地铁挖掘机动臂势能回收PSO-PID控制策略设计及分析.pdf

国防交通工程与技术 年 月 卷期收稿日期:作者简介:薛世龙(),男,工程师,主要从事地铁工程施工技术管理工作.t v z c o m地铁挖掘机动臂势能回收P S O P I D控制策略设计及分析薛世龙(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津 )摘要:响应地铁施工设备节能减排的要求,设计了一种复合结构势能的挖掘机动臂势能回收系统,该系统可以达到更高能量利用率和更优节能减排状态.在原有比例积分微分(P r o p o r t i o n a lI n t e g r a l D i f f e r e n t i a l,P I D)控制的基础上,引入粒子群优化算法(P a r t i c l eS w a r m O p t i m i z a t i o n,P S O)对控制进行优化,给出了基于P S O P I D控制的流量调节方式.采用液压与电气控制方式进行势能回收,利用调节液压马达排量来控制动臂运动速度,大幅降低程序设计难度.在建立系统数学模型的基础上,依托AME S i m软件开展了势能回收系统分析.研究结果表明:一个循环过程可以实现回收 k J能量,达到了非常高效的能量回收性能.动臂速度表现为先增大再降低,可以获得更优的动臂控制性能.关键词:势能回收;节能回路;挖掘动臂;蓄能器D O I:/j g j g y a t 中图分类号:TU ;TH 文献标识码:A文章编号:()挖掘机已成为地铁工程建设领域的一类重要机械装备,其高能耗问题容易造成环境污染需尽力解决 .在实际运行过程中,轮式挖掘机需要频繁操控挖掘装置,其中,动臂发生降落阶段,减少的重力势能经控制阀转变成了热能而造成浪费,并且也增加了液压系统的工作负载 .相对于三腔液压缸负载敏感系统的节能控制效果,采用液电混合驱动技术可以使能耗进一步减小至,同时降低了动臂的速度超调范围,获得更小的波动性.李建松等同时采用液压泵与马达组成能量转化部件,同时采用飞轮作为储能结构,实现了对动臂的势能回收,之后构建了仿真模型进行测试发现可以实现近 的能量回收利用率.关澈等主要分析了传统形式的动臂系统不能满足能量回收利用情况,利用模型仿真的方法进行测试发现,利用新设计的能量回收系统可以回收 的动臂势能.相对于常规纯电驱液压动臂系统可以提升节能程度,为获得更优的动臂能量回收控制性能提供了理论参考.李泽鹏等发现当动臂发生下降过程中,系统重力势能转变成蓄能器的液压能;当动臂进入举升阶段时,蓄能器内液压能可以为电动缸提供驱动辅助作用,实现能量重新利用.目前的研究多是在P I D控制的基础上,通过人为的方式进行调整,本文设计了一种复合结构势能的挖掘机动臂势能回收系统,给出了根据流量调节的P I D控制方法,并开展了势能回收系统分析与仿真.势能回收系统设计势能回收系统原理根据势能回收的能量形式不同,可以将回收系统分成机械式、液压式以及电气式等多种类型,考虑到各类势能回收系统运行控制过程存在较大差异,可以综合运用不同回收方式来获得更高势能回收效率.大部分液压势能回收系统的组成结构较简单,可以实现高效回收势能的目标,同时蓄能器还可以发挥对液压冲击的缓冲作用,但蓄能器达到较高出口压力时需要液压泵达到更高运行控制性能,满足工程车应用需求.开发了图所示的能量回收结构,可以通过电液复合方式进行动臂势能的回收.当动臂降落时,主泵开始为动臂油缸提供驱动力,此时动臂在自身重力作用下降落,对无杆腔内液压油提供驱动力,经管路、阀体以及变量马达到达蓄能器,实现对液压能储存的效果,此时液压油还可以对发电机 驱动将液压能转变成电能,再存储至超级电容器,研究R e s e a r c ha n dD e s i g n与设计国防交通工程与技术 年 月 卷期通过设定变量马达的排量来实现控制动臂下降速度的效果.?54?、?7P63815?1691017EGP1112141318E12注:主泵;溢流阀;、电磁换向阀;动臂液压缸;控制器;、压力传感器;蓄能器;变量马达;、离合器;溢流阀;、单向阀;电动机;超级电容器.图动臂势能回收系统原理进入动臂上升阶段时,蓄能器内的液压能经液压泵以及动臂油缸为动臂上升提供驱动力并转化成重力势能,超级电容开始释放电能,经电动机、变量马达、动臂油缸为动臂提供驱动力,相对于常规轮式挖掘机控制方式,能量利用率获得显著提升,可以达到更优的节能减排状态.势能回收控制流程系统整体控制稳定性与能量回收系统的运行过程存在较大关联,其使驾驶员能够更舒适完成操纵过程.本文同时采用液压与电气控制方式进行势能回收,利用调节液压马达排量的方式控制动臂运动速度,大幅降低程序设计难度,并且能够满足系统的远程控制需求.图所示为系统势能回收控制流程.?4?，?16?、10?，?14/15?4?，?16?、10?，?14/15?4?，?14,15?，?图系统势能回收流程系统控制模型数学模型油缸活塞位移Xg(s)和电液伺服阀阀芯位移量Xf(s)的传递函数:Xg(s)Xf(s)Kqshhs()式中:h和分别为液压缸固有频率和液压缸阻尼系数;Kq为阀控液压缸流量增益.电液伺服阀阀芯位移量Xf(s)和电磁铁线圈电流I(s)传递函数:Xf(s)I(s)Ks vss vs v()式中:Ks v为比例阀增益;s v与分别为液压固有频率与阻尼系数.斜盘倾角系数通过计算油缸活塞位移Xg(s)和变量泵斜盘倾角(s)比值得到:(s)Xg(s)L()式中:L为控制油缸活塞与斜盘铰接点距离.P S O优化P I D控制方法P I D算法控制方程U(k)的数字化离散计算式:U(k)KPe(k)KIkie(i)KDe(k)e(k)()式中:KP、KI、KD分别为采样、积分与微分时间;e(k)和e(i)为控制变量;k为迭代量.P S O算法粒子利用局部信息Pi以及全局信息Pg i最优结果.群体内总共包含n个粒子,以xi表示粒子位置坐标,对应的速度是vi.以下是粒子群速度与位置的计算式:vi(k)wvi(k)cfr a n d()(Pixi(k)cfr a n d()(Pg ixi(k)()xi(k)xi(k)vi(k)()式中:w为惯性权重;c与c为加速常数;fr a n d()为位于,区间中的随机函数;k为迭代次数.图为P S O P I D控制系统结构.构建动臂液压系统函数表达式:G(s)ktsswvvwvsswggwgs()式中:kt为系统的闭环增益;wv为换向阀的相频宽度;v为换向阀的阻尼比,介于之间;wg 研究与设计 地铁挖掘机动臂势能回收P S O P I D控制策略设计及分析薛世龙国防交通工程与技术 年 月 卷期为液压缸的固有频率;g为液压缸的阻尼比,介于之间.PID?Vre(r)+?PSO?KPKIKDKPKIKDPID?e(r)+Fr?VF图P S O优化P I D控制结构根据掘进机液压缸结构构建仿真模型,通过简化三阶系统数学模型得到液压缸系统传递函数.选择某国产掘进机作为分析对象,得到:G(s)s ss()分析与仿真动态特性分析根据图可以发现,当动臂发生下落的过程中,液压油经液压马达/泵流入蓄能器中,受中间环节影响很少,同时发电机也将其中部分能量转换成了电能并被储存到超级电容内,实现对动臂上升能量的回收.采用AME S i m软件构建了仿真模型,对工程车挖掘过程进行了仿真测试,挖掘装置由最高位置运动至最低位置时,动臂油缸总共运动 m的距离,总能量 k J.系统进行能量回收时蓄能器与电池的能量变化、动臂在下落阶段形成的液压马达/泵流量变化和动臂在下落阶段速度变化如图所示.从图可知:一个循环过程可以实现回收 k J能量,回收率约,达到了非常高效的能量回收性能;在初始s内发生了流量提高,表明此时动臂达到了更快运动速度;动臂速度表现为先增大再降低的变化特征,符合实际运行过程中的动臂速度变化趋势,可以获得更优的动臂控制性能.系统参数优化分析进行仿真时,设定采样时间 s,持续仿真测试 s.综合运用P I D、模糊 P I D算法与P S O P I D算法处理获得P I D控制曲线,迭代响应结果见图.表给出了以三种不同方法激进型仿真测试获得的KP、KI与KD参数以及相应的动态性能指标调节时间Tt、上升时间Ts和超调量.通过分析可以发现,采用经验法进行处理时形成了较大的超调量与调节时间;采用模糊法进行处0.000.200.150.100.05v/(m s1)080604020Q/(L min1)12840246E/kJt/s?：?；?；?。图系统回收能量、液压马达/泵流量和动臂运动速度变化?1.41.21.00.80.60.40.26024810t/s?：PID；PSO-PID；?PID。图迭代响应仿真结果比较表不同控制方式下的系统参数及性能指标方法KPKIKDTt/sTs/s/P I D 模糊 P I D P S O P I D 理时需经过较长时间调节,无法实现对系统精度的稳定控制,各工况都需要建立复杂的模糊规则;以改进P S O法进行处理时可以实现上升与调节时间的优化控制,没有发生系统超调的情况.经综合考虑,为系统选择改进后的P S O优化算法,设定如下的初始参数:微粒数量PS ,KP区间为,KI区间为,KD区间为,c与c的最大值都为,c与c的最小值都为.仿真测试次获得P I D参数KP、KI、KD,表给出了系统参数及性能结果.表P S O控制下的系统参数及性能指标次数KPKIKDTt/sTs/s/从表中分别选择最优与最劣的一组参数,在截割电机中输入单位阶跃信号,到 s时为控制系统设置一个干扰信号,测定扰动模拟过程动臂电流信号,图是对电流信号进行仿真所得的结果.结果发现,P S O优化P I D控制处理不会发生超 研究与设计 地铁挖掘机动臂势能回收P S O P I D控制策略设计及分析薛世龙国防交通工程与技术 年 月 卷期100806040200?/A20406080100t/s?：PSO-PID-?；PSO-PID-?；?。图电流信号整定参数仿真结果比较调的情况,显著改善了优化性能,即使受到外部扰动因素的影响也能满足目标值的精确跟踪要求.结论本文开展地铁挖掘机动臂势能回收P S O P I D控制策略设计及分析,取得如下有益结果:()一个循环过程可以实现回收 k J能量,达到了非常高效的能量回收性能.()在初始s内发生了流量提高,表明此时动臂达到了更快运动速度,s之间调节液压马达/泵排量后动臂运动速度发生了降低变化.()动臂速度表现为先增大再降低变化,可以获得更优的动臂控制性能.参考文献 乔舒斐,郝云晓,权龙,等液电混合半主动驱动机械臂储能系统设计及仿真J液压与气动,():李建松,丁海港,赵继云,等超大型轮式挖掘机混合式动臂势能回收系统设计及仿真分析J液压与气动,():夏连鹏,权龙,曹东辉,等液气储能双缸驱动大型轮式挖掘机动臂节能特性研究J机械工程学报,():高有山,权龙,赵斌,等工程机械作业机构能量回收技术研究现状J液压与气动,():周智勇轮式挖掘机动臂流量再生节能系统研究J机电工程,():赵士明,赵静一,李喜林,等混合动力轮式挖掘机动臂能量回收方案 设 计 与 仿 真 研 究 J中 国 工 程 机 械 学 报,():李建松,黎少辉,周波,等融合流量再生的飞轮储能挖掘机能量回收系统J液压与气动,():关澈,程珩,权龙,等纯电驱轮式挖掘机电气式动臂势能回收再利用系统研究J液压与气动,():李泽鹏,权龙,葛磊,等液电混合驱动轮式挖掘机动臂特性及能效研究J机械工程学报,():付春雨,邹广德轮式挖掘机工作机构的动臂势能回收J济南大学学报(自然科学版),():杜希亮,占刚,毛卫秀,等液压挖掘机动臂势能回收与控制技术研究J机床与液压,():D e s i g na n dA n a l y s i so fP S O P I DC o n t r o l S t r a t e g yf o rB o o mP o t e n t i a lE n e r g yR e c o v e r y i nS u b w a yE x c a v a t o rX U ES h i l o n g(C h i n aR a i l w a y t hB u r e a uG r o u pF i f t hE n g i n e e r i n gC o,L t d,T i a n j i n ,C h i n a)A b s t r a c t:I nr e s p o n s e t ot h er e q u i r e m e n t so f e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o no fs u b w a yc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t,ac o m p o u n ds t r u c t u r ee x c a v a t o rb o o mp o t e n t i a l e n e r g yr e c o v e r ys y s t e mi sd e s i g n e d,w h i c hc a na c h i e v eh i g h e re n e r g yu t i l i z a t i o na n db e t t e re n e r g y s a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c t i o n O n t h eb a s i so f t h e o r i g i n a l P r o p o r t i o n a l I n t e g r a l D i f f e r e n t i a l(P I D)c o n t r o l,P a r t i c l eS w a r mO p t i m i z a t i o na l g o r i t h m(P S O)w a s i n t r o d u c e dt oo p t i m i z e t h e c o n t r o l,a n d t h e f l o wr e g u l a t i o nm o d eb a s e do nP S O P I Dc o n t r o lw a sg i v e n H y d r a u l i c a n de l e c t r i c a l c o n t r o lm e t h o d sw e r eu s e d t or e c o v e rp o t e n t i a l e n e r g y,a n d t h eh y d r a u l i cm o t o rd i s p l a c e m e n tw a sa d j u s t e dt oc o n t r o l t h es p e e do f t h ee x c a v a t o rb o o m,w h i c hg r e a t l yr e d u c e dt h ed i f f i c u l t yo fp r o g r a md e s i g n B a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o f t h es y s t e m,t h ep o t e n t i a l e n e r g yr e c o v e r ys y s t e mi sa n a l y z e db yAME S i ms o f t w a r e T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ee n e r g y r e c o v e r yo f o n e c y c l ep r o c e s s i s k J,w h i c hc a na c h i e v ev e r ye f f i c i e n t e n e r g yr e c o v e r yp e r f o r m a n c e T h eb o o ms p e e d i n c r e a s e s f i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e s,w h i c hc a no b t a i nb e t t e rb o o mc o n t r o l p e r f o r m a n c e K e yw o r d s:p o t e n t i a l e n e r g yr e c o v e r y;e n e r g y s a v i n gc i r c u i t;e x c a v a t o rb o o m;a c c u m u l a t o r(上接第 页)c i v i l i a ns h i p s,w h i c h i sn o t s c i e n t i f i ce n o u g h,ac i v i l i a ns h i pr e q u i s i t i o nm o d e l i sc o n s t r u c t e db a s e do nas y s t e m a t i ca n a l y s i so f t h e i n f l u e n c i n gf a c t o r s t h a tn e e dt ob ec o n s i d e r e d i nc i v i l i a ns h i pr e q u i s i t i o n,a n dv a r i o u sc o mm o n l yu s e de v a l u a t i o nm e t h o d s a r e i n t e g r a t e d T h a t i s,f i r s t l y,t h e c o m p l e x i n d e xp r o b l e mi sd a t a l i z e db y t h e a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s,a n dt h e nt h e i n d e xd i m e n s i o n i sr e d u c e db yt h ep r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i sm e t h o d T h er e l i a b i l i t yo f t h em o d e l i st e s t e d,w h i c hc a np r o v i d eas c i e n t i f i ca n de f f e c t i v em e a n s f o r t h e f o r m u l a t i o no f c i v i l i a ns h i pr e q u i s i t i o ns c h e m e i nw a r t i m e K e yw o r d s:h i e r a r c h i c a l a n a l y s i s;p r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s;c i v i l s h i pr e q u i s i t i o n 研究与设计 地铁挖掘机动臂势能回收P S O P I D控制策略设计及分析薛世龙