着我国经济建设快速发展和基础设施建设的推进，相关行业对于作业平台的需求量还在继续上升，同时随着液压技术的发展，作业平台的性能也会越来越趋于智能化、信息化。

　　某隧道轮胎式拱架安装机械手结构包括底盘、上部平台、作业平台、机械臂等，行走机构在作业平台底盘下方，而大多数部件都位于底盘之上。

　　整车作业装置含有一个作业平台，两个机械臂，机械臂辅助作业平台里的人进行相关作业。相比一般的工程作业车辆，本文设计的作业平台要求机械臂进行配合作业，作业平台的控制也更加重要。因此，如何设计作业平台的液压系统和作业平台工作斗的的调平控制就成为了研究的技术难点。

　　国外的作业平台起步于 20 世纪 50 年代，约在 1950 年，英国制造商制造出了第一批用于路灯维护的高空作业车，1960 年，美国加州的一些农场，开始用高空作业车在果园中整理枝条、收获果实，至此揭开了作业平台的发展历史。1966 年，美国Selme 公司开发的作业平台在加州租赁协会（CRA）主办的一次机械展览会上首次进行了展出，从这之后该款作业平台开始了小批量生产[2]。

　　进入 20 世纪 70 年代，美、英、、法、日、瑞典、德芬兰等国家，开始进行生产各种型号的作业平台，并且将生产的作业平台开始广泛用于建筑、机场、园林、码头、电讯、市政、车站、仓库、安装、装修、设备、消防等部门。1977 年，日本的前田建设和清水建设公司，不在使用传统的脚手架，而使用高空作业平台作为垂直运输和作业机具，建设了一座 5600平米的钢结构仓库，与使用传统的脚手架施工方法相比，使用作业平台安全可靠、综合施工成本低、工期短，解决了日本建筑业工人老龄化，熟练工不足等问题[3]。此次建筑施工开创了无脚手架施工的先河，促进了工程技术的发展[1]。

　　现今，作业平台的现状和发展趋势是，根据用户需要采用计算机或机、电、液一体化相关先进技术进行设计，这样能大大提高作业平台的操纵性能。国外的高空作业机械生产厂家主要集中在北美、欧洲、日本等发达国家，但三个地区的高空机械产品不尽相同，各有特点。其中，欧洲是高空作业平台的主要产地，在意大利已知的就有二十多家作业平台生产企业[2]，英国、法国、德国、芬兰、丹麦等国也有多家高空作业平台生产企业。从总体上看，欧洲的高空机械产品结构型式齐全，其产品按臂架结构可分为伸缩臂、折叠臂、混合臂等型式，欧洲产品中以上各种臂架型式都有采用，其中的混合臂产品非常多，而美国和日本产品却很少见。在作业高度上，欧洲产品规格较全，作业高度最低 10m 左右，最大高度有超过 100m。北美产品最大高度一般不超过 70m，主要生产厂家有美国的捷尔杰、欧历盛、吉尼等公司，日本产品最大作业高度一般不超过 60m[2]。

　　欧洲的高空作业平台由于生产历史长，技术水平高，因此当前欧洲产品在世界上销售范围最为广泛，主要销往东南亚、中东、南美洲等地从以上几点可以看出，欧洲是生产、制造高空作业车技术水平最高、市场占有量最广的地区。但欧洲地区基本上不生产和使用高空绝缘车。三个地区中的高空作业平台生产厂家主要有北美的 Terex Utilities(特雷克斯)和 Altec(阿尔泰勒)、意大利的Multitel Pagliero SpA 和 Oil&steel、芬兰的 Bronto（博浪涛）与 Palfinger（帕尔菲格）、德国的 Ruthmann（胡特曼）、日本的 Tadano LTD(多田野)和 Aichi corporation(爱知)等等[2]。

　　高空作业平台负载敏感液压控制系统：

隧道轮胎式拱架安装机械手

隧道轮胎式拱架安装机械手实物图

ZCT1180KS-SNS-29 型单轴电压输出型倾角传感器

三通流量阀参数设置

梭阀 Amesim 模型参数

四联比例多路阀体 Amesim 模型封装

液压泵 Amesim 模型及封装

回转液压马达负载转矩参数设置

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 课题研究的背景及意义
　　　　1.2 作业平台发展概况
　　　　　　1.2.1 国外作业平台发展概况
　　　　　　1.2.2 国内作业平台发展概况
　　　　1.3 负载敏感液压控制系统国内外研究现状
　　　　1.4 本文主要研究内容
　　第 2 章 作业平台负载敏感液压控制系统设计
　　　　2.1 作业平台设计基本方案
　　　　2.2 作业平台液压系统设计
　　　　　　2.2.1 定量泵负载敏感液压系统原理分析
　　　　　　2.2.2 作业平台液压系统设计
　　　　2.3 液压系统元件计算选型
　　　　　　2.3.1 初选系统工作压力
　　　　　　2.3.2 计算液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量
　　　　　　2.3.3 计算选取选取液压泵
　　　　　　2.3.4 液压阀的选择
　　　　　　2.3.5 液压管道尺寸、油箱容积的确定
　　　　2.4 本章小结
　　第 3 章 作业平台液压控制系统仿真分析
　　　　3.1 液压系统计算机仿真简介
　　　　3.2 各个元件 Amesim 模型建立
　　　　　　3.2.1 四联电磁比例换向多路阀 Amesim 模型
　　　　　　3.2.2 回转液压马达 Amesim 模型
　　　　　　3.2.3 液压缸 Amesim 模型
　　　　　　3.2.4 液压泵 Amesim 模型
　　　　　　3.2.5 作业平台液压控制系统 Amesim 模型
　　　　3.3 作业平台液压系统模型仿真分析
　　　　　　3.3.1 回转液压马达仿真分析
　　　　　　3.3.2 俯仰液压缸仿真分析
　　　　　　3.3.3 伸缩液压缸仿真分析
　　　　　　3.3.4 调平压缸仿真分析
　　　　3.4 本章小结
　　第 4 章 作业平台电液比例调平控制系统建模研究
　　　　4.1 作业平台工作斗的调平机构分类
　　　　4.2 作业平台电液伺服调平控制原理分析
　　　　4.3 各个传递环节的建模分析
　　　　　　4.3.1 水平传感器的建模分析
　　　　　　4.3.2 比例放大器的建模分析
　　　　　　4.3.3 电磁比例换向阀的建模分析
　　　　4.4 本章小结
　　第 5 章 作业平台模糊 PID 调平控制研究
　　　　5.1 调平控制系统的 PID 控制方案设计
　　　　　　5.1.1 PID 控制原理
　　　　　　5.1.2 调平控制系统 PID 控制方案设计
　　　　　　5.1.3 调平控制系统 PID 控制仿真分析
　　　　5.2 调平控制系统模糊 PID 控制方案设计
　　　　　　5.2.1 模糊控制原理
　　　　　　5.2.2 调平控制系统模糊 PID 控制方案设计
　　　　　　5.2.3 调平控制系统模糊 PID 控制器仿真分析
　　　　5.3 本章小结
　　第 6 章 总结与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 创新点
　　　　6.3 展望
　　致 谢
　　参考文献
　　附 录
　　附 录 A：作者在攻读硕士学位期间发表的论文及专利清单
　　附 录 B：作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目清单

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