TELKOM NIKA , Vol.14, No .1, March 2 0 1 6 , pp. 144~1 5 5   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v14i1.2538    144      Re cei v ed Au gust 28, 20 15 ; Revi sed  No vem ber 2 5 , 2015; Accepte d  De cem ber  13, 2015   Co-simulation and Experiment Research on a Novel  Erection Mech anism        Feng Jiang t ao*, Huan g Xianxiang, G a o Qinhe, G uo Xiaosong , Yao Xiaoguang   Xi ’a n Hig h-tech  Researc h  Institute,  T ongxi n  Roa d   No. 2, Hong qi n g  T o w n , Baqi a o  District, Xi’ a n ,  Shaan xi, Ch in a  *Corres p o ndi n g  author, em ail :  fengjt29 108 2 217 @12 6 .com       A b st r a ct   Th e  e r e c tio n   m e ch an i s m  wi th  mo vab l e b a c k h i ng ed  b e a r in g  i s   a  no ve l  e r e c ti on   m e cha n i sm   and  the form  of its mov i ng  proce ss is complic a t ed. T he nov el  erection  mec han is m ne eds  to be extens i v ely   tested to prov e its valu e a n d  to ens ure it  w o rks properl y . Kine matic  a nalysis w a s  a ccomplis he d a n d   m a them atic al m o del of t he hydraulic system  was  ac quir e d.  Fu z z y  ada ptive PID c ontrol  wa s adopted for the  erectio n  mech anis m   taki ng a d vanta ge of  fuzz y   co ntro l  and  PID control. T he n o vel  erecti on  mec han is m  w a s   valid ated  by vir t ual prot otype t e chn o lo gy rea l i z e d  by  co-s i m u l atio n metho d . T he mech anic a l, hydra u l i c an d   control  mode l s  w e re respe c tively esta bli s hed  in ADA M S, AMESim and S i mul i nk . Experi m e n t w a s   compl e ted  on  a pl atform. T h e resu lts of si mu lati on  a nd  exper iment i n d i cated th at the  nove l  erecti o n   mec h a n is m co uld  move b a se d on  desi g n e d  sche m e  an d t he co ntrol  effect of fu zz y  a d a p tive PID co ntr o l   w a s excelle nt. T he nove l  erec tion mech anis m  ha d gre a t practical va lue.      Ke y w ords : Erection  mec h a n i s m, Co-si m ulat ion, Virt ua l prot otype tech nol o g y, F u zz y c ontr o l       Copy right  ©  2016 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  The e r e c tion  mechani sm  with mova b l e ba ck hing ed be ari ng i s  a  novel e r ectio n   mech ani sm. Comp ared wi th  traditio nal ere c tion   me chani sm it  add s h o ri zo ntal  cylinder, th eref ore   back  hi nge d beari ng ca n move  in  h o ri zontal dire cti on d r iven by  hydra u lic  cyl i nder.  The  n o vel  mechani sm can  fulfill  the erection requirements  in strictured  space.  The erection mechani s m  need s to be e x tensively tested to prove its  value an d to ensure it works p r op erly.   Experiment s  norm a lly re qu ire exp e n s ive  equip m ent  a nd lon g  p r o c e s s of pa rt de sign an d  system inte gration. Com p rehen sive si m u lation s are  often ne ce ssary and  helpf ul. The erecti on  mech ani sm  contai ns me cha n ical an d  hydra u lic  system, there f ore al one  software  can not  compl e tely achieve its fea t ure. The dynamic b ehavi o r of hydrauli c  system i s  highly non -lin ear  due  to  th e phen omen a su ch as non linearitie s of  valve cylind e r  com b inati on, frictio n , fluid   comp re ssibilit y and asso cia t ed stiffness, whi c h cau s e  difficulties in t he co ntrol of su ch sy stem s.  Virtual p r otot ype technol o g y provide s   an effe ctive approa ch   for investigatin g the  novel  ere c tion m e chani sm. On e  widely  used  simul a tion  software  is Si mulink,  whi c h is  a dia g ram  prog ram m ing  metho d  a n d  provide s  a  g eneral e n viro nment. ADA M S is a  po werful m e chani cal   desi gn and simulation software, whi c h provide s  t ool s to build mech ani cal structures a nd 3 D   visual  simula tion. AMESim offers  a  grap hical mo deling a p p r o a ch  and m a ny libra ries  of  comp one nts  particula rly in  hydrauli c s. Co-sim ulation  method h a s been  extensively adopted  in   resea r ch and  simulation of  hydrauli c  ste e l-belt overwi nd buffer dev ice [1], braki n g perfo rman ce   of a vehicle [2], a two-axis trackin g  sy stem [3],  four-whe el-d rive  hybrid ele c tric vehicle [4], a   turbojet fuel  system [5], parallel hyb r id l oade r [6 ], an electri c  b u s  with motori ze d whe e ls [7], the  comp osite A BS control  o f  vehicle s  [8], and so  on.  The co-sim ulation platfo rm exploit s  the  advantages of  different software.   The si mulation re sult s illustrate that  virtual  protot ype   techn o logy h a s a  go od a p p licatio n in m any scop es  a nd is an  effective approa ch  for inve stigat ing  behavio rs  of com p lex sy stem s. It ca n also save  time and  cost. Fu zzy l ogic  co ntrol  is an   alternative a ppro a ch to a c hieve d e si re d goal s.  Che n  C. Y. [9] p r opo se d an i n tegrate d  fuzzy   controlle r to achi eve a synch r on ou s p o sitioni ng  obj ective for a dual-cylind e r  electro-hydra u lic  liftin g  s y s t em w i th u nba la nc e d  lo ad in gs , s y ste m  un ce rtaint ies  and  di sturban ce s.  The  experim ental results sho w ed that  the controlle r ca n effectively ac hieve the obj ective of posi t ion  synchro n ization. Li L [10]  propo sed  a fuzzy ad a p tive sliding  mode control  sch eme wh ich  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Co-sim ulation  and Expe rim ent Re sea r ch  on a No vel Erectio n  Me ch anism  (Fen g Jian gtao)  145 combi ned   fu zzy co ntrol with sliding  mode co ntro l  to a c hieve   nonlin ear co ntrol of t he  erctin g  mech ani sm.  Chia ng M.  H.  [11] combin ed fu zzy lo gi c a nd  slidin g  mode  control to devel op  an  electro-hydra u lic vel o city  contro lle r th at  wa s robu st t o  extern al  lo ad di sturban ces. Z heng   J.  M.  [12] used fu zzy  co ntrol t o  an  ele c tro - hydrauli c  po sition  se rvo  and p r ovid ed  good  tra c ki ng  perfo rman ce   even  subj ect ed to  externa l  distu r ba nce s . Otto  Ce rm an [13] i n trod uce d  a  meth od  for desi gn of a fuzzy slidi n g mode co ntroller for  ele c t r o-hydra u lic  servo mechani sm. The re su lts   from above rese arch sho w ed that fuzzy contro l ha s bee n su ccessfully use d  in the comp lex  pro c e ss  with good p e rfo r m ance. It has a short ri se tim e  and a sm all  oversh oot.   We introdu ce d co -sim ulati on metho d  to simulate the  ere c tion me chani sm. The  ere c tion   system  wa s modele d  in ADAMS, AMESim and Ma tl ab/Simulin k. The advanta ges of ADAM S in  mech ani cal system, AMESim in hydraulic syst e m  a nd Simulink i n  advanced  controlle r de sign  were exploite d and  co mbi ned to offe r  an integ r ated  simul a tion f o r the  ere c ti on me ch anism.  Fuzzy ada ptive PID cont ro l wa s ado pte d  to co ntro l th e novel e r e c tion me cha n si m. It was abl e of   adaptatio n  to   paramete r  chang es and  deal with  n o n linea r dyn a m ic b ehavio r asso ciated   with   hydrauli c  m o tion syste m . The aim  o f  this re se arch i s  to inv e stigate th e  novel e r e c tion  mech ani sm a nd prove its v a lue.       2. Compositi on of the  No v e l Erection Mecha n ism  The e r e c tion  mech ani sm  with movabl e  back hin ged  beari ng i s  mainly com p ose d  of  ere c tion arm, lock devi c e,  rail, slider, e r ectio n   and h o rizontal cyli nders, as  sh own in Figu re 1.  Erectio n  a r m  is u s ed to  su pport  and  ere c t load f r om  hori z ontal  sta t e to vertical  state o r  ba ck to  flat. Lock  dev ice i s  ap plied  to fixing and  limiting load  again s t vertical and l a teral  movement o n   ere c tion arm. Erection cyl i nder p u she s  load and e r ectio n  arm  rotating ro un d back hing ed  beari ng.  Ho rizontal  cylin d e r p u lls ba ck hi nge   bea ring movin g   along  the  rai l , reali z ing  lo ad  moving in ho rizo ntal dire ct ion. Two ho ri zontal   cylind e rs a r e sym m etrically arrange d to ensure  stability.        Figure 1. Co mpositio n of t he novel erection mech ani sm       Comp ared wi th  traditio nal ere c tion   me chani sm,  the  ere c tion   me chani sm with movable  back hin ged  beari ng a d d s  rail, slid er a nd ho riz ontal  cylinde r. It adopts  ere c tio n  and h o ri zo ntal  cylinde rs to realize erectio n  pr ocess. Erection  cylind e r  is  used  to  a l ter amplitu d e  and  hori z o n tal  cylinde r to transfer h o ri zont al position. T he nov el ere c tion mech ani sm expan ds the moving form  of erectio n  m e ch ani sm.  The erectio n  pro c e ss  can  be divided int o  three  stage s:  (1) Ea rly erection stage. Horizontal cylin der is  lo cked.  Erection cyli nder p u she s  the load   and erectio n  arm rot a ting round b a ck hi nged b eari ng  to a certain a ngle.   (2) Co ope rat i on sta ge.  Horizontal  cyli nder  sta r ts t o  move. Ere c tion a nd  ho rizo ntal  cylinde rs m o ve togethe r. The load  and e r ectio n  arm  rotate rou nd b a ck hing ed b earin g a s  well  a s   move in hori z ontal dire ctio n.  (3) V e rtical a d justme nt sta ge.  Ho ri zonta l  cylinde r  ce ase s   whe n  e r ectio n  an gle  attains  about 80 °~85 °. The load i s  ere c ted to vert ical state by ere c tion cylin der alo ne.   Hydra u lic p r i n cipl e of the  ere c tion sy stem  is  sho w n in Fig u re  2. Hydrauli c  system   inclu d e s  hyd r aulic  pum p, overflow valve, bidire ctio n a l bala n ce v a lve, hydra u li c lo ck, hydra u lic   cylinde r,  electro-hyd r auli c  prop ortio nal valv e and other comp one nts. From el ectro - hyd r auli c   prop ortio nal  7 and 8 which cont rol the  spee ds of  h y drauli c  cylin ders, pre s su re oil flow in the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  144 – 1 5 5   146 forwa r d  ch am bers of e r e c ti on cylin de r 1 8  and  ho ri zo ntal cylind e r  15 an d 16.  T h is a c tuali z e s  the   load rotatin g  round b a ck hi nged b eari ng  whi c h move s in hori z ontal  dire ction.         1-Motor; 2-Pu mp ; 3-Check v a lve; 4-T h rottle valve; 5- Press u re ga ge; 6-R e lief valv e; 7,8-Electro-h y d r au l i c  prop ortion al va lve; 9-Bil a teral  pilot-c ontrol l ed  va lve; 10-B ilat e ral b a la nce va lve; 11,12, 13,1 4 -Pressur e   sensor; 15,1 6 - H orizo n tal c y l i n der; 17-D i sp l a c e ment sens or; 18-Erecti on c y l i nd er     Figure 2. Hyd r auli c  pri n cipl e of the ere c tion syste m       3. Mathema t i cal Model of  the Erec tion  Mecha n ism   3.1. Kinematic Analy s is o f  the Me chan ism  In orde r to  acq u ire  kin e m atic featu r e  of  the novel ere c tion  mech ani sm,  kinem atic  analysi s  i s   a c compli she d   firstly. In e r e c tion  process the lo ad  an d e r e c tion  arm rotate s aro und  back hin ged  bearin g and  also move s in horizonta l  directio n. Kinematic m o del is sho w n  in     Figure 3.        Figure 3. Kinematic mo del  of the mecha n ism       In plane co o r dinate  syste m   oxy ,  P 1  is the origi n  of coordinate  system. Suppo se s  c o or d i na te  o f   P 3  is ( x 2 ( t ),  y 2 ( t )) and  coo r dinate of  P 4  is ( x 1 ( t ),  y 1 ( t )). The followin g  equation s  can   be acquired b a se d on ge o m etric  relatio n shi p .    22 22 2 0 () () ( ) t ei x ty t l v d                                                                      (1)    22 12 1 2 [ ( ) ( )] [ ( ) ( )] em x tx t y t y t l                                                               (2)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Co-sim ulation  and Expe rim ent Re sea r ch  on a No vel Erectio n  Me ch anism  (Fen g Jian gtao)  147 21 12 () ( ) ( ) arct an () ( ) yt y t t x tx t                                                                           (3)   Whe r e  13 ei P Pl  is the initial len g th of ere c tion cylind e r  and  34 em P Pl  repre s ents th e   distan ce b e tween two ju ncti ons.  θ ( t ) refers to the ere c ti on angl e.  v 1 ( t ) and  v 2 ( t ) a r e  the spee ds o f   two hydra u lic  cylinde r pisto n  rod s .  Kinematic b a l ance equ atio ns of the l oad  and ere c tion  arm are as fol l ows:    1 () c o s ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) pf t w F tt F t F t F t M x t                                                          (4)     11 () s i n ( ) ( ) ( ) po F t t N t Mg My t                                                                    (5)     ( ) () () () () pp G w P F tl t M g l t M t J t                                                                 (6)    Whe r e  F p ( t ) i s  thru st force  of erectio n  cylinder.  γ ( t ) repre s e n ts the  angle bet we en thru st  force  an d po sitive  x  axi s .  F f ( t ) i s  fri c tion force  bet wee n  rail  an d slid er.  F t ( t ) is pull force of  hori z ontal cyl i nder.  F w ( t ) is calculated  wind load.  M  repre s e n ts m a ss of the lo ad and  ere c ti on  arm.  N o 1 ( t ) is   s u pport force of rail to s l ider.  l p ( t ) is th ru st force a r m of  ere c tion  cylin der to p o int  P 4 .  l G ( t ) is loa d   gravity arm t o  poi nt  P 4 .  M w ( t ) is the   moment  of calcul ated  win d  loa d .  J P  is the  moment of in ertia of the load and e r e c tion arm to poi nt  P 4 .  l p ( t ) and  l G ( t ) are d e fined a s :    22 11 1 22 1 22 () () () () s i n ( ) a r c t a n () () () em p lx t y t yt lt t x t xt y t                                                               (7)     40 () c o s [ ( ) ] GG lt P P t                                                                               (8)     Wind lo ad is  given by:     () wi i F tq S                                                                                            (9)     Whe r e  S i   is cal c ulate d   wi ndward are a  and  q i  rep r e s ents wind  p r essure  corre s po ndin g   cal c ulate d  wi ndward a r e a .    3.2. Mathem atical Model  of the  H y draulic Sy stem  Servo valve  and  hydra u li c  cylinde r a r e two  im po rt ant pa rts i n   the ele c tro - h y drauli c   actuato r  syst em  a s  sh own   in  Fi gu re 4. The cylin d e r  ports a r e con necte d to a propo rtion a l valve ,   and  pisto n  m o tion i s   obtai ned  by mo dul ating the  oil   flow  i n to and  out  of  th e cylinder cham be rs.   P s  is the hy drauli c   sup p l y  pressu re  a nd  P 0  is  the return press u re.  x v  i s  the spool val v e  displ a cement .  q 1  and  q 2  are fluid flow from and to cy linder.  P 1  an d  P 2  are the fluid pre s sure  in   the forwa r d a nd return cyli nder chamb e r s  of the  actu ator, respe c tively.  A 1  is the  pisto n   side  a r ea   and  A 2  is the rod sid e  are a . When diffe ren c e s  betwe en  P 1  and  P 2  exist, the hydrauli c  cylin d e r  extends o r  co mpre sse s .   The flow th ro ugh a  re stri ction is  gene rall y turbulent a n d  pro p o r tiona l to the sq uared ro ot   of the pre s sure d r op. Eq uation s  of flow thr ough t he valve orif ice s  co me from orifice flow  equatio ns ex plaine d in the  following e q u a tions.     11 2 () dv s g qC w x p p                                                                                            (10 )     22 0 2 () dv g qC w x p p                                                                                            (11 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  144 – 1 5 5   148     Figure 4. Sch e matic dia g ra m of the hydraulic  system       Whe r e  C d  i s  d i scharge coef ficient,  w  is th e spo o l are a  gradi ent and  ρ  is the fluid  den sity.    In ord e r to o b tain a  math ematical  de scriptio n of i n stantan eou s  pre s sure in si der th e  forwa r d  and  return  cylinde r cham be rs, t he fluid flo w   balan ce  equa tions a r e  con s ide r ed fo r t w o  control volum e s at ea ch si de of the cylinder.    The d e rivative of the lo ad  pre s sure is gi ven by the tot a l load  flow t h rou gh th e a c tuator. It  divided by th e fluid  cap a ci tance  and  al so takin g  le akage a nd  com p re ssi bility into co nsi d e r ati on.  We can obtai n the flow co ntinuity equat ions:     11 1 11 1 2 () ec ic e dV V d p qC p C p p dt d t                                                                (12 )     01 1 1 11 1 2 () ec i c i c e VA y dp dy qA C C p C p dt d t  （）                                                    (13 )     22 2 22 1 2 () ec i c e dV V d p qC p C p p dt dt                                                            (14)    02 2 2 22 2 1 () e c ic ic e VA y dp dy qA C C p C p dt d t  （）                                                   (15)    Whe r e  V 1  an d  V 2  are the total fluid volumes in the two cylinde r ch ambe rs,  V 01  and  V 02   are  the  origi nal total flui d volume s o f  the tw o  cylinder  cham b e rs (i ncl udin g  the vol u m e  of   pipelines  and initial cylinder  chambers),  A 1 y  an d  A 2 y  rep r e s ent t he flo w  rates as a fu nctio n  of   volume  cha n ge du e to  pist on motio n ,  β e  is the  bul k m odulu s  of  hyd r auli c  fluid. C ic  and  C ec  a r e t he  internal a nd e x ternal lea k a ge co efficient .    The dyn a mic equatio n of  the hy draulic system  with  mass  m  is   d e s c r ib e d  b y  Se c ond  Ne wton La w:     2 11 2 2 2 dy mA p A p F dt                                                                                    (16)     Whe r e  m  is the equival ent  mass,  y  is t he pisto n  di splacement, a n d  F  is the friction force a nd  external force  on the cylind e r.     3.3. Contr o l Sy stem Desi gn  PID co ntrol h a s b een  wid e ly use d  in i ndu stry  be ca use  of its  si mplicity. Ho wever, PID  control i s  no t suitable  fo r sy stem  with a la rge  a m ount of la g, paramete r  variation s  a n d   uncertainty in  the model. F u zzy co ntrol  has fo und m a ny appli c ation s  in a va riety of fields,. It has  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Co-sim ulation  and Expe rim ent Re sea r ch  on a No vel Erectio n  Me ch anism  (Fen g Jian gtao)  149 the advanta g e  that it doe s not re quire a n  accu rate  m a thematical model of  the  system [1 4, 1 5 ].  Hen c e, fuzzy  adaptive PID control wa s  develop ed  to  utilize the a d v antage s of b o th PID co ntro l   and fuzzy lo gic  control. Figure  5 re pre s ent s the  st ructure of fuzzy adaptiv e  PID cont rolle r. By  usin g the referen c e  sign al  and the feedback sig nal  that come s from the sen s ors, the controller  transmits the  control si gn als that a r e  cal c ul ate d  by the co ntrol algo rithm  to operate  the  prop ortio nal valve. The aim  of control a c t i on is to mini mize the tra c king e r ror.           Figure 5. The  stru cture of  fuzzy adaptive  PID controll e r       The  purpo se  of fu zzy l ogi c  cont rolle r i s  to   adju s t t h ree  pa ram e ters of PI D  controlle r.  Fuzzy logi c  controlle r  con s ists of t w o in put va ria b le s  and th ree  out put varia b le s. The in puts a r e  the error  e  a nd the  cha n ge in e r ror  ec , whi c h  are  blurred  and  exported to  fuzzy infe re nce   module  with  fuzzy rule s. The outp u ts  are  ᇞ K P ,  ᇞ K I and  ᇞ K D , wh ich a r e  re spe c tively added  to  initial variable  K P 0 ,  K I 0  and  K D 0  [16, 17].  Fuzzy control l er  con s ist s  o f  input fuzzifi c at ion, fu zzy  control rule s, fuzzy i n fere nce  an d   output defu z zificatio n . It  works a c cording to a  se t of linguistic rule s and  calcul ates o u tput  variable s . In p u t value s   go  throug h fu zzi f ication i n terf ace  an d a r e   conve r ted  to  fuzzy li ngui sti c   values. T hen,  fuzzy control  rule s  are  u s ed to i n fer th e outp u t vari able s . Finally , defuzzification   method  conv erts the fuzzy output values into  si gnals to be  sent out. The inf e rence  process  con s i s ts of  a  set of rule s d r iven by the li ngui stic  valu e s  of the  error  and  the erro r in  ch ang e  [18].  Table  1  sho w s the fu zzy control  rule s t o  dete r mine  the p r op er  co ntrol a c tion s t hat are fea s i b le   for the cu rren t condition.      Table 1. Fu zzy control rule s    NB  NM  NS  ZO  PS PM PB  NB  PB/NB/NS  PB/NB/PS  PM /NM / PB   PM /NM / PB  PS/NS/PB  ZO / Z O / P M  ZO / Z O / NS   NM PB/NB/NS  PB/NB/PS  PM /NM / PB   PS/NS/PM  PS/NS/PM  ZO / Z O / PS   NS/ZO / ZO  NS PM /NB/ ZO  PM /NM / PS   PM /NS/P M   PS/NS/PM  ZO / Z O / PS   NS/PS/PS  NS/PS/ZO  ZO  PM /NM / ZO PM /NM / PS   PS/NS/PS  ZO / Z O / PS   NS/PS/PS  NM /P M / PS  NM /P M / ZO  PS PS/NM / Z O  PS/NS/ZO  ZO / Z O / ZO  NS/PS/ZO  NS/PS/ZO  NM /P M / ZO  NM /PB/ ZO  PM  PS/ZO/NB   ZO/ Z O/PS   NS/PS/NS  NM /PS/ NS  NM /P M / NS  NM /PB/ NS   NB/PB/NB  PB  ZO/ Z O/ NB   ZO/ Z O/ N M   NM /PS/ N M  NM /P M / N M  NM /P M / NS   NB/PB/NS  NB/PB/NB      The in puts an d output s a r e  defined  by u s ing  seve n ve rbal val u e s  such  a s :  NB -n egative big,  NM - negative me dium,  NS -ne gative sm all,  ZO -z er o,  PS -positive small,  PM -po s itive medium,   PB - P K I K D K de dt 0 0 0 PP P II I DD D K KK K KK K KK    ec K e K P G I G D G ec   e  ᇞ K P   ᇞ K I   ᇞ K D     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  144 – 1 5 5   150 positive  bi g. The cont rol  l a ws con s ist of  49 cont rol   rule s define d   a s ’if  e  is   NB  and  ec  is  NB ,  then ᇞ K P ,  ᇞ K I and  ᇞ K D  is  PB ,  NB  a nd  NS ’. The fu zzy rul e s have  b een  de sign ed  and  adj uste d  based on th e  simulatio n  a nd expe rt kn owle dge of  h y drauli c  cylin der featu r e a nd PID control   algorith m . It is rea s on able  to present t hese lin g u isti c te rms by triangul ar-sh a p e  mem bershi p   function s  whi c h  are  u s ed   to determine  the d egr ee  of input s in  the fu zzifi cati on p r o c e ss.  The   deci s io n-m a ki ng outp u t ca n be  obtain e d  usi ng  a ma x-min fuzzy i n feren c e  whe r e the  output  is  cal c ulate d  by the Cente r  of Area metho d .   The  stru ctu r e  of  control  system i s   sho w n i n  Fi gure  6. Th e  sen s ors a c q u ire   ere c tion  angle  and  di spla cem ent  of hori z o n tal  cylinde r  pi ston ro d. The  error si gnal  is o b taine d  by  comp ari ng acquire d sign al   with de sire d   sig nal.  Th e control sign al   is obtain ed by  cal c ul atio n  of  fuzzy ad aptive PID cont ro ller. The  con t rol ele c tr ical  current i s  o b tained th rou gh propo rtion a l  magnifie r . Th e ele c tri c al  current in put  electro- hydra u lic  propo rtio nal valve  to  adju s t op eni ng   whi c h adju s ts the flow and  hydrauli c  cylinder pi ston rod spe ed, therefo r e me ch anism  can m o ve   based on exp e ctation.           Figure 6. Structure  of control  system       Erectio n  process ge nerally use s  the  u n iform  a c cel e ration and deceleration planni ng   method. Du e  to the accel e ration  cu rve  is not c onti nuou s, there  is flexible impact in e r e c ting  pro c e ss. Acceleratio n  sel e ction is q u ite con s e r vative and ere c tion time is long. We ad opt   comp osite  si n e  functio n  to  plan e r e c tion  angle to  solve the p r obl e m .  θ 0  is i n itial  value of erecting   angle  an d  θ 1  is final  val ue. Ere c ting  time i s   T ,  τ = t / T .  θ ( t ) is dete r mine d  by the foll o w ing   expre ssi on s:    10 () ( ) ( ) ts                                                                                            (17 )     si n( 4 ) 1                                      0 44 8 24 1 7 ( ) 9 c o s ( ) / 4          43 6 8 8 4s i n ( 4 2 ) 7                    1 44 8 k k s k                                                                          (18 )     Con s tant 2 44 k   .  Hori zo ntal cylinders pull  back hi nge d bea ri ng  moving alo n g  hori z o n tal  dire ction,   compl e ting  erection  process tog e t her  wit h   erectio n  cylinder. Re qui rement of  ho ri zontal  cylin de r  is moving  sm oothly. Displa ceme nt, velocity, accelera tion and im p a ct curve s   chang e sm oot hly  and  avoid  m u tation. We  adopt  polyno m ial inte rpol a t ion meth od  to plan  e r e c tion a ngle.  S 0  is  initial value  of  ho rizontal  cy linder  di spla cement  and  S 1  is final value. Movement time is  T .  S ( t ) is  given by:    10 () ( ) ( ) St S S s                                                                                          (19 )       76 5 4 ( ) 20 70 84 35 s                                                                            (20 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Co-sim ulation  and Expe rim ent Re sea r ch  on a No vel Erectio n  Me ch anism  (Fen g Jian gtao)  151 4. Co-simula t ion of th e Erection M e c h anism   Mech ani cal   model  is e s ta blish ed i n  Pro/E and  ADA M S. Hydrauli c  m odel  is e s tablish ed  in AMESim.  Control model is es ta blish ed in Simulin k. The mo del s esta blished  in AMESim and   ADAMS are  transmitted t o  Simulin k  which  is th e m a in  simulatio n  environme n t. AMESim and   ADAMS are  assi stant si mulation env ironm ent. Informatio n is  excha nge d throu gh software  interface.      4.1. Mechani cal model  ADAMS is  used to a nalyze  virtual me ch anical sy stem  and it a dopt s Lag rang e e q uation s   to establi s h  kinematic m o d e l. ADAMS/View is  a  protot yping modul e  that allows u s ers to buil d  a   compl e x mechani cal sy ste m . Use r s  ca n define vari ous p r op ertie s  su ch a s : material, den sit y ,  stiffness an d  so o n . Th ree - dime nsi onal  model  ca p abi lity of ADAMS is limited,  however, it can   excha nge file s with othe r advan ced CA D softwar e to  ensu r e data  con s i s ten c y. Mech ani sm/Pro  adopt s  seam less  conn ecti on  with Pro/ E and t r an smits mo del t o  ADAMS/View to  co ndu ct   comp re hen si ve kinemati c   analysi s . Mechani cal mod e l  of the erecti on me chani sm establi s he d in  ADAMS is sh own in Figu re 7. Three - di mensi onal m odel wa s e s tablished in Pro/E, and it  wa s  transmitted  t o  ADAMS/View usi ng M e ch ani sm/Pro . The model  is compo s e d  of seven rigid   bodie s  which  are lin ked  with others by re volu te pair, prismatic p a ir a nd fixed pair.         Figure 7. Mechani cal mod e l in ADAMS      As the m ode l in ADAMS  must inte ra ct with the  co ntrol mo del i n  Simulin k, it sho u l d   define  suitab le “state va ri able s ”  whi c h  are u s e d  to exch ang e  informatio n. The inp u t st ate  variable s  are  pisto n   rod   speed  si gnal s of hyd r aul i c  cylind e rs. T he o u tput  st ate vari able s  are   ere c tion an gl e, piston ro d displ a cement  of horiz o n tal cylinde r, and  load s  of hydraulic  cylinde r.    4.2. H y draulic Model   AMESim use s  gra phi cal  model ap pro a ch that ea ch comp one nt contain s  a set of  equatio ns a n d  is lin ked  with others through a  syst e m  of port s . Firstly sel e ct h y drauli c  pum p,   relief valve, bilateral b a la nce valve, h y drauli c  lock,  hydrauli c  cy linder, an d e l ectro - hyd r aul ic   prop ortio nal v a lve from  hyd r auli c  lib ra ry,  then e s tabli s h mo del i n  a c cordan ce  wit h  the  se que n c e  of sket c h mo de, sub - mo de l mode, para m eter mo d e , and ru n mod e . Hydrauli c   model e s tabli s he d  in AMESim is sho w n in  Figure 8. Th e co -si m ulati on interfa c e  of AMESim and Simulin k is  achi eved by  con n e c ting th e men u  i c on  in AMESim to the S-fu ncti on in Sim u lin k. The  mod e l  in   AMESim is compiled in S-f unctio n  whi c h  can be u s e d  in Simulink.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  144 – 1 5 5   152     Figure 8. Hyd r auli c  mod e l in AMESim      4.3. Co-simu l ation Re sults and An aly s is   Simulink blo c k of the ere c tion mechani sm is sh o w n in  Figure 9. It is mainly comp ose d  of   four pa rts: pl aned  curve, f u zzy adaptiv e PID c ontroll er, hydra u lic  model, and m e ch ani cal mo del.  Planned  cu rves are de sire d ere c tion an gle and di sp l a cem ent of horizontal  cyli nder pi ston  rod.  There are two fu zzy a d aptive co ntro llers  whi c h  separately co ntrol e r e c tion  and h o ri zon t al  cylinde rs. Hy drauli c  mo del  is establi s h e d  in AMESim and co mpile d in S-functi on that can  be  use d  in Sim u link. Me ch ani cal m odel  is  establi s h ed i n  ADAMS  an d tran smitted  to Simulin k  by  softwa r e i n terface. T he in p u t variabl es  of fuzzy ad a p tive co ntroll ers a r e th e e rro rs of pl an ned  ere c tion a ngl e and  displa cement of h o ri zontal  cy lind e r  pist on rod  with actual  ere c tion a ngle  a n d   displ a cement  in sim u lation  pro c e s s. The  output va ri ab les a r e  co ntro l sign als  of el ectro - hyd r auli c   prop ortio nal  valves. The   input vari abl es of  hy dra u lic mo del a r e co ntrol  sig nals  of ele c t r o- hydrauli c  pro portion al valv e an d hyd r a u lic  cyli nde r l o ads.  The  out put vari able s  are pi ston  rod   spe ed  sig nal s. Th e in put  variabl es of  me chani cal  model are  pi ston rod  spe ed sign als.  T he  output varia b l e s a r e e r e c tio n  angl e, displacem ent  of h o rizontal  cylin der  pi ston  ro d and  hydra u l i c  cylinde r load s.      Figure 9. Simulink bl ock of the ere c tion system       Simulation re sults of erecti on angle a r e  sho w n in Fig u re 10. Fig u re 10(a )  is de sire d an d   actual  ere c ti on an gle in  simulatio n  p r oce s s. Fi gu re 10(b) i s  th e error of de sire d an d a c tual  ere c tion an gl e. Displ a cem ent simulatio n  re sults  of h o rizontal cyli nder  piston  rod are sh own in  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Co-sim ulation  and Expe rim ent Re sea r ch  on a No vel Erectio n  Me ch anism  (Fen g Jian gtao)  153 Figure 11. Fi gure 1 1 (a) is  desi r ed a nd a c tual di spla ce ment in simul a tion pro c e ss. Figure 11 (b ) is  the  erro r  of desi r ed and actual displa ceme nt.  By   the  sim u lation   re sults we can obtain  t hat   ere c tion  angl e an d di spl a cement  of ho ri zontal  cy lin de r pi ston  ro d  chang e  smoot hly. The  error of   ere c tion  angl e is  co ntrolle d in 0.0 6 °.Th e displa ceme nt error  of ho rizo ntal  cylin der  pisto n  ro d is  controlled  in  0.014 m. T h e  co ntrol  pre c i s ion  is  gr eat  and  satisfie s  the control  ta rget of  ere c ti on  pro c e ss. Co mpared ere c t i on  a ngle wit h   di spla cem e nt of ho rizont al cylin der pi ston  rod  we  can  acq u ire th at ere c tion a ngl e doe sn’t  ch ange  gre a tly  at the sta r t a nd en d of ho rizo ntal cylin der  movement. It  indicates that  the impact of  two hydrauli c  cylinders is li ttle.        Figure 10. Simulation e r e c tion angle     Figure 11. Simulation di spl a cem ent  of horizontal cylin der pi ston rod       5. Experimental Verifica tion  We  de sign ed  an  expe rime ntal ap paratu s  t hat  can  re alize  de sired  moveme nt t o  p r ove  the effectiven ess of the no vel erectio n  mech ani sm. Mech ani cal constitution i s  sho w n in Fig u re   12. Mea s ure m ent and  co ntrol sy st em  of experime n t al appa ratus are e s tabli s hed u s ing virtual  instru ment te chn o logy. We  choo se the  hard w a r e of  PXI-1044  ca se and PXI-62 59 multifuncti on  data acqui sition ca rd an d software of La bVIEW to pro g ram.           Figure 12. Mech ani cal con s titution of the platform   0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 10 0     期望 角度 角度 实际 0 20 40 60 80 10 0 -0 . 1 -0 . 0 5 0 0.05 0.1 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8     期 望位移 位移 实际 0 20 40 60 80 100 -0 . 0 3 -0 . 0 2 -0 . 0 1 0 0. 01 0. 02 0. 03 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.