（机械电子工程专业论文）基于新型分流阀的工程机械液压系统模型与控制策略研究.pdf

摘要 提出了采用d s p 控制器调节可调分流比分流阀实现工程车辆液压系统牵引动力和 转向的方法。工程车辆牵引动力学步入了液压牵引动力学研究的崭新阶段，本文的研究 目的是改善提高机械在动态条件下工作的适应能力，进而实现车辆性能指标的最优化， 操纵的全面自动化和智能化，其核心内容为发动机变转速下，变量泵一变量马达液压系 统的结构特性以及控制策略的研究。 本文引入了可调分流比分流阀，构建d s p 控制器一步进电机一可调分流比分流阀 的液压伺服控制系统，实现对液压驱动桥式车辆的流量差强制分流。当d s p 控制器将 所采集到的方向盘转角、车轮转角、马达转速和车速等信号处理并生成指令给步进电机， 电机根据信号量驱动转子带动分流阀阀芯旋转，分流阀两端产生压力差推动阀芯位置改 变，起到调节分流比的作用，以适应工程车辆转向或止滑要求。同时，由于车辆单泵一 双马达液压驱动时变非线性系统是一个多输入，多输出系统。针对随之出现的复杂多变 量液压驱动控制问题，本文从理论研究的角度出发，简化系统，将系统变为单输入双输 出系统，结合功率控制和工程实用的理想传动控制结构。 文中对牵引车辆进行直线和转向行驶的运动学和动力学分析；对液压分流阀进行静 态和动态特性分析，对其进行数学建模，并将其放置于单泵一双马达液压流量耦合系统 的非线性数学模型。在m a t l a b s i m u l i n k 软件下建立简化后的单泵一双马达分流阀流量耦 合系统模糊自适应p i d 控制计算机仿真模型，对此控制方法进行仿真，获得了较佳的动、 静态性能，表明其工程实用性。分析了控制方法中的各参数对系统性能的影响，在已有 的公式基础上给出了选择控制参数的一般性原则。最后对d s p 控制器进行需求性分析， 并进行软硬件设计，将其放置于单泵一双马达一分流阀液压系统中。 关键词：可调分流比分流阀；单泵一双马达系统；模糊p i d 控制；动态仿真；d s p 控 制器 a b s t r a c t t h em e t h o dt h a ta p p l i c a t i n gd s pa n dan o v e ld i v i d i n gf l o wv a l v et oa c h i e v ee f f e c t i v e c o n t r o lo ft h ec o n s t r u c t i o nv e h i c l et r a c t i o np o w e ra n dh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mi sp u r p o s e d t h es t u d yo fc o n s t r u c t i o nv e h i c l ed y n a m i c sg o ti n t oan e we r a ，t h a tr e s e a r c ha i m st oi m p r o v e v e h i c l e sa d a p t a b i l i t yi nd y n a m i cc o n d i t i o n ，a n dr e a l i z e so p t i m i z a t i o no fv e h i c l e sp e r f o r m a n c e ， f u l l yo p e r a t i o na u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c e t h ec o r ec o n t e n ti ss t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f h y d r a u l i cs y s t e mo fv a r i a b l ed i s p l a c ep u m p v a r i a b l ed i s p l a c em o t o rf o re n g i n eu n d e r v a r i a b l es p e e d ，a n dc o n t r o ls t r a t e g y t h et h e s i si n t r o d u c ea na d ju s t a b l e - r a t i of l o wd i v i d i n gv a l v e d s pc o n t r o l l e r s t e p p e r m o t o r - - a d j u s t a b l e r a t i od i v i d i n gv a l v eo ft h eh y d r a u l i cs e r v os y s t e mi s o n eo ft h e t e c h n o l o g i e so fh y d r a u l i c d r i v e nb r i d g ev e h i c l e s t h ea d j u s t a b l e r a t i od i v i d i n gv a l v el i n kw i t h d s pc o n t r o l l e rw h i c hc a l c u l a t et h es i g n a lo ft h es t e e r i n gw h e e la n g l e ，w h e e la n g l e ，m o t o r s p e e da n dv e h i c l es p e e d ，a n dg e n e r a t e so u t p u tt ot h es t e p p e rm o t o r t h es t e p p e rm o t o r r o t a t e t h es p o o lr o t o ro fd i v i d i n gv a l v e t h a tm a k e sap r e s s u r ed i f f e r e n c ea tb o t he n d so fs p o o l p o s i t i o n ，a n dt h e na d j u s tt h er a t i oo fv a l v et om e e tt h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t so fv e h i c l e s t e e r i n g ，o ra n t i - s l i p s i n g l ep u m p d o u b l ef l u i dm o t o rs y s t e m si sam u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t s y s t e m f o rt h ec o m p l e xa n dc h a n g e a b l ec o n t r o lp r o b l e mo ft h eh y d r a u l i cd r i v e ，t h i sa r t i c l e f r o mt h ep o i n to ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t os i m p l i f yt h es y s t e mi n t oas i n g l e i n p u td u a l o u t p u t s y s t e m ，c o m b i n ew i t ht h ep o w e rc o n t r o la n de n g i n e e r i n ga ni d e a lu t i l i t yt r a n s m i s s i o nc o n t r o l s t r u c t u r e t h i sp a p e r , i n c l u d i n gs t e a d ys t a t ea n d d y n a m i c sa n a l y s i so nd r i v i n gv e h i c l e sf o r s t r a i g h t l i n et r a c t i o na n ds t e e r i n g ；s t e a d ys t a t ea n dd y n a m i c sa n a l y s i so nd i v i d i n gf l o w v a l v e ，a n dn o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e l i n gi ns i n g l ep u m p d u a l - m o t o rh y d r a u l i cf l o w c o u p l i n gs y s t e m s s i m p l i f i e dm o d e lo fs i n g l ep u m p d o u b l em o t o rd i v i d i n gf l o wv a l v e c o u p l i n gs y s t e mw i t hf u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h mi se s t a b l i s h e db ym a t l a b s i m u l i n k s o f t w a r e s i m u l a t i o nf o rt h i sf u z z yp i dc o n t r o lm e t h o ds h o w sab e t t e rd y n a m i ca n ds t a t i c p e r f o r m a n c et h a tc o m p a r e sw i t ht r a d i t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g y ，i m p l y se n g i n e e r i n gp r a c t i c a b i l i t y ； a n a l y s i so ft h ep a r a m e t e r sc h a n g et os y s t e mp e r f o r m a n c e ；t h ec h o i c eo fc o n t r o lp a r a m e t e r s a r eg i v e nb yt h eg e n e r a lp r i n c i p l ei nb a s i so fe x i s t i n gf o r m u l a ；f i n a l l y ，n e e d s a n a l y s i so f d s pc o n t r o l l e r s ，i na c c o r d a n c ew i t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na p p l i c a t i o ni nas i n g l e p u m p d u a lm o t o r d i v i d i n gf l o wv a l v ei nt h eh y d r a u l i cs y s t e m k e yw o r d s ：a d j u s t a b l e r a t i of l o wd i v i d i n gv a l v e ；s i n g l ep u m p - d u a l m o t o rs y s t e m ；f u z z y p i dc o n t r o l ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；d s pc o n t r o l l e r 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加 明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：泓百萎 叫7 年瑚阳日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 谚7 年尹月7 , o e l 彬产夕腆旧 长安大学硕十学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 本课题的背景和意义【l 】【2 】【6 】 车辆发动机、液压驱动系统静态控制特性给出了系统的宏观控制目标与原则，其基 础建立在对车辆即驱动系统的动力性、经济性、作业生产率以及可靠性寿命、成本、对 变工况的适应性等综合要求的基础上。循环式工作车辆的牵引负荷是一个变化剧烈的非 平稳随机过程，在对负荷进行适应调节的过程中，驱动系统是一个具有剧烈波动负荷干 扰的恒功率与变功率结合的速度白适应调节系统，对动态调节过程的稳定性、快速性等 要求，决定了有必要建立该系统的动态数学模型，从微观变化角度分析其动态性能，并 由此进行系统的控制策略与校正方法设计。 工程车辆的转向多依靠机械转向装置来控制，在转向时对左、右侧车轮的分流按需 供油主要为了防止某侧车轮打滑或马达超速。然而，对工程车辆的转向要求是，在车辆 转向的同时防止某侧马达超速或车轮打滑，因此根据实际工作需要对油液强制分流就是 机械驱动桥式车辆所采用的一种方式，根据内外侧马达速差即流量差强制分流控制。 本文引入了一种新型分流阀一可调分流比分流阀，两个输出口的流量比可以借助外 力进行调节的一种阀。这种分流阀区别于一般分流阀的特点之一是阀芯既可旋转也可滑 动，两种运动可以同步进行且互不产生扰动，以此达到调节两侧油液流量比例的目的。 这种阀精度很高，在任何工作位其分流作用都很明显。可调分流比分流阀的另一个优点 是功率损失小，当一侧马达打滑时，d s p 控制器通过检测方向盘转角，会调节分流阀把 油液均分流给附着状况较好的另一侧，获得较大的向前驱动力，达到差速功能。 轮式车辆通常有四个车轮，或两轮驱动，或全轮驱动。其驱动方式有中央驱动方式 ( 图1 1 1 ) 和驱动轮独立驱动方式( 图1 1 2 ) 。对于驱动轮独立驱动方式的液压车辆， 其主要特点有： 第一章绪论 换 图1 1 1中央驱动方式 向阀 图1 1 2驱动轮独立驱动方式 ( 1 ) 结构布置灵活，可形成多种新结构机器； 2 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 马达驱动装置为批量供应的多品种元件，配套方便； ( 3 ) 两侧马达并联组成油路时具有差速锁功能，可以强制直线行驶并实现两侧速 差转向； ( 4 ) 两侧马达独立供油时，具有差速器功能，可实现偏转车轮或车架转向； ( 5 ) 则形成通过减速器上的停车制动器或行车制动器有效制动； ( 6 ) 无需驱动桥装置，车辆结构简洁，便于维修和更换元件。 对于四驱动轮独立驱动方式的液压车辆经常采用单泵供油或者采用双泵，对前、后 轮马达分别供油的方式，这两种供油方式有各自的使用范围。本文仅讨论采用单泵供油 双马达并联系统的牵引型车辆，而对非牵引车辆，认为其转速恒定是牵引车辆转速变化 的一种特殊情况，对此本文不做研究。 牵引车辆单泵供油双马达并联系统的模型结构与控制理论研究，其方法为流量耦 合。单变量泵一多变量马达闭式系统的模型将为液压传动控制理论提供一种新的系统与 方法。对上述控制系统进行理论研究的内容分为三个方面：其一为特征参数合理匹配。 参数匹配是一种静态观点，而特征参数的合理匹配是系统保证综合指标与动态性能的必 要条件。其二为系统的过程控制。在过程控制中参与检测、控制、计算的各参数反映了 工作负荷的准静态趋势项特性，各种控制目标都是针对这一趋势项进行的。其三为系统 中高频随机动载的预防。 与以往车辆用液压驱动系统相比，上述系统分析中考虑工程车辆作业工况下发动机 变转速，以及变量马达的引入，系统变量增加，需要对泵参数和马达参数两者共同进行 调节才能实现闭环，使控制问题变得复杂。分析表明，车辆驱动系统属于模型结构已知， 参数变化且干扰剧烈的系统，对这种参数变化、模型结构确定的系统需要一种随被控对 象模型改变而自动变化的控制方法。 在上述车辆液压牵引动力学发展状况的背景下，针对出现的液压传动控制问题提出 了本课题。对车辆的非线性动态系统而言，自适应控制、模糊控制及智能控制等现代控 制方法均是崭新的提法，至今这方面的研究仍是空白。本文正是对提出的新颖现代控制 策略进行初步的技术细节方面的讨论及仿真研究。 1 2 论文主要研究内容 本文主要对以下几个方面展开针对性的讨论研究： ( 1 ) 就常见的4 w s 工程车辆进行运动学、动力学分析以及性能参数分析。 3 第一章绪论 ( 2 ) 根据桥式车辆动力和转向原理，引入可调分流比液压分流阀，使用步进电机 的旋转驱动力，实现液压系统流量差强制分流。 ( 3 ) 对牵引车辆进行直线行驶和转向行驶的运动学和动力学分析，将流量差分流 阀放入已有的车辆单泵双马达液压流量耦合系统的非线性数学模型中，建立单泵一双 马达分流阀分流系统模型。 ( 4 ) 在尽量多地吸取传统的经典控制理论强大的分析能力基础上，结合模糊控制 的独特的特点，将模糊控制与传统p i d 控制相结合，详细论述建它模糊自适应p i d 控 制的系统方法。将模糊自适应p i d 控制方法应用于车辆单泵一双马达液压流量耦合系统 上，构成一种新颖的车辆液压驱动系统自适应控制策略。 ( 5 ) 对耦合变量非线性方程，采用泰勒级数展开法对系统进行简化，在 m a t l a b s i m u l i n k 软件下建立车辆单泵双马达流量耦合系统的模糊自适应p i d 控制及恒 功率控制的计算机仿真模型，并对此进行仿真研究。分析仿真结果，并在已有计算公式 的条件下给出较佳的参数值，尝试给出较佳控制参数的选取方法和参考原则。 ( 6 ) 探讨步进电机的特性及其应用。对1 ：程车辆液压系统控制策略进行分析，以 t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型号为d s p 芯片，对其进行特性分析，用模块化设计方法对 d s p 控制器进行软硬件设计，采取相应的抗干扰措施。 4 长安人学硕十学位论文 第二章系统动力学与运动学分析及数学模型 2 1 工程车辆液压动力学概述 2 1 1 液压牵引动力学研究内容和目的 3 1 4 1 工程车辆牵引动力学的研究分为两个阶段，即静态研究阶段和动态研究阶段。静态 研究阶段主要集中在上世纪七十年代以前。其工况是静态，方法是点工况参数匹配，不 涉及到参数变化的过程问题。自七十年代以后，牵引动力学研究进入动态阶段，工况由 常值变为动态变化过程，数学关系由确定关系变为随机统计关系，研究由与时间无关的 点工况变为随时间变化的线工况以及考虑到随机离散的面工况。 牵引动力学的研究表明：车辆系统的四个组成部分一发动机、传动系、行走机构、 工作装置之间互相联系和影响，工作装置的最佳控制是极限负荷控制，行走机构最好的 方式是采用动态参数匹配方法，发动机最好的状态是静态工况下工作，因此，对动态负 荷进行最有效调控的环节只能是传动系统。经过数十年的发展，液压传动以机械传动所 不具有的高效、可控性强、线性、成本及可靠性适宜等特性成为一种有效的工程车辆传 动方式。特别是液压元件已经形成产品标准系列和规格，控制手段和产品均已成熟。通 过这些成熟产品的不同组合及引入新的算法则可满足车辆需要的各种性能，并不需要进 行专门的元件研究和产品开发，在技术和成本方面与其它方法相比均有着无与伦比的优 势。因而工程车辆牵引动力学进入了液压动力学研究阶段，是牵引动力学在传动领域的 深入，目的在于进一步改善提高机器在动态条件下工作的适应能力【2 】。 车辆液压动力学研究对象为工程车辆液压驱动系统与整机性能，通过对不同结构不 同控制方式的系统在不同负荷模式作用下性能的研究，寻求车辆最优设计与控制方法， 使车辆牵引性能、作业性能与自动化程度得到提高，同时具有合理成本、寿命与舒适性， 满足同益提高的环保要求等。其重点在于对发动机一液压传动与控制系统进行研究，希 望通过对液压传动系统的结构和控制策略进行研究，达到提高机器在动态工况下作业性 能的目的。 液压牵引动力学的研究内容可归纳如下： 1 理论研究 ( 1 ) 动态性能指标体系与计算方法研究； ( 2 ) 动态测试数据的模型和处理方法研究。 5 第三章系统的模糊臼适应p i d 控制策略研究 2 动态性能试验方法与设备研究 ( 1 ) 现场试验方法与设备； ( 2 ) 台架模拟试验方法与设备； ( 3 ) 负荷车模拟试验方法与设备。 3 现场试验与台架模拟试验研究 ( 1 ) 工作装置与工作介质相互作用的动态特性( 现场试验或土槽模拟) ； ( 2 ) 行走机构与地面相互作用的动态特性及其影响因素研究( 现场试验或土槽模 拟) ； ( 3 ) 发动机和传动系在变负荷工况下的动态性能研究( 现场试验或台架模拟) 。 4 使用优化研究 使用条件对机器动态性能的影响和使用参数优化的研究。 5 综合应用研究 ( 1 ) 机器动态过程的数学模型和动态性能预测方法研究； ( 2 ) 牵引参数合理匹配和优化研究； 动态牵引参数合理匹配和优化，是对动态工况下各参数的特征值进行优化，尽管这 是一种以点工况考虑问题的静态意义上的思想，但对牵引动力学从参数的变化过程进行 讨论的动态研究来说仍是必要的。因为从过程控制角度来看，只有将参数的特征点匹配 合理，才有可能采用简洁的控制方法。 ( 3 ) 机器动态过程的计算机模拟与牵引参数设计的c a d 系统研究； ( 4 ) 机器机械化施工的优化系统c a d ； ( 5 ) 机器动态过程最优控制方法和设备研究； 这一研究将要结合机器的结构参数、工作环境参数、使用参数( 动力学参数) 来进 行机器整体参数的过程优化控制，使机器在自动化或半自动化状态下实现最优的综合性 能。 ( 6 ) 机器动态性能试验标准的研究。 2 1 2 研究现状【l j 【5 j 【6 1 【9 1 1 1 4 j 【2 4 j 目前，工程车辆牵引动力学正步入一个阶段车辆液压牵引动力学。工程车辆液 压动力学研究目的在于改善提高机器在动态条件下工作的适应能力。如同经典车辆底盘 动力学的发展，工程车辆液压牵引动力学也由静态匹配研究阶段发展至系统动态性能研 6 长安人学硕十学位论文 究的新阶段。该阶段研究车辆实际动态变负荷工况下的真实性能及其为达到最佳性能而 应该采取的相关措施。工况由常值成为动态变化过程，数学关系由确定关系变为随机统 计关系，研究由与时间无关的点工况变为随时间变化的线工况以及考虑到随机离散的面 工况。在近代动态研究中，主要涉及的仍然是机械传动和液力机械传动的车辆性能，这 两种传动方式所决定的系统在采用线性控制方法方面存在着较大的困难，因而还无法利 用简易可行的过程控制方法来提高机器的动态性能。 随着液压牵引动力学的发展，研究将深入到机器系统各部件的动态工作过程中去， 探讨各主要影响因素对液压驱动车辆性能的影响规律，通过静态参数匹配方法并结合现 代工程控制的动态思想，实现液压传动在牵引车辆上应用的参数合理匹配与过程优化控 制。希望能通过液压传动与控制的引入很好地解决工程车辆在变负荷工况下的适应问 题。 因此，液压牵引动力学中的重要内容为：采用通用液压传动与控制元件组成传动系 统，必要时辅之以自控式机械变速装置，通过液压传动元件参数的过程控制与调节，对 工程车辆剧烈波动的负荷非平稳随机过程的趋势项进行调节，使发动机始终在准静 态工况下工作。经典的车辆底盘理论和牵引动力学很少涉及到机器的可靠性与成本价格 指标，为使研究更具有实用性，应将可靠性、成本价格的指标理念引入到液压牵引动力 学的研究中，即牵引车辆液压传动系统的综合性能指标为：动力性，燃料经济性，可靠 性，寿命及成本。 近十年来，工程车辆的研究如同其它领域一样，正进入全面的自动化、智能化阶段， 而智能化的核心是运用过程控制的思想和方法通过对工作过程的参数控制调节使整机 获得动态条件下的最好性能，最终实现工程车辆综合性能最优化、环保化及智能化。 7 第三章系统的模糊自适应p i d 控制策略研究 图2 1 1 牵引动力液压系统控制原理图 如前所述，本文主要讨论牵引车辆单泵一双马达并联系统( 图2 1 1 ) ，可调分流 比分流阀和d s p 控制器对此系统的影响以及控制策略研究。为一种车辆系统，有必要对 其进行系统运动学与动力学分析及功率控制分析，以了解车辆各种状态的实际情况，从 而为下述的模型建立和控制研究提供保障，最终保证系统实现车辆的要求，因此本文将 结合工程车辆液压系统牵引动力和四轮转向原理进行讨论。 对于桥式车辆在行驶和作业过程中，车轮与地面有两种相对运动：滚动和滑动。滑 动将加速车轮轮胎的磨损，增加车辆的转向阻力和行驶阻力，因此要尽量使车轮滚动， 减少车轮和地面的滑磨现象的发生。车辆在转向或路况较差的地面上行驶时，左右侧车 轮有不同的移动距离，这就要求左右侧车轮有不同的转速。为了让车轮尽可能的接近于 纯滚动，车辆设计时，同一驱动桥的左右两侧车轮应由两根不直接连接的半轴分别驱动。 简言之，强制分流液压系统就是允许车辆驱动轮两半轴以不同的转速转动且不相互干扰 的差速传动装置，其目的是为了保证车辆良好的行驶性和通过性。 当车辆在不良路面行驶时，驱动轮两侧地面附着条件不同，会使车辆两侧驱动轮， 8 长安大学硕士学位论文 一侧产生打滑( 或打滑趋势) ，而另一侧产生拖滑( 或拖滑趋势) 。如果驱动轮一侧陷入 泥泞中，此时，被陷入泥泞中的驱动轮加速旋转，另一侧车轮转速降低直至停止导致车 辆无法摆脱困境。若此时将两侧马达流量进行强制分流，使附着条件较好的一侧车轮获 得较大油液流量进行驱动，使车辆通过恶劣状况。由此可见，电控分流阀足根据实际工 作需要对油液进行强制分流的装置，使相应的马达获得最大流量，以获得最大牵引力。 2 2车辆驱动轮直线行驶理论分析川 2 2 1 车辆驱动轮直线行驶运动学分析 图2 2 1 驱动轮运动简图 车辆行驶时，发动机功率通过一系列变速、变矩装置将动力传递给驱动轮，驱动轮 与地面产生作用使车辆前进。如图2 2 1 所示，驱动轮运动简图。 当车辆纯滚动时，此时有效半径为滚动半径，以乞表示( 有效滚动半径通常可用试 验方法确定) 。此时几何中心的速度称为理论速度，用v ，表示。即： 1 ，r = 瓦袖芷 ( 2 1 3 ) 当驱动轮无滑移( 或滑移) 地滚动时，其理论速度1 ，r 可用下式表示： v r = 名置= r x c o k ( 2 1 4 ) 其中：k 驱动轮的动力半径； c o k 驱动轮的角速度。 驱动轮的动力半径，等于驱动轮几何中心的驱动力作用线的距离。由于驱动力的作 用线位置通常很难确定，因此通常用轮胎的静力半径0 ( 指车轮在静止状态下受法向载 o 第三章系统的模糊自适应p i d 控制策略研究 荷、轮胎有径向变形时，车轮几何中心到路面的距离) 来代替动力半径。 车轮在运动中可处于三种状态：纯滚动、滑转、滑移。可以用滑转率6 来描述轮式 车辆的实际速度与理论速度之问的关系。 6 ：二型：1 一二 ( 2 1 5 ) 坼 实际速度与理论速度的关系可表示为： v = ( 1 6 ) v 7 ( 2 1 6 ) 事实上，车辆实际行驶时，一般情况下，驱动桥两侧驱动轮所受外扭矩并不相同。 2 2 2 车辆驱动轮直线行驶动力学分析 车辆驱动轮在驱动力矩作用下正常行驶的状况，如图2 2 2 所示驱动轮轮胎滚动受 力情况示意图。 驱动轮力矩平衡方程式： 其中：r a 滚动阻力矩； r 地面垂直反力。 m ，一乃，一r a = 0 ( 2 1 7 ) a 图2 2 2 驱动轮轮胎滚动受力情况 若r = q ，将式( 2 1 6 ) 除以车轮动力半径k 得： m k f 一尺! ：0 r xr k ( 2 1 8 ) 警是驱动轮转矩所产生的圆周力，它在数值上等于切线牵引力足，旦是驱动轮滚动 r kr x l o 长安大学硕十学位论文 阻力系数，用厶表示。r 旦r e 是滚动阻力，用表示，所以有： 坟一f 一以= 0 ( 2 1 9 ) 上式说明，驱动轮的牵引力f 是切线牵引力足与滚动阻力之差。 如果滚动阻力矩尺口用m 肛表示，显然有 m f k = r a = f f l c r k ( 2 2 0 ) 实际情况中各轮所受外扭矩并不相同，滑转率也不相同，为讨论问题的方便，在下 述的讨论中，不考虑滑转率的问题。 2 3 车辆驱动轮转向行驶理论分析【1 】 按动力来源分类，车辆转向可分为机械转向和动力转向( 图2 3 1 为新型4 w s 原理图) 。 为了使车辆实现转向行驶，不论是动力转向还是机械转向，必须在车辆上产生一个与转 向方向一致的转向力矩，用来克服车辆转向阻力矩。 图2 3 1 新型4 w s 液压系统控制原理图 第三章系统的模糊自适应p i d 控制策略研究 车辆在转向行驶过程中，要求左右车轮以不同的角速度旋转，其原因是转向时，外 侧车轮所走过的路程较内侧车轮长；当左右车轮轮胎、载荷、气压不等或磨损不均时， 其实际滚动半径不相等；在高低不平的道路上行驶时，两侧车轮实际走过的路程不同。 因此，车辆转向所提出的基本要求是：尽可能保证车轮在地面上只有滚动，而不产生滑 动( 包括侧滑、纵向滑移和滑转) 。下面就车辆转向行驶状况，从运动学和动力学两方 面进行分析。 2 3 1车辆驱动轮转向行驶运动学分析 在水平地面上，车辆不带负荷，绕转向轴线d 作稳定转向，如图2 3 2 所示，车辆 转向运动简图。从转向轴线d 到车辆纵向对称平而的距离尺，称为车辆的转向半径。 图2 3 2 车辆转向运动简图 以o r 代表轴线d 在车辆纵向对称平面上的投影，啡的运动速度v 7 代表车辆转向时 的平均速度。则车辆的转向角速度c o ，为： 国，：!( 2 2 1 ) “ 尺 转向时，机体上任一点都绕转向轴d 作回转其速度为该点到轴线d 的距离和角速度 c o z 的乘积。所以内侧轮( 慢) 、外侧轮( 快) 速度1 ，：和1 ，：分别为： q = o 吃( r - o 5 b ) = v - 0 5 8 0 9 z1 ( 2 2 2 ) v ：= c o z ( r + 0 5 b ) = v + o 5 8 0 9 zj 其中：b 车辆的轨距。 根据相对运动的原理，可以将机体上任一点的运动分解成两种运动的合成： 1 2 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 牵连运动，即该点以q 的速度，7 所作的直线运动； ( 2 ) 相对运动，即该点以角速度z 绕q 的转动。 所以，内侧轮( 慢) 、外侧轮( 快) 中点o 。、0 2 的速度v ：、v ：就是牵连速度y 7 和 相对运动速度0 5 b z 的向量和。 由式( 2 2 1 ) ，式( 2 2 2 ) 可以得到以下关系式： w r 一0 5 b v 7r 以r + 0 5 b 1 ， r v ：一r 一0 5 b 呓 r + o 5 b 2 3 2 车辆驱动轮转向行驶动力学分析 ( 2 2 3 ) 如图2 3 3 所示，车辆转向受力简图，带有牵引负荷的车辆，在水平地面上以转向 半径尺作低速稳定转向时的受力情况( 离心力略去不计) 。 图2 3 - 3 车辆转向受力简图 转向行驶时的牵引平衡可作如下假设： 0 在相同的地面条件下，左右侧车轮转向阻力分别为： 1 3 第三章系统的模糊自适应p i d 控制策略研究 ( 2 2 4 ) 其中：，左、右侧的直线行驶阻力矩； ，- 左、右侧的转向行驶阻力。 车辆所提供的有效牵引力为0 ，或者认为有效牵引力已经加在左右侧转向行驶 阻力中了。所以，转向行驶的牵引平衡关系为： f 矗+ f ：r = f 麓+ f k = f k ( 2 2 5 ) 其中： ，转向行驶时左，右侧的驱动力。 假设车辆转向时地面对车辆作用的阻力矩为m 。，并且认为这个阻力矩就足总的转 向阻力矩： m z = m ( 2 2 6 ) 如前所述，车辆转向时内侧轮( 慢) 、外侧轮( 快) 产生的驱动力不相等，所以转 向行驶时的转向力矩为： m z = 0 5 b ( 一) ( 2 2 7 ) 稳定转向时的力矩平衡关系为： m z = m z1 或 ( 2 2 8 ) 0 5 b ( 一) = m zj 牵引力矩平衡关系已经表示出内侧轮( 慢) 、外侧轮( 快) 驱动力、转向阻力矩和 机构参数b 之间的关系。为了进一步研究转向行驶特性，有必要对内侧轮( 慢) 、外侧 轮( 快) 驱动力分别加以讨论。为此，通过式( 2 2 5 ) 和式( 2 2 8 ) 可解得： 死= o 5 r + 等 - o 5 r 一等 ( 2 2 9 ) 兄i i l i = 长安大学硕上学位论文 式中，m b 削e m p 作用下，土壤对轮子行驶所增加的反力，亦即转向力，作用方向与 驱动力方向相同，以疋表示。 从而，式( 2 2 9 ) 还可表示为： = 0 5 坟+ 疋i ( 2 3 0 ) = o 。5 足一疋j 2 4 车辆驱动并联系统模型及分流阀分析 2 4 1 车辆并联系统分流方式分析 典型的液压车辆是利用车轮独立驱动的左、右侧马达并联工作形成差速器功能达 到转向的目的。然而，当一侧驱动轮的附着力较差时，或者车辆长距离直线行驶时，或 者当牵引力作用点偏离车辆左、右中心线过大使车辆跑偏时，都要求车辆左、右两侧驱 动轮同步工作。例如当一侧驱动轮附着条件不好而打滑时，并联液压系统中的大部分油 液将输入给这一侧马达，造成马达超速甚至损坏。因此系统中应设有限速装置，用于解 决因偶然因素造成的马达超速问题。 前面分析了驱动车辆单变量泵一双变量马达分流阀液压系统是一个并联系统。并 联系统有自然分流、强制分流、电比例分流三种方式。通常，牵引型车辆的性能指标要 求为：生产力、经济性、作业效率、可靠性等，而对速度及其稳定性的要求不高。因此， 采用液压驱动，具有节能、提高功率利用率、增强作业效率等优点。 1 采用自然分流方式，则将泵提供的流量几乎全部用于系统，各个马达根据需要分 得流量，速度稳定性得不到保证，对于速度稳定性要求不高的牵引车辆，通常采用自然 分流方式，车辆行驶、转向灵活且准确。但因其流量按需分配，在某些偶然因素下容易 造成车辆单侧马达超速或车轮打滑空转，即发动机功率低下且牵引性能的不良。 2 采用电比例分流可以保证各个马达所分流量相同，强制同步直行，即具有限速功 能或差速锁功能，比较适合于有作业质量要求且要求速度稳定性的非牵引车辆，如摊铺 机、铣刨机等，但功率利用率却并不可观，因在保证速度稳定的同时带来了相当的流量 损失。另外，因其转向阻力矩较大，车轮磨损严重，并且在路面不平整场合会转向定位 不准，在很多场合的使用受到限制。 ls 第三章系统的模糊白适应p i d 控制策略研究 3 当车辆在转向时，或者行驶在路面不平整场合，若没有差速则容易造成转向性能 不良或轮胎严重磨损，这类似情况下若能对车辆两侧进行差速，则能很好解决问题；当 车辆在不良路面行驶时，经常会遇到驱动轮两侧地面状况不同，导致一侧打滑而另一侧 拖滑的现象。甚至一侧驱动轮陷入泥泞中而加速旋转，另一侧马达由于流量少而转速降 低直至停止，这种情况下车辆将无法摆脱困境。若此时强制车辆油液对称分流，使车辆 两侧驱动轮强制同步，则车辆能摆脱困境。可见，强制分流综合了以上两种分流方式的 优点，既能按需分配流量而得到较高的功率利用率，又能保证作业质量和速度稳定性， 这种节能且可靠的分流方式，实现油液分流的智能控制，是工程车辆驱动系统的最佳选 择。 单变量泵一双变量马达和可调分流比分流阀组成的液压驱动系统，是强制分流系 统，是对自然分流和电比例分流两种方式的综合，既可解决自然分流方式的车轮打滑空 转、造成发动机功率的浪费以及牵引性能恶化的问题，又克服对称分流方式转向困难和 不准确的缺点。因为分流阀的性能对流量是很敏感的，分流精度随流量增大而提高，但 压降损失相应增大。可调分流比分流阀是一种具有普通分流阀的优点，且能实现强制分 流的阀。虽然，单变量泵一双变量马达分流阀液压驱动系统综合了两方面的优势，但是 也使得系统更为复杂，这给控制策略带来了不可预测性。 2 4 2 常规分流阀 分流阀具有结构简单，成本低，可靠性好等特点，充分挖掘分流阀在工程机械液压 转向系统中的潜力，是本文的重要工作目的。首先对分流阀做简单介绍。 1 分流阀分类 分流阀是液压系统中普遍采用的液压元件，其作用是从同一个油源向两个液压执行 元件供应相等的流量( 等量分流) ，或按一定比例向两个执行元件供应流量( 比例分流) ， 以实现两个执行元件的速度保持同步或定比关系。 分流阀是分流集流阀中的一种，分流集流阀包括分流阀、集流阀和分流集流阀。其 中固定分流比的分流阀又称为同步阀，取可以实现执行元件速度同步之意。 1 6 长安大学硕上学位论文 a ( 分流阀) b ( 集流阀)c ( 分流集流阀) 图2 4 1 分流集流阀符号图 国内生产的分流集流阀按结构形式和工作原理可分为三大类型，分别是固定式、可 调式和自调式。固定式的定节流孔面积彳，是不可调的，故名固定式，根据q ：g 4 ，望， 、fp 当分流输出路外负载变化引起分流阀前后压差卸变化时，必然引起输出路流量q 的改 变，影响分流精度。固定式具体又分为换向阀芯式和挂钩弹簧式。可调式是在挂钩弹簧 式的基础上改进而成，其节流孔的通流面积4 可调，通过调整可调节流孔的通流面积。 在外负载突然变化引起分流阀前后压差p 变化时，根据公式q = g 4 等，会引起输 出路流量q 瞬时改变，此时通过改变节流孔的通流面积4 ，使分流阀前后压差卸保持 恒定，从而保持输出流量q 相同的分流精度。但可调式分流集流阀，其可调节流孔一经 调整好并固定后，即变成固定式分流集流阀，其可调节流孔面积需靠操作者去手动调整， 因而不能适用于流量瞬时变化的同步系统。自调式是最普遍采用的分流阀，其节流孔面 积以亦可调，能根据流量大小自动调整可调节流孔的通流面积4 ，使前后油液压差卸 等于常数。 自调式分流阀工作原理如图2 4 2 所示。自调式分流阀主要由弹簧、阀体、阀芯和 端盖等组成。阀芯内部有左右两个隔离的阀腔，并开有固定节流n j f l b , ，吃和可变节流口 a l ，口：。阀腔通过滑芯上的固定节流孔6 l ，如与输入油口相连，通过可变节流口q ，呸与输 出油口连通，其中可变节流口的开口量受阀芯位移控制。 1 7 第三章系统的模糊自适应p i d 控制策略日槐 p a q “ 图24 2 自调式分流阀工作原理图 分流阀工作原理：利用负载压力反馈来补偿因负载变化而引起流量变化，通过使两 侧固定节流口岛，6 2 的前后压差4 n = p t n ，印：= p 2 一b 保持相等来实现等量分流。例 如，当左输出油路负载压力p a 增大时，p a n ，则瞬时阀芯左腔压力p j 大于阀芯右腔 压力p 2 ，会推动阀芯向右移动，这时左侧可变节流口a 面积增大，右侧可变节流口a 2 面 积减小，从而使左右两腔压力p l ，p 2 趋向一致，因而使通过两固定节流口岛，6 2 的流量 岛，g 又保持一致，实现了动态等量分流。自调式同步阀可以适应大的流量、压力变化 范围和大的偏载工作条件，可以实现固定分流比的分流，但无法实现动态改变分流比。 2 分流阀应用的局限性 分流阀在履带和轮式工程机械中均有应用，应用局限性主要表现在：对于履带工程 机械，当一侧履带附着情况不良时，可通过改变两进油油路上分流阀前后的压降来平衡， 保证两路输出压力相等，使附着良好的履带充分发挥牵引力。这种驱动方式的特点是结 构简单，成本低。缺点是分流阀在控制行驶方向时需随时调整，直线行驶性差，且节流 产生压降，消耗部分能量。对于轮式工程机械，其转向多依靠机械转向装置来控制，很 少像履带工程机械那样利用内外侧履带速差转向。利用机械转向装置时，对左右侧车轮 的对称分流供油主要为了防止某侧车轮打滑和马达超速，如果能够较好解决这两方面问 题，则左右侧对称供油成为多余。假设各马达排量相同，分流阀对各分流支路供油量相 同时则马达转速相同。但当各车轮附着条件不同时，在相同滑转率下各车轮需要不同的 牵引力，这时需要对各分流支路按需供油。 另外，分流阔的压降损失成为热量，降低了车辆传动效率并增大了散热负荷，因此 长安大学硕十学位论文 在分流阀油路中必须相应加大散热器规格，并尽量减少分流工况工作频率，尽量使系统 在非分流工况或空载分流工况工作，仅当附着条件恶化，某车轮打滑车辆无法牵引作业 时使用分流功能。根据路面附着条件，由司机随时选择分流阀的工作位置的操作比较麻 烦也不现实，一般的方式是在大负荷牵引工况下选择分流工况位置，而在小负荷或空载 时选择非分流或空载分流工况位置。由于工程机械在牵引时并非经常单轮打滑，囚此常 将分流阀至于分流工况位置会产生无谓的分流节流压降损失。 2 4 3 分流阀系统分析与建模 i 可调分流比分流阀 可调分流比分流阀结构图 1 阀套2 阀：卷3 轴肩4 分流阀通流口5 半圆通流槽6 阀芯l u l 槽7 阀套凹槽 可调分流比分流阀的动态分析主要分析分流阀对阀芯转角、油源流量和负载压力变 化的动态响应，分析前做如下主要假设：忽略分流阀内部的流量泄漏；流量系数为定值， 需说明的是此假设不适应可调节流口在接近关闭状态的工作情况；液桥中油液流动方式 为层流；阀芯左右两外端的端面面积相等。 1 9 第三章系统的模糊自适胞p i d 控制策略研究 q l ip l i q l 2p l 2 u s p s 图2 4 3 可调分流比分流阀工作原理图 工作原理：可调分流比分流阀的阀芯可以同时做旋转运动和滑动运动，且这两个运 动自由度之间不相干涉。