三軸車輛電控液壓式全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制

袁 磊，劉西俠，劉維平，金 毅

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 100072)

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三軸車輛電控液壓式全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制

袁 磊，劉西俠，劉維平，金 毅

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 100072)

針對(duì)某型三軸車輛低速機(jī)動(dòng)性不好、高速穩(wěn)定性差的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)原車轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)了一套電控液壓式全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。針對(duì)全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)難的問(wèn)題，建立了車輛三自由度全輪轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了全輪轉(zhuǎn)向比例前饋和模糊控制反饋控制器。分別選取前輪轉(zhuǎn)角為3°角階躍輸入，車速為20，80 km/h兩種轉(zhuǎn)向工況，對(duì)全輪轉(zhuǎn)向車輛與原雙前橋轉(zhuǎn)向車輛進(jìn)行對(duì)比仿真研究。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的全輪轉(zhuǎn)向控制器能夠改善車輛各狀態(tài)參數(shù)的響應(yīng)特性，降低車輛側(cè)滑幾率，提高車輛低速機(jī)動(dòng)性和高速操縱穩(wěn)定性。

車輛工程；三軸車輛；全輪轉(zhuǎn)向；數(shù)學(xué)模型；模糊控制

三軸車輛通常車身較長(zhǎng)、質(zhì)量較大、重心較高，其在狹小空間內(nèi)調(diào)頭和轉(zhuǎn)向較為困難[1]。傳統(tǒng)的三軸車輛通常采用機(jī)械搖臂式雙前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)穩(wěn)定、耐用。但低速時(shí)不能解決車輛的小半徑轉(zhuǎn)向問(wèn)題，高速時(shí)不能保證車輛的操縱穩(wěn)定性。全輪轉(zhuǎn)向車輛低速轉(zhuǎn)向半徑小，高速穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)向軌跡可控性強(qiáng)，轉(zhuǎn)向響應(yīng)快，輪胎磨損低，轉(zhuǎn)向效率高[2]。因而，全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究備受關(guān)注，特別是多軸車輛的全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究主要包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)向控制算法選取兩方面。在全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，通常采用電控液壓式或電控電動(dòng)式兩種驅(qū)動(dòng)型式。但對(duì)于多軸車輛，由于使用環(huán)境惡劣、轉(zhuǎn)向沖擊大，通常考慮采用電控液壓式。然而，對(duì)于多軸車輛電控液壓式全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)較少。在全輪轉(zhuǎn)向控制算法選取方面，零側(cè)偏角比例控制[3-5]、最優(yōu)控制[6-7]的研究較多。但這些控制都沒有解決控制模型不精確的問(wèn)題，模糊控制作為一種智能控制算法，對(duì)該問(wèn)題的解決具有較好效果[8-12]。

因此，筆者首先設(shè)計(jì)了一套電控液壓式的全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，提出了零側(cè)偏角比例前饋和模糊控制反饋的全輪轉(zhuǎn)向控制策略，并進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果可為三軸車輛全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。

1 全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1。原車為雙前橋轉(zhuǎn)向，改裝后，車輛中后軸均采用與前軸相同的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)加裝電磁閥和轉(zhuǎn)向助力缸，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸直接聯(lián)結(jié)液壓泵為助力缸供油。

1—方向盤；2—轉(zhuǎn)向器；3—方向盤轉(zhuǎn)角傳感器； 4—位移傳感器；5—電磁閥；6—助力缸； 7—車輛狀態(tài)信息

方向盤轉(zhuǎn)角輸入后，經(jīng)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)向助力缸共同作用，使前輪轉(zhuǎn)向。方向盤轉(zhuǎn)角由方向盤轉(zhuǎn)角傳感器實(shí)時(shí)采集并輸入控制單元，控制單元經(jīng)計(jì)算后轉(zhuǎn)化為前輪轉(zhuǎn)角?1，控制單元還實(shí)時(shí)接收車速傳感器、橫擺角速度傳感器采集的當(dāng)前車輛狀態(tài)信息，轉(zhuǎn)角和車輛狀態(tài)信息經(jīng)控制器控制算法計(jì)算后，為中、后軸電磁閥發(fā)出能夠使中后軸車輪轉(zhuǎn)過(guò)角度為?2和?3的開口信號(hào)，以此控制電磁閥開口，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)角度。

整個(gè)車輛控制系統(tǒng)可分為5層結(jié)構(gòu)：第1層手動(dòng)進(jìn)行車輛不同轉(zhuǎn)向模式的選擇，可選擇前兩軸轉(zhuǎn)向或全輪轉(zhuǎn)向；第2層由控制單元協(xié)調(diào)并進(jìn)行控制算法運(yùn)算；第3層由控制單元輸出電磁閥控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)助力缸移動(dòng)；第4層由助力缸驅(qū)動(dòng)擺臂，助力缸動(dòng)力來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵；第5層由轉(zhuǎn)向搖臂通過(guò)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 全輪轉(zhuǎn)向車輛數(shù)學(xué)模型

考慮多軸車輛簧載質(zhì)量側(cè)傾運(yùn)動(dòng)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向的影響，建立包含側(cè)傾自由度的車輛三自由度等效力學(xué)模型，如圖2。

圖2 全輪轉(zhuǎn)向車輛三自由度模型

圖2中，Q點(diǎn)為過(guò)車輛質(zhì)心與側(cè)傾軸線的交點(diǎn)，以該點(diǎn)為原點(diǎn)，得到固定于簧載質(zhì)量的坐標(biāo)系Q-x′-y′-z′和固定于非簧載質(zhì)量的坐標(biāo)系Q-x-y-z。根據(jù)拉格朗日方程可推導(dǎo)出車輛三自由度動(dòng)力學(xué)方程，如式(1)：

(1)

式中：m為車輛總質(zhì)量；ms為車輛簧載質(zhì)量；e0為車輛簧載質(zhì)量質(zhì)心到側(cè)傾軸線的距離；li(i=1～3)為車輛質(zhì)心到第i軸的距離；di(i=1～3)為單位車身側(cè)傾角引起的第i軸車輪側(cè)向偏移量；Iz為車輛繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ix為車身繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ixz為車身繞x軸和z軸的慣性積；φ為車身側(cè)傾角；Kφ為車身側(cè)傾角剛度；Cφ為車身側(cè)傾等效阻尼系數(shù)；Ki(i=1～3)為等效車輪剛度；vx，vy分別為車輛縱向和側(cè)向速度；wx，wz分別為車輛繞x軸和z軸的角速度。

由式(1)可推導(dǎo)出車輛各主要狀態(tài)參數(shù)的傳遞函數(shù)：

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：

wz1=(a12a33+a13a32)g2+(a13a22-a12a23)g3-

(a22a33+a23a32)g1，

wz2=(a12a36+a15a33-a13a35)g2+(a13a25-

a15a23)g3+(a23a35-a25a33-a22a36)g1，

wz3=(a12a37+a15a36)g2-(a22a37-a25a36)g1，

wz4=a15a37g2+a25a37g1，

a12a23a31+ a13a22a31，

a13a24a32+a13a25a31-a14a22a33-a14a23a32-a15a23a31，

n4=a12a15a37-a11a25a37+a12a24a37-a14a22a37-a14a25a36+a15a24a36n5=a15a24a37-a14a25a37，

β1=(a12a33-a23a31)g1+(a11a23-a12a13)g3+

(a13a31-a11a33)g2，

β2=(a12a36+a24a33-a23a34)g1+(a13a34-

a14a33-a11a36)g2+(a14a23-a13a24)g3，

β3=(a12a37+a24a36)g1-(a11a37+a14a36)g2，

β4=a24a37g1-a14a37g2，

wx1=(a12a32+a22a31)g1-(a11a32+a12a31)g2+

wx2=(a22a34+a24a32+a25a31-a12a35)g1+(a11a35-a12a34-a15a31-a14a32)g2+(a12a15+a12a24-a11a25-

a14a22)g3，

wx3=(a25a34-a24a35)g1+(a14a35-a15a34)g2+

(a15a24-a14a25)g3，

φ2=a12a15g3-a12a35g1-a11a25g3+a11a35g2+

a12a24g3-a12a34g2-a14a22g3-a14a32g2-a15a31g2+

a22a34g1+a24a32g1+a25a31g1，

φ3=a14a35g2-a14a25g3+a15a24g3-a15a34g2-

a24a35g1+a25a34g1，

a31=Ixz,a32=mse0u,a33=Ix,a34=mse0u-

3 全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制

考慮到多軸車輛轉(zhuǎn)向行駛過(guò)程中，車輪載荷和外界環(huán)境的變化都會(huì)對(duì)車輪剛度產(chǎn)生影響，車輛控制模型很難表達(dá)出這種影響，這導(dǎo)致了通常采用的零側(cè)偏角比例控制難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制目標(biāo)。因此，筆者采用零側(cè)偏角比例前饋和模糊控制反饋的方法對(duì)車輛全輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，以達(dá)到全輪轉(zhuǎn)向車輛的環(huán)境適應(yīng)能力。

3.1 零側(cè)偏角比例前饋

零側(cè)偏角比例控制以質(zhì)心零側(cè)偏角為控制目標(biāo)，由車輛穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向二自由度數(shù)學(xué)模型可得車輛轉(zhuǎn)向中心到第1軸的距離Li：

(6)

假設(shè)δi=Kiδ1，由車輛全輪轉(zhuǎn)向阿克曼定理可得車輛各軸車輪轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)角比例Ki：

(7)

3.2 模糊控制反饋

模糊反饋控制設(shè)計(jì)主要包含3個(gè)方面：輸入輸出量選擇，論域確定，模糊規(guī)則確定。為實(shí)現(xiàn)質(zhì)心側(cè)偏角為零的目標(biāo)，選擇質(zhì)心側(cè)偏角誤差e和誤差變化率ec為輸入變量，后兩軸車輪轉(zhuǎn)角比例K1、K2為輸出變量。通常質(zhì)心側(cè)向側(cè)偏角偏差和偏差變化率的范圍為[-0.02,0.02]，[-0.3,0.3]；輸入輸出比例系數(shù)范圍為[-1,1]，以其變化范圍作為模糊控制的基本論域。模糊控制的輸入和輸出語(yǔ)言均選擇7個(gè)：負(fù)大(NM)、負(fù)中(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。

模糊規(guī)則的確定主要依據(jù)以下4點(diǎn)：①當(dāng)質(zhì)心側(cè)偏角偏差和偏差變化率符號(hào)同為正時(shí)，車輪反向偏轉(zhuǎn)，快速向目標(biāo)轉(zhuǎn)角接近，此時(shí)控制K2減小，增加車輛響應(yīng)速度，同理，當(dāng)兩者符號(hào)同為負(fù)時(shí)，控制K2增大；②當(dāng)質(zhì)心側(cè)偏角偏差為0時(shí)，偏差變化率為負(fù)或?yàn)檎?，則增大或減小K2以消除誤差；③當(dāng)質(zhì)心側(cè)偏角和偏差變化率符號(hào)一正一負(fù)時(shí)，后輪轉(zhuǎn)角比例K2與誤差變化率同號(hào)；④當(dāng)K2增大時(shí)，車輛為高速，此時(shí)δ1>δ2>δ3，當(dāng)K2減小時(shí)，車輛為低速，此時(shí)δ1>δ3>δ2?；谝陨戏治?，可建立K2，K1的模糊規(guī)則，如表1、表2。

表1 K2模糊規(guī)則

表2 K1模糊規(guī)則

3.3 全輪轉(zhuǎn)向車輛仿真分析

分別選取車速為20，80 km/h，前輪轉(zhuǎn)角為3°角階躍輸入，觀察車輛質(zhì)心側(cè)偏角β、橫擺角速度ω、車身側(cè)傾角φ、車身側(cè)傾角速度p的變化情況，并與原雙前橋轉(zhuǎn)向進(jìn)行比較。

1)由圖3可知：車輛在20，80 km/h時(shí)，全輪轉(zhuǎn)向車輛質(zhì)心側(cè)偏角都基本保持為0，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的控制目標(biāo)。同時(shí)，當(dāng)車輛為80 km/h時(shí)，雙前橋轉(zhuǎn)向車輛質(zhì)心側(cè)偏角出現(xiàn)了負(fù)值，這是由于車速提高后，車輛向心加速度增加，不足轉(zhuǎn)向度減小，車輛中后軸質(zhì)心側(cè)偏角的絕對(duì)值增加，方向?yàn)樨?fù)，進(jìn)而導(dǎo)致了整車質(zhì)心側(cè)偏角為負(fù)。仿真結(jié)果同時(shí)表明：模糊控制全輪轉(zhuǎn)向能夠抑制整車質(zhì)心側(cè)偏角的負(fù)向變化，減少車輛側(cè)滑幾率。

圖3 質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)情況對(duì)比

2)由圖4可知：車輛在20 km/h時(shí)，全輪轉(zhuǎn)向車輛橫擺角速度較大，有利于車輛的低速機(jī)動(dòng)；而在80 km/h時(shí)，全輪轉(zhuǎn)向車輛橫擺角速度較小，這使得車輛高速的不足轉(zhuǎn)向度增加，穩(wěn)定性增強(qiáng)。對(duì)于普通雙前橋轉(zhuǎn)向車輛，當(dāng)車速增加后，車輛的橫擺角速度也出現(xiàn)了增加的情況，這將極易導(dǎo)致車輛高速側(cè)滑、側(cè)翻狀況的出現(xiàn)。

圖4 質(zhì)心橫擺角速度響應(yīng)情況對(duì)比

3)由圖5可知：車輛在20，80 km/h時(shí)，全輪轉(zhuǎn)向車輛和雙前橋轉(zhuǎn)向車輛仿真開始5 s后，側(cè)傾角都能基本保持為0，且高速時(shí)側(cè)傾角超調(diào)量相對(duì)較小，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間短，有利于車輛的高速穩(wěn)定性。80 km/h時(shí)，雙前橋轉(zhuǎn)向車輛的側(cè)傾角波動(dòng)較大，達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間長(zhǎng)，不利于車輛的高速穩(wěn)定。

圖5 側(cè)傾角響應(yīng)情況對(duì)比

4)由圖6可知：車輛在20，80 km/h時(shí)，全輪轉(zhuǎn)向車輛的側(cè)傾角速度穩(wěn)態(tài)值都較小，車輛穩(wěn)定性好。而普通的雙前橋轉(zhuǎn)向車輛，始終都保持較大的側(cè)傾角速度，這對(duì)于車輛轉(zhuǎn)向行駛是不利的。

圖6 側(cè)傾角速度響應(yīng)情況對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

基于某型三軸車輛底盤，設(shè)計(jì)了一套電控液壓式全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，系統(tǒng)以原車結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述。建立了三軸全輪轉(zhuǎn)向車輛數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了零側(cè)偏角比例前饋和模糊控制反饋的全輪轉(zhuǎn)向控制器，并進(jìn)行了對(duì)比仿真分析。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的模糊反饋控制能夠降低車輛側(cè)滑幾率，提高車輛的低速機(jī)動(dòng)性和高速操縱穩(wěn)定性。

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Design and Control of Electro-Hydraulic All-Wheel Steering System of Three-Axle Vehicle

Yuan Lei, Liu Xixia, Liu Weiping, Jin Yi

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Aiming at the problem of bad maneuverability at low speed and poor stability at high speed for an all-wheel steering three-axle vehicle, a set of electric hydraulic all wheel steering system was designed by the study on the steering system of the original vehicle. Aiming at the problem of the design of all-wheel steering controller, the 3-DOF mathematical model was established, the proportional feed forward and fuzzy control feedback controller were designed. The three degree step of front wheel angle was selected at the speed of 20 and 80 km/h, for comparison study on the simulation result for the double front axle steering vehicle and the all-wheel steering vehicle. The results show that the all-wheel steering controller can improve the response characteristics of the vehicle state parameters, reduce the vehicle sideslip rate, and improve the low-speed maneuverability and high-speed handling and stability of vehicle.

vehicle engineering; three-axle vehicle; all-wheel steering; mathematic model; fuzzy control

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.28

2014-03-10；

2014-12-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305457)

袁 磊(1990—)，男，云南宣威人，博士，主要從事車輛總體技術(shù)方面的研究。E-mail: yuanlei-scut@outlook.com。

U463.4

A

1674-0696(2015)03-142-04