（机械工程专业论文）多轴车辆转向控制系统设计及仿真.pdf

k j 廖 一l d e s i g na n ds i m u l a t i o no f t h es t e e r i n gc o n t r o ls y s t e m o fm u l t i a x i sv e h i c l e b y h a nw a n g l i b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h 0 0 1 o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw e ng u i l i n m a y , 2 0 1 1 舢9 舢5肿2 删60舢9 删1脚y 、 蠢 j 气 j 、k 矗 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担o 作者签名： 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：删年 日期：，年 劣月砂日 月、日 一 彬诳 屋易v p砖午 蕾 气 |： “ 产 多轴车辆转向控制系统设计及仿真 摘要 多轴转向车辆具有转向灵活、大功率、大承载等优点，但是一旦各车轴车轮 转向不协调，将加剧车辆的非正常磨损，甚至影响到车辆的行驶安全性，因此多 轴转向控制成为了多轴转向技术的关键。本文基于零质心侧偏角控制策略，结合 电液比例转向技术对多轴车辆的稳态和瞬态特性进行了一系列的理论推导和控制 仿真分析。 在对多轴车辆数学模型进行简化的基础上，推导出了多轴车辆的二自由度模 型，并基于该二自由度模型对多轴车辆稳态特性和瞬态响应特性进行分析，类比 两轴车辆推导出了多轴车辆的转向半径、临界车速以及稳定性条件，并对影响多 轴车辆稳定性的因素进行了讨论。 对多轴车辆液压助力转向执行机构数学模型进行了推导，通过对电磁比例阀 以及液压缸模型进行必要的简化后获得了阀控非对称缸系统的传递函数，运用劳 斯稳定性判据对液压助力转向系统的稳定性进行了分析，并对该助力转向系统的 动态特性进行了仿真分析。 在传统p i d 控制基础上结合现代控制理论，基于m a t l a b s i m u l i n k 设计环境， 运用模糊逻辑控制工具箱设计了后轴转角模糊p i d 控制器，并对角阶跃信号激励 下液压助力转向系统的响应进行了仿真分析。 在m a t l a b s i m u li n k 环境中建立了某型号五轴全路面起重机的二自由度仿真 模型，并利用在项目后期进行整车道路测试所得的试验数据作为系统输入，对仿 真模型进行验证，并基于该二自由度模型对多轴车辆的稳态响应和瞬态响应进行 了仿真分析。 关键字：多轴转向；二自由度模型：零质心侧偏角控制策略；电液比例转向技术 模糊自适应p i d 控制器；稳态响应；瞬态响应 i i j ， 蠢 气 产、 、 i 船 卜 硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i a x i ss t e e r i n gv e h i c l e sh a v ea d v a n t a g e so f ：h i g hf l e x i b i l i t y , h i g hc a r r y i n g c a p a c i t ya n db i gp o w e r i ta l s oh a v ei t sw e a k n e s st h a to n c et h es t e e r i n g w h e e l st u r n u n c o o r d i n a t e ，i tw i l lc a u s ea b n o r m a ld a m a g eo ft h et i r ea n de v e na f f e c tt h es a f e t yo f t h ev e h i c l e ，t h u s ，t h es t e e r i n gc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h em u l t i a x i sv e h i c l eh a sb e c o m e t h ek e yo fm u l t i - a x i sv e h i c l e s b a s e do nt h ez e r os i d e s l i pa n g l eo fm a s s c e n t e rc o n t r o l s t r a t e g y , c o m b i n e d w i t h e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls t e e r i n gt e c h n o l o g y , t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o n t r o ls i m u l a t i o nh a v e i m p l e m e n t e do nt h es t e a d y s t a t e p e r f o r m a n c ea n dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h em u l t i a x i sv e h i c l e w i t hs o m es i m p l i f i c a t i o n st ot h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em u l t i a x i sv e h i c l e ， w eo b t a i n e dt h e2 - d o fm o d e l b a s e do nt h e2 - d o fm o d e l ，w ed oal o ta n a l y s i sa b o u t t h es t e a d y s t a t ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt r a n s i e n tr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s b ya n a l o gw i t h t h e t w o a x i sv e h i c l e ，w ed e r i v e dt h et u r n i n gr a d i u so ft h em u l t i - a x i sv e h i c l e ，t h e c r i t i c a ls p e e da n db o u n d a r yc o n d i t i o n so fs t a b i l i t y f u t h e r m o r et h ef a c t o r st h a ta f f e c t t h es t a b i l i t yo fm u l t i a x i sv e h i c l e sw e r ed i s c u s s e d b ys i m p l i f y i n gt h ep r o p o r t i o n a lv a l v ea n dh y d r a u l i cc y l i n d e r , w eo b t a i n e dt h e t r a n s f e rf u n c t i o nm o d e lo ft h ev a l v ec o n t r o l l e dc y l i n d e rs y s t e m ，a n du s e dt h er o l l s s t a b i l i t y c r i t e r i af o rs o m e s t a b i l i t ya n a l y s i s ，a n da l s oa n a l y s i s e dt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m b yc o m b i n a t i o no ft h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la n dm o d e r nc o n t r o lt h e o r y ，o nt h e b a s i so fm a t l a b s i m u l i n kd e s i g ne n v i r o n m e n t ，b yu s i n gt h ef u z z yl o g i cc o n t r o l t o o l b o x ，aa d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e d t h er e s p o n s e so ft h eh y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e mt ot h ea n g l es t e ps i g n a lw e r ea n a l y s i s e d i nm a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，w ee s t a b l i s ha2 一d o fm o d e lo faf i v e a x i s a l lt e r r a i nc r a n e t h ed a t ao b t a i n e df r o mt h et e s ta r eu s e dt ov e r i f yt h es i m u l a t i o n m o d e l ，s o m ea n a l y s i s a b o u tt h es t e a d ys t a t e p e r f o r m a n c e a n dt h e t r a n s i e n t c h a r a c t e r i s t i c sa r ec a r r i e do u t k e yw o r d s ：m u l t i a x i ss t e e r i n gv e h i c l e s ；2 - d o fm o d e l ；z e r os i d e s l i pa n g l eo fm a s s c e n t e rc o n t r o ls t r a t e g y ；e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a ls t e e r i n gt e c h n o l o g y ；f u z z y a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r ；s t e a d y s t a t er e s p o n s e ；t r a n s i e n tr e s p o n s e l l i 【 ， 多轴车辆转向控制系统设计及仿真 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要、。i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的来源、背景和意义1 1 2 多轴转向系统的分类1 1 2 1 机械式多轴转向系统1 1 2 2 电控电动式多轴转向系统2 1 2 3 电控液压式多轴转向系统3 1 3 多轴转向控制技术4 1 4 国内外研究现状7 1 5 本文的研究思路和内容安排8 1 6 本文研究的意义8 1 7 本章小结9 第2 章零质心侧偏角控制策略1 0 2 1 多轴转向车辆二自由度模型1 0 2 1 1s a e 标准汽车运动坐标系1 0 2 1 2s a e 标准轮胎运动坐标系1 l 2 1 3 多轴转向车辆二自由度模型的推导1 2 2 2 多轴转向车辆的转向特性分析1 5 2 2 1 零质心侧偏角控制策略1 6 2 2 2 稳态响应特性分析一1 7 2 2 3 多轴车辆转向圆半径2 0 2 2 4 多轴车辆二自由度系统的稳定性分析2 0 2 3 本章小结2 4 第3 章电液执行机构建模一2 5 3 1 电液比例控制技术简介2 5 3 2 电磁比例阀2 6 3 2 1 比例阀数学模型的推导2 7 3 3 阀控缸数学模型的推导一2 8 3 3 1 比例阀流量方程的推导2 9 i v j | i 、 产 硕士学位论文 3 3 2 液压缸流量方程3 0 3 3 3 非对称液压缸力平衡方程31 3 4 转向执行机构的结构参数3 4 3 5 系统稳定性分析3 6 3 6 本章小结3 8 第4 章转向控制系统设计及仿真k 3 9 4 1p i d 控制基础一4 0 4 2 模糊控制基础4 l 4 2 ：1 模糊控制的基本原理一4 1 4 2 。2 模糊p i d 控制器的结构4l 4 3 基于m a t l a b 的模糊自适应p i d 控制器设计4 2 4 3 1 确定模糊p i d 控制器的输入输出变量4 2 4 3 2 输入输出变量的模糊化4 3 4 3 3 模糊p i d 控制器各控制参数的整定原则4 4 4 3 4 模糊p i d 控制器输出变量模糊控制规则4 5 4 3 5 模糊推理4 7 4 3 6 输出变量清晰化4 7 4 3 7 基于s i m u l i n k 的模糊自适应p i d 控制器实现4 7 4 4 转向控制系统仿真分析一4 9 4 4 1 状态空间方程的推导5 0 4 4 2 二自由度仿真模型的建立5 1 4 5 本章小结5 5 总结与展望5 6 参考文献一5 7 致谢6 0 附录6 1 v c 人 、 ， 论 程项目的开展，大功率、大承载的 重型车辆得到了人们的青睐，并引起了研究人员的广泛兴趣。但是受限于国家相 关标准对于车辆外廓尺寸、轴载及质量限值的要求，单纯依靠增加单个轴的承载 能力，减小整车质量的方法已经达不到相关要求，通过增加车轴数目成为解决问 题的有效办法，多轴车辆应运而生【l 】。 由于工程建设场地的局限性，大多要求工程车辆能够快速的靠近和离开作业 场地，这就对多轴车辆的灵活性提出更高的要求。这时纯粹依靠前轴转向已经不 能满足灵活性的要求，通过对前轴以外的车轴施加转角来减小转向半径，提高多 轴车辆的灵活性受到大量研究人员及学者的重视，多轴转向技术因此逐渐发展并 壮大。 课题源自于校企合作项目某型全路面起重机底盘性能测试，在项目进行过 程中，通过与该多轴车辆的接触以及对国内外研究现状的了解，对多轴车辆转向 控制系统产生了浓厚的兴趣。由于多轴车辆转向控制系统的研究极具工程实用价 值和战略意义，因此我选择继续对多轴车辆转向控制系统进行研究并作为我的毕 业课题。 1 2 多轴车辆转向系统的分类 多轴车辆转向系统按其结构和执行机构的不同可以分为：机械式、液压式和 电子式等【2 】。随着计算机技术、传感器技术以及电子技术的发展，多轴转向系统 已经把机械、液压、电子、传感器技术以及微计算机技术紧密的融合在一起，常 见的多轴转向系统结构及原理如下所述。 1 2 1 机械式多轴转向系统 在传统的两轴车辆机械式四轮转向系统中，连接前后轴转向执行机构的结构 形式多样，如凸轮式、齿轮式。他们多为前轮转角感应型，即在前轴齿轮齿条转 向器的齿条轴上安装了一个后轴转向齿轮，其角位移通过中间传动轴传给后轴转 向执行机构。高速时，后轴同向小转角偏转，提高行驶安全性；低速时后轴反向 大角度转动，以获得较高的转向灵活性。机械式多轴转向系统中常采用机械拉杆 式或者转向摇臂加转向梯形机构形式，具体情况如图1 1 、图1 2 所示。 一 ， 一 八 、 硕士学位论文 典型的电控电动式多轴转向系统主要由车速传感器、前后轴转角传感器、横 摆角速度传感器、电控单元、步进电机、减速器、后轴转向执行机构组成。如图 1 3 所示，电控单元( e c u ) 根据采集的速度信号、横摆角速度信号以及前轴转角 信息，按照预定的转向控制策略计算出各后轴的理论转角，并通过步进电机驱动 后轴转向执行机构实现后轴车轮的偏转。同时实时地根据后轴转角传感器反馈的 转角信息与理论转角进行比较，并不断修正后轴转角，这样便实现了转角动态控 制。 电控电动式多轴转向系统具有动态响应快，无累计误差，转向控制精度高、 抗外界干扰能力强、结构紧凑、体积小、布局方便等优点，但是其产生的驱动力 较小。 1 2 3 电控液压式多轴转向系统 电控液压式多轴转向系统是指采用电子控制，以液压缸作为转向执行机构的 多轴转向系统，它主要由速度传感器、横摆角速度传感器、位移传感器、电控单 元、转向助力油缸、电磁比例阀组成【3 1 ，其工作原理如图1 4 所示： 图1 4 电控液压式多轴转向系统工作原理图 电控单元根据输入的速度信号、横摆角速度信号以及前轮转角信息，按照预 定的控制策略计算出各后桥的理论转角。然后对电磁比例阀施加控制电流，通过 控制电磁比例阀阀芯的位移来控制转向助力油缸的位移，从而控制各个车轮的转 3 多轴车辆转向控制系统设计及仿真 角，并实时地将实际转角和理论转角进行比较，实现对后轴转角的动态补偿控制。 电控液压式多轴转向系统因为具有如下优点而得到广泛应用： 结构简单，工作稳定可靠，可提供较大的转向驱动力； 采用电机驱动油泵，可以有效的减小能量损失； 高速时转向时可以自动根据车速减小助力作用，增加驾驶员的路感，提高 车辆的转向安全性。 由于电控系统、电磁比例阀以及流量传感器的采用，使得系统成本有所增加， 并且系统存在泄露等缺点。 由于多轴车辆的工作环境大多较为恶劣，为保证转向安全，多轴转向车辆保 留了机械式助力转向系统【4 1 ，同时为兼顾转向灵活性，在整个转向系统中，前桥 ( 或者前数桥，具体数目视情况而定) 采用机械式助力转向系统，而后桥则采用 电控液压助力式转向系统，利勃海尔l t m l 2 0 0 0 全路面起重机的转向系统就是一个 典型案例。利勃海尔l t m l 2 0 0 0 全路面起重机前五桥采用机械式液压助力转向系。 统，而后四桥采用电控式液压助力转向系统。这样不仅可以保证在电控液压助力 转向系统失效情况下的转向安全，同时也兼顾了转向灵活性。利勃海尔l t m l 2 0 0 0 全路面起重机外廓图如图1 5 所示： 图1 5 利勃海尔l t m l 2 0 0 0 全路面起重机 多轴转向车辆可以减小转向半径，提高车辆的灵活性，但是一旦各轴车轮转 向不协调，将加剧车辆的非正常磨损，甚至影响到车辆的安全性，因此多轴转向 控制成了多轴转向技术的关键。 1 3 多轴转向控制技术 多轴转向车辆转向时，后轮直接参与对车辆侧偏角及侧向运动的控制，这样 不仅可以有效地减小转向力产生的滞后，而且还能独立地控制汽车的运动轨迹与 4 硕士学位论文 姿态，从而提高车辆的侧向稳定性【5 1 。多轴车辆转向控制的目标主要包括以下几 个方面： 减小侧向加速度响应与横摆角速度响应的相位滞后； 减小车身的侧倾角； 获得良好的操控性和较高的稳定性； 增加对外部环境变化的抗干扰能力。 多轴转向技术源自于四轮转向技术，是四轮转向技术的具体应用案例。早在 2 0 世纪8 0 年代末，美国和日本的相关学者就对四轮转向汽车从结构到转向控制 方法以及应用前景进了初步研究。到2 0 世纪9 0 年代，对四轮转向汽车的研究逐 渐多了起来，许多学者纷纷提出各种复杂的控制模型和先进控制方法，主要分为 以下几类【6 j ： 前后轮转角比是车速函数的四轮转向控制系统 1 9 8 5 年s a n o 等研究并开发了基于线性模型的四轮转向控制系统，他们定义 了前后轮转角比k ，并规定k 0 时，前后轴车轮同向偏转；当k 0 ，前后轴车轮同向偏转，减小横摆 角速度增益，增加路感，提高车辆转向安全性；低速时k 0 ，前后轴车轮反向偏 转，减小转向圆半径，提高转向灵活性。 具有一阶滞后的四轮转向系统、 f u k a n a g a 等学者在试验的基础上，设计了具有一阶滞后的四轮转向系统。其 主要特点是：当车辆高速转向时，后轮的转向较前轮转向存在一定的滞后，当横 摆角速度和侧向加速度增益达到稳态值时，后轮开始偏转，后轮转动时汽车的稳 态侧偏角减小，并对其超调量等瞬态特性也有一定程度的改善，这样既改善了汽 车的稳态性能，同时也不牺牲系统的瞬态响应性能。n i s s a n 轿车中装备了第一代 h i c a s ( h i g hc a p a c i t ya c t i v e l yc o n t r o ls u s p e n s i o n ) 的s k y l i n e 轿车就配备了一阶 滞后的四轮转向控制系统。 多轴车辆转向控制系统设计及仿真 具有反相特性的四轮转向控制系统 t a k a a k ie g u c h i 等学者提出了一种具有反向特性的四轮转向控制系统，当汽 车高速转向时，后轮与前轮反向偏转，横摆角速度和侧向加速度的动态响应加快， 并很快达到稳态值，这时后轮改变偏转方向，使得与前轮同向转动，以改善车辆 的稳态响应特性。这种设计的主要着眼点在于同时改善车辆瞬态响应特性和稳态 响应特性。 当前后轮同向偏转时，由于车体所受到的各轴车轮侧偏力对质心所形成的横 摆力矩相互抵消，因而横摆角速度增益和侧向加速度增益减小；当前后车轮反向 偏转时，前后轴所受侧偏力对质心所形成的横摆力矩同向，因此将增大横摆角速 度和侧向加速度增益。综上所述，无论是前后轮转角比是车速函数的四轮转向控 制系统还是具有反相特性的四轮转向控制系统，在附加后轮转角后都改变了车身 的横摆角速度和侧向加速度增益，这就在某种程度上增加了驾驶员的操纵难度， 加速驾驶员的疲劳。 具有最优控制特性的四轮转向控制系统 y a s u i is h i b a h a t a 等提出了一种具有最优控制特性的四轮转向控制系统，即控 制目标为横摆角速度稳态增益以及侧向加速度稳态增益与传统前轮转向车辆相 同，这样就保持了驾驶员的操控感觉不发生大的变化，同时使得横摆角速度和侧 向加速度的相位滞后角为零。由于这种控制方法使得车辆的转向特性随着车速的 变化而发生较为明显的变化，这对该四轮转向系统的应用造成了一定的困难。具 有最优控制特性的四轮转向控制系统原理框图如图1 6 所示： 图1 6 具有最优控制特性的四轮转向控制系统原理框图 其中4 ( s ) 、4 ( s ) 表示方向盘转角到前、后轮转角的传递函数：巧( s ) 、”( j ) 分别表示前、后轮转角到横摆角速度的传递函数；如( j ) 、以o ) 分别表示前后轮 转角到侧向加速度的传递函数。 本文所提到的零质心侧偏角控制策略就是前后轮转角是车速函数的四轮转向 6 硕士学位论文 控制系统的一种衍变。 1 4 国内外研究现状 多轴转向技术的研究重点主要集中在转向系统的结构优化和控制策略两个方 面。在国外，多轴动态转向控制技术已经在实际中得到了广泛的应用，但是基于 专利技术和商业保密的原则，目前在网路上可以查询到的关于多轴转向动态控制 的英文文献甚少【7 】。多轴转向技术多与军工相联系，比如导弹发射车的底盘多为 多采用多轴转向技术，因此欧美等发达国家对我国在多轴转向技术等高科技领域 还处于技术封锁状态，因此可以查询到的文献就更少。 目前国内在多轴转向技术方面的研究还刚开始起步，基本局限在转向摇臂、 转向梯形机构f 8 】或转向系统纵向传递机构的结构参数的优化设计，如武汉理工大 学周松盛、杨新明以及长安大学王超在其硕士毕业论文中对转向梯形机构和转向 系统纵向传递机构进行了数学建模和优化设计【9 lo 】；重庆大学王坚和雷开贵对机 械式多轴转向车辆转向系统的运动学模拟进行了分析研究【1 1 】；煤炭科学研究总院 太原研究院马阳利和太原科技大学王伯平对矿用特种车辆全轮转向机构进行了仿 真分析和优化【l2 】；只有少数学者对车辆转向系统的动态特性进行了初步的研究。 北京理工大学陈思忠教授和上海交通大学屈求真教授等人在二自由度模型的基础 上对三轴车辆的转向特性进行初步研究。华中科技大学杨波在其博士论文中探讨 了多轴越野车辆柔性二自由度转向模型，提出了多轴转向车辆的稳定性判定方法， 并分析了车架柔性对转向稳定性的影响【i3 1 。在转向控制策略方面，清华大学李铂 在后轮主动转向控制方面做了深入的研究，建立了后轮主动转向的二自由度鲁棒 控制模型1 1 4 , 1 5 】。天津大学张锋在论文中阐述了转向系统的动力学特性和鲁棒控制 方法i l6 j ；上海交通大学屈求真教授在研究自适应模型跟踪控制的同时，在三轴车 辆前后轮转向闭环控制模型的基础上，探讨了在典型综合路面上行驶过程中后轮 的最优转向控制规律【l7 1 。天津大学王洪礼教授提出了更为先进的皿风鲁棒控 制，并基于m a t l a b 的l t i 控制工具箱设计了皿玩控制器，该控制器能够很好 的抑制外界干扰对系统稳定性的影响，有效的提高了四轮转向汽车的鲁棒性【1 3 】。 、虽然这些控制算法都基于四轮转向车辆提出，但是对于多轴转向车辆转向控 制有着很强的借鉴意义。 吉林大学高秀华老师团队对多轴转向技术做了大量的工作，其中张小江对零 质心侧偏角控制策略进行了研究，推导出后轴转角与前轴转角以及车速的关系的 表达式，并得到稳态横摆角速度增益以及侧向加速度稳态增益表达式，并对单位 角阶跃信号激励下质心侧偏角以及横摆角速度的瞬态特性进行分析【l 州；李炎亮博 士分析了多轴车辆转向系统的稳定性条件，临界速度、固有频率以及阻尼比等固 有特性，基于横摆率跟踪的最优控制策略，设计了降维观测器。该控制器有效减 7 多轴车辆转向控制系统设计及仿真 少车辆控制所用传感器数量，降低控制成本，提高车辆的稳定性【2 0 , 2 1 】。王云超博 士在多轴车辆二自由度模型的基础上推导出了三自由度多轴车辆动力学模型，并 对影响多轴车辆转向特性的因素进行了系统的分析，并基于横摆率跟踪皿也混 合最优控制策略建立了控制器，对多轴车辆转向特性进行了仿真分析【2 2 1 。 1 5 本文的研究思路和内容安排 本文围绕多轴转向车辆转向系统的设计展开讨论，主要工作如下： ( 1 ) 对多轴转向车辆的结构形式、多轴转向控制技术、以及在多轴转向技术领 域的国内外研究现状进行了简单介绍： ( 2 ) 在对多轴车辆数学模型进行简化的基础上，推导出了多轴车辆的二自由度 模型，并基于二自由度模型对多轴车辆稳态特性和瞬态响应特性进行分析，并类 比两轴车辆推导出了车辆的临界车速以及稳定性条件： ( 3 ) 对多轴车辆液压助力转向系统数学模型进行了推导，通过对电磁比例阀、 液压缸进行必要的简化后获得了阀控非对称缸系统的传递函数，并运用劳斯稳定 性判据对液压助力转向系统的稳定性进行了系统的分析； ( 4 ) 在传统p i d 控制基础上结合现代控制理论，基于m a t l a b s i m u l i n k 设计环 境，运用模糊逻辑控制工具箱设计了后轴转角模糊自适应p i d 控制器，并对角阶 跃信号激励下的系统响应进行了仿真分析； ( 5 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 环境中建立了某型号五轴全路面起重机二自由度仿 真模型，并利用在项目后期进行整车道路测试所得的试验数据作为系统输入，对 仿真模型进行验证，并基于该二自由度模型对多轴车辆的稳态特性和瞬态特性进 行了仿真分析。 1 6 本文研究的意义 在对多轴车辆数学模型进行简化的基础上获得了多轴车辆二自由度模型，并 基于该二自由度模型对零质心侧偏角控制理论进行了推导，得到了零质心侧偏角 控制理论下瞬时转动中心到质心之间距离随车速变化的表达式，进而根据阿克 曼转角定理得到各后轴的理论转角。以各轴理论转角作为系统状态空间方程的输 入，对系统的稳态响应和瞬态响应进行仿真分析，得到了多轴车辆的稳定性条件、 临界车速、转向半径以及稳态横摆角速度增益、稳态侧向加速度增益等关键参数， 这对多轴车辆的实时控制提供了理论依据，具有较强的实际意义。 在零质心侧偏角控制理论的基础下，继续对多轴车辆转向执行机构的控制进 行了研究分析，将传统的p i d 控制和模糊控制相结合，设计出了后轴转角模糊自 适应p i d 控制器。针对阀控非对称缸系统在进油腔不同时动态响应有所不同的现 8 硕士学位论文 象，对阀控非对称缸系统在无杆腔进油和有杆腔进油时的动态响应进行了分析比 较，并对上述模糊p i d 控制器对阶跃信号的响应进行了仿真验证，结果表明该模 糊p i d 控制器对信号的响应迅速，稳态无误差，几乎没有超调，具有较好的控制 效果。将多轴车辆二自由度模型、零质心侧偏角控制理论以及后轴转角模糊p i d 控 制子系统进行整合获得多轴车辆二自由度控制模型，并利用试验数据对模型进行 了验证，该模型为控制理论研究，为多轴车辆的稳态响应、瞬态响应的分析提供 一个平台。 1 7 本章小结 本章对多轴车辆的结构形式以及多轴车辆转向控制方法进行阐述和总结，并 分析了国内外学者在多轴车辆研究上的成果，确定了本文研究的内容及工作安排。 9 多轴车辆转向控制系统设计及仿真 第2 章零质心侧偏角控制策略 2 1 多轴转向车辆二自由度模型 2 1 1s a e 标准汽车运动坐标系 要建立完整的多轴转向车辆动力学模型，首先需要定义汽车运动坐标系，然 后在该坐标系下进行纵向动力学、行驶动力学、操纵动力学分析。对驾驶人员来 甏手 0 ，式( 2 3 2 ) 的分母大于l ，稳态横摆角速度增益比中性转向时小， 且不再与车速成线性关系，了( - 口r 一为一条低于中性转向增益线的曲线，并且随着 口l 车速的增加，譬先增加后减小，如图2 5 所示。具有这样特性的汽车称为不足转 q 向汽车，k 值越大，横摆角速度增益线越低，不足转向量越大。 2 2 2 3 过度转向 当k i g 厶i 即质心后方车轴综 i ，t m + lii f - li 合侧偏刚度对质心的矩较质心前方车轴综合侧偏刚度对质心所产生的矩大，则 k 。 0 ，反之k 。 o ) ： 质心后方车轴综合侧偏刚度对质心的矩较质心前方车轴综合侧偏刚度对质心 所产 所产 所产 所产 生的矩大即：l ，委p 厶i l 喜q 厶i ， 质心后方车轴综合侧偏刚度对质 生的矩小即：l ，柰p 厶i i c l 厶i ， i ll 朋i 质心后方车轴综合侧偏刚度对质 生的矩小即：f l f 窆m + i l 厶f i 芝t f f i lc l 厶i ， il 2 3 本章小结 则系统稳定。 心的矩较质心前方车轴综合侧偏刚度对质心 则系统不稳定。 k 0 时( 阀芯由中位向右移动，无杆腔进油，有杆腔出油) 则： 比例阀左侧阀口的流量为： 吼2 乃嬲，吾( 只一只) 比例阀右侧阀1 2 1 的流量为： 铲白眠括昱 式( 3 9 ) ，式( 3 1 0 ) 中，q 为流量系数，国为阀的面积梯度。 因为稳态时有： 鱼：鱼：y 44 其中y 为活塞杆的运动速度。 由式( 3 - 9 ) 、式( 3 1 0 ) 、式( 3 1 1 ) 得： 鲁q = 鲁刊去= 巧 -4、只一互 由式( 3 1 2 ) 得： ( 3 8 ) ( 3 _ 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 11 ) ( 3 1 2 ) 多轴车辆转向控制系统设计及仿真 呻争 由式( 3 - 8 ) 和式( 3 1 3 ) 联立解得： a = 皆 p ：= 哗产 将式( 3 1 4 ) 和式( 3 1 5 ) 分别代入式( 3 9 ) 、式( 3 1 0 ) 得： 鲕2 冷莎吲 铲黔4 1r 莎p 吲 +。v 根据阀及液压缸功率匹配原则定义负载流量：q = q l 将式( 3 1 6 ) 、式( 3 1 7 ) 代