吉 慶, 王 騰,3, 趙 遠(yuǎn)

(1.煤炭科學(xué)研究總院, 北京 100013; 2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司, 山西 太原 030006;3.中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司, 山西 太原 030006)

引言

鉸接式轉(zhuǎn)向因其轉(zhuǎn)向半徑小，機(jī)動(dòng)性能好，可在非常狹窄的場地作業(yè)[1]，目前廣泛應(yīng)用于煤礦無軌輔助運(yùn)輸領(lǐng)域。眾所周知，這類型車輛所處工作環(huán)境復(fù)雜、工況特殊且不固定，易受到鉸接車體結(jié)構(gòu)、重心偏移、載荷變化等因素的影響，使車輛在行駛過程中出現(xiàn)蛇形姿態(tài)、側(cè)傾及俯仰波動(dòng)較大等問題。為了煤礦車輛能在井下安全運(yùn)行，其轉(zhuǎn)向性能的好壞至關(guān)重要，是提高生產(chǎn)效率、減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度和保證車輛行駛安全的重要保障。線控轉(zhuǎn)向是車輛諸多轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的一種，由于煤礦車輛無人化、自主化的需求，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐步應(yīng)用于煤礦車輛，該系統(tǒng)能夠顯著提升煤礦鉸接車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，有助于車輛在行駛過程中實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全、遠(yuǎn)程遙控或車輛自主操作，增強(qiáng)車輛對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性。

目前煤礦鉸接車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍然基于第四代同軸流量放大轉(zhuǎn)向和先導(dǎo)型流量放大轉(zhuǎn)向原理[2]，其技術(shù)研究以及在煤礦井下的應(yīng)用還處于理論研究和初步試驗(yàn)階段，仍存在一定的技術(shù)難點(diǎn)，譬如：煤礦井下路面起伏不定，車輛在井下行駛時(shí)會(huì)發(fā)生輕微的扭轉(zhuǎn)，使前后車架相對(duì)轉(zhuǎn)角的測(cè)量存在一定難度；傳統(tǒng)的PID控制算法不能夠滿足線控系統(tǒng)時(shí)變和非線性特性的需要，將智能控制算法應(yīng)用到線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中存在一定的難度；目前應(yīng)用在煤礦車輛的電控系統(tǒng)中大部分都是單片機(jī)，將PLC控制與智能控制算法相結(jié)合應(yīng)用在煤礦車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中存在一定的難度等。

綜上所述，在煤礦車輛的實(shí)際應(yīng)用過程中還存在著許多難題，向煤礦井下的拓展應(yīng)用更需深入研究，從而加快煤礦無軌輔助運(yùn)輸?shù)闹悄芑l(fā)展。

1 鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在鉸接車輛的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，如卡特彼勒公司的950 L裝載機(jī)，丹佛斯公司應(yīng)用于重型鉸接車輛的電液線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。我國線控轉(zhuǎn)向技術(shù)還未能大量應(yīng)用于煤礦鉸接車輛，但該技術(shù)在煤礦車輛的應(yīng)用，必會(huì)為我國煤礦車輛帶來技術(shù)上質(zhì)的飛躍。

目前，我國線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在鉸接車輛上的研究主要集中在控制技術(shù)、路感、液壓子系統(tǒng)、容錯(cuò)性等。王同建[3]首次將線控轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用在裝載機(jī)上，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度并提高了工作效率，但沒有將該系統(tǒng)安裝到樣車上進(jìn)行實(shí)際工業(yè)考核且沒有對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。胡靜波[4]開發(fā)了裝載機(jī)容錯(cuò)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將線控轉(zhuǎn)向技術(shù)與容錯(cuò)控制技術(shù)充分結(jié)合，使得車輛具有較高的容錯(cuò)能力和可靠性，同時(shí)還應(yīng)用馬爾柯夫狀態(tài)過程理論建立線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可靠性分析模型，使得裝載機(jī)容錯(cuò)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較高的可靠性，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，但沒有對(duì)路感裝置進(jìn)行容錯(cuò)研究。周原[5]將模糊控制技術(shù)與相平面分區(qū)控制方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了模糊相平面五態(tài)控制器，并將其與PID控制器、模糊PID控制器同時(shí)仿真，結(jié)果表明，在不同輸入信號(hào)作用下，所設(shè)計(jì)的控制器的性能具有更好的動(dòng)、靜態(tài)性能和抗干擾性，可以很好地滿足裝載機(jī)轉(zhuǎn)向過程的控制要求，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)轉(zhuǎn)向過程的智能控制，但沒有考慮到線控系統(tǒng)的容錯(cuò)與可靠性。李坤峰[6]對(duì)路感反饋裝置進(jìn)行研究，并選擇電磁線圈式路感反饋裝置作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)電磁線圈體積小、磁力可調(diào)范圍大，不會(huì)出現(xiàn)失磁現(xiàn)象和油液污染，并且節(jié)約了成本，但對(duì)路感的研究局限于實(shí)驗(yàn)臺(tái)，沒有在實(shí)車當(dāng)中應(yīng)用。王翔宇[7]設(shè)計(jì)了一種新的流量匹配原理，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的定排量液壓泵獨(dú)立供油，使一個(gè)轉(zhuǎn)向過程中的壓力波動(dòng)由原轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的2 MPa降到冗余型開式泵控、閉式泵控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的1 MPa和 0.3 MPa，轉(zhuǎn)向過程中液壓泵的能耗由負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的4.3 kJ 降到冗余型開式泵控、閉式泵控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的3.6 kJ 和1.9 kJ，分別降低能耗約16%，56%，使轉(zhuǎn)向過程更加高效平穩(wěn)，但也沒有轉(zhuǎn)化為實(shí)際的工業(yè)產(chǎn)品。

線控轉(zhuǎn)向在鉸接車輛的應(yīng)用經(jīng)過近20年的發(fā)展，越來越多的設(shè)計(jì)及理論被提出，也有更多應(yīng)用方案，使車輛更加節(jié)能且路感更加準(zhǔn)確。

1.2 鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理分析

道路型車輛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，采用變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪齒條式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)提高了車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能量效率。然而，該方式提供的轉(zhuǎn)矩有限，不能滿足重型非道路車輛在大扭矩工況和惡劣工作環(huán)境下的轉(zhuǎn)向要求，所以線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍需液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力來源，所以在原有的線控系統(tǒng)中增加了電液比例控制閥形成電液線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液比例控制閥可以通過輸入的電流信號(hào)控制液壓系統(tǒng)工作，是現(xiàn)代工業(yè)和航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵元件。隨著自動(dòng)化、數(shù)字化、通信技術(shù)的發(fā)展，電液比例控制閥正朝著數(shù)字化、集成化、智能化方向發(fā)展[9]。此外，電液比例控制閥目前正與多種通信技術(shù)相結(jié)合，為重型大扭矩車輛的遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)駕駛提供了可能。

電液線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，取消了方向盤與液壓系統(tǒng)之間的機(jī)械連接，使用電信號(hào)輸入并命令相應(yīng)的輸出。電液線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向輸入裝置(方向盤、操縱桿、自動(dòng)駕駛模式下為整車控制器)、轉(zhuǎn)向執(zhí)行裝置、轉(zhuǎn)向反饋裝置、控制器ECU(Electronic Control Unit)等組成。轉(zhuǎn)向輸入裝置和轉(zhuǎn)向執(zhí)行裝置分別將傳感器的轉(zhuǎn)角信息和壓力信息輸入ECU，ECU對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，控制電液比例控制閥中的主閥左右移動(dòng)，控制油液進(jìn)入轉(zhuǎn)向油缸的流量大小，使左右轉(zhuǎn)向油缸以相對(duì)應(yīng)的速度伸縮，致使前后車架發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖1所示。同時(shí)ECU將前后車體鉸接點(diǎn)處角度傳感器輸出的信息與方向盤的輸入信息進(jìn)行比較，協(xié)調(diào)鉸接車架結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)之間的配合，使車輛按照規(guī)定完成轉(zhuǎn)向。

1.前車架 2.鉸接點(diǎn)角度傳感器 3.后車架 4.轉(zhuǎn)向油缸 5.壓力傳感器 6.溢流閥 7.單向閥 8.電液比例控制閥 9.過濾器 10.油泵 11.油箱 12.轉(zhuǎn)角傳感器 13.ECU

鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，主要優(yōu)點(diǎn)有：線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)工作模式；傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，鉸接車架從一個(gè)極限位置到另一個(gè)極限位置時(shí)，方向盤需要的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)固定，而線控轉(zhuǎn)向則可以根據(jù)工作狀態(tài)自由設(shè)置轉(zhuǎn)向裝置的驅(qū)動(dòng)比，既減輕了駕駛者的勞動(dòng)負(fù)荷，又提高了駕駛舒適性和轉(zhuǎn)向靈活性[10]。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過液壓或機(jī)械裝置連接，當(dāng)?shù)孛媲闆r較差時(shí)，操作人員會(huì)感受到方向盤較為強(qiáng)烈的反饋力，而線控系統(tǒng)的路感反饋是通過傳感器采集模擬路面信息反饋到路感電機(jī)，可模擬出較為舒適的路感。線控系統(tǒng)使得車輛的液壓和機(jī)械裝置與駕駛室隔離開，減少了駕駛室內(nèi)的噪音。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減少了原有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的液壓元件，因此降低了液壓系統(tǒng)對(duì)駕駛室和外界污染的概率。

2 線控技術(shù)在鉸接車輛中應(yīng)用

電液線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在鉸接車輛的應(yīng)用及研究過程中，對(duì)電液控以及執(zhí)行元件等在節(jié)能性和控制精確性等方面做了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，逐步形成了電液閥控和電液泵控兩大主流技術(shù)[11]。

2.1 電液閥控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

如圖2所示，電液閥控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要元件是控制閥，電液比例控制閥也稱為電液比例方向流量閥，不僅可以通過控制電流的正負(fù)來控制液壓油的流動(dòng)方向，還可以通過控制電流的大小來控制流經(jīng)電液比例控制閥流量的大小。由于電液閥控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向與工作的液壓系統(tǒng)使用同一個(gè)壓力源，造成工作所需功率遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)向所需功率，所以當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)該液壓系統(tǒng)存在大量的溢流與節(jié)流損失[12],導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不平穩(wěn)、響應(yīng)慢、且能耗較高，因此降低能耗成為系統(tǒng)發(fā)展當(dāng)中的關(guān)鍵問題。為了降低能耗同時(shí)提高穩(wěn)定性，有學(xué)者對(duì)液壓系統(tǒng)中的控制閥進(jìn)行設(shè)計(jì)與研發(fā)[13]；也有學(xué)者設(shè)計(jì)新的控制策略和控制理論[14]；還有學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行模擬仿真進(jìn)而得到更加優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)[15]，但是電液閥控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍然不如電液泵控線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能[16-17]。

1.轉(zhuǎn)向油缸 2、5.卸荷閥 3.電液比例控制閥 4.油泵 6.油箱

2.2 電液泵控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

隨著液壓技術(shù)的發(fā)展及機(jī)電液一體化技術(shù)的成熟，為增強(qiáng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能耗效率及響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)出了電液泵控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[18]，如圖3所示。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)去掉了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向回路中的液壓轉(zhuǎn)向閥，由恒速或變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵，通過調(diào)整泵的速度或排量控制轉(zhuǎn)向油缸的伸縮速度。電液泵控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用變量液壓泵來減少電液閥控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中溢流、節(jié)流損失，但電液泵控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中仍有能耗損失的問題。為了降低能耗、提高穩(wěn)定性，對(duì)電液泵控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中變排量泵的控制原理與控制方式進(jìn)行了優(yōu)化[19-20]，也可以通過閥和泵復(fù)合控制來降低電液閥控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能耗[21]，試驗(yàn)結(jié)果表明，通過泵閥復(fù)合控制來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向，與電液閥控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，在重載及空載工況下可分別降低能耗 19.2%和23.3%[22-24]。

1.轉(zhuǎn)向油缸 2.卸荷閥 3.單向閥 4.油泵 5.單極比例控制閥 6.電機(jī)

電液閥控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比電液泵控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，且電液閥控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液壓油的循環(huán)方式是從油箱中來回油箱中去，因此回油在油箱中能夠和存油充分的混合，當(dāng)油泵再從油箱中吸出油時(shí)，得到的基本是溫度不高的存油，所以電液閥控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)溫度低。而電液泵控系統(tǒng)更加穩(wěn)定節(jié)能，實(shí)驗(yàn)證明電液泵控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比電液閥控線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大約節(jié)能20%[25-28]。電液泵閥相結(jié)合的混合液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)已成功，若在設(shè)備當(dāng)中得以應(yīng)用，液壓系統(tǒng)將更加平穩(wěn)且綠色環(huán)保。

3 鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向關(guān)鍵技術(shù)

鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向技術(shù)是多學(xué)科與技術(shù)的交叉融合，包括液壓傳動(dòng)、智能控制、機(jī)械理論等。要使線控轉(zhuǎn)向技術(shù)更好的應(yīng)用于煤礦車輛，使煤礦車輛真正能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)向或無人駕駛，必須結(jié)合各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域前沿性的研究。煤礦車輛運(yùn)行環(huán)境有以下特點(diǎn)：路面濕滑，坡度起伏明顯，光線差，噪聲大且車輛空滿載運(yùn)行時(shí)整備質(zhì)量變化幅度較大。為應(yīng)對(duì)井下環(huán)境的特點(diǎn)，車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵為五大技術(shù)：防爆技術(shù)、傳感技術(shù)、復(fù)雜容錯(cuò)技術(shù)、路感的形成與反饋、智能控制技術(shù)。

3.1 防爆技術(shù)

井下路面起伏不平，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電氣設(shè)備在承受車輛發(fā)生顛簸的同時(shí)還要耐受井下溫度的變化，同時(shí)電氣設(shè)備可能產(chǎn)生電火花或電弧，在一定條件下容易引爆礦井下的煤塵、瓦斯等氣體。一旦發(fā)生爆炸，不僅會(huì)妨礙煤礦的生產(chǎn)，還對(duì)井下的工作人員造成威脅，所以在煤礦鉸接車輛的應(yīng)用中線控轉(zhuǎn)向的防爆技術(shù)至關(guān)重要，基于此才能保證煤礦井下作業(yè)和生產(chǎn)順利進(jìn)行。

防爆技術(shù)的優(yōu)劣，影響到線控系統(tǒng)的可靠性和精確性，也是目前亟需解決的技術(shù)瓶頸。煤礦常用的防爆技術(shù)有冷磷化工藝、熱管技術(shù)、隔爆外殼等，目前防爆處理技術(shù)已經(jīng)比較成熟[29]。但在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中還存在以下問題：井下工作環(huán)境惡劣，防爆涂層仍然容易出現(xiàn)裂紋，并且電路的接口處由于密封不到位或者涂層太厚會(huì)導(dǎo)致信息傳輸不穩(wěn)定；車輛電氣設(shè)備在使用隔爆外殼防爆后極大提升了車身質(zhì)量；線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵元件電液比例控制閥，在防爆處理后須仍保持良好的線性度與恒力特性，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間需縮短至毫秒級(jí)。

3.2 傳感技術(shù)

電液線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向壓力等信息，向車輛的ECU傳遞反饋，從而保證ECU正確控制電液比例閥組，進(jìn)而形成閉環(huán)反饋控制，且ECU通過傳感器所獲取煤礦車輛信息的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性決定了車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的效果。煤礦車輛所需的傳感器主要有轉(zhuǎn)向角度傳感器、行車速度傳感器、壓力傳感器等，如圖4所示。

1.壓力傳感器 2.鉸接角角度傳感器 3.方向盤轉(zhuǎn)角傳感器 4.轉(zhuǎn)向油缸位移傳感器

為了保證線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，煤礦車輛上傳感器的精度、信息傳輸速度是關(guān)鍵要素。提高傳感器精度的主要措施有：提高控制系統(tǒng)的魯棒性，提高傳感器分辨率，盡量消除污染物的影響，降低阻尼，消除溫度誤差等。為了適應(yīng)煤礦井下煤塵大且光線不足的特殊環(huán)境，也應(yīng)加快多傳感器信息融合與集成技術(shù)的發(fā)展，這樣不僅能描述相同環(huán)境的多個(gè)冗余信息，還能描述不同的環(huán)境特征，提高線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。目前傳感器在井下的應(yīng)用過程中還存在以下問題：井下環(huán)境潮濕且易有煤塵，使得傳感器在井下的測(cè)量精度差；煤礦鉸接車輛的前后兩節(jié)車體長，在井下不平坦的路面行駛時(shí)，前后兩節(jié)車體更易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使得車輛實(shí)際轉(zhuǎn)向角度與傳感器測(cè)量角度不符。

3.3 復(fù)雜容錯(cuò)技術(shù)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了傳感器與液壓元件之間的機(jī)械連接，又增加了許多電氣設(shè)備，在井下日復(fù)一日的工作當(dāng)中，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電子元件會(huì)受到不同程度的損耗。井下環(huán)境潮濕，電氣設(shè)備又經(jīng)常運(yùn)轉(zhuǎn)在高負(fù)荷的狀態(tài)中，一系列問題交織在一起加速了電氣件的老化，使電氣設(shè)備容易發(fā)生故障，而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)由電子部件引起的各種故障非常敏感[30]，同時(shí)井下巷道狹窄，車輛若在井下拋錨，既不便維修還影響煤礦的正常生產(chǎn)。為了保證不發(fā)生意外，煤礦車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需具有冗余性，當(dāng)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障后，可將線控轉(zhuǎn)向回路切換到原有的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，繼續(xù)完成轉(zhuǎn)向過程，從而提高線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

容錯(cuò)是指所研究的對(duì)象能容許系統(tǒng)發(fā)生故障，不會(huì)因故障而發(fā)生失控或者崩潰。目前提高煤礦鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的容錯(cuò)性可從兩個(gè)方面考慮，依靠硬件備份的冗余技術(shù)或依靠軟件的容錯(cuò)算法技術(shù)[31]，兩類容錯(cuò)技術(shù)的對(duì)比如表1所示。硬件冗余是針對(duì)車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的傳感器、控制器、液壓系統(tǒng)等裝置進(jìn)行備份；容錯(cuò)控制算法技術(shù)是指在傳感器、控制器、執(zhí)行器或系統(tǒng)其他元部件發(fā)生故障時(shí)，通過線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器中的故障診斷和容錯(cuò)模塊及時(shí)檢測(cè)車輛故障，同時(shí)還擁有處理故障的手段，使得線控轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定，提高駕駛員的安全性，防止人員傷亡。

表1 軟硬件容錯(cuò)技術(shù)對(duì)比

容錯(cuò)控制分為主動(dòng)容錯(cuò)控制和被動(dòng)容錯(cuò)控制。主動(dòng)容錯(cuò)的目的是設(shè)計(jì)一種提高被控系統(tǒng)性能的控制算法，使系統(tǒng)有效檢測(cè)故障且傳遞故障的信息并重新配置閉環(huán)控制方案，來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖5所示。被動(dòng)容錯(cuò)方法的本質(zhì)只是一種在特定情況下有效的魯棒控制技術(shù)，如圖6所示。王翔宇[7]驗(yàn)證了鉸接車輛液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的冗余功能的可疊加性，可將原有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與任一改進(jìn)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并聯(lián)，以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

圖5 主動(dòng)容錯(cuò)控制框圖

圖6 被動(dòng)容錯(cuò)控制框圖

目前有關(guān)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的容錯(cuò)性已有許多學(xué)者做過研究，但在煤礦車輛的實(shí)際應(yīng)用過程中還存在許多設(shè)計(jì)難點(diǎn)。如煤礦井下路面起伏不平，車輛質(zhì)量和輪胎轉(zhuǎn)彎剛度等參數(shù)隨時(shí)間變化無法精確的測(cè)量計(jì)算，導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型與實(shí)際情況不符；防爆技術(shù)、CAN、FlexRay通信協(xié)議，可能導(dǎo)致信息傳輸延遲，因而不可避免地降低了線控系統(tǒng)的可靠性；煤礦井下環(huán)境差且駕駛?cè)藛T高強(qiáng)度工作，導(dǎo)致駕駛員做出的不安全行為。煤礦車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的容錯(cuò)性，不僅有關(guān)煤礦的生產(chǎn)作業(yè)，更關(guān)乎井下作業(yè)人員的生命安全，應(yīng)將線控轉(zhuǎn)向技術(shù)與容錯(cuò)控制技術(shù)充分結(jié)合，使車輛既具有轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比可調(diào)、轉(zhuǎn)向靈敏準(zhǔn)確、路感清晰、便于整機(jī)布置等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有較高的可靠性和安全性。

3.4 路感的形成與反饋

路感是在轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)把車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和井下路面狀態(tài)信息反饋給駕駛員的一種現(xiàn)象，是保證安全的必要前提。獲得真實(shí)的路感也是線控轉(zhuǎn)向在煤礦鉸接車輛中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。與井上工程機(jī)械運(yùn)行環(huán)境相比，煤礦井下路況更為復(fù)雜，又因線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了方向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，駕駛員不能夠通過剛性機(jī)構(gòu)直接獲得真實(shí)的路感；同時(shí)井下煤塵大且視野狹窄，使煤礦車輛運(yùn)行中駕駛員獲得路感尤為重要。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中路感的形成與反饋原理主要有：特征函數(shù)法，此種方法通過集合車速、行駛狀態(tài)建立相關(guān)的動(dòng)力學(xué)模型，此方法適用與道路型車輛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于井下路面情況復(fù)雜且不同煤礦的井下路面特征無規(guī)律可循，難以建立真實(shí)的數(shù)學(xué)模型，不易獲得真實(shí)的路感；數(shù)學(xué)計(jì)算法，此種方法精度較低，通常與特征函數(shù)法相結(jié)合；傳感器測(cè)量法是鉸接車輛中比較常用的方法，也是較適用于煤礦鉸接車輛的方法，其原理是比較左右轉(zhuǎn)向油缸壓力傳感器的輸出，并將壓力差值輸入ECU，ECU控制方向盤處的電磁線圈產(chǎn)生大小可調(diào)的電磁引力，電磁引力最終作用到阻尼盤上產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)力矩，阻轉(zhuǎn)力矩對(duì)方向盤軸起到阻尼作用，使駕駛員獲得路感，該方法具有響應(yīng)速度快，無沖擊振動(dòng)、噪聲污染，能源利用高的優(yōu)點(diǎn)，且自動(dòng)控制性能優(yōu)越。

現(xiàn)有越來越多的學(xué)者在獲得真實(shí)的路感方面進(jìn)行探索，以便駕駛者能夠掌握路面的基本情況。但在煤礦車輛的應(yīng)用還存在問題，煤礦車輛由于車體長且路況復(fù)雜容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致傳感器難以測(cè)量、路感難以模擬；同時(shí)井下路面起伏大，路感反饋增強(qiáng)造成的可操作性與駕駛舒適性之間的矛盾難以調(diào)節(jié)。

針對(duì)路感難以模擬的問題，學(xué)者應(yīng)結(jié)合3種路感反饋原理的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行研究。首先研究路感的產(chǎn)生機(jī)理，然后以人-車-路閉環(huán)控制研究進(jìn)行參數(shù)擬合，同時(shí)考慮不同路況、不同車速和行駛狀態(tài)等其他因素來制定路感控制策略，進(jìn)而得到更加準(zhǔn)確的路感，實(shí)現(xiàn)車速高時(shí)車輛穩(wěn)定，車速低時(shí)輕便靈活[32]。結(jié)合井上的路感技術(shù)看，煤礦車輛的行車路線同井上相比相對(duì)單一，所以可在傳感器測(cè)量法的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)學(xué)計(jì)算法和特征函數(shù)法，再使用自適應(yīng)算法控制路感，使車輛可以應(yīng)對(duì)井下相對(duì)較為單一的路線。

3.5 智能控制技術(shù)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電子控制系統(tǒng)，控制方式直接影響控制系統(tǒng)的性能。煤礦車輛使用線控轉(zhuǎn)向的主要優(yōu)點(diǎn)就在于智能控制技術(shù)。智能控制技術(shù)可以根據(jù)工作狀態(tài)自由設(shè)置轉(zhuǎn)向裝置的驅(qū)動(dòng)比，還可以加入各種電氣元件起到輔助駕駛的作用。同時(shí)車輛的穩(wěn)定性、容錯(cuò)性、路感的形成都是基于車輛的智能控制技術(shù)，智能控制技術(shù)也是車輛轉(zhuǎn)向精度的關(guān)鍵。所以智能控制技術(shù)是線控系統(tǒng)的重中之重，并且也為工礦自動(dòng)化提供先決條件。

關(guān)于線控轉(zhuǎn)向智能控制方法，已有大量研究，如DU Heng等[33]設(shè)計(jì)了積分滑模控制，并基于粒子群算法和積分時(shí)間絕對(duì)誤差準(zhǔn)則，提出了電液伺服加載系統(tǒng)的比例-積分-微分自校正控制器，能夠有效的抑制外載荷的干擾。藺素宏等[34]設(shè)計(jì)了一種基于負(fù)載力觀測(cè)器的前饋和最優(yōu)狀態(tài)反饋控制復(fù)合控制策略，具有較高的跟蹤精度和抗負(fù)載干擾能力。還有學(xué)者結(jié)合模糊PID[35]、模糊自適應(yīng)PID[36]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID[37]、積分滑模自適應(yīng)控制[38]等先進(jìn)的控制理論，提高了線控系統(tǒng)的控制精度。

目前智能控制技術(shù)在煤礦車輛應(yīng)用過程中還存在以下問題：煤礦鉸接車輛在空滿載不同情況下通過崎嶇不平的道路時(shí)，車輛的重心變化快、非線性嚴(yán)重，導(dǎo)致車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻力和液壓輸入輸出流量變化范圍大，而井下隧道狹窄需要智能控制技術(shù)十分精確才能避免發(fā)生意外。井上的鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向大多采用PID控制，但在井下采用PID控制不能夠精確穩(wěn)定快速地控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，針對(duì)以上問題，煤礦車輛的智能控制系統(tǒng)應(yīng)具有自適應(yīng)或者根據(jù)空滿載調(diào)節(jié)不同模式的功能，并且將智能控制技術(shù)與煤礦車輛整體進(jìn)行更加深入融合已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。

4 發(fā)展趨勢(shì)

(1) 節(jié)能是無軌輔助運(yùn)輸車輛的長遠(yuǎn)發(fā)展方向。目前，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的節(jié)能研究較少，可在設(shè)計(jì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)算法時(shí)考慮到節(jié)能問題，也可以對(duì)電液閥控、電液泵控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能耗損失進(jìn)行節(jié)能分析。此外線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)深入研究，提高元件工作效率和降低液壓系統(tǒng)的能耗，同時(shí)也需要新的理論技術(shù)方法，開發(fā)升級(jí)新型節(jié)能元件，進(jìn)行科學(xué)合理的整機(jī)動(dòng)力匹配，進(jìn)一步降低工程機(jī)械能量消耗，所以節(jié)能性是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)；

(2) 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為煤礦車輛自主化的核心技術(shù)，其性能對(duì)車輛運(yùn)行產(chǎn)生直接的影響。因此在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，各個(gè)元件運(yùn)行的可靠與安全性顯得尤為重要。未來的鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)高度集成硬件備份和容錯(cuò)算法智能系統(tǒng)，相比于目前的系統(tǒng)能夠大幅提高車輛行駛的穩(wěn)定性與安全性，保證無人駕駛技術(shù)的安全發(fā)展，所以提高車輛的容錯(cuò)性是線控轉(zhuǎn)向的發(fā)展趨勢(shì)；

(3) 煤礦車輛實(shí)現(xiàn)自主化駕駛，對(duì)車輛的響應(yīng)時(shí)間、路徑的選取、行動(dòng)決策等提出了更高的要求，這些都與車輛的控制精度息息相關(guān)。控制精度是鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向發(fā)展的關(guān)鍵。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)理論和無人駕駛車輛計(jì)算能力的并行發(fā)展，將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用到控制領(lǐng)域是重要的發(fā)展方向；同時(shí)結(jié)合自適應(yīng)控制、粒子群算法、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等理論，以達(dá)到提高控制精度的目的

5 結(jié)論

線控轉(zhuǎn)向技術(shù)不僅可以提高鉸接車輛在煤礦井下復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的轉(zhuǎn)向性能，還是煤礦無軌輔助運(yùn)輸車輛實(shí)現(xiàn)自主行走的關(guān)鍵。通過對(duì)鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀以及關(guān)鍵技術(shù)的分析研究，得出以下結(jié)論：

(1) 針對(duì)目前鉸接車輛兩大主流技術(shù)，對(duì)比分析了其工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)。電液閥控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在大量溢流與節(jié)流損失的問題，但系統(tǒng)發(fā)熱少、成本低；電液泵控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能且穩(wěn)定性高,但系統(tǒng)復(fù)雜、故障率高。

(2) 聚焦鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵技術(shù)，分析了其目前的發(fā)展現(xiàn)狀并指出未來發(fā)展趨勢(shì)。電液比例閥在防爆處理后仍能保持良好的線性度與恒力特性，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短；傳感器將更加智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化；容錯(cuò)技術(shù)將是軟件容錯(cuò)技術(shù)和硬件容錯(cuò)技術(shù)的更好結(jié)合；路感將通過更新型的路感反饋原理和方式變得更加精確；智能控制技術(shù)將融合更加先進(jìn)的控制理論。

(3) 從鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的節(jié)能性、容錯(cuò)性以及控制精度等方面出發(fā)，提出了鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，期望相關(guān)工作能推動(dòng)煤礦車輛自主化理論、方法、技術(shù)的研究與發(fā)展，為鉸接車輛線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用和研究提供參考。