刁秀永 魯植雄 姜春霞 鐘文軍 張培友
南京農(nóng)業(yè)大學江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,南京,210031
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基于力矩反饋-位置差型線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制
刁秀永魯植雄姜春霞鐘文軍張培友
南京農(nóng)業(yè)大學江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,南京,210031
摘要:針對輪式農(nóng)業(yè)機械的線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制包括轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角控制與路感模擬控制兩部分,系統(tǒng)控制的協(xié)調(diào)性非常重要。分析了兩部分控制間的耦合關(guān)系以及雙向控制理論;提出一種融合位置與力矩信息的力矩反饋-位置差型控制方法,根據(jù)轉(zhuǎn)向輪的目標轉(zhuǎn)角(轉(zhuǎn)向輪的目標轉(zhuǎn)角由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與角傳動比理論計算得到)與轉(zhuǎn)向輪實際轉(zhuǎn)角的差值控制路感電機,同時根據(jù)駕駛員的作用力矩控制電液比例伺服以驅(qū)動轉(zhuǎn)向,并完成了臺架試驗。結(jié)果表明:轉(zhuǎn)向盤在不同初始角度下的回正時間約為0.5 s,轉(zhuǎn)向階躍響應穩(wěn)態(tài)誤差為0.231 °,響應時間為2.265 s,正弦跟隨誤差不大于1.401°,隨機輸入下的跟隨誤差不大于4.492°,但在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向改變時,誤差達12.376°,持續(xù)時間約0.15 s。
關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)機械;線控液壓轉(zhuǎn)向;雙向控制;臺架試驗;轉(zhuǎn)向特性
0引言
線控液壓轉(zhuǎn)向[1]是在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上引入線控技術(shù)的轉(zhuǎn)向技術(shù),它取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)之間的機械連接部分,精簡了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu),便于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置,同時實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比與力傳動比的自由化設(shè)計,有利于改善拖拉機的操縱性和駕駛舒適性[2]。隨著農(nóng)業(yè)機械對智能化自動化的要求,線控技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械上的應用逐步得到了研究[3]。
線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制包括轉(zhuǎn)向控制與路感模擬控制兩部分,目前相關(guān)研究較多。對于轉(zhuǎn)向控制研究,呂安濤等[4-5]研究了拖拉機的自動駕駛復合模糊控制方法與最優(yōu)控制方法,于蕾艷等[6]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性模型研究了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制,張廣慶等[7]對拖拉機的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了仿真與試驗。對于路感模擬控制研究,趙苗苗[8]與吳瑾等[9]采用模糊PID控制算法對路感模擬控制進行了研究,邱緒云等[10]基于線性自抗擾控制方法對路感模擬控制進行了研究。上述研究大多將轉(zhuǎn)向控制與路感模擬控制分開研究。Sugita等[11]建立了包含轉(zhuǎn)向控制與路感模擬控制的動力學模型,研究結(jié)果表明二者控制間有直接的影響關(guān)系。因此線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為了具備與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一樣的操縱感,其控制必須耦合轉(zhuǎn)向控制與路感模擬控制。
考慮到線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制特點,以及遙操作機器人系統(tǒng)[12]在結(jié)構(gòu)與工作原理上與線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類似之處,本文分析了雙向控制的結(jié)構(gòu)[13],提出了適用于線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雙向控制策略,為控制系統(tǒng)的研究提供了參照。最后通過臺架試驗對提出的控制方法的有效性進行了驗證。
1雙向控制理論
雙向控制理論[14]是遙操作機器人研究中提出來的,用以實現(xiàn)遙操作機器人主控和被控系統(tǒng)之間的力與位置交互反饋控制。一般認為,可以分為操作者、主操縱機構(gòu)、通信環(huán)、從操縱機構(gòu)和外界環(huán)境5個部分的系統(tǒng)都可以應用雙向控制[15]。線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分解為雙向控制的五部分,如圖1所示。將駕駛員看作操作者;包含轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、路感電機的轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)看作主操縱機構(gòu);控制器ECU看作通信環(huán);包含伺服換向閥、油泵、轉(zhuǎn)向油缸、位移傳感器、轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角傳感器等的轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)看作從操縱機構(gòu);路面信息作為外界環(huán)境。
圖1 雙向控制典型結(jié)構(gòu)
圖1中,F(xiàn)o為操作者(駕駛員)輸出的力指令,作用于轉(zhuǎn)向盤;Fm與Xm分別為操作者(駕駛員)作用下主操縱機構(gòu)(轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng))產(chǎn)生的力和位置信息,該信息通過通信環(huán)(控制器ECU)發(fā)送給從操縱機構(gòu)(轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng));Fs與Xs分別為從操縱機構(gòu)(轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng))根據(jù)指令產(chǎn)生的力和位置信息,該信息通過通信環(huán)(控制器ECU)反饋給主操縱機構(gòu)(轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng));Fe為從操縱機構(gòu)(轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng))和外界環(huán)境(路面信息)產(chǎn)生的交互信息。
雙向控制常采用的控制方法主要包括[16]:位置伺服型、力反饋型、力反饋伺服型、力-位置綜合型等。從圖1中力與位置信號的交互路徑可以看出,主從操縱機構(gòu)轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)之間同時有力和位置信息的傳遞,此處雙向控制的重點就是如何將這兩種信息進行有效融合。本文基于力-位置綜合型的雙向控制方法得到力矩反饋-位置差型控制策略,對于線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng),該策略如圖2所示。圖中,F(xiàn)表示控制器輸出的力控制信號,用以驅(qū)動路感電機;X表示控制器輸出的位移控制信號,用以驅(qū)動電液伺服閥從而控制轉(zhuǎn)向油缸。
圖2 力矩反饋-位置差型控制策略
2系統(tǒng)控制方法
線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)主要有路感電機與轉(zhuǎn)向缸。路感電機是直接控制對象,以產(chǎn)生力感;轉(zhuǎn)向缸則通過控制電液伺服閥進行控制,以控制轉(zhuǎn)向缸的位移和運動方向,實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。因此,在控制器中需要分別進行路感電機和電液伺服閥的控制方法研究。
2.1路感電機控制
路感電機的控制信號根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的差值確定,路感電機在控制全過程中是堵轉(zhuǎn)的,所以,其控制除了會受到轉(zhuǎn)動慣量、阻尼等因素的影響外,反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的逆電勢對控制精度也有很大影響,它會使得路感電機輸出的力矩產(chǎn)生較大差值。同時駕駛員在轉(zhuǎn)向過程中,也會產(chǎn)生力矩的波動與滯后現(xiàn)象,這些都會嚴重影響駕駛員的手感。針對路感電機控制過程中這些特點,設(shè)計電流的閉環(huán)控制,以降低路感電機的控制偏差與響應時間,從而增強系統(tǒng)的魯棒性,且可使獲得的力矩更加平滑無沖擊。此處選用PID控制算法,經(jīng)試驗整定得到比例系數(shù)KP=1.5,積分系數(shù)KI=0.005,微分系數(shù)KD=0.002。路感電機控制策略如圖3所示。
為了便于臺架試驗的驗證,本文路感特性采用線性特性。路感電機的輸出轉(zhuǎn)矩大小與轉(zhuǎn)向輪-轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角差值的關(guān)系為
Tl=k1|θp-θlij|+0.3
式中,Tl為路感數(shù)值,N·m;kl為路感系數(shù),N·m/(°);θp為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角,(°);θl為轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角,(°);ij為角傳動比,本文取9。
圖3 路感電機控制策略
2.2電液伺服閥控制方法
電液伺服閥用來精確控制流量和流向,進而控制轉(zhuǎn)向油缸的位移和移動方向,其控制信號是駕駛員作用力矩。電液伺服閥在壓差恒定的情況下,其流量僅與其開度有關(guān),因此固定壓差后,只需精準控制閥芯位置即可有效控制流量,從而確保轉(zhuǎn)向的響應速度與精度。因此本文針對電液伺服閥的控制,采用閉環(huán)控制,由目標閥芯位移信號與實際閥芯位移信號構(gòu)成,此處選用PID控制算法,經(jīng)試驗整定得到比例系數(shù)KP=1.2,積分系數(shù)KI=0.008,微分系數(shù)KD=0.001。電液比例伺服閥控制策略如圖4所示
圖4 電液比例伺服閥控制策略
3試驗驗證
3.1試驗平臺的搭建
搭建線控液壓轉(zhuǎn)向試驗臺,主要由控制柜部分、轉(zhuǎn)向執(zhí)行部分、轉(zhuǎn)向盤部分、加載部分四部分組成,如圖5所示。
圖5 線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗臺
(1)控制柜部分主要包括電源系統(tǒng)(強電用于給油泵供電,弱電用于控制器、傳感器、執(zhí)行器等供電)、控制器模塊、伺服閥與電機的驅(qū)動器模塊,可以滿足試驗臺控制對硬件的要求。
(2)轉(zhuǎn)向執(zhí)行部分主要包括轉(zhuǎn)向油缸、電液伺服閥、油泵、轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向桿拉壓力傳感器等部件,用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪的驅(qū)動,并為控制器提供必要的轉(zhuǎn)向執(zhí)行部分的狀態(tài)信息。
(3)轉(zhuǎn)向盤部分主要包括路感電機、力矩傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等,可以實現(xiàn)路感的模擬,并為控制器提供轉(zhuǎn)向盤狀態(tài)信息與轉(zhuǎn)向阻力矩。
(4)加載部分主要包括電液伺服閥、加載油缸、油泵等,用于模擬拖拉機轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向輪受到的轉(zhuǎn)向阻力矩。
臺架系統(tǒng)的主要零部件選型如表1所示。
表1 主要零部件型號
3.2試驗結(jié)果與討論
傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正是依靠回正力矩作用于轉(zhuǎn)向輪使其逐漸回正,并通過機械連接帶動轉(zhuǎn)向盤回正。因此,在線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)向輪在回正力矩作用下回正,引起轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角差值改變,控制器根據(jù)此差值輸出路感電機的控制信號,在路感電機作用下使轉(zhuǎn)向盤回正。
臺架試驗中,通過轉(zhuǎn)向加載缸,給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加轉(zhuǎn)向阻力,轉(zhuǎn)向輪的目標轉(zhuǎn)角由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與角傳動比理論計算得到。
回正性試驗中,首先轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤,將轉(zhuǎn)向輪控制到某一轉(zhuǎn)角,然后雙手松開轉(zhuǎn)向盤,此時轉(zhuǎn)向阻力模擬回正力矩,并讓轉(zhuǎn)向阻力大小與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角成正比,即當轉(zhuǎn)向輪回正后,不再有回正力矩;同時車速以虛擬信號替代,不考慮車速對回正力矩的影響,觀察轉(zhuǎn)向盤的回正響應,結(jié)果如圖6所示。轉(zhuǎn)向盤在轉(zhuǎn)角為30°、60°、90°下的回正時間約為0.5s,回正穩(wěn)態(tài)誤差分別為0.210°、0.742°、0.905°,誤差與回正時間均較小。
圖6 不同角度下轉(zhuǎn)向回正性試驗
階躍響應試驗中,為獲得準確穩(wěn)定的角階躍輸入,由控制器模擬產(chǎn)生由0°階躍變化到18°的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角信號,同時固定轉(zhuǎn)向盤以測得路感電機的輸出力矩及路感值,得到轉(zhuǎn)向輪的響應與路感值如圖7所示。轉(zhuǎn)向輪響應時間為2.265s,穩(wěn)態(tài)誤差為0.231°,可以滿足低速農(nóng)業(yè)機械的要求。路感值由3.8N·m降到0.389N·m,階躍轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力矩很大,可以有效降低駕駛員急轉(zhuǎn)向的速度,提高行駛安全性。
圖7 階躍響應試驗
正弦響應試驗中,輸入的目標轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角信號周期為8s,得到的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角響應與路感值變化曲線如圖8所示。響應誤差為-1.034°~+1.401°,正弦跟隨誤差較小,同時路感值變化在0.38~0.70N·m之間,因為轉(zhuǎn)向輪響應效果良好,故不需要為駕駛員反饋較重路感。
圖8 正弦跟隨響應試驗
隨機響應試驗中,人為隨機地轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤,轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動方向、角度均為隨機,得到的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角響應與路感值如圖9所示。轉(zhuǎn)向輪隨機響應誤差較大,在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向改變時,誤差在-12.376°~+11.904°之間,此時路感數(shù)值達2N·m左右,可以有效提醒駕駛員此時轉(zhuǎn)向誤差較大,而且大誤差持續(xù)時間較短,約為0.15s,對系統(tǒng)響應影響較小。在其他時刻,轉(zhuǎn)向輪響應始終滯后,誤差在-4.492°~+3.788°之間,路感數(shù)值在1.5N·m以下,轉(zhuǎn)向較為輕便。
圖9 隨機跟隨響應試驗
4總結(jié)
(1)提出的力矩反饋-位置差型控制策略可以使線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)獲得良好的轉(zhuǎn)向盤回正性能,而且反饋的路感能有效地協(xié)助駕駛員判斷轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角響應情況,提高了車輛的操縱性。
(2)利用搭建的試驗平臺對所提出的雙向控制策略進行了驗證,有力地說明了該控制策略應用在線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的可行性與有效性。
由于試驗條件限制,未對所提出的控制策略進行實車試驗,同時研究中以定車速研究,未能考慮變車速對系統(tǒng)控制的影響,有待進一步完善。
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(編輯蘇衛(wèi)國)
Control of Hydraulic Steer-by-wire System Based on Torque Feedback and Positional Error
Diao XiuyongLu ZhixiongJiang ChunxiaZhong WenjunZhang Peiyou
Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment of Jiangsu Province,Nanjing Agricultural University, Nanjing, 210031
Abstract:Hydraulic steer-by-wire system included steering control and road-feeling generation control, the coordination of the system was very important. The paper analyzed the coupling connection of the two control parts, also the theory of bilateral control system, then a kind control method called torque feedback-positional difference type control method was proposed, which combined position and torque informations. In this control method, the control signals of road-feeling motor were determined by differences between target road wheel angles and practical road wheel angles. Steering wheel angle divided by transmission ratio was target road wheel angle. In addition, the control signals of electron hydraulic proportional servo valve were determined by drivers’ torque, and the bench tests were finished. The results show that the steering reversal time is as 0.5 s, the difference of step response is as 0.231° and response time is as 2.265 s, the sine response difference is below 1.401°, and random input difference is smaller than 4.492°, but when steering orientation changes, the difference is up to 12.376° with continuous time of 0.15 s.
Key words:agricultural machinery; hydraulic steer-by-wire; bilateral control; bench test; steering characteristic
收稿日期:2015-07-02
基金項目:江蘇省科技支撐計劃資助項目(BE2012384);江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金資助項目(BA2010055)
中圖分類號:S219.1;TH39
DOI:10.3969/j.issn.1004-132X.2016.10.021
作者簡介:刁秀永,男,1990年生。南京農(nóng)業(yè)大學工學院碩士研究生。研究方向為農(nóng)業(yè)車輛線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。發(fā)表論文3篇。魯植雄,男,1962年生。南京農(nóng)業(yè)大學工學院教授、博士生研究生導師。姜春霞,女,1987年生。南京農(nóng)業(yè)大學工學院博士研究生。鐘文軍,男,1990年生。南京農(nóng)業(yè)大學工學院碩士研究生。張培友,男,1991年生。南京農(nóng)業(yè)大學工學院碩士研究生。