CN114819158B - 基于分布式负载口独立控制阀组的混凝土泵车臂架运动抑振方法 - Google Patents

基于分布式负载口独立控制阀组的混凝土泵车臂架运动抑振方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分布式负载口独立控制阀组的混凝土泵车臂架运动抑振方法，包括如下步骤：(1)搭建一套由四个比例流量阀为核心包括相应辅助的压力补偿器，单向阀，安全阀，液压锁，核心控制器，倾角传感器，磁致伸缩位移传感器，压力传感器，比例阀线圈放大器，泵车遥控器手柄以及泵车控制器等的负载口独立控制液压系统。(2)根据液压缸两腔的压力判定液压缸承载腔。(3)将控制承载腔的比例流量阀设置为流量控制模式。(4)根据测得的承载腔压力对输入参考信号进行初始化。(5)根据输入参考信号和测得的非承载腔压力值计算与液压缸非承载腔相连的比例流量阀的控制信号。至此，同时实现混凝土泵车臂架的运动控制以及振动抑制。

Description

基于分布式负载口独立控制阀组的混凝土泵车臂架运动抑振方法
技术领域
本发明涉及工程机械领域，尤其是涉及一种基于分布式负载口独立控制阀组的混凝土泵车臂架运动抑振方法。
背景技术
作为土木建筑工程主要施工作业设备的混凝土泵车，其臂架的运动控制目前基本都采用液压传动及控制技术。液压传动及控制技术成为促进混凝土泵车舒适、可靠、节能和智能化等主流方向不断发展的基础条件。混凝土泵车多采用液压驱动的双缸往复式活塞混凝土泵，依靠液压油缸的快速连续换向带动输送活塞交替往复运动，从而在臂架末端得到近似连续的混凝土流量，输送管内的混凝土压力和流量不能维持恒定值，造成压力脉动，产生周期性的冲击力。再加上混凝土布料机施工现场环境恶劣，容易受到外界激励的扰动，容易造成臂架的振动。由于布料机械臂通常具有3个或3个以上关节，臂展在十米甚至数十米以上，臂架的微小振动都会引起臂架末端的较大振动，产生末端软管的甩动，从而影响施工效率，增加施工难度，且由于臂架的长时间振动容易造成臂架的疲劳损坏甚至发生断裂，影响设备寿命甚至威胁人安全。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于设计基于分布式负载口独立控制阀组的混凝土泵车臂架运动抑振方法。由于泵送及外界激励等原因，布料机械臂臂架会产生振动进而导致控制油缸内压力的波动，故通过控制油缸内压力波动可抑制臂架的振动。采用新颖的压力以及速度控制算法系统，实现对泵车臂架高效平稳的控制，降低作业过程中的能源损耗，可以解决背景技术中提到的问题。
本发明提供如下的技术方案：一种基于分布式负载口独立控制阀组的混凝土泵车臂架运动抑振方法，其步骤如下：
步骤1：搭建基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制液压系统，该系统
安装在每一个臂架之间的液压缸附近的一对无杆腔控制阀组以及有杆腔控制阀组，无杆腔控制阀组连接液压缸无杆腔，有杆腔控制阀组连接液压缸有杆腔；每个阀组中包含两个插装式比例流量阀，分别为控制进油的进油比例流量阀和控制回油的回油比例流量阀；每个阀组中包含一个安全阀，用以实现油缸的超压保护；
优选地，两个比例流量阀的无输入中位机能为单向导通，进油比例流量阀的导通方向为从工作口到高压油管路，回油比例流量阀的导通方向为从回油管路到工作口，在回油比例流量阀流向回油管路处以及进油比例流量阀流向液压缸工作腔处分别安装一个单向阀，用以实现油缸在指定位置的锁止；
优选地，在每一对阀组的工作口安装一对互锁的液控单向阀液压锁，用以实现油缸在指定位置的锁止功能的安全冗余；
优选地，在进油比例流量阀的前端安装流量补偿器，用以提高在高压差下流量控制的线性度水平；
所述控制模块包括负责电信号的采集，液压缸速度闭环以及液压缸油腔压力闭环算法解算，以及CAN总线信号的收发的核心控制器，每个阀组中接收由核心控制器发送的CAN总线指令，产生用以控制阀块中进油比例流量阀以及回油比例流量阀的阀芯行程的激励电流的对应插装阀品牌的双输出通道的比例阀线圈放大器，发出速度控制指令的控制器手柄以及接受速度指令在CAN总线发布的泵车控制器；所述传感模块包括多个倾角传感器、磁致伸缩位移传感器以及压力传感器；
步骤2：根据液压缸两腔的压力判定液压缸承载腔。根据无杆腔的压力P1和无杆腔的面积A1计算无杆腔的内部力：
F1＝P1A1
根据有杆腔的压力P2和有杆腔的面积A2计算有杆腔的内部力：
F2＝P2A2
比较F1和F2的大小，若F1大，则无杆腔为承载腔，若F2大，则有杆腔为承载腔。
步骤3：将控制承载腔的比例流量阀设置为液压缸速度控制模式，速度控制流程如下所示，
步骤3.1：将液压缸对应两倾角传感器信息做差得到臂架夹角信息；
步骤3.2：将夹角信息经过三角函数关系变换得到液压缸位移信息x1；
步骤3.3：采用多传感融合算法融合x1和液压缸位移传感器信息x2得到液压缸位移信息x；进一步地，多传感融合算法可以采用卡尔曼滤波，其步骤和公式如下所示，
步骤3.3.1：初始化系统状态量及系统协方差矩阵；
步骤3.3.2：根据系统方程进行状态预测
步骤3.3.3：角度传感器换算所得信息x1作为观测量及观测协方差矩阵步骤3.3.4：状态更新
步骤3.3.5：将位移传感器信息x2作为观测量及观测协方差矩阵
步骤3.3.6：计算出液压缸位移信息x
步骤3.4：将液压缸位移信息x做微分计算得到液压缸速度值；
步骤3.5：根据速度指令信号和测得的液压缸速度值做液压缸速度闭环控制得到与液压缸承载腔相连的比例流量阀的控制信号；进一步地，液压缸速度闭环控制可以采用模糊自适应参数的二阶线性自抗扰控制(F2LADRC)算法，
F2LADRC以速度跟踪偏差ev和偏差的变化率dev作为输入进行模糊化处理，结合提前设置好的模糊规则，对F2LADRC控制器的kp、kd两个参数进行模糊推理，然后，将模糊推理的结果进行去模糊化，得到参数kp、kd的调节值Δkp、Δkd，将调节值与参数的给定初始值相加，实现F2LADRC参数的在线自适应调整，公式如下所示；
ev＝rv-z1
Figure BDA0003562887060000031
kp＝kp0+Δkp
kd＝kd0+Δkd
uv0＝kpev-kdz2
Figure BDA0003562887060000032
步骤4：根据测得的承载腔压力对输入参考信号进行初始化。
步骤5：根据输入参考信号和测得的承载腔压力值做液压缸压力闭环控制计算与液压缸非承载腔相连的比例流量阀的控制信号；进一步地，液压缸压力闭环控制可以采用模糊自适应参数的一阶线性自抗扰控制(F1LADRC)算法，
F1LADRC以速度跟踪偏差ep作为输入进行模糊化处理，结合提前设置好的模糊规则，对F1LADRC控制器的kp参数进行模糊推理，然后，将模糊推理的结果进行去模糊化，得到参数kp的调节值Δkp，将调节值与参数的给定初始值相加，实现F1LADRC参数的在线自适应调整，公式如下所示；
ep＝rp-z1
Figure BDA0003562887060000041
kp＝kp0+Δkp
up0＝kpep
Figure BDA0003562887060000042
由上述方案可知，本发明的有益效果如下：
第一，因为本发明采用了基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制液压系统，因此克服了现有技术中油缸进出油口控制耦合造成的能耗增加以及控制自由度低，解决了由于液压管路过长造成的相应延迟；
第二，本发明对液压缸承载腔做液压缸速度闭环控制，对液压缸非承载腔做压力闭环控制，克服了现有混凝土泵车在混凝土泵送过程中移动臂架时臂架的振动问题，同时实现泵车臂架速度控制以及臂架振动的抑制；
第三，本发明中液压缸速度闭环控制采用模糊自适应参数的二阶线性自抗扰控制(F2LADRC)算法，压力闭环控制采用模糊自适应参数的一阶线性自抗扰控制(F1LADRC)算法，提高了液压缸速度闭环的精度，增强了闭环算法对外界干扰的鲁棒性，提升了控制的精确度。
附图说明
图1是分布式负载口独立控制阀组的液压原理图，1为液压缸，2-1,2-2为压力传感器，3-1,3-2为安全阀,4-1,4-2为液压锁，5-1,5-2,5-3,5-4为单向阀，6-1,6-2,6-3,6-4为比例流量控制阀，7-1,7-2为压力补偿器；
图2是基于分布式负载口独立控制阀组的混凝土泵车臂架运动抑振方法流程示意图；
图3是液压缸速度控制算法示意图；
图4是液压缸位移信息融合算法示意图；
图5是基于F2LADRC的速度闭环控制算法示意图；
图6是基于F1LADRC的压力闭环控制算法示意图；
图7是泵车臂架振动情况的对比展示图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步说明，本实施例不应看作是对本发明的限定。
如图1所示，负载口独立控制阀组中包含控制进油的进油比例流量阀和控制回油的回油比例流量阀以及其他功能性辅助阀，在液压缸伸出时，连接液压泵的高压油管中的液压油经过压力补偿器7-1进入比例流量阀6-2，两者共同作用调节通过的液压油流量，进而控制液压缸的速度，最终使液压油按照一定的流量流入液压缸1的无杆腔，此时进油油路的压力作用于液控单向阀4-2使其打开，因此有杆腔中的油液受到挤压流出，经过比例流量阀6-4以及单向阀5-4流向回油管路；在液压缸缩回时，连接液压泵的高压油管中的液压油经过压力补偿器7-2进入比例流量阀6-3，两者共同作用调节通过的液压油流量，进而控制液压缸的速度，最终使液压油按照一定的流量流入液压缸1的有杆腔，此时进油油路的压力作用于液控单向阀4-1使其打开，因此有杆腔中的油液受到挤压流出，经过比例流量阀6-1以及单向阀5-3流向回油管路；在液压缸固定时，液控单向阀4-1和4-2形成液压锁，防止液压缸内的液压油向外泄露，单向阀5-3和5-4防止回油管路的液压油进入阀组，静止机能为单向导通的比例流量阀6-2和6-3防止高压油管的液压油进入阀组。
本发明公开一种基于负载口独立控制的翻转式控制方法，参见图2，具体包括以下步骤：
步骤1：搭建一套基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制液压系统，该系统包括液压模块，控制模块以及传感模块。液压模块包括安装在每一个臂架之间的液压缸附近的一对无杆腔控制阀组以及有杆腔控制阀组，无杆腔控制阀组连接液压缸无杆腔，有杆腔控制阀组连接液压缸有杆腔；每个阀组中包含两个插装式比例流量阀，分别为控制进油的进油比例流量阀和控制回油的回油比例流量阀；液压模块还包括相应辅助的压力补偿器，单向阀，安全阀，液压锁；所述控制模块包括负责电信号的采集，液压缸速度闭环以及液压缸油腔压力闭环算法解算，以及CAN总线信号的收发的核心控制器，每个阀组中接收由核心控制器发送的CAN总线指令，产生用以控制阀块中进油比例流量阀以及回油比例流量阀的阀芯行程的激励电流的对应插装阀品牌的双输出通道的比例阀线圈放大器，发出速度控制指令的控制器手柄以及接受速度指令在CAN总线发布的泵车控制器；所属传感模块包括多个倾角传感器，磁致伸缩位移传感器以及压力传感器。
步骤2：根据液压缸两腔的压力判定液压缸承载腔。根据无杆腔的压力P1和无杆腔的面积A1计算无杆腔的内部力：
F1＝P1A1
根据有杆腔的压力P2和有杆腔的面积A2计算有杆腔的内部力：
F2＝P2A2
比较F1和F2的大小，若F1大，则无杆腔为承载腔，若F2大，则有杆腔为承载腔。
步骤3：将控制承载腔的比例流量阀设置为液压缸速度控制模式。
步骤4：根据测得的承载腔压力对输入参考信号进行初始化。
步骤5：根据输入参考信号和测得的承载腔压力值计算与液压缸非承载腔相连的比例流量阀的控制信号。
如图3所示，其中步骤3速度控制流程如下所示
步骤3.1：将液压缸对应两倾角传感器信息做差得到臂架夹角信息；
步骤3.2：将夹角信息经过三角函数关系变换得到液压缸位移信息x1；
步骤3.3：采用多传感融合算法融合x1和液压缸位移传感器信息x2移得到液压缸位移信息x；
步骤3.4：将液压缸位移信息x做微分计算得到液压缸速度值；
步骤3.5：根据速度指令信号和测得的液压缸速度值得到与液压缸承载腔相连的比例流量阀的控制信号；
其中如图4所示，其中步骤3.3中，进一步地，多传感融合算法可以采用卡尔曼滤波，其步骤和公式如下所示，
步骤3.3.1：初始化系统状态量及系统协方差矩阵；
步骤3.3.2：根据系统方程进行状态预测；
步骤3.3.3：角度传感器换算所得信息x1作为观测量及观测协方差矩阵；
步骤3.3.4：状态更新；
步骤3.3.5：将位移传感器信息x2作为观测量及观测协方差矩阵；
步骤3.3.6：计算出液压缸位移信息x。
如图5所示，步骤3.5中，进一步地，液压缸速度闭环控制可以采用模糊自适应参数的二阶线性自抗扰控制(F2LADRC)算法，F2LADRC以速度跟踪偏差ev和偏差的变化率dev作为输入进行模糊化处理，结合提前设置好的模糊规则，对F2LADRC控制器的kp、kd两个参数进行模糊推理，然后，将模糊推理的结果进行去模糊化，得到参数kp、kd的调节值Δkp、Δkd，将调节值与参数的给定初始值相加，实现F2LADRC参数的在线自适应调整，公式如下所示；
ev＝rv-z1
Figure BDA0003562887060000071
kp＝kp0+Δkp
kd＝kd0+Δkd
uv0＝kpev-kdz2
Figure BDA0003562887060000072
如图6所示，步骤5中，进一步地，液压缸压力闭环控制可以采用模糊自适应参数的一阶线性自抗扰控制(F1LADRC)算法，
F1LADRC以速度跟踪偏差ep作为输入进行模糊化处理，结合提前设置好的模糊规则，对F1LADRC控制器的kp参数进行模糊推理，然后，将模糊推理的结果进行去模糊化，得到参数kp的调节值Δkp，将调节值与参数的给定初始值相加，实现F1LADRC参数的在线自适应调整，公式如下所示；
ep＝rp-z1
Figure BDA0003562887060000073
kp＝kp0+Δkp
up0＝kpep
Figure BDA0003562887060000074
基于AMESim与Simulink联合仿真的结果显示，本发明所述抑振方法可以明显减少泵车臂架在泵送过程中移动时的振动现象，对比效果如图7所示。其中左图为10-20L/min流量阶跃振动抑制效果图，右图为20-30L/min流量阶跃振动抑制效果图。

Claims (4)

1.一种基于分布式负载口独立控制阀组的混凝土泵车臂架运动抑振方法，其步骤如下：
步骤1：搭建基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制液压系统，该系统包括液压模块、控制模块以及传感模块；
液压模块包括安装在每一个臂架之间的液压缸附近的一对无杆腔控制阀组以及有杆腔控制阀组，其中，无杆腔控制阀组连接液压缸无杆腔，有杆腔控制阀组连接液压缸有杆腔；每个阀组中包含两个插装式比例流量阀，分别为控制进油的进油比例流量阀和控制回油的回油比例流量阀；每个阀组中包含一个安全阀，用以实现油缸的超压保护；每个阀组的两个比例流量阀的无输入中位机能为单向导通，进油比例流量阀的导通方向为从工作口到高压油管路，回油比例流量阀的导通方向为从回油管路到工作口，在回油比例流量阀流向回油管路处以及进油比例流量阀流向液压缸工作腔处分别安装一个单向阀，用以实现油缸在指定位置的锁止；在进油比例流量阀的前端安装流量补偿器，用以提高在高压差下流量控制的线性度水平；
所述控制模块包括核心控制器、双输出通道的比例阀线圈放大器、发出速度控制指令的控制器手柄以及接受速度指令在CAN总线发布的泵车控制器；其中核心控制器负责电信号的采集、液压缸速度闭环以及液压缸油腔压力闭环算法解算、以及CAN总线信号的收发；无杆腔控制阀组、有杆腔控制阀组各配置一个比例阀线圈放大器，比例阀线圈放大器接收由核心控制器发送的CAN总线指令，产生用以控制阀组中进油比例流量阀以及回油比例流量阀的阀芯行程的激励电流；所述传感模块包括多个倾角传感器、磁致伸缩位移传感器以及压力传感器；其中每对倾角传感器安装于对应液压缸所控制的夹角两臂近处，磁致伸缩位移传感器内置于液压缸活塞中，压力传感器安装于液压阀块的进油口，出油口以及与液压缸相连的工作口；
步骤2：根据液压缸两腔的压力判定液压缸承载腔；
步骤3：将控制承载腔的比例流量阀设置为液压缸速度控制模式，速度控制流程如下所示：
步骤3.1：将液压缸对应两倾角传感器信息做差得到臂架夹角信息；
步骤3.2：将夹角信息经过三角函数关系变换得到液压缸位移信息x1；
步骤3.3：采用多传感融合算法融合x1和液压缸位移传感器信息x2得到液压缸位移信息x；
步骤3.4：将液压缸位移信息x做微分计算得到液压缸速度值；
步骤3.5：根据速度指令信号和测得的液压缸速度值做液压缸速度闭环控制得到与液压缸承载腔相连的比例流量阀的控制信号；
所述的步骤3.5中，液压缸速度闭环控制采用模糊自适应参数的二阶线性自抗扰控制F2LADRC算法，
F2LADRC以速度跟踪偏差ev和偏差的变化率dev作为输入进行模糊化处理，结合提前设置好的模糊规则，对F2LADRC控制器的kp、kd两个参数进行模糊推理，然后，将模糊推理的结果进行去模糊化，得到参数kp、kd的调节值Δkp、Δkd，将调节值与参数的给定初始值kp0、kd0相加，实现F2LADRC线性控制器参数的在线自适应调整，公式如下所示，其中rv为液压缸目标速度值，z1为液压缸速度的观测值，z2为液压缸加速度的观测值，z3为扩张状态量观测值，b0为系统控制增益，β1、β2、β3为观测器参数，uv0为线性控制器输出值，uv为控制算法最终输出值；
ev＝rv-z1
Figure FDA0004055990130000021
kp＝kp0+Δkp
kd＝kd0+Δkd
uv0＝kpev-kdz2
Figure FDA0004055990130000022
步骤4：根据测得的承载腔压力对输入参考信号进行初始化；
步骤5：根据输入参考信号和测得的承载腔压力值做液压缸压力闭环控制计算与液压缸非承载腔相连的比例流量阀的控制信号；
步骤5中，液压缸压力闭环控制采用模糊自适应参数的一阶线性自抗扰控制F1LADRC算法，
F1LADRC以压力跟踪偏差ep作为输入进行模糊化处理，结合提前设置好的模糊规则，对F1LADRC控制器的kp参数进行模糊推理，然后，将模糊推理的结果进行去模糊化，得到参数kp的调节值Δkp，将调节值与参数的给定初始值kp0相加，实现F1LADRC参数的在线自适应调整，公式如下所示，其中rp为液压缸容腔压力目标值，z1为液压缸容腔压力的观测值，z2为扩张状态量观测值，b0为系统控制增益，β1、β2为观测器参数，up0为线性控制器输出值，up为控制算法最终输出值；
ep＝rp-z1
Figure FDA0004055990130000031
kp＝kp0+Δkp
up0＝kpep
Figure FDA0004055990130000032
2.如权利要求1所述的一种基于分布式负载口独立控制阀组的混凝土泵车臂架运动抑振方法，其特征在于，所述的液压模块还包括压力补偿器，单向阀，安全阀，液压锁；
其中，每个阀组中均包含一个安全阀，用以实现油缸的超压保护；阀组中的两个比例流量阀的无输入中位机能为单向导通，进油比例流量阀的导通方向为从工作口到高压油管路，回油比例流量阀的导通方向为从回油管路到工作口，在回油比例流量阀流向回油管路处以及进油比例流量阀流向液压缸工作腔处分别安装一个单向阀，用以实现油缸在指定位置的锁止；
在每一对阀组的工作口安装一对互锁的液控单向阀液压锁，用以实现油缸在指定位置的锁止功能的安全冗余；
在进油比例流量阀的前端安装流量补偿器，用以提高在高压差下流量控制的线性度水平。
3.如权利要求1所述的一种基于分布式负载口独立控制阀组的混凝土泵车臂架运动抑振方法，其特征在于，所述的步骤2，具体为：
根据无杆腔的压力P1和无杆腔的面积A1计算无杆腔的内部力：
F1＝P1A1
根据有杆腔的压力P2和有杆腔的面积A2计算有杆腔的内部力：
F2＝P2A2
比较F1和F2的大小，若F1大，则无杆腔为承载腔，若F2大，则有杆腔为承载腔。
4.如权利要求1所述的一种基于分布式负载口独立控制阀组的混凝土泵车臂架运动抑振方法，其特征在于，所述的步骤3.3中的多传感融合算法采用卡尔曼滤波，其步骤为：
步骤3.3.1：初始化系统状态量及系统协方差矩阵；
步骤3.3.2：根据系统方程进行状态预测；
步骤3.3.3：角度传感器换算所得信息x1作为观测量及观测协方差矩阵；
步骤3.3.4：状态更新；
步骤3.3.5：将位移传感器信息x2作为观测量及观测协方差矩阵；
步骤3.3.6：计算出液压缸位移信息x。
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