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[摘要]：为了研究现有高空作业车变幅系统的动态特性及提高其控制精度，提出了一种新型的电液比例变幅系统。根据其工作原理及结构参数，建立了变幅系统的数学模型，建立了基于Mutlab电液比例闭环控制系统的仿真模型。研究和分析了仿真参数及PID调节器对系统动态特性的影响。仿真结果表明：系统的稳定性较好，并再增大原有系统的比例增益后，系统的响应及举升精度均得到一定程度的改善；但在改用PID调节器后，变幅系统的响应及精度将得到明显的改善。通过对动态响应结果的分析，可以为变幅系统今后的设计和优化提供重要的理论依据。
[关键词]：高空作业车 变幅系统 电液比例阀 动态仿真
中图分类号：TP391.9 文献标识码：TP 文章编号：1009-914X（2012）26- 0619 -02
0 前言
高空作业机械（高空作业车）作为工程机械领域的一个重要分支，广泛应用于船舶、建筑、市政建设、消防、港口货运等行业，是新兴的技术产业有着广阔的发展前景[1]。而变幅系统作为高空作业车主要工作机构之一，它的结构设计是否合理，参数选择是否合适等将极大地影响到高考作业车的可靠性、先进性等。近来，高空作业车的控制方式都趋向于电液比例控制方向，采用电液比例换向阀实现作业臂的变幅，转台的回转 [2]。因此，合理配置变幅系统的元件参数对于保证系统稳定运行具有重要的意义。
本文针对国产某型14m高空作业车变幅过程中存在着作业臂举升抖动现象严重的问题。折叠式高空作业车在起升和下降变幅过程中，由于工作重心的变化，都会出现负负载的情况[3，4]，通过使用电液比例阀可以实现工作臂在出现负负载时，提高了系统工作的稳定性和可靠性[5]。论文根据变幅回路液压原理图建立了阀控液压缸的数学模型，然后，利用Mutlab建立系统的仿真模型，通过仿真方法，从系统和元件的角度进行理论上的研究分析。
1 高空作业车变幅系统工作原理
大臂的变幅由M型中位机能的三位四通电液比例阀3来控制，当电液比例阀3工作在右位、左位、中位时分别控制大臂的增幅、减幅和停止三种工况。例如：当电液比例阀3在右位时，液压泵1通过电机驱动，输出的压力油经液压管道进入电液比例阀3右位，后经过平衡阀4进入液压缸5的无杆腔。而液压缸有杆腔中的液压油经电液比例阀3右位，然后通过滤油器流回油箱。系统的工作压力通过溢流阀3进行调节，而平衡阀4 是为了使回路产生适当的阻力，可防止液压缸与工作部件由于自重而自行下滑，或在下行运动中由于自重而造成超速运动，使运动不平稳。
2 变幅系统的仿真与分析
2.1比例系数对变幅系统动态特性的影响
当K=1时，系统动态特性显著提高，响应速度得到极大提高，大约在0.17s便可平稳，且变幅精度也随之提高，可以达到19mm。然而当K值持续上调到2时，系统的响应速度提高缓慢，系统的振荡反而增大，并且控制精度上调的空间也变小。显然，并不是K值越大越好，过大不但对精度提高作用不大，反而会使系统出现较大的振荡，甚至发散造成系统不稳定；比例系数过小时，虽然系统振荡消失了，但会增加稳态误差控制精度降低，同时系统的响应时间延长，甚至输入变小，使得系统不运作。因此，在满足系统稳定性的前提下应尽量加大系统输入比例系数，改善系统的动态特性。
2.1 PID调节器对变幅系统动态特性的影响
PID调节器的控制作用应注意以下几点：
（1）比例系数Kp直接决定控制作用强弱，作用等同于放大器比例系数。
（2）在比例调节基础上加上积分控制可以消除系统的稳态误差，但它会降低系统的响应速度，而且过大的积分作用会使系统稳定性变差。
（3）微分控制能够预测偏差，产生超前校正作用，它有助于克服振荡，使系统趋于稳定，并能加快系统的响应速度；但它的不足之处就是放大了噪声信号。
综上所述，通过仿真试验可知，合理调节变幅电液系统的参数和加入PID校正可以保证变幅电液系统在稳定的工作状态，满足实际高空作业的需求。
3 结论
本文分析了高空作业车电液比例变幅机构的工作原理，建立了变幅电液系统数学模型和建立Mutlab/Simulink仿真模型，分析了系统比例因子对其动特性的影响，为设计提供了参考。从分析的结论中，可以得到：
（1）通过运用Mutlab/Simulink仿真软件对电液比例变幅控制系统进行的仿真分析，较传统的分析方法较为快速、精确。可以降低设计成本，提高设计效率，从而为液压系统仿真提供了一个新手段。
（2）通过分析整个电液变幅系统的Bode图，可知该系统是稳定的。
（3）系统比例系数（K）的改变，对系统的响应时间、控制精度有着较大的影响，而不合理的K值不但得不到最優的控制效果，反而会破坏系统的稳定性。过大或过小都不合适，故为得到较好的动、静态特性，需调整适当比例系数。
（5）通过装备PID控制器后，系统的动、静态特性有着明显改善。
参考文献
[1] 张华，霍玉兰.我国高空作业车行业发展与展望[J].建筑机械，2009（5）：38-42
[2] 叶建文.电液比例控制阀在工程机械中的应用研究[J].机电产品开发与创新，2007（4）：3-5
[3] Haidong Hu； En Li； Xiaoguang Zhao； Min Tan； Wensheng Yu. Backstepping controller design for the trajectory tracking control of work platform of folding-boom aerial platform vehicle[J]. International Conference on Robotics and Biomimetics （ROBIO）， 2010： 1641 – 1644
[4] QingHui Yuan； Jae Lew； Piyabongkarn， D. Motion control of an aerial work platform[J].American Control Conference， 2009. ACC '09， 2009： 2873 - 2878
[5] 强宝民，刘保杰 电液比例阀控液压缸系统建模与仿真[J].起重运输机械，2011（11）：12-14
[6] Dong Jin-bo， Ren Si-jing， Research of synchronization control system based on electro-hydraulic proportional valve[J]. International Conference on Computer Application and System Modeling （ICCASM），2010：377-380
[7] 林水秋.基于simulink的液压控制系统的建模与仿真[J].漳州师范学院学报，2006（3）：53-54
[关键词]：高空作业车 变幅系统 电液比例阀 动态仿真
中图分类号：TP391.9 文献标识码：TP 文章编号：1009-914X（2012）26- 0619 -02
0 前言
高空作业机械（高空作业车）作为工程机械领域的一个重要分支，广泛应用于船舶、建筑、市政建设、消防、港口货运等行业，是新兴的技术产业有着广阔的发展前景[1]。而变幅系统作为高空作业车主要工作机构之一，它的结构设计是否合理，参数选择是否合适等将极大地影响到高考作业车的可靠性、先进性等。近来，高空作业车的控制方式都趋向于电液比例控制方向，采用电液比例换向阀实现作业臂的变幅，转台的回转 [2]。因此，合理配置变幅系统的元件参数对于保证系统稳定运行具有重要的意义。
本文针对国产某型14m高空作业车变幅过程中存在着作业臂举升抖动现象严重的问题。折叠式高空作业车在起升和下降变幅过程中，由于工作重心的变化，都会出现负负载的情况[3，4]，通过使用电液比例阀可以实现工作臂在出现负负载时，提高了系统工作的稳定性和可靠性[5]。论文根据变幅回路液压原理图建立了阀控液压缸的数学模型，然后，利用Mutlab建立系统的仿真模型，通过仿真方法，从系统和元件的角度进行理论上的研究分析。
1 高空作业车变幅系统工作原理
大臂的变幅由M型中位机能的三位四通电液比例阀3来控制，当电液比例阀3工作在右位、左位、中位时分别控制大臂的增幅、减幅和停止三种工况。例如：当电液比例阀3在右位时，液压泵1通过电机驱动，输出的压力油经液压管道进入电液比例阀3右位，后经过平衡阀4进入液压缸5的无杆腔。而液压缸有杆腔中的液压油经电液比例阀3右位，然后通过滤油器流回油箱。系统的工作压力通过溢流阀3进行调节，而平衡阀4 是为了使回路产生适当的阻力，可防止液压缸与工作部件由于自重而自行下滑，或在下行运动中由于自重而造成超速运动，使运动不平稳。
2 变幅系统的仿真与分析
2.1比例系数对变幅系统动态特性的影响
当K=1时，系统动态特性显著提高，响应速度得到极大提高，大约在0.17s便可平稳，且变幅精度也随之提高，可以达到19mm。然而当K值持续上调到2时，系统的响应速度提高缓慢，系统的振荡反而增大，并且控制精度上调的空间也变小。显然，并不是K值越大越好，过大不但对精度提高作用不大，反而会使系统出现较大的振荡，甚至发散造成系统不稳定；比例系数过小时，虽然系统振荡消失了，但会增加稳态误差控制精度降低，同时系统的响应时间延长，甚至输入变小，使得系统不运作。因此，在满足系统稳定性的前提下应尽量加大系统输入比例系数，改善系统的动态特性。
2.1 PID调节器对变幅系统动态特性的影响
PID调节器的控制作用应注意以下几点：
（1）比例系数Kp直接决定控制作用强弱，作用等同于放大器比例系数。
（2）在比例调节基础上加上积分控制可以消除系统的稳态误差，但它会降低系统的响应速度，而且过大的积分作用会使系统稳定性变差。
（3）微分控制能够预测偏差，产生超前校正作用，它有助于克服振荡，使系统趋于稳定，并能加快系统的响应速度；但它的不足之处就是放大了噪声信号。
综上所述，通过仿真试验可知，合理调节变幅电液系统的参数和加入PID校正可以保证变幅电液系统在稳定的工作状态，满足实际高空作业的需求。
3 结论
本文分析了高空作业车电液比例变幅机构的工作原理，建立了变幅电液系统数学模型和建立Mutlab/Simulink仿真模型，分析了系统比例因子对其动特性的影响，为设计提供了参考。从分析的结论中，可以得到：
（1）通过运用Mutlab/Simulink仿真软件对电液比例变幅控制系统进行的仿真分析，较传统的分析方法较为快速、精确。可以降低设计成本，提高设计效率，从而为液压系统仿真提供了一个新手段。
（2）通过分析整个电液变幅系统的Bode图，可知该系统是稳定的。
（3）系统比例系数（K）的改变，对系统的响应时间、控制精度有着较大的影响，而不合理的K值不但得不到最優的控制效果，反而会破坏系统的稳定性。过大或过小都不合适，故为得到较好的动、静态特性，需调整适当比例系数。
（5）通过装备PID控制器后，系统的动、静态特性有着明显改善。
参考文献
[1] 张华，霍玉兰.我国高空作业车行业发展与展望[J].建筑机械，2009（5）：38-42
[2] 叶建文.电液比例控制阀在工程机械中的应用研究[J].机电产品开发与创新，2007（4）：3-5
[3] Haidong Hu； En Li； Xiaoguang Zhao； Min Tan； Wensheng Yu. Backstepping controller design for the trajectory tracking control of work platform of folding-boom aerial platform vehicle[J]. International Conference on Robotics and Biomimetics （ROBIO）， 2010： 1641 – 1644
[4] QingHui Yuan； Jae Lew； Piyabongkarn， D. Motion control of an aerial work platform[J].American Control Conference， 2009. ACC '09， 2009： 2873 - 2878
[5] 强宝民，刘保杰 电液比例阀控液压缸系统建模与仿真[J].起重运输机械，2011（11）：12-14
[6] Dong Jin-bo， Ren Si-jing， Research of synchronization control system based on electro-hydraulic proportional valve[J]. International Conference on Computer Application and System Modeling （ICCASM），2010：377-380
[7] 林水秋.基于simulink的液压控制系统的建模与仿真[J].漳州师范学院学报，2006（3）：53-54