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        工程車輛仿生阻尼緩沖懸架特性分析

        2018-03-06 00:44:18唐耀平陳寶明孫大剛
        建筑機械 2018年2期

        唐耀平,孟 杰,陳寶明,孫大剛

        工程車輛作業(yè)環(huán)境惡劣,其行走機構(gòu)會受到劇烈的振動沖擊。傳統(tǒng)的工程車輛懸架機構(gòu)多為被動的懸架形式,該懸架僅能對振動載荷進行一定范圍的緩沖,且減振效果有限。

        氣動人工肌肉(Pneumatic Artificial Muscle,簡稱PAM)是一種新型仿生氣動執(zhí)行機構(gòu),它由一根包裹著特殊纖維格柵網(wǎng)的橡膠套筒構(gòu)成,通過兩端與其他構(gòu)件相連接(見圖1a)。其工作原理是,充氣后其橡膠管徑向膨脹并軸向收縮,從而產(chǎn)生軸向拉力;而放氣時則無軸向力的產(chǎn)生。因此,該機構(gòu)是一種單向主動力輸出機構(gòu)。與其它主動執(zhí)行機構(gòu)相比,PAM具有以下特點:輸出力/自重比值大(拉伸力是同直徑普通氣缸的10倍);結(jié)構(gòu)簡單,重量輕;動態(tài)特性好;無粘著、滑動現(xiàn)象;剛度可變、氣流量小及強非線性[1-2]。

        以PAM作為工程車輛仿生緩沖懸架機構(gòu),其主動力的調(diào)節(jié)具有較強的非線性和時變性,常規(guī)控制具有一定的局限性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其對非線性函數(shù)具有任意逼近能力和自學(xué)習(xí)能力,在控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文采用智能RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法,對以PAM為懸架機構(gòu)緩沖減振執(zhí)行器的特性進行了研究。

        1 仿生懸架機構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)

        1.1 PAM懸架模型及工作原理

        履帶式工程車輛通常為低速大載荷作業(yè)工況,主要承受垂直方向的沖擊載荷,故在此僅考慮其垂直方向的振動;因PAM僅在充氣時產(chǎn)生軸向收縮力,因此本文在仿生懸架機構(gòu)中,采用上下2組PAM機構(gòu)對拉布置形式(見圖1b)。裝在臺車架和懸架處的傳感器對二者加速度變化作實時反饋,可使上下2組PAM機構(gòu)充氣收縮或放氣伸長。當(dāng)作用在“構(gòu)件2”的力向下,且“金屬件”的變形量超過許用值時,上部一組PAM機構(gòu)同時沖氣收縮,產(chǎn)生阻尼(拉)力,而同時下部一組PAM機構(gòu)則放氣伸長。反之,當(dāng)“構(gòu)件2”所受力向上,且“金屬件”變形量超過許用值時,下部一組PAM機構(gòu)充氣收縮,產(chǎn)生阻尼(拉)力,而上部一組PAM則放氣伸長。如此,通過“構(gòu)件2”起到調(diào)節(jié)上下2組PAM的動作,從而達到緩沖懸架機構(gòu)的功能。

        1.2 PAM力學(xué)特性

        PAM具有較強的非線性、時滯特性,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。本文采用Wickramatunge實驗?zāi)P停?],將PAM視為變剛度彈簧。PAM軸向收縮力Fe的函數(shù)關(guān)系式為

        式中,k為剛度,p為充氣壓力,ls為伸長量,a0、a1、a2、a3為剛度k函數(shù)式中各項系數(shù)(常量,由實驗獲得)。

        考慮橡膠套筒的彈性力作用,彈性力

        2 仿生懸架模型的建立

        為了便于建模,對PAM作如下假設(shè):(1)PAM膨脹后的形狀為圓柱體;(2)橡膠層厚度足夠小;(3)氣體流動過程為等熵絕熱過程。

        基于上述假設(shè),建立起PAM懸架機構(gòu)的力學(xué)模型(見圖2)。圖2中,m1、m2、m3分別為支重輪、構(gòu)件1、構(gòu)件2的質(zhì)量,m4則為上部PAM懸架機構(gòu)對應(yīng)構(gòu)件的質(zhì)量;x0為地面位移,x1、x2、x3、x4分別為m1、m2、m3、m4質(zhì)量體的位移;k1、k2、k3、k4分別為上述質(zhì)量體對應(yīng)的剛度;c1、c2、c3、c4分別為上述質(zhì)量體對應(yīng)的阻尼;其運動微分方程為

        式中

        上式中,F(xiàn)0為地面激勵載荷,2F為一組PAM產(chǎn)生的主動收縮力。

        3 仿生懸架的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

        3.1 控制原理

        在圖1中,安裝在金屬件處的傳感器將信號傳至控制器,再由控制器控制空壓機,空壓機對上或下部的PAM進行充氣,從而起到緩沖作用(見圖3)。

        圖2 PAM懸架模型

        RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有較強局部逼近能力、并可以任意精度逼近任意非線性函數(shù)的3層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。本文利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對PID控制參數(shù)進行在線自整定,構(gòu)造一個具有參數(shù)自整定能力、穩(wěn)定的氣動人工肌肉PID控制器[6-9]。對仿生懸架機構(gòu)采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制,并采用3層3-6-1型RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(見圖3)。

        圖3 仿生懸架機構(gòu)控制系統(tǒng)

        3.2 PAM的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

        由于PAM具有較強的非線性,對其進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制就頗為困難。把PAM機構(gòu)簡化為如式(1)所示的變剛度彈簧模型,便可降低RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的難度[3]。

        仿生懸架機構(gòu)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制過程為

        式中,r為位移傳感器到控制器的輸入信號,y為安裝在構(gòu)件1下部2個傳感器的輸出信號(見圖3),τ為采樣時刻。

        輸入層神經(jīng)元個數(shù)選為3,此時P、I、D 3項輸入分別為

        此處的隱層徑向基采用高斯核函數(shù)

        式中,Z為網(wǎng)絡(luò)輸入向量,為

        bj為節(jié)點j的基寬度參數(shù);Cj為節(jié)點j的高斯函數(shù)中心矢量,

        定義辨識器的性能指標(biāo)函數(shù)為

        關(guān)于PID控制算法為

        Kp(τ )、Ki(τ )、Kd(τ )調(diào)整采用梯度下降法

        其中

        式中,ηp、ηi、ηd分別為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率。

        引入輸入誤差的二次性能指標(biāo),并定義其性能指標(biāo)函數(shù)為

        假定輸入向量中

        用網(wǎng)絡(luò)辨識輸出近似代替系統(tǒng)輸出,則被控制對象的Jacobian信息可由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識獲得。

        設(shè)定Kp、Ki、Kd的初始值并作實時調(diào)整,對PAM懸架的PID控制進行優(yōu)化,以實現(xiàn)阻尼緩沖減振的功能。

        4 仿生懸架的性能仿真

        4.1 懸架機構(gòu)參數(shù)的選擇

        通過對PAM仿生懸架的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的控制原理及過程的分析,編寫S函數(shù)來實現(xiàn)Matlab/Simulink下RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制,進行仿真驗證。以Festo公司的DMSP-40-100N型PAM為懸架機構(gòu)的執(zhí)行元件,其主要參數(shù)為:l0=0.1m,D0=0.04m,θ0=25°,最大收縮率εmax=25%,最大工作載荷為6kN;以質(zhì)量為50000kg的某型號履帶式工程車輛為例(其結(jié)構(gòu)模型見圖4),功率為300kW左右,整車高度約為4m,共有6對支重輪(每邊3對),履帶節(jié)距為260.35mm,支重輪的直徑約為0.35m,故在底盤上有足夠的空間安裝文中的仿生懸架機構(gòu),將圖1b中所示的仿生懸架鉸接于臺車架上,該機構(gòu)的參數(shù)為:

        m1、m2、m3、m4分別為120、200、170、7.5×103kg。

        k1、k2、k3、k4分別為1.2×107、1.8×105、3.6×107、3.6×107N/m。

        c1、c2、c3、c4分別為1.2×105、1.2×105、0.32×105、0.32×105N·s/m。

        圖4 仿真用履帶式工程車輛模型示意圖

        仿真輸入按路面激勵參照GB7031-87《車輛振動輸入——路面平度表示方法》。選擇C、E、G級路面代表工程車輛的作業(yè)路況。取車速:1.8km/h、5.4km/h和18km/h分別代表車輛大載荷、中等載荷、空載3種工況。圖5顯示了安裝PAM前后懸架機構(gòu)所對應(yīng)構(gòu)件的加速度及位移的仿真曲線,其特征參數(shù)如表1所示。

        4.2 仿真結(jié)果

        觀察圖5中a、b、c和表1,發(fā)現(xiàn)在選定的3種工況下,PAM懸架機構(gòu)與傳統(tǒng)懸架機構(gòu)相比,其垂直方向加速度有以下結(jié)果:

        表1 曲線特征值

        加速度最大幅值分別下降了64.5%、70.5%、65.53%;最小幅值分別下降了58.1%、50%、40%;標(biāo)準(zhǔn)差分別減小了64.4%、70.2%、65.3%。具體對該車輛而言,在作業(yè)第2擋,所受沖擊最大幅值被衰減掉70%以上,其它2擋的沖擊也下降60%以上,可見緩沖效果十分明顯。

        再觀察圖5中d、e、f和表1,二懸架機構(gòu)垂直方向位移又有以下結(jié)果:

        位移最大幅值分別下降了23.4%、18.8%、26.9%;最小幅值分別下降了46.7%、49.7%、46.7%;標(biāo)準(zhǔn)差分別減小了25.9%、23.47%、28.69%。這些數(shù)據(jù)顯示,在第3擋時車身位移最大幅值衰減達到26.9%的最大值。這表明該車輛以高速擋行駛時的舒適性更好些。

        由上述仿真結(jié)果可知,PAM懸架對車輛加速度的阻尼衰減度大于位移阻尼衰減度,這或許是PAM其它一些未知的因數(shù),對其還需開展進一步的研究。

        圖5 安裝及未安裝PAM懸架對應(yīng)構(gòu)件加速度和位移

        5 結(jié)論

        (1)仿真結(jié)果表明,PAM仿生懸架機構(gòu)對履帶式工程車輛可起到有效的阻尼緩沖作用。

        (2)PAM機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動態(tài)響應(yīng)和柔順性好的特點,可作為新型仿生懸架的緩沖執(zhí)行器。

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