水下液压冲击铲控制系统.docx

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水下液压冲击铲控制系统

J．Marine．Sci．Appl．（2008）7：

139—142

DOI：

101007／s11804．008．6046—0

水下液压冲击铲控制系统

刘贺平，罗阿妮，肖海燕

机械与电气工程学院，哈尔滨工程大学，哈尔滨150001，中国

摘要：

本次设计的控制系统主要是确定了一个水下液压冲击铲的控制效果。

本文首先分析这些冲击铲的工作原理以及其控制系统的重要性。

一种新的控制系统数学模型是根据这些原则分析和建立的。

自从最初的控制系统的响应时间不能满足其设计要求之后，控制系统添加了PID控制器，系统的响应时间仍然比要求的要慢，所以增加了神经网络到非线性调节比例元素中，即PID控制器的积分和微分环节的系数。

控制系统在得到改进之后，系统参数就能够符合设计要求。

电控部件例如快速移动的高速开关阀的工作性能在很大程度上是由控制系统确定的。

常规的控制方法一般不能满足冲击铲的控制要求。

因此在先进和常规的控制方法相结合的情况下，控制系统的性能得到了很大的提高，也产生了不错的效果。

关键词：

液压冲击铲;控制系统；PID；BP网络

1、介绍

液压冲击工具已经发展了很多年，而且这种产品已经得到了广泛的应用，相关技术也进行了深入研究，不同的材料需要不同的冲击力，但目前液压冲击器的冲击频率无法得到验证，因此，冲击力所产生的冲击能量与被损物所需要的能量不相匹配，这样就导致了能量的浪费，因此有必要开发一种可以改变输出能量的液压冲击工具。

水下液压冲击铲（UHSS）主要是对可调节冲击频率特性进行了研究 ，当功率是常数时，频率与冲击输出的能量成反比。

所以UHSS能够调节冲击能量。

其控制系统对调节输出频率的功能以及在下面所进行得研究是至关重要的。

2、UHSS工作原理

UHSS的工作原理如图1所示，冲击力通过活塞杆5往复移动所产生.真空氮气室6与活塞杆5连接成一个高压氮气室。

在后面的过程中，活塞杆5挤压氮气室6压缩高压氮气，从而节约能源。

在第四个步骤中，高压氮气与液压进行有效的配合。

高压油进入入口I和III，入口Ⅱ与油箱相连，配油阀阀芯的往复移动调节入口IV，VI，II和III之间的联系，从而调节活塞腔的压力使气缸往复移动形成冲击。

当高压油进入到与油箱相连的高速转换阀门2时，配油阀阀芯向左移动到端点（如图11所示）。

在这种情况下，入口Ⅳ与入口Ⅱ相连接，入口V与入口Ⅲ相连接。

高压油进入UHSS右腔后，左腔与油箱连接，使油箱压力下降。

活塞杆向左移动，当高压油进入高速开关阀且调节阀2与罐体连接时，阀芯向右移动到终点。

在这样的情况下，入口Ⅳ与入口Ⅰ相连，入口Ⅴ与入口Ⅱ相连。

高压油移动到活塞左腔，右室提供高压油进入油箱来减少压力，活塞杆5向右移动。

在UHSS工作之前，电磁阀4先启动，高压油进入缸的两个腔体内，以防止在起动时由于压差太大而引起的冲击。

在最后阶段，电磁阀4再次启动，油缸两腔内的液压油进入到油箱中。

这种UHSS是以两个高速开关阀控制为主。

其额定频率为25Hz。

控制系统主要控制高速开关阀的运动，控制阀控制活塞的运动。

如果控制系统不能正常工作，将直接影响活塞杆的运动。

由于控制系统的作用非常重要，因此对其进行分析是必要的。

接下来控制系统将在其工作原理上建立。

12.高速转换阀；3.电磁阀组；4油箱分配阀；5活塞杆；6.氮气室

图1铲工作原理

3、控制系统模型

以下为UHSS工作描述。

两个高速开关阀控制配油阀的运动。

通过这种方式，高压油的流动方向得到调整。

因此，活塞杆能快速的往复移动.为了利用PWM信号驱动高速转换阀，单片机需要发出信号，从压力传感器的反馈信号也是模拟信号，单片机也需要将这些信号改变为数字参数以此作为判断依据。

单片机在计算能力上欠佳，而程序输入的修复是非常困难的。

实时的使用系统压力调节冲击能，这种计算量太大，这对于使用单片来实现是非常困难的。

所以，本控制系统采用主从式计算机，通过主机实现程序的计算，压力传感器将液压系统的压力反馈到副机上，从而副机能输出正确的控制信号，详细的控制框架如下图所示。

图2UHSS控制系统的框架图

4、控制系统的分析

图3UHSS第4组控制系统框图

基于以上分析，建立了UHSS控制系统。

控制系统的框架在图3上有说明。

在图中，KQ是高压转换阀门的流量增益，AF是阀芯两侧负载区域的差异，mF是阀芯及其内部油的等效质量，X是阀芯的位移，BF是阀芯阻尼系数，kF是阀芯油的等效刚度，Ct是泄漏系数，A1是油缸的左腔截面面积，A2是另一腔的截面面积，V1的油缸右腔的体积。

控制系统电压为输入，液压系统的油压为输出，这样使控制模型得以建立与分析。

图4和图5是伯德图和开环传递函数的升压反应曲线图，基于图4，控制系统确定了幅度和相位极值，因此，该系统是稳定的，但开环增益和闭环频率带宽是非常低的，而且响应速度较低，如图5，系统不善于跟踪大规模调整振幅和频率的范围，所以适当的校正方法和控制策略被采用来提高系统的性能。

图4控制系统的Bode图

图5无反馈控制系统的阶跃曲线

为了改善控制系统，首先PID控制被添加到控制系统中，比例环节，积分环节和导数元素系数的变化来获得不同的控制系统输出。

最后，通过三个系数的合理组合，可以得到所需的系统输出。

数个PID系数组合曲线如图6所示，没有标记的曲线是PID改进前的响应曲线。

所有的曲线是阶跃信号的系统响应。

结果如图6所示。

合理的选择PID系数可以在一定程度上提高控制系统的响应速度，但是系统达到稳定的时间不能满足需求，这样的反应速度不能满足设计要

求，UHSS通过判断压力传感器反馈的信号来控制这些高速开关阀。

不同的环境和UHSS的工作情形，系统的参数会有所不同。

从这一点上，控制系统属于随时间变化的不确定系统，使用PID控制不能得到理想的结果。

为了通过PID控制得到良好的控制结果，比例、积分和微分系数应调整形成一种复杂的非线性关系。

这对于PID控制来说是很困难的，为了解决这些问题，神经网络理论被引入到PID控制器中，神经网络具有表达任何非线性的能力。

通过研究系统的性能，最佳的PID控制结合可以形成。

采用BP神经网络，自学式PID控制器，包括系数Kp，KI，和KD被建立。

图6不同参数的曲线响应

图7基于BP网络的PID控制框图

（a）阶跃响应曲线

（b）KP，KI，KD的变化曲线

图8基于BP网络的PID自适应曲线

图7给出了基于BP网络PID控制器控制系统的框图。

G（s）是控制系统的传递函数。

改进的控制系统的模拟分析结果如图8，包括系统的响应曲线和控制

器的三个参数的变化曲线，左图为阶跃响应信号，右图显示了PID控制器三个参数曲线的变化，该控制系统的稳定时间在0.015s内，过度稳定时间低于5%，上升时间为0.006s。

因此，完善后的控制系统能够满足控制系统的响应速度和稳定性的要求，实现了UHSS控制系统。

5.结论

此控制系统是UHSS的一个重要组成部分。

是否合理将直接决定了UHSS的功能。

其控制系统已经进行了分析和改进研究。

因此，该控制系统可以在给定的时间里满足设计的要求且稳定。

随着技术的发展，先进的控制方法逐渐被引入到控制系统中，以显著的提高控制系统。

在此期间，一些传统的控制方法将会由困难变得简单。

参考文献

1.刘贺平，孟庆鑫，房晓明水下液压冲击器的机理研究[期刊论文]-哈尔滨工程大学学报2005

（1）

2.孟庆鑫，刘贺平，王立全，张岚，弓海霞自反馈式水下液压冲击器冲击频率的确定[期刊论文]-哈尔滨工程大学学报2005

（2）

3.刘贺平水下液压挖掘机虚拟样机设计及关键技术试验研究[D]哈尔滨工程大学2005

4.白金，韩俊伟基于MATLAB/Simulink环境下的PID参数整定[期刊论文]-哈尔滨商业大学学报（自然科学版）2007（6）

5.赵娟平，张玉侠基于BP神经网络整定的PID控制及其方针研究[期刊论文]-沈阳化工学院学报2007

（2）

附件：

（外文翻译原文）

J．Marine．Sci．Appl．（2008）7：

139—142

DOI：

101007／s11804．008．6046—0

Underwaterhydraulicshockshovelcontrolsystem

LIUHe-ping,LUOA-ni,XIAOHai-yan

CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001，China

Abstract：

Thecontrolsystemdeterminestheeffectivenessofanunderwaterhydraulicshockshovel．Thispaperbeginsbyanalyzingtheworkingprinciplesoftheseshovelsandexplainstheimportanceoftheircontrolsystems．Anewtypeofcontr01system’smathematicalmodelwasbuiltandanalyzedaccordingtothoseprinciples．Sincetheinitialcontrolsystem’sresponsetimecouldnotfulfillthedesignrequirements．aPIDcontrollerwasaddedtothecontrolsystem．Systemresponsetimewasstillslowerthanrequired，soaneuralnetworkwasaddedtononlinearlyregulatetheproportionalelement，integralelementandderivativeelementcoefficientsofthePIDcontroller．Aftertheseimprovementstothecontrolsystem，systemparametersfulfilledthedesignrequirements．Theworkingperformanceofelectrically—controlledpartssuchastherapidlymovinghighspeedswitchvalveislargelydeterminedbythecontrolsystem．Normalcontrolmethodsgenerallycan’tsatisfyashovel’srequirements．soadvancedandnormalcontrolmethodswerecombinedtoimprovethecontrolsystem．bringinggoodresults．

Keywords:

hydraulicshockshovel；controlsystem；PID；BPnetwork

1Introduction

Thehydraulicimpacttoolhasbeendevelopingformanyyears．Moreover,thiskindofproductshasbeenwidelyused．Relativetechnologyhasalsobeendeeplystudied．Differentmaterialneedsdifferentimpactforce．Butatpresent，theshockfrequencyofhydraulicimpacttoolcan’tbeverified．Therefore，theshockenergygeneratedbytheshockforcedoesn’tmatchtheonethatthethingneedstobedestroyed，whichleadstowastageofenergy．Itisnecessarytodevelopakindofhydraulicshocktoolwhichcanchangetheoutputenergy．Theunderwaterhydraulicshockshovel（UHSS）studiedinthispaperhasthecharacterofregulatingimpactfrequency．Whenthepowerisconstant，frequencyisininverseproportiontotheoutputenergyofoneshock．SoUHSScanregulateimpactenergy．Itscontrolsystemisimportanttothefunctionofregulatingtheoutputfrequencyandwillbestudiedbelow．

2UHSSworkprinciples

TheworkprincipleofUHSSisshowninFig1．The shockforceisproducedbypistonrod5movingTo-and-fro．Thevacuumnitrogenchamber6connectingwiththetopofpistonrod5isaHigh-pressurenitrogenchamber．Inthebackcourse，thepistonrod5reducesthevolumeofnitrogenchamber6tocompresshigh-pressurenitrogenandthussaveenergy．Intheforthcourse，thehigh-pressurenitrogenworkstogetherwithhydraulicpressure．

High-pressureoilentersintoentrancesIandIIIandentranceIIisconnectedwiththetank．Thespooloftheoil-distributingvalvemovesto-and-frotoregulatetherelationofentrancesIV,V,I,IIandIII,soastoregulatethepressureofpistonchamberstomakethecylindermoveto-and-froandthusformshock.Whenhigh-pressureoilmovesintothehigh-speedswitchvalve2andthevalveisconnectedwiththetank，thespooloftheoil-distributingvalvemoveslefttotheendpoint（asshowninFig1）[1]Undersuchcircumstances．entranceIVisconnectedwithentranceIIandentranceVwithIII．Thehigh-pressureoilentersintotherightchamberofUHSS．andtheleftchamberisconnectedwiththeoiltank．whichmakesthechamberpressurefall．Thepistonrodmovesleft．Whenhigh-pressureoilentersintothehigh-speedswitchvalveandvalve2isconnectedwiththetank.thespoolmovestotherightendpoint.Undersuchcircumstances．entranceIVisconnectedwithentrancelandentranceVwithII．Thehigh-pressureoilmovesintotheleftchamberofthepiston．Therightchamberdelivershigh-pressureoilintothetanktoreduceitspressure．Thepistonrod5movesright．BeforeUHSSworks，group4ofelectromagnetismvalvesworksandhigh-pressureoilentersintothetwochambersofthecylinder,whichpreventstheimpulsionduetotoolargedifferenceofpressureatthetimeofstartup[2]theendofwork，group4worksagainandthehydraulicoilinthetwochamberofthecylinderentersintothetank．

ThisUHSSiscontrolledmainlybytwohigh-speedswitchvalves．Itsratedfrequencyis25Hz．Thecontrolsystemmainlycontrolsthemovementofthehigh-speedswitchvalve，andthevalvecontrolsthepiston．Ifthecontrolsystemcan’tworknormally，themovementofthepistonrodisdirectlyinfluenced．Becauseoftheimportantroleofthecontrolsystem．itisnecessarytoanalyzeit．Thecontrolsystemwillbebuiltinthefollowing．basedontheworkprinciple[3J．

1,2.high-speedswitchvalves；3.oil—distributingvalve4．agroupofelectromagneticvalve；

5．pistonrod；6．nitrogenchamber

Fig．1Shovelworkprinciple

3Controlsystemmodel

ThisUHSSworksasthefollowingdescription．TwoHigh-speedswitchvalvescontrolthemotionofoil-distributingvalve．Bythisway,theflowingdirectionofhighpressureoilisadjusted．Asaresult，thepistonrodmovesquicklyto-and-fro．InordertoutilizePWMsignaldrivingthehigh-speedswitch，aSingle-chip-computerisneededtogiveoutsignals．Thefeedbacksignalfromthepressuresensorisananalogsignaltoo．Thesingle-chip-computerisalsoneededtochangethesesignalsintodigitalparametersasjudgmentsignals．Thesingle-chip-computerisnotgoodatcalculation，andtheprogram’sinputtedrepairisverydifficult．Usingthesystempressuretoadjustshockenergyinreal·time，andcalculationistoohuge．Thenitisverydifficultforsingle-chip-computerimplementing．Sothiscontrolsystemusesmasterandslavecomputers，implementingtheprogramcalculationbymastercomputer．Thepresssensorfeedstheoilpressureofthehydraulicsystembacktotheslavecomputersothattheslavecomputergivesoutcorrectcontrolsignal．ThedetailedcontrolframeworkisshowninthefollowingFig．2．

Fig．2ControlsystemframeworkofUHSS

4Analysisofthecontrolsystem

Fig．3ControlsystemblockdiagramofUHSSintheforthcourse

Basedonaboveanalyses，thecontrolsystemisbuiltforUHSS．ThecontrolsystemframeworkisillustratedinFig．3．Inthefigure，KQisthefluxgainofhighswitchvalve，AFistheloadingareadifferenceonbothsidesofthevalvespool，mFisequivalentmassofspoolanditsinneroil，xisthedisplacementofthespool，BFisthedampcoefficientofspool，kFisoilequivalentstiffnessinspool,Ctisleakagecoefficient,A1is