涂群章，張曉辰，潘 明，馮 霞，鄭偉杰

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007)

0 引言

電傳動履帶車輛憑借其良好的動力性以及在節(jié)能、環(huán)保、降噪方面的杰出表現(xiàn)，近年來在農(nóng)業(yè)、礦用工程機械和軍用車輛領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。轉(zhuǎn)向控制是電傳動履帶車輛驅(qū)動系統(tǒng)研究的重難點方向，主要體現(xiàn)為:高速轉(zhuǎn)向過程中功率需求大、平穩(wěn)性差;低速轉(zhuǎn)向過程中系統(tǒng)響應(yīng)能力差、轉(zhuǎn)向可控性不強［3］。

近年來，在轉(zhuǎn)向控制策略方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量理論分析與實驗研究，目前應(yīng)用最廣泛的是直接轉(zhuǎn)矩控制策略，該控制方法簡單易行，但控制效果有限，無法實現(xiàn)對駕駛員瞬時操控意圖的快速響應(yīng)［4］;在控制其設(shè)計方面，研究人員普遍采用離線仿真技術(shù)和實車測試方法，但離線仿真不能真實反映駕駛員的實時操控意圖，而實車測試往往周期較長，成本較高。

為了解決上述問題，提高電傳動履帶車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)能力和工作效率，本研究針對轉(zhuǎn)向補償控制策略的設(shè)計與實時仿真驗證展開研究。

1 面向?qū)崟r控制的系統(tǒng)模型建立

1.1 履帶車輛動力學(xué)模型

為研究電傳動履帶車輛的轉(zhuǎn)向控制策略，需首先對車輛轉(zhuǎn)向過程進行動力學(xué)分析，建立面向?qū)崟r控制的車輛動力學(xué)模型。基于相對轉(zhuǎn)向半徑，電傳動履帶車輛轉(zhuǎn)向，可分為大半徑修正轉(zhuǎn)向、再生制動轉(zhuǎn)向、小半徑轉(zhuǎn)向3 種工況。對于采用雙側(cè)電機獨立驅(qū)動布置方式的車輛而言，通過精確、合理地控制兩側(cè)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速差，即可根據(jù)駕駛員意圖實現(xiàn)不同工況的轉(zhuǎn)向。典型的車輛轉(zhuǎn)向運動平面如圖1所示。

圖1 車輛轉(zhuǎn)向動力學(xué)示意圖

本研究將車輛轉(zhuǎn)向運動簡化為具有集中質(zhì)量的剛體平面運動，忽略車輛的側(cè)傾和俯仰，只考慮履帶縱向運動?？紤]到轉(zhuǎn)向速度不高，忽略離心力對轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的影響，不計履帶的滑轉(zhuǎn)、滑移，根據(jù)平衡關(guān)系可建立履帶車輛動力學(xué)模型:

式中:m—整車質(zhì)量;Iz—轉(zhuǎn)動慣量;R—轉(zhuǎn)向半徑;n1，2—雙側(cè)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速;i0—減速器傳動比;r—驅(qū)動輪半徑;μ—轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)，由A.O.尼基金經(jīng)驗公式［5］，取μ=μmax/(0.925 +0.15R/B);Mh—轉(zhuǎn)向阻力矩，當(dāng)轉(zhuǎn)速不為零時取Mh=μLG/4。

由于車輛行駛過程中的牽引力F1，2由驅(qū)動電機提供，在實際情況中需綜合考慮地面附著力和電機驅(qū)動能力對最大牽引力的影響，因此雙側(cè)履帶牽引力可表示為:

式中:T1，2—雙側(cè)電機驅(qū)動(制動)力矩，φ—地面附著系數(shù)，ηm—側(cè)傳動效率，ηt—履帶效率，α—表征制動狀態(tài)的參數(shù)。

1.2 驅(qū)動電機模型

電傳動履帶車輛的轉(zhuǎn)向動力學(xué)特性取決于電機的驅(qū)動控制特性，因此有必要對電機驅(qū)動系統(tǒng)進行建模。由于工況仿真時只需要獲取驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子端的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，不關(guān)注電機內(nèi)部電流電壓的變換關(guān)系，本研究在建模中采用基于臺架實驗的查表計算模型，考慮控制響應(yīng)時間的電機轉(zhuǎn)子端輸出轉(zhuǎn)矩可表示為:

式中:Treq—目標(biāo)轉(zhuǎn)矩;Ttmax(n)，Tbmax(n)—轉(zhuǎn)速為n 時的電機最大驅(qū)動與制動轉(zhuǎn)矩;τ—由實驗標(biāo)定的輸出響應(yīng)時間。

本研究選用三相交流永磁同步電機作為驅(qū)動電機，在仿真進程中目標(biāo)轉(zhuǎn)矩根據(jù)不同轉(zhuǎn)速范圍的電機外特性曲線進行限幅。

根據(jù)臺架實驗測得的電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-效率特性圖如圖2所示。通過圖2 中的特性曲線和不同轉(zhuǎn)速下的效率分布即可在Simulink 中準(zhǔn)確建立驅(qū)動電機的查表模型。

圖2 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-效率特性MAP 圖

2 電驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制策略

在轉(zhuǎn)向方式上，電傳動履帶車輛通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機正/反轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。這種方式能夠大幅簡化轉(zhuǎn)向機械結(jié)構(gòu)，但對系統(tǒng)的控制提出了更高要求。轉(zhuǎn)向控制策略設(shè)計的基本原則為:能夠及時有效地解讀駕駛員的操作意圖，結(jié)合不同行駛工況合理分配、確定雙側(cè)電機的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)車輛的安全、快速轉(zhuǎn)向。

2.1 駕駛員輸入定義

在基于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的動力學(xué)控制策略中，駕駛員不必考慮外界阻力變化的影響，只需通過對實時行駛信息進行判別、處理即可完成對車輛的操作控制。采集的駕駛員輸入信號主要包括:加速踏板信號、制動踏板信號和方向盤信號。將加速/制動踏板的輸入信號定義如下:

式中:δ，δmax，δ0—加速/制動踏板的瞬時角位移、最大角位移、自由行程角位移。本研究中δ0、δmax分別5°、60°。取k 為符號函數(shù)，驅(qū)動時取1，制動時?。?。

電傳動履帶車輛能夠?qū)崿F(xiàn)3 種不同半徑的轉(zhuǎn)向工況，因此將方向盤轉(zhuǎn)角劃分為3 個過渡區(qū)，以便實現(xiàn)雙側(cè)電機的驅(qū)動/制動狀態(tài)切換。根據(jù)方向盤的對稱性，只考慮其左轉(zhuǎn)情況，將方向盤輸入信號定義如下:

式中:λ，λ0，λ1，λ2—轉(zhuǎn)向盤瞬時轉(zhuǎn)角、自由行程區(qū)切換轉(zhuǎn)角、雙側(cè)驅(qū)動區(qū)切換轉(zhuǎn)角、單側(cè)驅(qū)動/制動區(qū)切換轉(zhuǎn)角。本研究設(shè)定的λ0、λ1、λ2值分別為18°、90°、180°。當(dāng)方向盤由λ0向左旋轉(zhuǎn)到λ2時，ψ 值由1 線性遞減為－1。

2.2 直接轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)向控制策略

轉(zhuǎn)向過程當(dāng)中，為了使車輛迅速響應(yīng)駕駛員操縱意圖，需控制外側(cè)電機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩始終大于內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)矩，且最好形成較大轉(zhuǎn)矩差，基于此制定的轉(zhuǎn)向控制策略如表1所示。

表1 基于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)向控制策略

轉(zhuǎn)向完畢后，為保證車輛盡快回正，應(yīng)根據(jù)駕駛意圖迅速縮小內(nèi)外側(cè)電機轉(zhuǎn)矩差或為車輛提供與原轉(zhuǎn)向方向相反的負(fù)轉(zhuǎn)矩。因此在設(shè)計回正策略時可控制車輛進行逆轉(zhuǎn)向，基于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的回正控制策略如表2所示。

表2 基于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的回正控制策略

結(jié)合表(1，2)及對駕駛輸入信號的定義可以看出，當(dāng)同時操縱踏板和方向盤時，基于轉(zhuǎn)矩的控制策略能夠從一定程度上解讀駕駛意圖并控制車輛完成不同的轉(zhuǎn)向/回正工況，但其控制效果往往取決于策略中門限值的設(shè)定。當(dāng)踏板位移或方向盤轉(zhuǎn)角位于狀態(tài)切換值附近時，狀態(tài)的頻繁轉(zhuǎn)換使系統(tǒng)無法及時跟隨駕駛意圖，進而影響車輛的轉(zhuǎn)向效率與回正安全性?；谠撉闆r，本研究在轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上引入模糊控制以提高電傳動履帶車輛的轉(zhuǎn)向/回正相應(yīng)速度。

2.3 基于模糊的轉(zhuǎn)向補償控制策略

模糊控制是一種擬人化的控制方法，它以模糊數(shù)學(xué)和模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)，首先將輸入變量模糊化，再按照控制器中預(yù)先設(shè)定的模糊規(guī)則進行判斷、分類與決策，最終將推理結(jié)果解模糊化，輸出實際系統(tǒng)易于識別的控制量，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的智能控制［6］。

由前面分析可知，車輛轉(zhuǎn)向過程中，由于電機低速時制動效率不高，本研究重點考慮對外側(cè)電機驅(qū)動力的控制。外側(cè)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩增長速度越快，車輛的轉(zhuǎn)向效率和靈敏度就越高。而當(dāng)駕駛員有回正意圖時，外側(cè)電機轉(zhuǎn)矩衰減速度越快，車輛回正所需的時間也越短。因此，本研究為了合理描述駕駛員的轉(zhuǎn)向/回正意圖，選取方向盤轉(zhuǎn)角λ、轉(zhuǎn)角變化率dλ/dt、加速/制動踏板開度a 作為模糊控制器的輸入量，選取外側(cè)電機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系數(shù)κ 作為輸出量，選擇S、MS、M、MB、B 作為輸入/輸出量的模糊子集。

根據(jù)駕駛經(jīng)驗設(shè)計的輸入/輸出隸屬度函數(shù)如圖3所示。

圖3 模糊輸入/輸出量的隸屬度函數(shù)

經(jīng)模糊控制器調(diào)節(jié)后輸出的外側(cè)電機轉(zhuǎn)矩可表示為:

模糊策略的基本思路為:

(1)當(dāng)方向盤行程λ 較小且車輛有轉(zhuǎn)向意圖時(dλ/dt ＞0)，給外側(cè)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩一個較大增量以便車輛迅速進入轉(zhuǎn)向狀態(tài);

(2)當(dāng)方向盤行程較大且車輛有回正意圖時，給外側(cè)電機一個較大的衰減量以便車輛及時回正;

(3)當(dāng)駕駛員有明顯加速轉(zhuǎn)向/回正意圖時，給電機轉(zhuǎn)矩一個較大增量/衰減量以滿足控制需求。反之，當(dāng)制動踏板行程較大時則需降低增量/衰減量以盡量維持原行駛狀態(tài);

(4)當(dāng)方向盤處于中間行程且無明顯加速/制動意圖時應(yīng)弱化模糊控制調(diào)節(jié)效果，系統(tǒng)將根據(jù)駕駛員輸入對驅(qū)動轉(zhuǎn)矩進行線性調(diào)節(jié)。

根據(jù)以上規(guī)則，本研究采用Mamdani 解模糊化算法，為模糊控制器設(shè)計出60 條模糊規(guī)則，模糊規(guī)則的語法形式為“if λ and dλ/dt and a，then κ”。

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)半實物仿真平臺的建立

為保證所設(shè)計轉(zhuǎn)向控制策略的實時高效性，需要結(jié)合具體工況對其進行仿真驗證。傳統(tǒng)離線仿真技術(shù)雖然較為方便，但是鑒于其仿真輸入信號由人為確定，不具備隨機性，無法模擬駕駛員的真實操控需求。另一方面，由于離線仿真的控制策略未能轉(zhuǎn)換為代碼寫入測試控制器，其運算的實時高效性難以得到驗證?；谏鲜鰡栴}，本研究采用dSPACE 系統(tǒng)，將駕駛員輸入設(shè)備與測試控制器作為在環(huán)硬件，對轉(zhuǎn)向控制策略進行半實物仿真驗證。

dSPACE 實時仿真系統(tǒng)由德國dSPACE 公司開發(fā)，該系統(tǒng)具備與Simulink 的無縫連接技術(shù)，可將創(chuàng)建的Simulink 模型自動轉(zhuǎn)換為C 代碼并下載到dSPACE 系統(tǒng)中［7］。系統(tǒng)配備豐富的I/O 接口和強大的實時計算能力，能夠在真實環(huán)境下對控制器進行高效測試［8-10］。

本研究選用 MicroAutoBox1401/1504 作為dSPACE 硬件，整車與電機模型在上位機終端中建立，并通過RTW 接口編譯、下載到dSPACE 中?？刂撇呗阅Ｐ蛣t首先通過Stateflow 編譯，再由TargetLink 轉(zhuǎn)碼并下載到測試控制器中。駕駛員信號通過駕駛員輸入設(shè)備采集并輸入到控制器當(dāng)中，控制器通過A/D 轉(zhuǎn)換讀入信號，通過CAN 接口卡與dSPACE 通訊，接收雙側(cè)電機的轉(zhuǎn)矩信號?；贑ontroldesk 創(chuàng)建的虛擬儀表儲存在監(jiān)控機當(dāng)中，為駕駛員提供車輛的實時行駛信息。

本研究采用的系統(tǒng)硬件和創(chuàng)建的監(jiān)控界面如圖4、圖5所示。

圖4 半實物仿真平臺硬件

圖5 基于Controldesk 的轉(zhuǎn)向行駛監(jiān)控界面

4 實驗與結(jié)果分析

本研究的研究對象為電傳動履帶車輛，實時仿真的參數(shù)設(shè)置參考某型12 t 履帶式推土機的設(shè)計參數(shù)［11］。仿真中主要參數(shù)的設(shè)置如表3所示。

表3 仿真中主要參數(shù)的設(shè)置

為了檢驗系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向與回正效率，選擇具有代表性的加速轉(zhuǎn)向過程和加速回正過程作為仿真參考工況。在仿真進程中，駕駛員根據(jù)監(jiān)控儀表隨時獲取車輛行駛狀態(tài)，通過操控方向盤與踏板使虛擬轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完成預(yù)定的轉(zhuǎn)向/回正工況。

由監(jiān)控機采集的仿真結(jié)果如圖6所示。

車輛行駛中的橫擺角速度及駕駛員輸入設(shè)備輸出的方向盤、加速踏板信號如圖6(a)所示?？梢钥闯觯?0 s～15 s 階段，駕駛員控制車輛加速轉(zhuǎn)向;在15 s～20 s 階段，車輛處于平穩(wěn)轉(zhuǎn)向狀態(tài);在20 s～25 s 階段，車輛加速回正。橫擺角速度的變化趨勢與加速踏板基本一致，說明車輛能夠較好地響應(yīng)駕駛意圖。

圖6 轉(zhuǎn)向/回正控制半實物仿真結(jié)果

轉(zhuǎn)向/回正過程中雙側(cè)電機的轉(zhuǎn)速變化如圖6(b)所示。轉(zhuǎn)向過程中，外側(cè)電機轉(zhuǎn)速不斷提高，內(nèi)側(cè)電機轉(zhuǎn)速不斷衰減，較大轉(zhuǎn)速差的形成有助于車輛實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向。當(dāng)車輛進入穩(wěn)定轉(zhuǎn)向階段時，雙側(cè)電機轉(zhuǎn)速趨穩(wěn)，模糊控制的影響降低，有助于維持駕駛穩(wěn)定性?；卣^程則可以視作“逆轉(zhuǎn)向”過程，其轉(zhuǎn)速變化情況與轉(zhuǎn)向工況相反。圖6(c)、6(d)對比了兩種控制策略的轉(zhuǎn)向控制效果。車輛的行駛軌跡如圖6(c)所示，當(dāng)車輛收到轉(zhuǎn)向/回正指令時，加入模糊補償?shù)霓D(zhuǎn)矩控制策略能夠幫助車輛實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向/回正，而直接轉(zhuǎn)矩控制對駕駛員意圖的響應(yīng)較慢。兩種控制策略下的車輛相對轉(zhuǎn)向半徑如圖6(d)所示，可以清楚地看到，與直接轉(zhuǎn)矩控制相比，加入模糊補償?shù)目刂撇呗栽谵D(zhuǎn)向和回正工況中均能明顯提高系統(tǒng)的信號響應(yīng)能力(響應(yīng)時間分別提前了0.873 s 和0.550 s)，進而優(yōu)化了車輛的轉(zhuǎn)向靈敏度。

5 結(jié)束語

本研究以電傳動履帶車輛轉(zhuǎn)向控制策略為研究對象，通過實時仿真得到了以下結(jié)論:

(1)建立了面向轉(zhuǎn)矩實時控制的履帶車輛轉(zhuǎn)向動力學(xué)模型，結(jié)合電機效率及外特性臺架實驗建立了驅(qū)動系統(tǒng)模型;

(2)在原有轉(zhuǎn)向控制策略的基礎(chǔ)上，基于模糊理論提出了一種轉(zhuǎn)向/回正補償控制策略;

(3)本研究基于dSPACE 半實物仿真技術(shù)建立了駕駛員-測試控制器在環(huán)的轉(zhuǎn)向控制實時仿真平臺，對提出策略進行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明:與直接轉(zhuǎn)矩策略相比，基于模糊的轉(zhuǎn)向補償控制策略提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向和回正響應(yīng)能力(系統(tǒng)響應(yīng)時間分別提前了0.873 s 和0.550 s)，為同類車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)穩(wěn)定性與靈敏性研究提供了參考。

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