履帶車輛低速轉(zhuǎn)向過程協(xié)調(diào)控制仿真研究

張林暉，韓 愷

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

履帶車輛通過兩側(cè)履帶速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，液壓機(jī)械雙流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高、無級(jí)轉(zhuǎn)向等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械用履帶車輛以及軍用履帶車輛上.目前對采用液壓機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的履帶車輛的研究主要是系統(tǒng)參數(shù)匹配以及性能分析等方面［1-4］，在履帶車輛轉(zhuǎn)向控制研究方面，主要對象是采用靜液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向以及采用電傳動(dòng)的履帶車輛［5-7］，關(guān)于采用液壓機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的履帶車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制的研究很少，伍迪等［8］提出一種液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向綜合控制策略，以解決液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制問題.而對于履帶車輛在直駛-轉(zhuǎn)向-直駛這一動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制研究未見相關(guān)報(bào)道.

針對采用液壓機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的履帶車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速下起步，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)向，再恢復(fù)直駛這一動(dòng)態(tài)過程中容易出現(xiàn)的車輛轉(zhuǎn)向困難，駕駛員意圖實(shí)現(xiàn)差以及直駛與轉(zhuǎn)向工況切換時(shí)車速擾動(dòng)大等問題，通過協(xié)調(diào)控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)車輛低速平穩(wěn)轉(zhuǎn)向的目的，同時(shí)減輕駕駛員操作負(fù)擔(dān).

1 雙流傳動(dòng)履帶車輛轉(zhuǎn)向分析

1.1 液壓機(jī)械履帶車輛轉(zhuǎn)向原理

圖1所示為某采用液壓機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的履帶車輛的動(dòng)力傳動(dòng)簡圖，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率經(jīng)過聯(lián)軸器傳遞至液力變矩器，液力變矩器渦輪連接分流機(jī)構(gòu)，一路通過直駛變速機(jī)構(gòu)連接至匯流行星排齒圈，另一路經(jīng)轉(zhuǎn)向變量泵、定量馬達(dá)及其他元件組成的調(diào)速回路傳遞到匯流行星排的太陽輪，匯流行星排的行星架輸出功率到兩側(cè)履帶.由于左零軸與左側(cè)太陽輪間同右零軸與右太陽輪間少一級(jí)齒輪傳動(dòng)(傳動(dòng)比相同)，當(dāng)轉(zhuǎn)向路開始工作時(shí)，左右兩側(cè)的太陽輪轉(zhuǎn)速大小相同，方向相反，使得一側(cè)履帶加速，另一側(cè)履帶減速，實(shí)現(xiàn)速差轉(zhuǎn)向.由于轉(zhuǎn)向泵的排量可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變化，所以可實(shí)現(xiàn)車輛在最小轉(zhuǎn)向半徑以上連續(xù)無級(jí)的轉(zhuǎn)向半徑.

圖1 動(dòng)力傳動(dòng)簡圖

1.2 履帶車輛轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)分析

為了便于分析，假設(shè):①履帶車輛行駛在水平地面上;②兩側(cè)履帶具有相同的橫向載荷;③車輛履帶在接觸地面段內(nèi)壓力均勻分布;④兩側(cè)履帶在車輛直線行走時(shí)具有相同的阻力;⑤不計(jì)履帶的滑轉(zhuǎn)和滑移;⑥車輛的幾何中心與其重心重合.圖2是履帶車輛轉(zhuǎn)向示意圖，內(nèi)側(cè)履帶減速，外側(cè)履帶加速，主動(dòng)輪作用在履帶上的力F1、F2用來克服轉(zhuǎn)向時(shí)履帶板縱向直駛時(shí)的滾動(dòng)阻力FR1、FR2以及橫向運(yùn)動(dòng)引起的橫向阻力力矩Mμ.所研究的轉(zhuǎn)向過程車速低，忽略離心力作用，其中內(nèi)側(cè)履帶受到的制動(dòng)力F1和外側(cè)履帶受到的牽引力F2的計(jì)算公式為［9］

式中:G為車輛重量;fR為滾動(dòng)阻力系數(shù);L為履帶接地長;B為履帶中心距;μ為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)，可由最大轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)μmax求得，其經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:ρ是相對轉(zhuǎn)向半徑，其可由內(nèi)、外側(cè)履帶卷繞速度n1、n2表示為

圖2 履帶車輛轉(zhuǎn)向示意圖

2 整車模型

在構(gòu)建整車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，利用面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷耄凑談?dòng)力傳遞方向模塊化各子系統(tǒng)，分解為發(fā)動(dòng)機(jī)、綜合傳動(dòng)系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng).發(fā)動(dòng)機(jī)采用 GT－power軟件建立，傳動(dòng)及負(fù)載模型在Simulink下建立.

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)為道依茨BFM增壓中冷柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1.

表1 BFM1015基本參數(shù)

由于轉(zhuǎn)向過程負(fù)載變化劇烈，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化較大，屬于典型的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過程，為了準(zhǔn)確地反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，特別是“渦輪滯后”現(xiàn)象引起的發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度變化，采用GT-power軟件建立了詳細(xì)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，如圖3，主要包括進(jìn)排氣管路、中冷器、渦輪增壓器和氣缸四部分.考慮發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的真實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此能夠反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣管道的壓力波動(dòng)，從而體現(xiàn)出渦輪“遲滯”等現(xiàn)象，適合于動(dòng)態(tài)仿真.而建立氣缸模型的關(guān)鍵是確定各輸入變量與容積效率、指示平均有效壓力、排氣溫度和摩擦平均有效壓力等四個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系［10］.隨著人工智能技術(shù)的成熟，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在建立體現(xiàn)柴油機(jī)燃燒過程的MAP時(shí)，表現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢，引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來確定輸入變量和上述四個(gè)參數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而獲得構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸模型所需要的MAP.

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)GT-power模型

2.2 傳動(dòng)模型及負(fù)載模型

傳動(dòng)模型根據(jù)傳動(dòng)參數(shù)利用Simulink中的Simscape工具箱建立.包括液力變矩器、三自由度定軸變速箱、齒輪傳動(dòng)以及轉(zhuǎn)向液壓調(diào)速回路系統(tǒng)，其中，變速箱主要由齒輪和液壓換擋離合器組成，齒輪傳動(dòng)包括定軸齒輪和行星齒輪，考慮嚙合效率以及阻尼.當(dāng)不考慮轉(zhuǎn)向泵排量控制機(jī)構(gòu)時(shí)，轉(zhuǎn)向液壓調(diào)速回路原理圖如圖4，圖中:1為雙向變量泵，2為雙向定量馬達(dá)，3為補(bǔ)油泵，4和5為單向閥，6、7、8、10為溢流閥，9為冷卻梭閥，11為油箱.

圖4 轉(zhuǎn)向容積調(diào)速回路原理圖

2.3 負(fù)載模型

分為直駛阻力和轉(zhuǎn)向阻力，由于主要對履帶車輛低速運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行研究，忽略空氣阻力，履帶車輛在直駛過程所受負(fù)載為內(nèi)、外側(cè)履帶滾動(dòng)阻力

轉(zhuǎn)向阻力為上述轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)分析中內(nèi)外側(cè)履帶所受阻力，通過檢測內(nèi)外側(cè)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速計(jì)算得到瞬時(shí)相對轉(zhuǎn)向半徑，進(jìn)而計(jì)算得到地面對兩側(cè)履帶的作用力.

3 協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)

3.1 控制策略

基于轉(zhuǎn)矩的控制策略利用轉(zhuǎn)矩作為各部件控制的標(biāo)準(zhǔn)接口，從整車層面對各部件進(jìn)行管理和控制，可以有效提高車輛綜合性能.同時(shí)，由于該策略具有良好的移植性和擴(kuò)展性，將有效改善整車開發(fā)信息交叉耦合，標(biāo)定過程重復(fù)等問題，縮短開發(fā)周期［11］.在履帶車輛基于轉(zhuǎn)矩的控制策略架構(gòu)下開展研究，圖5給出履帶車輛基于轉(zhuǎn)矩的控制策略架構(gòu).

圖5 履帶車輛基于轉(zhuǎn)矩的控制策略架構(gòu)

履帶車輛從直駛切換到轉(zhuǎn)向工況，再恢復(fù)到直駛工況，車輛所受的負(fù)載擾動(dòng)大，借鑒利用前饋補(bǔ)償來增強(qiáng)車速抗擾動(dòng)性的思路［12］，提高車輛行駛平順性.轉(zhuǎn)向馬達(dá)隨變量泵機(jī)構(gòu)輸入的響應(yīng)過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，當(dāng)綜合考慮車速和車輛的盲區(qū)距離后，液壓轉(zhuǎn)向閉式回路的響應(yīng)時(shí)間在0.5-1s之內(nèi)［13］，所以當(dāng)駕駛員操作方向盤后，車輛實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向需要一定時(shí)間，此時(shí)加入轉(zhuǎn)矩前饋環(huán)節(jié)，主動(dòng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)車輛進(jìn)入轉(zhuǎn)向后，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩克服轉(zhuǎn)向負(fù)載的能力提高.前饋轉(zhuǎn)矩部分是對發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)并以進(jìn)行補(bǔ)償，但是由于負(fù)荷估計(jì)精度有限，單純的前饋控制并不能完全抵消負(fù)荷擾動(dòng)的影響，因此需要加入反饋轉(zhuǎn)矩部分，如圖6所示.為了進(jìn)一步控制車速擾動(dòng)，選擇液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋控制，目標(biāo)渦輪轉(zhuǎn)速為由直駛切換到轉(zhuǎn)向工況前的渦輪轉(zhuǎn)速.但是此時(shí)存在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)速兩個(gè)PID互相作用，影響了控制效果，因此屏蔽轉(zhuǎn)向過程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，保留轉(zhuǎn)向前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速PID計(jì)算轉(zhuǎn)矩作為基數(shù)，加上渦輪轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)向期間的發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，恢復(fù)到直駛后，再切換至發(fā)動(dòng)機(jī)全程調(diào)速閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)閉環(huán)控制的解耦.

圖6 基于前饋-反饋的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 需求轉(zhuǎn)矩計(jì)算

轉(zhuǎn)矩前饋中需求轉(zhuǎn)矩的計(jì)算對控制效果影響較大，對于雙流傳動(dòng)履帶車輛，轉(zhuǎn)向過程發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩可通過轉(zhuǎn)向過程中地面對履帶作用力經(jīng)轉(zhuǎn)向分路和變速分路反求得到.

轉(zhuǎn)向過程中，經(jīng)轉(zhuǎn)向分路克服地面阻力所需的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為

式中:rz為主動(dòng)輪半徑;VP為轉(zhuǎn)向變量泵排量;VM為馬達(dá)排量;izj為由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)轉(zhuǎn)向分路到主動(dòng)輪的傳動(dòng)比 (不包括液壓機(jī)組傳動(dòng)比)，稱為轉(zhuǎn)向分路機(jī)械傳動(dòng)比;ηzz為由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)轉(zhuǎn)向分路到主動(dòng)輪的機(jī)械效率和液壓機(jī)組機(jī)械效率之積，稱為轉(zhuǎn)向路總效率.ηx為循環(huán)效率，內(nèi)側(cè)履帶功率回流至外側(cè)履帶過程中的效率

式中:ηh為匯流行星排效率;ηc為側(cè)傳動(dòng)效率;ηxd為行動(dòng)部分的效率

而變速分路的轉(zhuǎn)向所需發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩

式中:ii為由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)變速分路到主動(dòng)輪的傳動(dòng)比，即直駛時(shí)某擋位下的總傳動(dòng)比;ηbz為由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)變速分路到主動(dòng)輪的效率，稱為變速分路總效率;ηx為循環(huán)效率.

所以，轉(zhuǎn)向時(shí)需要的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證協(xié)調(diào)控制策略的正確性，對履帶車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速下起步后轉(zhuǎn)向再恢復(fù)直駛過程進(jìn)行仿真，變速箱保持在一擋，液力變矩器為解鎖狀態(tài).通過改變液壓轉(zhuǎn)向泵排量系數(shù)實(shí)現(xiàn)車輛直駛和轉(zhuǎn)向工況的切換.分為3種不同的仿真工況，保持泵排量系數(shù)隨時(shí)間變化一致，變化曲線如圖7所示，0－10s車輛完成起步并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定車速直駛，10s時(shí)刻開始進(jìn)入轉(zhuǎn)向工況，經(jīng)過1s泵排量系數(shù)到達(dá)最大排量系數(shù)的1/2，直到19s時(shí)刻，轉(zhuǎn)向泵排量系數(shù)開始減小，20s時(shí)刻恢復(fù)到直駛狀態(tài).

第一種為駕駛員操作油門踏板，直駛時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)油門在原位，轉(zhuǎn)向開始，發(fā)動(dòng)機(jī)油門隨著泵排量增加保持正比例增大，隨后保持在一固定位置，轉(zhuǎn)向結(jié)束后，踏板位置恢復(fù)到原位，變化曲線如圖7所示.第二種為不操作油門踏板，始終保持油門踏板在原位.第三種為不操作油門踏板，但是加入上述的前饋－反饋協(xié)調(diào)控制，協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出.

圖7 轉(zhuǎn)向泵排量系數(shù)與操作油門踏板位置變化曲線

圖8、圖9和圖10分別給出了5－25s區(qū)間內(nèi)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和噴油量隨時(shí)間變化曲線.從圖中可以看出，車輛起步后，5s－10s為直駛工況，車速逐漸保持穩(wěn)定，10s時(shí)刻后，車輛進(jìn)入轉(zhuǎn)向工況，對于不操作油門踏板的工況，由于路面阻力增大，車速開始下降，而液力變矩器的緩沖作用，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降較小，并且在全程調(diào)速的作用下很快恢復(fù)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩有少量增加，但不足以克服轉(zhuǎn)向阻力，車速持續(xù)下降，直至車輛停止，當(dāng)泵排量系數(shù)開始減小時(shí)，轉(zhuǎn)向阻力減小，車輛開始前進(jìn)，逐漸恢復(fù)直駛車速.

圖8 車速變化曲線

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及噴油量變化曲線

而駕駛員操作油門踏板時(shí)，轉(zhuǎn)向開始后，車速在轉(zhuǎn)向阻力作用下下降，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在油門踏板增大的作用下逐漸上升，但略慢于噴油量的增加速度，如圖10所示，這是由于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)低速響應(yīng)較差導(dǎo)致的，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩足夠克服轉(zhuǎn)向阻力的時(shí)候，車速開始增加，19s時(shí)刻后，方向盤開始恢復(fù)到原位，油門踏板位置也開始減小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降，發(fā)動(dòng)機(jī)端輸出轉(zhuǎn)矩雖有下降，但轉(zhuǎn)向阻力減小更加劇烈，導(dǎo)致車速有明顯的上升，后隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急速下降，車速也開始快速減小，然后逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定車速.

對于不操作油門踏板，加入?yún)f(xié)調(diào)控制時(shí)，進(jìn)入轉(zhuǎn)向后車速有一定的下降，但是由于轉(zhuǎn)矩前饋的作用，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)向阻力作用之前有了一定幅度的提升，使得車速下降量較小，同樣由于渦輪增壓器的遲滯效應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩上升較噴油量的變化有一定的延遲.隨著渦輪轉(zhuǎn)速反饋PID作用，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩提高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高并達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，從而使車速逐漸恢復(fù)到直駛時(shí)水平，19s時(shí)刻后，阻力開始減小，車速有一定的上升，但是在反饋控制的作用下，車速開始下降，然后恢復(fù)到直駛穩(wěn)定車速.

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在不操作油門踏板的情況下，加入前饋+反饋協(xié)調(diào)控制，能有效的減小車速在直駛和轉(zhuǎn)向工況間切換時(shí)造成的車速擾動(dòng).圖11給出了轉(zhuǎn)速角速度隨時(shí)間變化曲線，可以看出在協(xié)調(diào)控制作用下，能有效的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向意圖，車輛轉(zhuǎn)向過程更加平穩(wěn).

圖11 轉(zhuǎn)向角速度變化曲線

5 結(jié)論

采用面向?qū)ο蟮姆椒▽δ巢捎靡簤簷C(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的履帶車輛進(jìn)行了系統(tǒng)建模，針對直駛-轉(zhuǎn)向-直駛這一動(dòng)態(tài)過程，建立了能反映發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的詳細(xì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型，結(jié)合綜合傳動(dòng)模型及負(fù)載模型形成整車模型.設(shè)計(jì)了履帶車輛轉(zhuǎn)向過程發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略，該策略由轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩前饋和渦輪轉(zhuǎn)速反饋組成.仿真結(jié)果表明:該控制策略能有效的實(shí)現(xiàn)履帶車輛起步后的轉(zhuǎn)向意圖，通過協(xié)調(diào)控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，能替代駕駛員對油門踏板的操作，減輕駕駛員操作負(fù)擔(dān)，整個(gè)過程車速擾動(dòng)較小，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了低速平穩(wěn)轉(zhuǎn)向的目的.

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