（机械电子工程专业论文）四轮转向试验平台的建模仿真与实验研究.pdf

摘要 四轮转向是提高车辆操纵稳定性的重要手段，二 。本文主要研究了四轮转向 系统的组成与工作原理，确定了四轮转向试验平台的传动方案和液压原理。对、r 台的三种转向模式进行了运动学分析。在此基础j ：将p i d 控制和模糊控制引入到 硬件控制器中。系统完整地建立了整个平台的动态特性数学模型，并利用 m a t l a b 语言建立了仿真模型，完成了平台的动态特性仿真分析。分析结果表 明平台的快速性、准确性和稳定性都能满足要求，对平台进行现场实验，拟合实 验数据得到了平台的实验传递函数。实验数据与，方真结果的一致，表明了建立的 数学模型是正确的，硬件控制器和控制算法的选珲是合理的。嗣时也说明平台儿 有良好的转向性能。四轮转向试验平台的研究为i t t - - 步丌发四轮转向4 二辆控制器 奠定了基础。 关键词：四轮转向模糊p i d动态特性 数学模型液压系统仿真 a b s t r a c t s f o u r - w h e e ls t e e r i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei1i m p r o v i n gt h es t a b i l i t yo ft h e v e h i c l em a n i p u l a t i o nt h ew o r kp r i n c i p l ea n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h ef o u r - w h e e l s t e e r i n gs y s t e m ( 4 w s ) a r es t u d i e di nt h i sp a p e rt o e d r i v i n gs c h e m ea n dh y d r a u l i c p r i n c i p l eo ft h e4 w st e s tp l a ta r ed e f i n e dt h ep a p e ra n a l y z e st h ek i n e t i c so ft h et e s t p l a tu n d e rt h r e ek i n do fm o v i n gm o d eb a s e do nt h ea n a l y s e s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e p i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r o lt ot h eh a r d w a r ec o n t r o l l e r t h ep a p e rm o d e l st h ew h o l e m a t h e m a t i cm o d e lo ft h et e s tp l a t ，s i m u l a t e st h em o d e lb yt h em a t l a bs o f t w a r ea n d f i n i s h e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s e so ft h e p l a t t h e a n a l y z i n gr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h es p e e d i n e s s ，p r e c i s i o na n ds t a b i l i t yc ft h ep l a ta r es a t i s f i e d t h i sp a p e r c a r r i e so u tt h ef i e l de x p e r i m e n t ，a n dg e t st h ee ) p e r i m e n tt r a n s f o r mf u n c t i o nb y p o l y f i t t i n gt h ed a t at h ee x p e r i m e n td a t ai sc o n s i s tn gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h e c o n s i s t e n c ys h o w st h a tt h em a t h e m a t i cm o d e li sr i g h t ，a n dt h ec h o i c eo fb o t ht h e h a r d w a r ec o n t r o l l e ra n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yi sd ：a s o n a b l e a tt h es a m et i m e ，i t i n d i c a t e st h a tt h ep l a th a v eag o o ds t e e r i n gp e r f o ml a n c e t h es t u d yo ft h e4 w st e s t p l a tl a y st h ef o u n d a t i o n f o rd e v e l o p i n gt h ec o n t re ) l l e ro ft h ev e h i c l eo ft h e4 w s n l r t h e o k e yw o r d s ： f o u rw h e e ls t e e r i n g m a t h e m a t i cm o d e l f u z z yp i dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s h y d r a u l i cs y s t e m s i m u l a t i o n 长安大掌硕士掌位论二c 第一章绪 勃 1 1 四轮转向的研究背景及意义 传统的四轮车辆一般采用由方向盘控制两个自i 轮进行转向，自h 轮之间的转向 同步是靠机械的刚性连接方法来实现。前轮转向车辆存在的一个问题足转弯半径 较大，无法在狭窄的空问内实现转向要求，其使用受到一定的限制。并l l 有在低 速时转向响应慢，转向不灵活；在高速时转向稳定陛差等缺点。为r 改善1 1 辆力 向操纵性，提高车辆行驶稳定性，进而增加其舒适眭和安全性，国外丌始研究丌 发四轮转向系统( 4 w s ) 。所谓四轮转向就是使4 个 三轮都起转向作用，用以提高车 辆转向机动灵活性和高速行驶操纵稳定性。 四轮转向有如f 优点【l 2 3 1 1 低速转弯时转向半径小，车辆的灵活性高； 2 高速行驶时能迅速改变车道，车身又不致产生大的摆动减少j ，产7 匕摆j 屯 的可能性，使司机更容易控制车辆的姿态： 3 在转向时能够保持车辆的重心侧偏角基z t 为零，极大地改善了横摆角速 度利侧向加速度的瞬态性能指标。 四轮转向的转向模式可在定位转向和方向盘转向两种方式f 讨论。 1 四轮转向的定位转向方式 定位转向是通过按钮控制将轮位置于预定角度的转向。为了满足工程需要， 工程车的定位转向设计成具有如下转向模式：纵【司6 丽亍纵f 4 对角，横向对角，横向 行弛绕车冲心f 鹂措，如图1 - - i 所示。 口曰园目目 纵向前行纵向对角横向对角横向付gc 绕下i t 驶 幽1 1【程乍按钮控制的定f _ ) = 转向模式 2 四轮转向的方向盘操纵转向方式 方向盘操纵转向是在运动过程中用方向盘控制轮位的转向。工程车方向盘操 纵转向设计成具有如下模式：前轮转向( 前轮左右同向的转向) ，后轮转向( 后轮左 右同向的转向) ，前后轮同时转向( 前后轮反方向轻动，角度大小相等，方向相反) ， 前扇形行驶与后扇形行驶( 扇形运动靠前、后轮自 转动角度不同而实现，的后轮 长安大掌硕士学位论文 分别在扇形的内、外弧线的切线上行驶) 等，如图1 2 所示。 团圆园目园 前轮转向后轮转向州时转向( 反向) 前扇形行驶后尉形行驶 图1 - - 2【：程车方向盘操纵的转向功能 四轮转向按结构和执行机构的不同可分为机械式、机械+ 电子控制式、f 乜予 控制液压工作式、液压控制液压工作式、电子控制电动式等。 u 四轮转向装置 已将机械、液压、电子、传感器及微处理机控制技术紧密结合在一起，征很人程 度上改善了装置的转向特性，提高了装置的操纵稳定性。四轮转向按其控制方法 可分为：定前后轮转向比四轮转向系统；前后轮转向比是前轮转角函数的四 轮转向系统；前后轮转向比是车速函数的四轮转向系统；具有一阶滞后的四 轮转向系统；具有反相特性的四轮转向系统；具有最优控制特性的四轮转向 系统；具有自学习、自适应能力的四轮转向系统1 4 , 5 1 。 但是，时至今同这项技术还未在商用车辆上得到广泛的应用。主要原因是生 产成本问题，即增加后轮转向系统会提高整车的造价；其次是技术问题，虽然四轮 转向技术己经取得了不少进展，但是在运用现代控制理论进行车辆转向控制规则 的确定和控制方法的选择时，主要是依靠经验，相应的理论依据还很缺乏。车辆系 统含有丰富的非线性因素，考虑到这些非线性因素时，车辆系统更加趋于复杂，仅 仅依靠经验是不够的。另外在车辆四轮独莎转向控制中，由于在各个车轮之叫无 刚性的转向机械连接机构，车辆在转向行驶过程中，如果车轮| 、日j 的转向速度不同步 或车轮转向停止时的位置不同步，都将导致车辆无法正常行驶，严重时将导致车辆 行走机构的损坏。因而，对于四轮转向车辆，如何控制车轮的转向速度与位置同步 是一个亟待解决的具有实际工程意义的重要课题。因此，丌展车辆四轮转向技术 的理论研究，对于促进四轮转向技术的发展和应用有着积极的意义。 1 2 四轮转向系统国内外发展现状 上世纪八1 年代，幽外开始研究丌发四轮转j 句系统( 4 w s ) 。本f = | ( h o n d a ) 汽车公司发展出机械式四轮转向系统( f u m l ( a w a ，1 9 8 9 ) 其系统使用两套转向机 构，分别为前轮转向机构与后轮转向机构，其问以转向轴相连，如图l 一3 所示。 长安大掌硕士掌位论文 酗i - - 3 本田汽车公司四轮转向系统( 1 7 u r u k a w a ，1 9 8 9 ) 闩产( n i s s a n ) 汽车公司之四轮转向系统( h i c a s ) ( 1 r i e ，1 9 8 9 ；f u r u k a w a ， 1 9 8 9 ) 系利用后轮先中立再同相位转向之车辆重一d 侧滑角控制方法，此四轮转向 系统包括：侦测车速及方向盘转动量之传感器、掺受车速及方向盘转动量之输入 以计算后轮转角大小之控制器、液压系统及安全装置( f a i l s a f es y s t e m ) 。当控制 器接受车速及方向盘转动量之输入时，会立即经吐控制器计算出后轮所需之转角 后，传送讯号至液压系统，进而推动后轮至所要j l 之之转角，如图l 一4 所示。 图1 - - 4 日产汽审公司之四轮转向系统( h i c a s ) ( f u r u k a w a , 1 9 8 9 ) 同产汽车公司之后又研发出利用后轮先逆向，立转向再同相位转向之四轮转 向系统( s u p e r h i c a s ) ( e g u c h i ，1 9 8 9 ) ，如图卜一5 所示。此四轮转向系统系利 用控制器接受车速传感器及方向盘转角传感器之讯号来计算出后轮所需之转角， 继而使液压系统推动后轮转向，而此四轮转向车辆之后轮转角最多只可达到l 度。此四轮转向系统亦配有安全装置，当四轮转向车辆囡液压系统或控制器发生 故障时，安全装置会令后轮恢复至中立转向，使车辆回复至一般前轮转向车辆之 长安大掌硕士掌位论文 操作，以免造成行车之危险。 图1 5 日产汽车公司之四轮转向系统( s u p e r h i c a s ) ( e g u c h i ，1 9 8 9 ) 进入上世纪九十年代。随着电子工业的发展，使得电子技术广泛应用于提高 车辆总体性能上，尤其是改善车辆操纵稳定性方面，加上现代控制理论的应用， 以及计算机模拟仿真技术的融入，使得4 w s 发展更加成熟、应用更为广泛 l l - s , ，2 ，6 1 。 在工程机械领域，由于工程车辆行走条件以及自身总体布置等要求，需要的 车辆行驶速度可以很低，但转向的功能要求很高，所以普通两轮转向车辆难以实 现。由于四轮转向车辆的转弯半径明显小于前轮转向车辆( 最高时可以缩小一半) 使工程车辆在狭窄场地具有良好的通过性。四轮转向已在从国外引进的工程车辆 上得到实际应用，如美国c m it e r e x 的四履带水泥摊铺机s f - - 3 0 0 4 和美国c a s e 公司的5 6 0 挖沟机等。其转向系统主要采用s a u e r 公司提供的电液转向系 ( e h p s ) 【6 j ，如图1 6 所示。基本的转向系由先导阀和电液转向组合阀块组成， 组合阀块控制输出到转向缸的油流与先导阀的输入油流成j 下例。此系统还可用控 制手柄实现电子信号输入，以及加入微控制器实现电子信号输入。图l 一6 a 为无 先导阀的电液转向系，图l - 6 b 为有先导阀的电液转向系，图1 - - 6 c 为带反馈以 及c a n 总线的电液转向系。 电液转商系钓优点；很商弱转向压力只需要较小的转向液压缸：辅助阀的低 压可以降低系统韵噪声；当泵失效时可蹦实现手动紧急制动；降低车辆的侧偏加 速度；微控制器可以实现无转向漂流，可变转向比，自动转向，以及c a n 总线 接口等。 在国内，我国机械工业起步较晚，虽然工程机械企业近年也在致力于机电一 4 长安大掌司e 士掌位论戈 体化，但是在全轮转向技术、行驶驱动电控技术等方面并没有取得突破，也就是 说目前国内对于四轮转向技术的研究和开发很少，相关的技术及配置主要依赖进 口。目前而言，国内还没有产品具有四轮转向功能。 。 图1 6 电液转向系 1 3 本论文研究的主要内容 1 )对国内外4 w s 系统的技术水平、现状和发展状况进行调研： 2 )确定4 w s 试验平台传动组成、工作原理以及控制方案； 3 )详细讨论分析平台的各个组件，建立4 w s 试验平台的数学模型； 4 ) 利用m a t l a b s i m u l i n l 【软件及其组件s i 删n e c h 对系统模型进行动态仿真， 寻找出平台关键部件的最优参数，并利用m m l a b t s - f u n c t i o n 对仿真结果进行动画 演示； 5 ) 4 w s 试验平台的实验研究。 长喜大掌司l 士学位沦：屯 第二章四轮转向试验平台传动及控制方案 2 14 w s 试验平台 ， 2 1 i4 w s 试验平台的组成与工作原理 对一般工程机械来说要求转向系统跟随精度高，响应速度快并有一定的 稳定性储备。同时工程机械作业环境差要求转向系统具有较好的抗干扰能力。 由于液压传动技术日益普及，新代的液压元件作为工程机械的重要配件也有了 新的突破，其与微电子技术结合，可以最大限度的提高功能利用效率，另外大部 分工程机械由于自身结构复杂，加上施工场地及施工工艺要求，经常采用全液压 转向系统。为了满足上述要求，这里我们设计了如下四轮转向试验平台：采用复 合式结构，即机电液系统来实现我们的4 w s 试验平台。转向系统主要由控制 器、转向液压缸、电液伺服阀组、霍尔传感器、滤清器、液压泵、电机及溢流阀 等组成，其传动方案如图2 1 所示。 幽2 i 四轮转向试验平台传动方案 而其工作原理如图2 2 所示，说明如下：溢流阀设定系统的供油压力( 基 本可以保证在工作状态下，保持泵的出口压力恒定) ，而电液伺服阀组是由压力 控制先导阀私流量伺服润组合而成。当方向盘发出转向指令后经过电位传感器向 控制器输入电压信号，控制器经过计算、分析，向电液伺服阀组施加电流信号， 电流信号控制先导阀的输出油流压差，进而控制流量伺服阀中四通滑阀的丌口， 同时泵经溢流阀向系统提供恒压油流，通过电液伺服阀组来控制流入各个转向液 压缸的流量与漉量伺服阀中四通滑阀的开口成正比，从面控制转向油缸活塞秆的 伸长量，间接达到控制各个转向轮的偏转角度的目的。而供油压力可通过压力表 显示出来。液压系统我们采用并联联接，以便四个轮子能够独立转向，互不干扰。 为了提高控制精度，四个转向轮上均装有非接触式霍尔效应传感器，并通过传感 长安大学项士掌位论：毛 器把各轮的实际转角反馈给控制器控制器再经迂：计算、分析，重新发出指令信 号，纠正希望转角与实际转角的偏差。这样，整个系统形成闭环回路，满足了高 精度的要求。影响该转向系统响应快速性的主要元件是伺服阀组的固有频率和液 压缸的固有频率。因此，在设计实验平台时，我们特意选择s a u e r d a n f o s s 公司生产的电液流量控制伺服阀组【6 l ，其固有频率高( 2 0 0 h z ) ，响应速度快，而 且它的线性度好，抗干扰能力强，稳定性好，基本保证了该转向系统具有较快的 响应速度和较好的鲁棒性。 i ! 却 1 电动机2 油泵3 一滤清器 4 溢沉闽 5 单向阁6 油表 7 - 电液伺服阁 8 一油缸 图2 - - 2 四轮转向试验平台： 夜压原理图 2 1 2 确定液压缸尺寸7 ，8 l 车辆在行驶中的受力简图如图2 3 所示。图2 3 中：x , y 为车体坐标；x ，y 为路面坐标：上面为车体俯视图；左下角为车体侧面：右下角为车轮路面对轮胎 的横向力是白和o ，纵向力是矗和l ，垂直方向的力是和巴。这里下 标厂和，分别代指前后轮。 1 列写车体的动力学方程【2 8 1 f c o s o f f 嘻s i n t yj 七f f c o s o f f ”s i n t r 。= m ( v y + v ，1 一f c o s o f f s i n c 7 f f 口c o s o r f i r s i nc r ，= m ( v x v l ，( c o s o 厂s i n c r ，) 一，( o c o s 7 ，一c ，s i n ，) = ，：r ( 2 一i ) 式中，m 车身质量； * 蛋 哂 二二 二 长安大掌硕士掌位论文 t ，矿。车身沿x ，y 轴速度 ，_ 车身旋转角速度； 盯，o r 前，后轮转向角； ，车身质点到前轮，后轮的距离 ，：转动惯量。 a f x r 。： 图2 - - 3 卞体受力分析劁 当车辆在原地转向时，其系统质心不动，故一和v v 以及r 均为0 ，此时系统 可简化为一单自由度的模型。动力学方程为： 以鲁= 喜尬( f ) ( 2 - - 2 ) 即 j ：a = mim。_、(2-3) 式中，j ：转动惯量； a 转角加速度 m 转向力矩： 。裁 o ， 、f 、 i|慕一j 长安大掌硕士掌位钝。文 肘。摩阻力矩。 2 车体转向力矩计算 7 , 8 1 车体的转向力矩指的是转向液压缸作用力相对于铰接点o 的力矩。转向缸作 用力相对于o 点的力臂是随转向角口的变化而变化，故铰接转向力矩是转向角口 的一个函数。转向过程中，车轮离开直线行驶方向的转向，我们称之为转向( 而 车轮向恢复直线方向的转向为回正) 。如图2 - - 4 所示。车轮转向并且转向角为口 时，转向缸处于a d i 的位置。下面我们研究转向油缸a d 做转向时的转向力矩 m l ， m l = f m o 式中，f 转向缸推力。 又因为a m o d ，一a n a d ， 令d j 0 = ， a o = l 则 a n = l - s i n ( f z + 口) ( 2 4 ) 所以等= 器爿d d 丽：l r s i n ( a + o ) ( 2 5 ) a d , 将式( 2 - - 4 ) 代入式( 2 - - 5 ) 得 m = f l r s i n ( a + o ) a d ( 2 6 ) 图2 4 转向支架简化图 根据余弦定理，转向缸的铰点长度为 a d t = r 2 + r 2 2 r r ，c c s ( 口+ 将式( 2 7 ) 代入式( 2 - - 7 ) 得 帆：1 兰：圭：型丝! 兰l 1 2 + r 2 2 l r c ( s ( 口+ 0 ) 综上所述，车辆在原地转向时左前轮的动力学方程为 “：； 兰尘型坐兰竺 一! 垃“堡 以口= 面需零2 万l i 菰一l j 瓦、f i 1 r + r 2 一r c o s ( 口+ 回 + ， vs 故反馈力为 9 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ：h、旷p、，、。、 一 j ， 、 如谢j r 、 ， 、 ，、j l 0 长安大掌硕士掌位论文 f = h 器卢l 2 + r z - 亟2 l r c o s ( a + o ) ( 2 - - 1 0 ) 3 最大摩阻力矩 其摩阻转矩可用塔布莱克的简化公式来计算。单个车轮绕轮胎接地面中心偏 转时的摩阻转矩。如图2 5 所示。具有充气轮胎的车轮在轮压z 的作用下，轮 胎与地面之间的接触面积a 如图中阴线所示。当轮胎绕接地面积a 的中心0 偏 转时，地面给轮胎接触面一个与其偏转方向相反的摩阻力矩m 。l ，其大小相当于 接地每单元面积a 上的摩阻力对o 点距离乘积的总和。但由于接触面各单元上 摩阻力的分布规律受很多因素影响，很难用一定的公式表达1 8 】 塔布莱克假定轮胎与地面的接触面积为 以轮胎宽度b 为直径的圆面积，并假定以作 用在当量半径k 出的集中摩阻力z p 对接地 m 。 面中心o 点的阻力矩作为计算摩阻转矩，即 m 。1 = 砟 ( 2 1 1 ) 式中，z 轮压( n ) ： ：。 l i 轮胎与地面的摩阻系数( 附着系 数) ； k 轮胎宽度当量半径( r n m ) 。 足z ：生 彳 ，。：婺( 2 - - 1 2 ) o ，2 百 一：x b z 4 f 厂 j 。，务。翁 ， 甏影 l 图2 5 轮胎接地面简图 式中，。极惯性矩； 卜轮胎宽度( m m ) ： 因此可得 = 和痒 ( 2 州) 模型受力是时刻受地面对轮胎的垂直支持力影响的。而支持力又由车身的纵 向加速度而决定。由于车身做原地转向，故列写垂直方向的力学方程可得： o _ 二卜 长圣r 大学硕士攀位谖文 驴者 l = 老 式中，埘车身质量； ，c ，前，后轮支持力 ( 2 一1 4 ) 三，车身质点到前，后轮的距离。 对前轮而言轮压z 为o ，而对后轮而言轮压z 为t ，。由于底盘空间的限制， 这里的转向液压缸我们采用单活塞杆双作用液压缸。缸的参数设计根据最大阻力 设计结果见表2 1 。据此设计的液压缸可以很好的满足系统转向压力的要求。 并有一定的储备空间。 表2 一l 液压缸的重要参数( 单位：m m ) l 液压缸长度 缸内径缸外径 l 柏o5 56 3 2 1 3 车轮转向运动学叫2 8 l 1 轮式车辆左右轮应以不同角速度旋转 图2 6 为偏转车轮转向车辆在水平地段上绕转向轴0 作前轮转向时的车辆 简图。轮式车辆在转向或直线行驶过程中，经常要求左右车轮以不同的角速度旋 转，其理由是： 1 ) 转向时，外侧车轮所走过的路程较长； 2 ) 左、右车轮轮胎载荷、气压不等或磨损不均时，其实际滚动半径不相等； 3 ) 在高低不平的道路上行驶时，两侧车轮实际走过的路程不同。 因此，为了减少转向和直线行驶时的功率消耗、轮胎磨损及地面阻力，改善 操纵性，对轮式车辆转向所提出的基本要求是：尽可能保证车轮在地面上只有滚 动，而不产生措动( 包括侧滑、纵向滑移和滑转) 。 长安大学：哦士掌位论文 图2 - - 6 前轮转向 2 轮式转向车辆必须满足的转向条件 1 ) 转向时，通过各个车轮几何轴线的垂直平面都应交于同一直线上，这样 就能防止各车轮在转向时产生侧滑现象。 2 ) 转向时，两侧车轮应以不同的角速度旋转，以避免转向时驱动轮产生纵 向滑移或横向滑移。 3 轮式车辆的三种转向模式 1 ) 前轮转向 图2 6 上。点就是该机的转向轴线或转向中心。从转向轴线。到车辆的纵 向对称面的距离r ，称为车辆的转向半径。从图2 - 6 中我们不能看出，轮式车辆 转向时内外导向轮对于机体的偏转度是不相等的，它们分别是口和b ，这两个 角的对应关系如式( 2 1 5 ) c t g a = 工 c t g b = ( m + n ) ( 2 1 5 ) 式中，m 两侧主销中心距离( 略小于转向内外轮轴距) ； l 一前后轮轴距。 由此可以得出当内轮转角为口时，外轮转角b = a r c c t g ( c t g a + m ，三) 。 2 ) 全轮转向 对于前后轮同时偏转时，如果前桥两主销之间距离m i 等于后轮两主销之间 距离m 2 时，即m l = m 2 = m 。则有， c t g b i c t g a l = m l 工i c t g b 2 一c t g a l = m 1 l 2 c t g a l c t g a 2 = 三2 i 1 ( 2 1 6 ) 长圣大掌硕士掌位论文 式中，m i ，m r 两侧主销中心距离( 略小于转向内外轮轴距) ； l l ，i 卜一前后轮到转向中心线的轴距。 当前，后桥两主销之间距离m i 于m 2 不相等时，即m 1 m 2 ，而l i = l 2 = l 2 时。要满足通过各个车轮几何轴线的垂直平面都应相交于同一条直线上，则 q g 口2 一d g 口【= ( m 2 一w 1 ) 一： ( 2 1 7 ) 由式( 2 1 7 ) 可以看出m l 与m 2 的差值越：k ，口1 与口2 也越大。而当转向 轮偏角较大时，前后轮的瞬时转向中心就不会重合，其差距随m l 与m 2 差值的 增大而增大，使机械在转向半径较小时，转向轮虹生一定量的滑移。因此在总体 设计时应尽量减小m 2 于m 的差值，最好使其相等，这里我们就选取了m 2 = m - 。此时可得 口2 = 口l = 口，b i = 甜c c i 譬( c 譬口+ 2 m i ) ，b 2 = b t ( 2 1 8 ) 图2 7 全轮转向 3 ) 蟹形转向 对于前后轮同相转向时，车轮应满足下列关系 口2 = g l2 口：b 22 b i = 口 此种情况下，轮胎磨损严重。只有在极少情况一：才出现蟹形转向。 ，1 刁，了a ， a j p “m “ 长安大掌硕士掌位论文 式中，k ，脉宽调制规律的斜率 u 。电液伺服阀出现死区的控制信号拘上限 “。电液伺服阀出现饱和的控制信号的下限。 图2 1 0 脉宽调制规律 i i l 如口 1 卜刀 图2 1i 【与空比示意图雨脉宽调制规律 2 2 3 软件控制方法 控制方法我们采用先进的具有自学习、自适应能力的模糊p i d 控制策略。因 为第一章介绍的前六种方法，都是采用的古典控制理论，其局限性在于这些系统 不能较好地适应车辆本身特性的非线性或随机性变化( 如轮胎侧偏特性的非线 性，前后轮载荷变化的随机性等) ，不能适应车辆一道路系统特性的非线性或随 机性变化( 如轮胎嘏 面附着系数的变化等) 。要在这样的条件下实行更为有效的 控制，控制系统应具有自学习、自适应能力即随着被控对象的变化而改变控制 器参数或结构，改变控制规律。目前许多研究人员将更新的、更有效的控制方法 例如自适应控制、鲁棒控制、h 。0 控制和基于神经网络的控制应用于四轮转向系 统”。这里我们采用先进的f u z z y p i d 控制算法来实现4 w s 系统。 1 数字p i d 控制算法p ”】 按偏差的比例、积分和微分进行控制的调3 器( 简称为p i d 调节器，也称 p i d 控制器) ，是连续系统中技术成熟、应用鸯 为广泛的一种调节器。它的结构 简单，参数易于调整，在跃期的工业控制应用中积累了丰富的经验。 长安大学硕士掌位论文 在模拟调节系统中，p i d 算法的表达式为 如) = k p m 卅f 1 胖瑚+ 警】( 2 - - 2 1 ) 或者 ) = k p e ) + 軎胁冲+ 掣】 式中，k ，比例增益； 一，t ，积分，微分时间常数： u ( t ) 模拟控制量； e ( t ) 偏差。 对应的传递函数为 d ( 5 ) = u ( s ) e ( s ) = k 。( 1 + s + 1 ，正j ) ( 2 - - 2 2 ) 比例控制能迅速反映误差，从而减小误差。但比例控制不能消除稳态误差， 足，的加大。会引起系统的不稳定：积分控制的作用是，只要系统存在误差，积 分控制作用就不断积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积 分控制将能完全消除误差，但积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现 振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系 统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。由p i d 调节器 所构成的模拟系统控制系统如图2 一1 2 所示。 图2 1 2p i d 控制结构框图 由于微机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制 量。因此，在微机控制系统中，必须首先对式( 2 2 2 ) 进行离散化处理，用数 字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增 量式表示，即 p ( ，妙= 乃( _ ，) = ? 8 ( ，) ( 2 2 3 ) 长安大学硕士掌位论文 坐盟。e ( k ) - e ( k - 1 ) ：e ( k ) - e ( k d l 出 t - 1 ) ( 2 - - 2 4 ) 将式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 代入式( 2 8 ) ，则可得离散的p i d 表达式： m ) ：k ，+ 要壹町) + t oe f k ) - e ( k - 1 ) ( 2 2 5 ) “( 女) = ，p ( 女) + p ( ，) + ( 2 一 = 0 1 式中，a t = r 采样周期，必须使r 足够小，才能保证系统有一定的精度： e ( k ) 第k 次采样时的偏差值； e ( k l j 第( k 一1 ) 次采样时的偏差在i ； 女采样序号，k = 0 , 1 ，2 ： “( 七) 第k 次采样时调节器的输出。 由于式( 2 - - 2 5 ) 的输出值与阀口开度的位 一一对应，因此通常把该式称 为位置型p i d 控制算式。 由式( 2 2 5 ) 可以看出，要想计算“( t ) ，不仅需要本次与上次的偏差信号p ( t ) e ( k 1 ) ，而且还要对历次的偏差信号e ( - ，) 进行累加， 即。( ) 。这样，不 仅计算繁琐，而且为保存p ( 力还要占用很多内存单元。因此用式( 2 2 5 ) 直接 进行控制不方便，为此可对该式进行改进。 根据( 2 - - 2 5 ) ，不难写出u ( k 1 ) 的表达式，即 ( k - 1 ) ：k m 棚+ ；芝刖) + t oe ( k u ( k 生笋塑】 ( 2 2 6 ) 1 ) = ，啡一1 ) + 争p ( ) + 型产】( 2 1 1 = 0 1 将式( 2 - - 2 5 ) 和( 2 - - 2 6 ) 相减，可得 u ( k ) = u ( k i ) + k 。( t ) e ( k 1 ) + k ，e ( k ) + k d p ( 女) 一2 e ( k 一1 ) + e ( k 一2 ) 】 ( 2 2 7 ) 式中， k ，：k ，= t 积分系数； k 。= k ，鲁微分系数。 由式( 2 2 7 ) 可知，要计算第k 次输出值“( t ) ，只要知道u ( k 一1 ) ，e ( 女) ， e ( k 一1 ) ，e ( k 一2 ) 即可，比式( 2 - - 2 5 ) 计算要简l ! 得多。 长安大学司【士掌位论文 2 模糊自适应p i d 控制 常规p i d 控制器往往由于参数整定不良，性能欠佳。而且它不具有在线自整 定的能力，使其不能满足在不同偏差下，系统对p i d 参数自整定的要求，控制 器对运行工况的适应性差，从而影响其控制效果进步提高。考虑到模糊控制不 依赖被控对象精确的数学模型，其响应快、鲁棒性好，因此考虑采用模糊控制与 p i d 控制相结合，对p i d 参数进行在线自整定，实现模糊自适应p i d 控制，以进 一步提高控制效果。 1 ) 模糊控制原理”1 模糊控制是基于模糊集合论，模糊语言变量和模糊逻辑为基础的微机数字控 制，它是模拟人的思维，构造一种非线性控制，以满足复杂的、不确定的过程控 制的需要a 利用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制 系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。模糊控制系统类似于常规的微 机控制系统，如图2 一1 3 所示。 图2 1 3 模糊控制系统组成 从图2 1 3 可以看出，模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、 执行机构、被控对象和测控装置等组成。构成个负反馈模糊控制系统。模糊控 制系统与通常的计算机控制系统的主要区别在于采用了模糊控制器，模糊控制器 是模糊控制系统的核心部分，其结构直接影响控制系统的性能。 2 ) 模糊控制过程 模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、输出清晰化接口 四个部分，如图2 1 4 所示。模糊控制过程分为三个步骤：模糊化、模糊逻辑推 理和解模糊判断，分别由模糊控制器的模糊化接口、推理机、清晰化接1 3 完成。 模糊系统的性能优劣，主要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、推理 算法以及模糊决策的方法等因素。 输入型 r l 知识库匦翠圈 模糊化接口卜叶二晶清晰化接口 模糊控制器 豳2 1 4 模糊控制器组成 控制量 长安大学硕士掌位材? 文 自适应模糊p i d 控制器采用双输入三输出系统，即在控制过程中不仅对实 际误差自动进行调节，还要求对实际误差变化进行调节，这样才自保证系统稳定， 不致产生振荡。以误差e 和误差变化e 。作为输入，可以满足不同时刻的p 和p 。对 p i d 参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对p i d 参数进行修改，便构成了 自适应模糊p i d 控制器，其结构如图2 i 5 所牙； 图2 1 5臼适应模糊皑制器结构 在实验阶段我们采用7 个语言变量。结果执行速度比较慢。而把语言变量减 为5 个，控制效果就不是很理想。基于执行速度和控制效果的考虑。我们对模糊 控制器进行改进 1 7 1 。原来控制器控制的k ，k ，k 。，我们让其控制 x k ，斌，醢d ，就是只控制k ，k ，k d 的增量这样以来语言变量仍为7 个， 但k ，麒，a k 。的变化范围很小，需要的计算+ 量较o ，k ，k d 明显减少，在保 证了控制效果的基础上，也提高了执行速度。但此时需在控制器后面加一保存器， 保留上一次的k ，k ，k 之后加上控制器的靠j 出，作用于控制对象。保留器的 初始值可以根据实际经验来设定( 如不设定，1 4 l j 开始退化为经典模糊控制器) 。 改进后的模糊控制器有更广泛的应用范围。其结构如图2 1 6 所示。 模糊控制器 珈 广十 k na k j a k d 图2 一1 6 改进模糊控静器的结构 以f 为了方便在控制器内部，仍用k ，k ，d 代替能，“，丛。我们重点 介绍一下模糊控制器规则表的确定。本模糊控制器把实际的控制策略归纳为表( 2 - - 3 ，4 ，5 ) 所示的控制捌则。一般情况下，在不同速度偏差e 和速度偏差变化率 长安大掌：哦士掌位论文 e c 时，被控对象对参数k p ，k i ，k d 的崮整定要求是： ( 1 ) 当转向缸开始伸张或回缩时，速度偏差e 较大。为加快阀控缸的响应速度， 可以取较大的世。；同时为了避免由于开始时偏差e 的瞬时变大可能出现的微分 过饱和而使控制作用超出许可范围，x 。取中等：为了防止缸的执行速度出现较 大的超调，产生积分饱和，通常去掉积分作用。 ( 2 ) 当速度偏差e 和偏差变化率e ，处于中等大小时，为使缸的执行速度具有较 小的超调，k ，应取小一些：k ，取值要适当，此时k 。的取值对系统响应的影响 较大，耿值耍适中，以保证系统响应速度， ( 3 ) 当速度偏差口较小，为使系统稳定性能较好，应该增加k ，和k ，同时避 免系统在设定值附近出现振荡现象，并考虑系统的抗干扰性能，足。的取值相当 重要。一般e 。较小时，杨取大一些，e c 较大时，彭。取，j 、一些。 表2 3 模糊控芹弼规则表( k ，) e c e n bn mn sz op sp mp b n bp bp bp mp mp sz oz o n m p bp bp m p s p sz on s n sp mp mp mp sz on sn s z op mp mp sz on sn mn m p s p sp sz on sn sn mn m ，p mp sz o n mn mn mn mn b p b z 0z o n mn mn mn bn b 表2 4 模糊控剖规则表( 足，) e e c n bn mn sz op sp mp b n b n bn bn mn mn sz oz o n m n bn bn mn sn sz oz o n sn bn mn sn sz op sp s z o n mn m n sz o p s p mp m p s n mn sz op sp sp m p m _ _ p mz oz op sp sp mp bp b p bz oz op sp mp mp bp b 长喜大掌硕士掌位沦文 表2 - - 5 模糊控制规则表( 置d ) e c e n b n m n sz op s p mp b n bp sn sn bn bn bn m p s n m p s n sn b n mn m n sz o n sz on sn mn mn sn sz o z oz on sn sn sn sn sz o p sz oz o z oz 0z oz o z o p mp bn sp sp sp sp sp b p bp bp mp mp mp sp sp b 2 3 小结 i 、讨论了4 w s 试验平台的液压传动方案； 2 、确定了平台关键部件液压缸的参数； 3 、建立了平台的三种转向模式，并进行了运动学分析； 4 、选择了平台的硬件控制器，采用d c 2 控制器； 5 、确定了平台的软件控制方法，采用f u z z ) p i d 控制方法： 6 、规定了控制器的输出信号形式，前两路输出是直接电流输出，后两路是 p w m 信号输出。 长安大掌硕士掌位论文 第三章四轮转向试验平台数学模型建立 3 1 电液伺服阀模型建立 电液伺服阀是将微弱的电信号放大和转换为较大的液压功率输出。电液伺服 阀不仅经常用于位噩伺服控制，并且经常用于速度和力伺服系统。电液伺服阀有 不同的结构和型式。其相互作用如图3 1 所示。其中液压功率放大级经常采用 一般的四边滑阀。而电气转换元件的作用是将电信号转换成力或力矩，再通过弹 簧转换成位移。常用的有两种型式：动圈式力马达和衔铁式力矩马达。动圈式力 马达结构比较大，动态性能差，但输出位移大，主要用于动特性要求不高的电液 伺服阀。而衔铁式力矩马达结构紧凑、动特性好，但工艺要求高，且行程短。 圈3 1 电液伺服阀备部分相互作川 这里我们用阎组实现电液伺服阀的功能，但价格上要便宜很多。我们把这 一伺服阀组称为流量控制伺服阀，如图3 2 所 示流量控制伺服阀可以精确的控制阀的输出流 量与输入小功率电信号成比例。它是由一力矩马 达驱动、双喷嘴挡板阀和一压力驱动、弹簧对中 的双滑阀组合而成。其外形图上面是一压力控制 先导阀，中问白色的是连接件，下面的是流量伺 服阀，整个阀组实现流量伺服控制。下面先介绍 一下压力控制先导阀。 2 4 幽3 2 流量控制伺服阀 长每 大掌硕士掌位嘲 文 3 1 1 压力控制先导阀 它主要由喷嘴、挡板和固定节流口组成( 如j 訇3 - - 3 所示) 。当信号电流输入 力矩马达时，力矩马达使可动衔铁偏移一定角度，这时衔铁带动挡板偏移，使挡 板偏离中间位置，导致左右两个喷嘴到挡板的距离发生变化，从而导致左右两个 腔内的压力发生变化，而压差变化作用到挡板上，使挡板最终在力矩马达的输入 力矩和压差作用下平衡，从 而使阀的输出压差保持恒 定。力矩马达由安装在扭轴 上并悬浮于磁场气隙中的衔 铁、控制线圈、到磁体及永 久磁铁组成。两个极靴中的 一个被磁化为n 极，另一个 为s 极，导磁体绕衔铁构成 骨架，形成磁路。当电流通 过控制线圈时，产生通过磁 铁的磁通，进而改变四个气 隙的磁通量，对衔铁产生力 矩，使其绕轴心转动，并于 弹性支撑的反力矩平衡，从 而使衔铁转动一个角位移。 1 力矩马达的基本方程 1 4 1 力矩马达的输入量为控制线 圈中的电流，而输出量为衔铁的 转角。控制线圈回路的电压方程为： e = f + r + n d o d t( 3 一1 ) 式中，r 控制线圈的电阻( 欧) i n 控制线圈的匝数； i 输入信号电流； m 通过磁铁的总磁通( 韦) 。 而通过磁铁的总磁通为： ：2 0 g ( x 1 g _ ) + 下_ 2 0 c ( 3 2 ) l x 2 2 式中，中。衔铁在中问位置时的磁通： 图3 3 先导阀结构原理图 图3 4 力矩马达示意圉 长量大掌硕士掌位论文 g 衔铁在中位时每个气隙的长度( m ) ； x 衔铁顶端偏离中间位置的位移( m ) ； 中。= + i z r 。为控制电流产生的磁通： r 。衔铁在中位时每一气隙