重载运输车侧向调平控制系统研究.doc

中图分类号：U469.5+41 TP273+4 文献标识码：A 文章编号：1004-0226（2007）11-0000-04重载运输车侧向调平控制系统研究周科 刘少军 孙启超 罗斌中南大学机电工程学院 湖南长沙 410083摘要：本文结合虚拟样机技术和控制系统仿真技术对自行式重载运输车的自动调平系统进行了设计研究，建立了运输车横向半车多刚体动力学模型，并针对该模型设计了模糊控制器。联合仿真研究结果表明，模糊控制策略能对车架横向倾斜有很好的控制效果。调平精度达到0.17，调节时间约为1.6 s。能够满足调平系统高精度和快速度的要求。关键词：重载运输车 自动调平 虚拟样机 模糊控制 联合仿真 1 引言自行式重载运输车是一种运输“四超”大件的道路运输特种车辆。它对路况的要求很高，行驶过程中车身必须保持一定的水平度。否则，可能发生车毁人亡的严重事故。为了保证所运输的大件安全性，防止倾翻或滑落，该特种车辆设计了一套调平系统，在低频范围内能有效纠正车架倾斜姿态，保证车架的水平度在允许范围内。自20世纪80年代，自行式重载运输车的悬挂系统就普遍采用了主动型液压悬挂结构。液泵驱动油缸通过悬挂油缸的伸缩运动来改善行驶性能，提高车辆的通过性。主动悬架的研究是热点之一。由于悬挂系统比较复杂，在研究车辆悬挂系统时，若采用动力学仿真软件MSC.Adams建立机械虚拟样机，则能有效提高分析的准确性和工作效率，更方便地优化结构和参数，同时可以结合Matlab的控制模型进行联合仿真，直观地观察控制的效果。本文采用了基于MSC.Adams和Matlab联合仿真技术，并将Matlab中的基于模糊控制策略的控制系统输出到MSC.Adams中，以车架倾斜角和调整时间为评价指标。仿真结果表明车辆侧向倾斜得到了良好的控制。2 减震调平系统原理某型钢包运输车的悬挂系统是由独立的4轴对，8支悬挂油缸组成。8支悬挂油缸被均分为4组。每组内的俩油缸相互并联，形成了平衡式悬挂，可使架上的集中载荷均分到各车桥，使轮胎载荷基本均匀。油缸并联后形成了四条油路，其流量大小由各路上的多路比例电磁阀换向阀的开度来调整。油缸的升与降实现车架姿态的调整。图1 减震调平原理该车调平系统的原理如图1所示，车架的俯仰角x，侧倾角y由双轴倾角传感器获得。减震调平控制箱获取到车身姿态信息，调用控制程序控制四个多路比例电磁阀换向阀的开度，各组油缸的伸缩运动实现对车身姿态的调整。控制阀可以实现不同路况下支撑环境的转换，即三点支撑和四点支撑的转变。以优先调节最低油缸伸长与最高点平齐的策略，理论上可以达到快速调平的效果，但实际使用表明，由于系统各支腿的相互作用复杂使得调平过程需要反复进行，反而会增加调平时间并导致车架振动加剧。本文采用另一种调平思想：先调节x和y倾斜度最大的那个方向，达到调平精度后再调节另一个方向，最终实现车架整体调平。3 动力学建模建立调平系统的动力学模型是进行性能分析与优化的基础。1/4车辆模型能很好地体现垂直振动问题，但不能反映侧倾问题，本文采用了横向半车模型，能比较好地体现垂直跳动和侧倾状态变化的问题1。本文半车轮胎跳动试验台样机（图2）是在多刚体动力学仿真软件MSC.adams中建立的。建模的基本过程为：a. 建立实体。本系统的实体均为刚体，主要有车架、悬挂油缸、车轮组、车桥和振动实验台。实体的参数源自某型钢包车。b. 定义实体间的运动约束。本文主要讨论车体侧倾，所以将车体的运动限制在垂直平面上，车与活塞杆，车桥与油缸体之间为铰接。c. 定义振动试验台与车轮组间的约束力，油缸间的主动力。d. 针对模型进行测试与仿真，并用后处理模块进行结果分析。图2 半车轮胎跳动试验台样机模型 4 控制规律及控制器的设计由于该液压悬挂系统是一个复杂的时变非线性强耦合系统，采用经典线性系统控制方法比较难取得好的控制效果2。本文采用模糊控制可望取得更优良的控制效果。模糊控制器的设计包括控制器结构的设计、规则库的建立、模糊变量的赋值以及查询表的建立。在该系统中，控制器的输入为车身的倾斜角E及其变化率EC；输出为悬挂油缸的输出作用力u。EC及u的模糊子集定义为NB，NM，NS，O，PS，PM，PB，E的模糊子集为 NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB ；E及EC的论域为-6 6，u的论域为-7 7；倾斜角E定义了负零和正零的目的在于提高稳态精度。模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，取决于操作者已有的经验和技术知识。本文借鉴了典型工业模糊控制系统的控制规则，并结合此系统特点，依据倾斜角越大，则控制力应越大，尽快地消除误差；当倾斜角偏小时，应减少控制力防止超调使得系统更快地稳定下来的原则，得出了如下控制规则表1。表1 模糊规则表UECNBNMNSOPSPMPBENBNMNSNOPOPSPMPBPBPBPMPMPMPSOOPBPBPMPMPMPSOOPBPBPMPSPSONMNMPBPBPMOONMNBNBPMPMONSNSNMNBNBOONSNMNMNMNBNBOONSNMNMNMNBNB隶属度函数采用三角形，运算速度快，精度能满足本系统要求。为输入输出量赋值，结合上面的模糊控制规则表，运用matlab的fuzzy工具箱得到该系统的模糊规则推论结果三维图（图3）。图3 模糊规则推论结果三维图 5 联合仿真及其结果分析Adams和matlab联合仿真通常的做法是将adams中的机械模型输出到matlab中进行，不便之处在于运算速度比较慢，后处理功能不强，而将控制系统以动态链接库的形式输入到机械模型中，则更利于机械模型的修改与优化设计。同时控制模型输出的文件可移植到其他的机械模型中，只需要状态变量名保持一致。本文运用matlab的RTW（Run-time workspace）实现了控制系统模型的输出，联合adams机械模型进行了调平系统仿真分析。在进行matlab到adams联合仿真时，首先需要用adams取得系统运行时（Run-time）目标文件。该目标文件为matlab的RTW模块使用4。联合仿真步骤如下：a. 定义状态变量，以便与matlab进行数据交换。在adams中，定义机械模型的输出变量为车架的倾斜角度（VARIABLE_BodySlopeY）；输入变量为左右悬挂油缸控制力（VARIABLE_LForce，VARIABLE_RForce）。之后，用adams/control输出为matlab调用的控制模型。与原模型的变量关系为：Adams中的输入变量为matlab的输出变量，Adams中的输出变量为matlab的输入变量。b. 设计控制系统。在matlab中调用adams输出的机械模型，使用setio命令调用adams模型中的输入输出状态变量到simulink中，设计控制系统。本文采用了模糊控制算法，要用到微分器，由于adams不能识别该方框图，采用了传递函数近似代替。如图所示。图4 模糊控制框图c. 用RTW编译控制模型，使用mex setup命令安装编译器，本文选用VC6.0中的C/C+编译器，设置仿真参数，将RTW系统目标文件设置为adams生成的rsim_vc.tmf。使用优化选项中的内联参数项，采用定步长ode3求解器，编译即可输出控制系统，得到本控制系统的动态连接库文件FC02.DLL。d. 创建广义矩阵。Adams/Control模块可以调用外部系统扩展库文件，并生成系统广义矩阵，从而为利用外部动态链接库控制文件提供可能。在Control模块中输入控制系统，采用由matlab生成的FC02.DLL作为外部库文件，生成控制系统广义矩阵。本系统的控制目标很明确：在最短的时间内，使车架倾斜角控制在误差范围内。本系统仿真物理参数来源于国内某企业自行式重型钢包运输车。为了与本文设计的模糊控制进行控制效果比较，本文还设计工业上广泛应用的PI控制器。仿真结果如图5。图5 车架侧倾角曲线从图中不难发现，采用模糊控制策略的液压悬挂系统能有效地控制车架倾斜角度的大小及其变化趋势。稳定后车架倾斜角调整到0.17，调节时间为1.6 s左右。可见，模糊控制策略的应用能满足系统高精度、快速度的要求。6 结语本文在基于动力学仿真软件MSC.Adams所建立的重型运输车横向半车动力学模型和Matlab/Simulink中设计的模糊控制系统的基础上，完成了Matlab到Adams的联合仿真，这是本文的创新点。结果表明：联合仿真技术能够有效逼真地反映重型运输车轮胎跳动的动态过程；文章中所采用的模糊控制器能够有效地对车辆侧向倾角及其变化趋势进行控制，并得到了良好的调平效果。参考文献1 吴碧磊，秦民，程超等. 重型牵引车平顺性建模与分析J. 汽车技术，2006.3：12-15.2 黄中华，刘少军，朱浩. 汽车液压主动悬架系统模糊控制研究J. 汽车工程，2003：471-473.3 于强，马建. 主动悬架系统对汽车侧翻稳定性改善分析J. 中国公路学报，2005：114-117，217.4 范成建，熊光明，周明飞等. MSC.ADAMS应用与提高M. 北京：机械工业出版社，2006.95 朱学斌，南松，谷宝南等. 420t轮胎式箱梁运输车设计研究J. 铁道标准设计2000.3：5-8.Study of Heavy Transport Vehicles Side Leveling Control SystemZHOU Ke et alAbstract Connected virtual prototyping technology and control system simulation technology， this paper study for the automatic leveling control system of heavy transport vehicles.A horizontal semi-truck multi-body dynamics model has been built for the heavy transport vehicle， and a fuzzy controller has been designed for the model. The co-simulation results show that，fuzzy control strategy has a good control effect on side tumbling stability of vehicle . The leveling precisi