電液控制四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)在電動(dòng)搬運(yùn)車中的應(yīng)用研究

唐家運(yùn)（合肥經(jīng)濟(jì)技術(shù)職業(yè)學(xué)院,230000）

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電液控制四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)在電動(dòng)搬運(yùn)車中的應(yīng)用研究

唐家運(yùn)
（合肥經(jīng)濟(jì)技術(shù)職業(yè)學(xué)院,230000）

摘要：電液控制四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)是一種主要應(yīng)用于工程車輛領(lǐng)域的智能控制技術(shù)，利用電液比例閥技術(shù)控制四組車輪同步轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)。電液四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)合了液壓系統(tǒng)獨(dú)有的高扭矩特性以及四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向帶來的小轉(zhuǎn)彎半徑特性，很好的解決了大噸位工程搬運(yùn)車輛在狹小空間內(nèi)搬運(yùn)貨物的難題。系統(tǒng)對(duì)主要部分進(jìn)行建模仿真分析，驗(yàn)證了電液控制四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的良好性能。

關(guān)鍵詞：電液控制技術(shù)；比例閥；模糊PID

1 總體方案設(shè)計(jì)

電液控制四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱4WS）主要是指通過可編程控制器（PLC）作為控制核心，通過控制算法控制電液比例閥的開口大小和油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，以調(diào)節(jié)液壓油流量大小，實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)向馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)快慢。轉(zhuǎn)向馬達(dá)與轉(zhuǎn)向輪齒圈嚙合，轉(zhuǎn)向馬達(dá)可以控制車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。通過控制四組轉(zhuǎn)向輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合轉(zhuǎn)向輪同軸安裝的轉(zhuǎn)角傳感器反饋實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)角，無線遙控器或者有線手柄作為輸入控制信號(hào)，便構(gòu)成了一套完整的四輪轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制系統(tǒng)。結(jié)合整車其余控制部分，包括驅(qū)動(dòng)行駛部分、安全保護(hù)部分、故障處理部分便構(gòu)成了一套平板車智能控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)總體結(jié)構(gòu)圖

由圖可以看出，系統(tǒng)共四組轉(zhuǎn)向輪，對(duì)稱安裝于底盤的四個(gè)角上，轉(zhuǎn)角通過車輪上同軸安裝的單圈數(shù)字電位器檢測(cè)；一組驅(qū)動(dòng)輪，位于底盤正中心，驅(qū)動(dòng)輪與減速電機(jī)相連，通過皮帶輪傳動(dòng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制。轉(zhuǎn)向電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)均是通過驅(qū)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)控制，PLC作為控制中心，集中控制整套系統(tǒng)，通過CAN總線與驅(qū)動(dòng)控制器相連，發(fā)送和接收相關(guān)操作指令。

2 系統(tǒng)建模分析

本節(jié)將實(shí)際轉(zhuǎn)向過程中牽涉到的主要部分進(jìn)行建模分析，包括電液比例閥控制車輪轉(zhuǎn)向的動(dòng)態(tài)建模、轉(zhuǎn)向液壓動(dòng)力源交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)建模以及模糊控制四輪轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)建模。

2.1 電液比例閥系統(tǒng)建模

電液比例閥是本系統(tǒng)轉(zhuǎn)向的核心，是車輪轉(zhuǎn)向的主要控制部分，通過電液比例閥的開口可控功能可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪上同軸安裝的轉(zhuǎn)角傳感器作為實(shí)時(shí)反饋信號(hào)可以組成一套閉環(huán)控制系統(tǒng)，其原理圖如圖2所示。

圖2　電液比例控制系統(tǒng)原理圖

電液比例控制系統(tǒng)可直接引用系統(tǒng)組成元件或環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型建立傳遞函數(shù)。工件疲勞試驗(yàn)機(jī)電液比例控制系統(tǒng)組成元件或環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)如下：

比例閥控制器傳遞函數(shù)：

電液比例閥傳遞函數(shù)：

液壓馬達(dá)與負(fù)載的傳遞函數(shù)：

2.2 模糊控制四輪轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)模型的建立

考慮到電液系統(tǒng)的控制復(fù)雜性，很多時(shí)候需要人為經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修改調(diào)試，因此本系統(tǒng)采用模糊自適應(yīng)PID控制的方法。經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　模糊控制系統(tǒng)框圖

平板搬運(yùn)車的運(yùn)動(dòng)過程有總體來說有水平移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩種狀態(tài)，包括車身前后方向、左右方向、上下方向的移動(dòng)和其軸線輕微轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)平板車型低速特性，可以簡(jiǎn)化模型，只考慮左右方向的橫擺和前后方向的側(cè)偏的二自由度數(shù)學(xué)模型。如圖4所示。

圖4　四輪轉(zhuǎn)向車輛二自由度模型

2.3 系統(tǒng)仿真

對(duì)以上建立的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各模型處理統(tǒng)一進(jìn)行輸入輸出仿真，為了進(jìn)行仿真計(jì)算，將樣車的各項(xiàng)參數(shù)帶入如下：

當(dāng)內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角取15度，車速去1.2km/h時(shí)，得出質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)、橫擺角速度響應(yīng)關(guān)系如圖5、圖6所示，圖中仿真了僅后輪轉(zhuǎn)向、常規(guī)PID控制四輪轉(zhuǎn)向、模糊PID控制四輪轉(zhuǎn)向的仿真曲線進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5　質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)仿真圖

圖6　橫擺角速度響應(yīng)仿真圖

從研究結(jié)果表明，在車速為1.2km/h時(shí)，圖中，四輪轉(zhuǎn)向常規(guī)PID控制和模糊PID控制平板車轉(zhuǎn)向時(shí)質(zhì)心側(cè)偏角產(chǎn)生一定的超調(diào)，但很快穩(wěn)定到0rad，而后輪轉(zhuǎn)向平板車質(zhì)心側(cè)偏角不能滿足0rad。模糊PID超調(diào)過程很短，在2s以內(nèi)便可達(dá)到穩(wěn)定值，但是常規(guī)PID需要較長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)。后輪轉(zhuǎn)向平板車橫擺角速度穩(wěn)態(tài)值要大于四輪轉(zhuǎn)向穩(wěn)態(tài)值，模糊PID調(diào)節(jié)的曲線更容易達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，1s內(nèi)便可穩(wěn)定，控制效果非常明顯。因此，圖5和圖6曲線均表明了模糊PID控制平板車的轉(zhuǎn)向效果非常好，很大程度上提高了駕駛員的駕駛舒適性，減少了車輪的磨損，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

本文以平板搬運(yùn)車作為研究對(duì)象，闡述了電液控制四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的總體設(shè)計(jì)方案及相關(guān)仿真分析，得出結(jié)論電液控制技術(shù)可以很好的解決狹窄空間內(nèi)大噸位貨物搬運(yùn)的作業(yè)，對(duì)工程機(jī)械領(lǐng)域具有重要的研究意義。

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唐家運(yùn).出生年月：1987-08-16,性別：女.學(xué)位：碩士學(xué)位, 職稱：助教.研究方向：電氣工程

Research on the application of electro hydraulic control four wheel steering technology in electric vehicle

Tang Jiayun
（Hefei economic and technology Career Academy,230000）

Abstract：Electro hydraulic control four wheel steering technology is a kind of intelligent control technology,hich is mainly applied in the field of engineering vehicles,the use of electro-hydraulic proportional valve technology to control the four sets of wheel synchronous steering system. Electric liquid of four wheel steering system combined with the hydraulic system's unique high torque characteristics and four wheel independent steering bring small turning radius of, a good solution to the problem of large tonnage engineering transport vehicle in a narrow space for the handling of goods. The modeling and Simulation of the main parts of the system are carried out,and the good performance of the electro-hydraulic control four wheel steering technology is verified.

Keywords：electro hydraulic control technology;proportional valve;fuzzy PID

作者簡(jiǎn)介