100吨平板车独立转向系统建模与仿真_图文

1、陶 2007机械工程全国博士生学术论坛 2007年8月 1oo吨平板车独立转向系统建模与仿真李侃,赵静一,王智勇(燕山大学机械工程学院,秦皇岛066004摘要:针对100吨平板车独立转向控制系统做了深入研究,阐述了转向系统的工作原理,建立了该系统转向。、机构、液压系统及电控系统一体化数学模型,根据平板车的转向原理及转向性能要求,采用了变参数PID控制策略, 并在此基础上运用Matlab中的simuIink软件包对该系统进行了动态特性数字仿真,通过现场试验结果与仿真结果 的比较分析证明了该控制方法的可行性,为进一步改善平板车的转向控制性能奠定了基础。关键词:平板车;独立转向系统;电液控制系统;动

2、态仿真;siIIluliIll【Simulation and Modeling on Independent Steering System for 100Ton TranSpOrterLi KaIl,Zhao Jin斟i,W柚g Zhiyong(Collcgc ofMhanical E唱inring,Ya惦llalI univc俗咄QiIlII啪gd066004Abstract:AilIIed at indepcndent stee咖g con仃oI system of 100ttraJIsponer'me ope枷onal principle of steeringcon仃ol s

3、ystem w雒e冲ound锄d the mamemalical modeI of its steeriIlg mechanism,hydmlllic system and electrical system w船set up. Acrding to the transponerJs stecring p血ciple觚d quest of stee血g perfo舯趾,thc co曲.ol strategy of Variable el锄entPD嘲 adoptcd.In tllis向吼datioIlme SimuliIlk so肌批package ofMallab is删lizedto si

4、mulate mc dyn锄icch撒ctcristic ofmc Systcm. Comparing锄d锄alyzing the tcst data锄d the sir肌lation reslllts,it indicates con仃olling me觚ss fe硒ibili吼which benefits to improVetllen仃ol capabmty ofstee面g system ofme tramponer_key wos:ThnSporter;Indcpendcnt steeriIlg system;Elec仃o-hydramic con仃Dl system;DynaIni

5、c siInlll撕on:SimuIiIllc引言大型重载动力平板车是特大、特重构件运输的主要运输设备,如造船厂的船体运输、钢厂的材料运输、 高速铁路桥梁架设用的预应力混凝土箱梁运输均通过大型重载平板车实现。目前大型重载平板车已广泛应 用于军事、桥梁、机械、造船、冶金以及石油化工等各个领域。由于平板车工作现场空间相对狭小,为了 靠近各工作现场或避让其他设备,平板车必须转向灵活、平稳,并能实现横行、中心回转等特殊转向。为 作者简介:李侃(1979一,男,湖南汨罗人,主要从事工程机械流体传动及控制研究Emai l:xiaok卸1979329嘲 2007机械工程全国博士生学术论坛 2007年8月 了

6、适应恶劣的现场环境,对平板车的安全性和可靠性要求也比较高。早期车辆的转向系统是依靠转向盘的 转向力来实现车轮转向的机械转向系统,由于机械力和磨擦因素,转向方式和角度受限,车体缺乏灵活性, 并且传动误差带来的磨损和冲击也降低了其自身的安全性和使用寿命。随着液压技术的不断发展,基于总 线控制的比例方向阀控制的独立转向系统逐步取代传统平板车的转向方式Il】。随着我国造船业的发展,各 大造船厂陆续从国外引入了一些大型平板车来满足生产要求,目前国内相关厂家已研制开发出拥有自主知 识产权的高性能动力平板运输车【2J。本文将针对100吨平板车独立转向系统建立转向机构、液压系统及电 控一体化模型,并运用Mat

7、lab仿真软件进行仿真研究。1平板车独立转向系统概述100吨平板车转向机构为双摇杆铰链四连杆机构,它驱动转向轮组实现+loo匪巨-100啪转向,因此平 板车可以实现任意方向的转向。当转动方向盘时,系统所产生的转向脉冲给控制器提供一个信号,控制器 控制比例换向阀的开度,从而使转向缸推动转向机构,使轮组产生相应的动作。每个转向轮组上都装有一 个角位移传感器,它将轮组的转动角度反馈给控制器,由控制器将此数值与设定的数值作比较,然后由比 例阀来控制转向油缸使转向轮组产生动作【3,引。转向液压缸通过四连杆机构与转向轮组相连。图l为平板 车电液比例控制独立转向原理图。CAN.BUS图l 平板车电液比例控制

8、独立转向原理图Fig.1Thry chan ofeIec仃o-hyd枷1ic indcpendent steeriIlg c仃ol for仃aIIsponer为了满足不同工况,100吨平板车采用全轮独立转向和转角微电控制,可实现直行、斜行、横行、转 向、头尾摆动、中心回转等转向模式。转向系统的基本控制思路是主控节点首先采集操控信号,识别转向 模式(直行、斜行、横行、转向、头尾摆动、中心回转等,然后根据已建立的整车轮系转向运动学模型和 方向盘输入的角度,解析出各轮组的期望转角,通过cAN总线接收最新的实际轮组转角,采用分段PID 控制算法求解各转向缸的控制量输出,并向各I,o节点发送相应的控制指

9、令,从而控制转向油缸带动转向330嘲 2007机械工程全国博士生学术论坛 2007年8月 轮组转动,这一控制过程不断循环,直至各轮组转到期望转角或工作状态发生变化。2平板车转向系统模型的建立平板车转向电液比例控制系统为阀控非对称缸系统。考虑到液压系统是一个非线性的系统,活塞杆的 运动摩擦力、比例阀的流量特性(压力与流量关系、阀开度的饱和特性等都具有非线性特性。,为简化设计, 在工作点附近进行线性化处理,在建立数学模型时做如下假设嘲:(1电液比例阀为理想零开口滑阀;(2电液比例阀具有理想的响应能力;(3液压缸为理想非对称单出缸,且连接管道较短,不考虑管路影响;(4管路压力损失和流体质量效应不计;

10、(5液压缸的内外泄漏忽略不计。2.1电液转向系统的建模对电液比例换向阀,由线圈产生的驱动力可简化为输入电流u的线性函数,假定阀芯运动的库伦摩擦 力为常数,即吩=岛",有:F=岛,一。s未(軎=.b+c鲁+埘鲁 c 其传递函数为:鬻=i (2 式中m一 阔芯质量C一 粘性摩擦阻尼系数K一 弹簧刚度日一 滑阀结构系数比例阀的负载流量方程的线性化表达式为Q|=KnxvKcpI式中K口一 流量增益,=鼍=蝇喂慨刊K。一 流量一压力系数,砖鲁2褊锄2扫瓦一所由于泄漏及液容效应所引起的流量远小于活塞运动所引起的流量, 下,近似有矿92兹"如e知式中 一M一 液压缸平均括塞面积。f%一

11、液压缸的等效容积。一将式(3和式(4进行合并,得到阀控缸的基本方程33l(3 在忽略泄漏量及液容效应的前提嘲 2007机械工程全国博士生学术论坛 2007年8月 2.2转向执行机构数学模型邸。-Kcpl-蕞;l+A一;c (5转向执行机构结构如图2所示。A为悬挂的转动中心,E为液压缸底座与主梁的铰接点,D为液压缸 活塞杆与转向架的铰接点,L为车轮处于中位时液压缸的初始长度,为起始转向角度,目为转动角度。 令OC=ll,Bc=12,AB=13,OA=14,0D=15,OE=16,ED=17,cD=18,么COA=c【,么BAx=e,么ABC=丫,么FCB=p, 么EOD=,么JOE=Q,么COD

12、=九,么OCD=、l,。由几何关系可知厂:一彳c=,9=、/f+瞪一2,l,2cos口厂=_=_一D口=,lo=、/学+增+2岛,4cospC F一 /。7<,o 2S 一金S一图2平板车独立转冈机构衙图Fig.2Sketch ofindependcnt stee渤g触meworl(矗”们nsp嘣er当液压缸伸缩时,连杆Bc推力对回转支撑AB的力臂是不断变化的。若假设液压缸的推力为FED。 连杆Bc的推力为FBc,el,e2,e3分别表示液压缸推力对O点、连杆Bc的推力对O点及A点的力臂; 液压缸活塞位移为k,则连杆BC的推力对A点所产生的力矩为:M=等=堑亚零焉熏磊磊静罴产×

13、=%×gc6, 式中p:坠譬华口:垃生生w=鱼±垒±鱼由几何关系可得:,7+而;厄虿瓦丽画葡:厄虿瓦丽丽 (7 式中。口:.型型!二￥:±!:,一壁+学+碍一曙+2,3,4cos口U一。r。1f一2fI【,4+,3cos臼】矿=垒!璺皇332|嘲 2007机械工程全国博士生学术论坛 2007年8月 s。1(掣由此可以得到:转向执行机构的力平衡方程为M=J8+B8+K8+T式中,一 液压缸产生的力矩,Nm/一 转动惯量,kgm2B一 桔性阻尼系数,Nm/(rad/sK一 负载弹簧刚度./rad丁一 转向阻力矩,Nm已知嘞=p,4,并将式(6带入式(9可得

14、. plAIg姬1未J 8+B9+X8+T 2。3系统模型 ×口=,p矽 (8 (10将(8带入式(4,并进行拉氏燹化司得K舯Kcp,G2老研似+,pp似(11 将(2带入(11可得i笔材G一心研G2老所铷+,p汐似(12 将(10进行拉氏变换可得. p,G扣lgp=朋妙2+B口似+朋G+r (13由(12、(13联合可得羔吨p料=击聊m A。,pp【 p,Ghg=朋似2+口曰似+足l口G+r(14 将整个转向执行机构看成一个刚体,故负载弹簧刚度局忽略不计,由式(14可以得到系统函数方框图, 如图3所示。333嘲 机械工程全国博士生学术论坛 年月 图系统函数万框图 孤 们铀 电液转向

15、控制系统仿真与试验 出于安全因素和施工要求的综合考虑，控制系统对平板车转向的快速性要求并不高，但是对平板车的 转向精度要求较高，因为平板车是重载设备，如果平板车转向偏差过大，则会造成平板车轮胎在行走、转 向等过程中转向角度不准、控制精确度下降，而且还会造成轮胎的严重磨损，影响工作过程中的稳定性。 另外如果轮胎磨损情况严重，则会发生爆胎、翻车的危险情况，因此平板车的转向应该有较高的精度。由 于控制具有算法简单、易于实现及鲁棒性强的特点，平板车的转向控制采用的就是控制。为了提 高系统的控制精度以及不影响系统响应的速度，本系统采用变参数控制律求取控制量，控制律的数学 表达式如下： 毡）川岱一）峨伍）

16、局伍）伍）【伍淞） 式中 （） 均仗）一 ）一 仍）一 岛伍）一 第个通道在第个采样周期的控制器输出 第七个采样周期的调节偏差 第个采样周期的指令转向角度 第七个采样周期的实际输出转向角度 吒）识（七）一只） 口；）一一） ）巴）一） 为了避免在微小偏差下的频繁调节所引起的系统振荡，本控制算法采取了两种措施。一是带死区的控 制，当偏差处于不灵敏区时，输出控制量为零，否则按照增量算式计算输出增量；二是采用积分分离， 在系统偏差较大时，降低或者取消积分作用，当偏差小于某一设定值时，再投入积分的作用。根据已得到 的电液转向控制系统的数学模型，用的工具箱建立系统仿真模型，表为系统的计算参 数。 图所示

17、为系统输入横向转向命令的仿真和实车调试试验的动态响应曲线。通过与仿真结果相比较， 测试曲线有一定的滞后。在实际转向过程中，系统的参数是随时变化的，液压系统阻尼、控制系统的时延 和转向系统的惯性以及某些非线性因素的随机性也会引起系统响应的滞后。整个转向过程满足控制要求， 也说明这种控制方法是完全可行的。 ；鳓 机械工程全国博士生学术论坛 表仿真系统的计算参数 年月 猢 蚰撕彻 、 越 嫒 匠 僻 时问以 图仿真曲线与实际测试曲线 ，卸把 缯 结论 大型重载平板车的转向控制系统是多轴线多轮组独立转向系统，是涉及机械传动、液压传动、电气控 制的一个综合性的控制系统。本文针对吨平板车独立转向系统，在假定比例阀为具有理想响应能力的 零开口滑阀、液压缸为理想单出杆活塞缸、忽略压力损失和泄露、摩擦和转向负载为常值的基础上，提出 了该转向系统的机电液一体化模型，应用带死区的分段和积分分离控制策略，在软件】 软件包中对此控制系统进行了仿真，通过仿真结果与实际测量结果的对比分析，说明此控制方法是完全可 行的，对控制系统的进一步分析和改善也有很大帮助。 参考文献： 【】 龃岛，山 锄。昏 删 魄血 锄叨 嘲 机械工程全国博士生学术论坛 年月 锄 山，（）： 【】舒进，陈思忠，杨林多轮汽车多轮独立转向控制系统设计【】交通与计算