陶 平，吳洪明，唐 文，李 磊

（1.武漢科技大學(xué)，武漢 430081；2. 武漢理工大學(xué)，武漢 430080）

側(cè)面叉車線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

陶 平1，吳洪明2，唐 文1，李 磊2

（1.武漢科技大學(xué)，武漢 430081；2. 武漢理工大學(xué)，武漢 430080）

隨著線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)與液壓技術(shù)結(jié)合的線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將改善車輛的轉(zhuǎn)向性能。針對側(cè)面叉車的行駛特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了側(cè)面叉車的線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在分析系統(tǒng)工作原理基礎(chǔ)上，建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；提出了模糊PID控制策略，利用AMESim和Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真分析結(jié)果表明，采用模糊控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能有明顯提高，抗外部干擾能力加強(qiáng)，轉(zhuǎn)角的跟隨性較好，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)速度達(dá)到了車輛實(shí)際的要求，為線控液壓轉(zhuǎn)向技術(shù)在叉車上的推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

線控技術(shù)；液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；模糊控制；系統(tǒng)仿真

0 引言

側(cè)面叉車屬于低速行駛車輛，需要在狹窄空間內(nèi)頻繁轉(zhuǎn)向，由于側(cè)面叉車車身較長，轉(zhuǎn)彎半徑大，轉(zhuǎn)向通常不靈活。為了減小側(cè)面叉車的轉(zhuǎn)彎半徑，提高車輛轉(zhuǎn)向操作的靈活性和行駛穩(wěn)定性，需要在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)。穆希輝等人[1]對全向行駛防爆側(cè)面叉車關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究；張青林等人[2]針對叉車低速、轉(zhuǎn)向頻繁和轉(zhuǎn)向性能要求高的特點(diǎn)，提出一種叉車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角模糊控制策略；方桂花等人[3]對工程車輛的線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究。線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是將線控轉(zhuǎn)向技術(shù)和全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相結(jié)合，具有穩(wěn)定性好、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。目前線控轉(zhuǎn)向技術(shù)研究的主要對象是乘用車，對工程車輛的研究較少，本文以側(cè)面叉車為研究對象，針對其轉(zhuǎn)向需求，設(shè)計(jì)了側(cè)面叉車的線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并建模仿真分析，對其系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，為線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在叉車上的推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理與數(shù)學(xué)模型

如圖1所示，為線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理圖，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)信號（方向盤轉(zhuǎn)角）和車速傳送給電子控制單元（ECU），按照相應(yīng)的控制策略和控制目標(biāo)，ECU進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和處理，把轉(zhuǎn)角信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，驅(qū)動(dòng)電液比例換向閥的閥芯產(chǎn)生位移，從而輸出相應(yīng)的流量，驅(qū)使液壓缸的閥芯運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生位移，推動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向[4]。轉(zhuǎn)角傳感器反饋當(dāng)前車輪實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度，系統(tǒng)將車輪實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度與方向盤轉(zhuǎn)角比較計(jì)算出兩者的角度偏差，并轉(zhuǎn)化為電信號傳送到比例放大器，獲取功率放大后的電壓信號，從而達(dá)到閉環(huán)控制。

圖1 線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

由圖1可知，該系統(tǒng)即是一個(gè)比例閥控閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由比較元件、控制器、比例電磁閥、齒輪齒條擺動(dòng)液壓缸、車輪、轉(zhuǎn)角傳感器及液壓泵等組成。通過對系統(tǒng)中各模塊進(jìn)行分析計(jì)算，得到各模塊的傳遞函數(shù)[5,6]，從而獲得液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型方框圖如圖2所示。

圖2 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型方框圖

2 線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，提高系統(tǒng)對外界不確定因素及外負(fù)載的抗干擾能力，我們采用模糊控制算法。其控制原理[7]是將執(zhí)行裝置實(shí)時(shí)輸出偏差e以及輸出偏差變化率ec當(dāng)作控制系統(tǒng)輸入，針對不同時(shí)間不同e和ec依據(jù)模糊推理及其規(guī)則表實(shí)時(shí)完成PID參數(shù)Kp、Ti、Tp的在線修正。常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器在獲取新的整定參數(shù)后，對液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出相應(yīng)控制量。

2.1 輸入、輸出變量及隸屬函數(shù)確定

以轉(zhuǎn)向輪上轉(zhuǎn)角傳感器的實(shí)際輸出電壓信號與理想值之間的角度誤差e及其誤差變化率ec作為模糊控制部分的輸入，而把PID控制器的修正參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd為輸出量。系統(tǒng)的輸入e、ec以及修正參數(shù)Δp、ΔKi、ΔKd的模糊論域均定義為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，其模糊子集定義為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。根據(jù)前期對系統(tǒng)的PID參數(shù)的整定及控制經(jīng)驗(yàn)，確定e、ec以及PID調(diào)節(jié)參數(shù)的精確論域如下：e、ec的精確論域分別為：[-5，5]， [-2，2]；修正參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd的精確論域分別為：[-0.06，0.06]，[-3，3]，[-0.0012，0.0012]。由以上各輸入、輸出變量的模糊、精確論域可計(jì)算出對應(yīng)變量的量化因子，如表1所示。

考慮到側(cè)面叉車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)具有有較高的控制靈敏度，其隸屬函數(shù)的選定：對應(yīng)前面設(shè)定的模糊子集，負(fù)大（NB）選用Z形函數(shù)，正大（PB）采用S形函數(shù)，其余五個(gè)模糊子集均選用三角形函數(shù)。

2.2 控制規(guī)則確定

要達(dá)到模糊推理規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正的目的，其規(guī)則依據(jù)是[8]：當(dāng)輸出偏差e較大時(shí)，應(yīng)增加Kp值來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小Kd以防止其發(fā)生過飽和情況，定義Ki為0以規(guī)避出現(xiàn)明顯的超調(diào)量。當(dāng)輸出偏差e適中時(shí)，應(yīng)降低Kp值確保超調(diào)量變小，同時(shí)適當(dāng)選取Ki和Kd的值使其獲得較好的響應(yīng)速度。當(dāng)系統(tǒng)偏差e較小時(shí)，適當(dāng)增加Kp，減小Ki值，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)獲得較好的穩(wěn)定性能，并在偏差變化率ec較大時(shí)為防止轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)明顯震蕩，減小Kd的值，反之則增加該值。

根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及上述規(guī)則依據(jù)，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)修正和不斷調(diào)試，得出ΔKp、ΔKi、ΔKd整定的模糊規(guī)則表如表2所示。按此規(guī)則表可得到參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊值，由加權(quán)平均法[9]清晰化運(yùn)算，得到ΔKp、ΔKi、ΔKd的清晰值，從而獲得PID參數(shù)修正后的結(jié)果值Kp、Ki、Kd。

2.3 控制器的性能仿真分析

用Simulink搭建液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模糊控制的仿真模型圖如圖3所示，將側(cè)面叉車的模型參數(shù)帶入，同時(shí)進(jìn)行常規(guī)PID控制仿真和模糊PID控制仿真，得到二者的仿真結(jié)果，分析比較得知，加入模糊PID控制器，系統(tǒng)的調(diào)整的時(shí)間從0.410秒降到了0.195秒，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能有了明顯提高，基本上沒有超調(diào)和震蕩；在抗外負(fù)載干擾能力方面，模糊PID控制對外部干擾的抵抗能力較強(qiáng)，能夠在更短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 模糊PID控制論域參數(shù)對照表

表2 輸出參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊規(guī)則表

圖3 模糊PID控制器的仿真模型

3 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的聯(lián)合仿真

AMESim軟件是多學(xué)科復(fù)雜系統(tǒng)的建模仿真平臺，用AMESim可以進(jìn)行液壓系統(tǒng)和各元件的仿真研究[10]。為了提高系統(tǒng)仿真模型的可信度，先對系統(tǒng)中各關(guān)鍵元件如比例電磁閥、恒壓變量泵、擺動(dòng)液壓缸等模型進(jìn)行研究和測試，最后將各子模型封裝，得到系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型圖如圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型

將方向盤轉(zhuǎn)角作為輸入量，以0～90°的斜坡輸入，進(jìn)行仿真得到轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角及其跟蹤誤差，液壓缸的壓力、流量及輸出扭矩隨時(shí)間的變化情況，如圖5所示。

從圖5看出，轉(zhuǎn)向輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角相對給定的輸入轉(zhuǎn)角跟蹤性較好，在穩(wěn)態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)角誤差約為0.772°，表明該系統(tǒng)的控制精度較高，轉(zhuǎn)角誤差率為0.86%，滿足單個(gè)轉(zhuǎn)向輪實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角相對誤差不超過2%的要求；由于機(jī)械慣性和電磁慣性的作用，轉(zhuǎn)向開始階段有0.1s的延遲，在一定程度上能夠避免轉(zhuǎn)向響應(yīng)過快。

圖5 轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角及跟蹤誤差

圖6 是齒輪齒條擺動(dòng)液壓缸兩腔的壓力和輸出扭矩的變化情況，液壓缸的壓力由于比例方向閥的開啟出現(xiàn)波動(dòng)，最終穩(wěn)定在8.4MPa和1.8MPa，其壓差與不考慮機(jī)械效率時(shí)靜態(tài)計(jì)算結(jié)果一致。

圖6 液壓缸壓力及輸出扭矩

圖7 為液壓缸輸入流量的曲線，在啟動(dòng)階段，由于壓力的波動(dòng)，流量波動(dòng)較大，然后穩(wěn)定在3.56L/min，與靜態(tài)計(jì)算的結(jié)果非常接近。

圖7 液壓缸流量曲線

4 結(jié)論

本文以側(cè)面叉車為研究對象，對其線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，分析表明采用模糊控制，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能有明顯提高，外部干擾的抵抗能力較強(qiáng)。用AMESim進(jìn)行液壓系統(tǒng)的聯(lián)合仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)角的跟隨性較好，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)速度達(dá)到了工程實(shí)際的要求。

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Design and simulation for hydraulic steering by-wire system of side forklift

TAO Ping1, WU Hong-ming2, TANG Wen1, LI Lei2

TH16

：A

1009-0134(2017)06-0023-04

2017-02-23

湖北省自然科學(xué)基金（2014CFA013）

陶平（1964 -），女，武漢人，副教授，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。