唐平建，孫澤林，宋 鵬

(中國人民解放軍63870部隊， 陜西 華陰 714200)

質(zhì)心位置的測量對于確定車輛的機動性、操縱穩(wěn)定性和安全性具有十分重要的意義[1-3]。目前，車輛(特別是特種車輛)的質(zhì)心測量大多采用可傾斜平臺測量法。該方法采用合力矩定理，利用平臺水平、傾斜狀態(tài)分別測量出水平、豎直方向的質(zhì)心坐標(biāo)值，測量的準(zhǔn)確度和自動化程度較高，得到了廣泛應(yīng)用?？蓛A斜平臺主要有側(cè)傾和縱傾兩種方案，有三點支撐、四點支撐、六點支撐等支撐方式。由于三點決定一個平面，三點支撐自動調(diào)平的控制相對容易，但測量時要求被試車輛概略居中，否則會影響支撐的穩(wěn)定性；四點、六點支撐的穩(wěn)定性好，但存在靜不定的問題，容易產(chǎn)生“虛腿”現(xiàn)象，自動控制較難，效率難以提升[4]。為此，本文充分考慮設(shè)備的可靠性、成本及測量效率，在車輛質(zhì)心測量設(shè)備研制中采用“縱傾+三點支撐”的方案，將模糊PID 控制策略應(yīng)用到此系統(tǒng)中以提高系統(tǒng)的自動調(diào)平與升降性能。

1 調(diào)平與升降系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 調(diào)平與升降系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)

車輛質(zhì)心測量設(shè)備的調(diào)平與升降系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。測量平臺由A、B、C三點支撐，其中A為固定點，位置始終保持不變，通過調(diào)整B、C液壓缸的位置實現(xiàn)測量平臺的調(diào)平和升降。傾角傳感器為一縱一橫正交布置，檢測出測量平臺的實時狀態(tài)，用于判斷是否精確調(diào)平及給出傾斜角度值，作為伺服控制閉環(huán)的反饋。平臺限制裝置用于支撐臺面，可避免稱重傳感器及液壓系統(tǒng)受到持續(xù)壓力和車輛駛?cè)肱_面時的瞬時沖擊。

圖1 調(diào)平與控制系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)布局示意圖

1.2 液壓系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)的硬件主要由液壓站(包含液壓泵、伺服電機、油源及附件等)、液壓缸、液壓控制閥組件等部分組成，其工作原理如圖2所示。測量平臺的調(diào)平與升降依靠對液壓系統(tǒng)各組件的控制來實現(xiàn)，最終由Y1、Y2升降液壓缸去執(zhí)行。

圖2 液壓系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)采用恒壓變量泵控制系統(tǒng)壓力。油缸運動速度較小時，系統(tǒng)壓力達到工作上限，油泵輸出壓力達到恒壓點，在升壓過程中對蓄能器充油、穩(wěn)壓，油泵電機消耗功率逐漸變小。平臺油缸運動速度較大時，蓄能器釋放能量，維持平衡系統(tǒng)工作壓力，油泵自動調(diào)整流量輸出，直到達到壓力上限。工作中系統(tǒng)意外斷電時，蓄能器為系統(tǒng)供油，滿足運動平臺短時連續(xù)工作，達到液壓系統(tǒng)的斷電保護功能。

液壓系統(tǒng)設(shè)計了無動力自鎖保護回路(11-12)，在系統(tǒng)突然斷電時能保證測量平臺當(dāng)前的姿態(tài)，以保護測量平臺及被試車輛的安全。此時，可啟動安全保護程序，使測量平臺緩慢地停止在最低位置，以確保設(shè)備、被試車輛和人員的安全。

2 基于模糊PID的液壓自動控制

2.1 自動控制系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)采用PLC(可編程邏輯控制器)對液壓閥組件進行控制，自動控制系統(tǒng)的原理和流程如圖3所示。對測量平臺的調(diào)平與升降通過A/D、D/A轉(zhuǎn)換實現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)控制，采用高精度縱、橫傾角傳感器檢測平臺的水平狀態(tài)及縱傾角度，并反饋給PLC形成閉環(huán)控制[5]。由于液壓傳動存在非線性，傳統(tǒng)PID的控制效果不太理想，經(jīng)常出現(xiàn)超調(diào)量大、響應(yīng)時間長等現(xiàn)象，模糊PID控制可較好地解決這個問題。

車輛質(zhì)心測量前，將車輛駛?cè)霚y量平臺并概略居中，系統(tǒng)上電，觀察軟件、傳感器及各項狀態(tài)參數(shù)是否正常，確定正常后啟動液壓系統(tǒng)。選擇自動運行方式(手動操作僅用于系統(tǒng)調(diào)試和故障處理)，對測量平臺進行精確調(diào)平，然后測量車輛的質(zhì)量和水平方向(X、Y向)的質(zhì)心位置。如要測量車輛的質(zhì)心高度(Z向)，則進行平臺傾斜操作，輸入所需的傾斜角度，進行測量平臺的自動傾斜，精確到位后進行質(zhì)心高度測量。最后，測量平臺歸位，車輛駛出平臺，測量完成，系統(tǒng)斷電。

2.2 模糊PID的自動控制策略

PID控制的適應(yīng)性強，只要參數(shù)整定合適，適用于各種控制對象，但不能進行自適應(yīng)控制。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機控制方法，是智能控制的一個重要分支，在自動控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。模糊控制具有很強的適應(yīng)性和魯棒性，能夠有效地處理系統(tǒng)的不確定性、測量的不精確性等模糊性，適合應(yīng)用于非線性、時變和時滯控制系統(tǒng)中。將PID控制與模糊控制相結(jié)合，通過模糊邏輯算法整定出PID的3個參數(shù)，具有自適應(yīng)的特性，能夠提高系統(tǒng)控制精度，測量平臺在自動調(diào)平與升降過程中更加平順和穩(wěn)定，效率更高[6-9]。

圖3 自動控制系統(tǒng)

在測量平臺調(diào)平時，理想狀態(tài)是縱、橫傾角均為0，采用縱、橫傾角傳感器的偏差e、e′及其偏差變化率de/dt、de′/dt作為模糊PID控制的輸入變量。在測量平臺縱傾時，采用縱向傾角傳感器與輸入傾角值的偏差E及偏差變化率dE/dt、橫向傾角傳感器的偏差e′及偏差變化率dE/dt作為模糊PID控制的輸入量?？刂圃砣鐖D4所示，圖4中Δkp、Δki、Δkd是PID參數(shù)的修正值。在運行過程中，通過不斷檢測角度偏差實時修正控制參數(shù)，以適應(yīng)不同時刻的角度偏差對控制參數(shù)的要求。

由于車輛質(zhì)心測量的液壓系統(tǒng)是典型的低速重載系統(tǒng)，考慮到設(shè)備運行的安全性，在調(diào)平與升降過程中液壓缸的運動速度很低，在此采用了一種P-Fuzzy-PID的混合控制策略。先設(shè)定一個較大的閾值e1(調(diào)平)、E1(升降)和一個較小的閾值e2(調(diào)平、升降)、E2(升降)，然后利用偏差值與閾值進行比較，以判斷采用哪一種控制方式，控制程序流程如圖5、圖6所示。

圖4 模糊PID控制原理框圖

圖5 自動調(diào)平控制程序流程框圖

從圖5可以看出，自動調(diào)平的規(guī)則為：① 當(dāng)偏差值|e|>e1且|e′ |>e1時，此時系統(tǒng)處于啟動階段，與調(diào)平要求差距較大，采用比例控制，能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過程；② 當(dāng)偏差值|e|

圖6 自動升降控制程序流程框圖

3 驗證

為解決車輛質(zhì)心測量平臺使用中調(diào)平與升降超調(diào)量大、響應(yīng)時間長等問題，驗證基于模糊PID的液壓自動調(diào)平與升降控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，對設(shè)備原有的傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)進行了基于模糊PID的控制改造。

在設(shè)備改造前后，在空載和負載條件下分別進行了調(diào)平與升降試驗。其中，負載試驗采用約20T鋼板代替車輛進行測量，如圖7所示。調(diào)平試驗縱、橫傾角傳感器的初始角度均置于0.3°，當(dāng)縱、橫傾角傳感器的角度輸出值均穩(wěn)定在區(qū)間[-0.012°，0.012°]之間時判定達到調(diào)平狀態(tài)。升降試驗在調(diào)平狀態(tài)下進行，傾斜角度均為10°，當(dāng)測量平臺穩(wěn)定到10°±0.012°時判定上升到位；下降則是上升反過程。每個狀態(tài)的調(diào)平與升降試驗均進行5次，取平均值作為最終試驗結(jié)果，如圖8所示。

圖7 調(diào)平與升降試驗現(xiàn)場

圖8 調(diào)平與升降試驗結(jié)果曲線

比較兩種控制模式下的曲線可見，采用模糊PID控制相比傳統(tǒng)PID控制，性能得到了明顯提高，主要體現(xiàn)在：① 測量平臺調(diào)平時減少了超調(diào)量和震蕩次數(shù)，提高了調(diào)平穩(wěn)定性；② 調(diào)平與升降過程的響應(yīng)速度顯著提升，空載狀態(tài)調(diào)平時間從約110 s縮短到約45 s，負載狀態(tài)調(diào)平時間從約100 s縮短到約45 s，空載和負載狀態(tài)下的傾斜10°的上升與下降時間從約150 s縮短到約100 s。

4 結(jié)論

液壓自動調(diào)平與升降控制一般采用傳統(tǒng)的控制方法，控制性能難以提高，容易出現(xiàn)超調(diào)量大、響應(yīng)時間長等問題。本文采用模糊PID的自動控制策略對傳統(tǒng)的PID控制進行了改造，并進行了驗證，試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的調(diào)平穩(wěn)定性和響應(yīng)速度等方面的性能均有明顯提高。