某集裝箱裝卸搬運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向控制算法設(shè)計(jì)

白雪峰，李紅勛，孟祥德

(軍事交通學(xué)院 國家應(yīng)急交通運(yùn)輸裝備工程技術(shù)研究中心，天津 300161)

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● 基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù) Basic Science & Technology

某集裝箱裝卸搬運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向控制算法設(shè)計(jì)

白雪峰，李紅勛，孟祥德

(軍事交通學(xué)院 國家應(yīng)急交通運(yùn)輸裝備工程技術(shù)研究中心，天津 300161)

為使某集裝箱裝卸搬運(yùn)機(jī)在轉(zhuǎn)向過程中兩側(cè)車輪之間的偏轉(zhuǎn)關(guān)系始終滿足車輛的轉(zhuǎn)向特性要求，采用模糊控制作為轉(zhuǎn)向控制算法，完成模糊控制器的設(shè)計(jì)，得到轉(zhuǎn)向控制程序?qū)崿F(xiàn)的控制列表。以模擬轉(zhuǎn)向盤指令角度為輸入，對各輪在各作業(yè)模式和轉(zhuǎn)向模式下的響應(yīng)及響應(yīng)過程進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性。

集裝箱裝卸搬運(yùn)機(jī)；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；模糊控制

某集裝箱裝卸搬運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向控制的重點(diǎn)是使轉(zhuǎn)向過程中兩側(cè)車輪之間的偏轉(zhuǎn)關(guān)系始終滿足車輛的轉(zhuǎn)向特性要求。由于難以得到精確的數(shù)學(xué)模型，考慮到該機(jī)械屬于低速行駛車輛，機(jī)械和液壓系統(tǒng)的反應(yīng)速度相對于處理器來說較慢，再加上液壓系統(tǒng)有一定的滯后時(shí)間，程序設(shè)計(jì)還必須考慮左右兩車輪的轉(zhuǎn)向關(guān)系，以及滿足轉(zhuǎn)角大、時(shí)間長和轉(zhuǎn)角小、時(shí)間短的規(guī)律，其轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)采用模糊控制算法來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向過程的平穩(wěn)控制。

1 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和思路

1.1 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

某集裝箱裝卸搬運(yùn)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求是各車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和轉(zhuǎn)角按照駕駛員所設(shè)定的作業(yè)模式、轉(zhuǎn)向模式及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向與速度，在任何狀態(tài)下，各轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角與理論上純滾動(dòng)對應(yīng)的轉(zhuǎn)角誤差在1°以內(nèi)。其控制系統(tǒng)應(yīng)能將車輪偏轉(zhuǎn)到一定角度；在各工作模式下應(yīng)具有正常轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向、蟹行和平移等功能；偏轉(zhuǎn)過程中應(yīng)保證各車輪之間的偏轉(zhuǎn)角度關(guān)系；應(yīng)提高響應(yīng)特性和響應(yīng)一致性；在轉(zhuǎn)向過程中，有故障發(fā)生時(shí)能夠進(jìn)行緊急制動(dòng)，并顯示相應(yīng)的故障代碼供操作人員及時(shí)排除故障[1]。

1.2 模糊控制器設(shè)計(jì)思路

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模糊控制基本原理如圖1所示。根據(jù)各輪設(shè)定的目標(biāo)角度值和實(shí)際輸入值，計(jì)算出角度誤差e和誤差變化率ec的精確值，通過模糊化得出輸入變量的模糊值，利用知識(shí)庫進(jìn)行邏輯決策，得出輸出變量的模糊值，再經(jīng)過解模糊化過程得出輸出變量的精確值，用來控制PWM信號的占空比，進(jìn)而控制電液比例閥，完成轉(zhuǎn)向過程。

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1 模糊化

(1)轉(zhuǎn)向輪的主要偏轉(zhuǎn)角度為-50°～50°，所以θx的范圍約為-50°～50°，得出偏差的最大值為100°。取e的實(shí)際測量范圍為[-100，100]。設(shè)系統(tǒng)設(shè)定的輪偏轉(zhuǎn)值為θ0，實(shí)際檢測的輪偏角度為θx，則偏轉(zhuǎn)誤差e=θ0-θx，為負(fù)值時(shí)代表輪需向左偏轉(zhuǎn)，為正值時(shí)需向右偏轉(zhuǎn)，其語言變量為E，論域?yàn)镋= {-6，-5，-4，-3，-2，-1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}。

(2)取ec的實(shí)際測量范圍為[-50，50]。設(shè)偏轉(zhuǎn)角度誤差兩次采樣值的變化量是ec(k)=e(k)-e(k-1)，為負(fù)值時(shí)代表轉(zhuǎn)向盤指示需向右轉(zhuǎn)向，為正值是代表需向左轉(zhuǎn)向。其語言變量為EC，論域?yàn)镋C= {-6，-5，-4，-3，-2，-1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}。

(3)控制系統(tǒng)的輸出是控制帶反饋電比例多路換向閥流量的占空比信號，占空比信號越大，帶反饋電比例多路換向閥流量越大。設(shè)占空比信號大小為系統(tǒng)的輸出控制量u，其語言變量為U，論域?yàn)閁= {-6，-5，-4，-3，-2，-1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}。

2.2 各模糊變量隸屬度函數(shù)的確定

考慮到轉(zhuǎn)向中常用轉(zhuǎn)角為0°～20°，為提高反應(yīng)速度，獲得良好轉(zhuǎn)向響應(yīng)，本文中采用三角形隸屬函數(shù)和梯形隸屬函數(shù)，取E、EC、U具有相同形式的隸屬函數(shù)。

2.3 模糊控制規(guī)則的建立

當(dāng)誤差較大時(shí)，控制量的變化應(yīng)盡量使誤差迅速減少；當(dāng)誤差較小時(shí)，除了要消除誤差外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的超調(diào)，甚至振蕩。當(dāng)誤差為負(fù)且為負(fù)大時(shí)，若當(dāng)誤差變化為負(fù)，表明誤差有增大的趨勢，為盡快消除已有的負(fù)大誤差并抑制誤差變大，這時(shí)控制量應(yīng)取負(fù)大；當(dāng)誤差為負(fù)大而誤差變化為正時(shí)，系統(tǒng)本身已有減少誤差的趨勢，所以為盡快消除誤差且又不超調(diào)，應(yīng)取較小的控制量；當(dāng)誤差為受中時(shí)，控制量應(yīng)該使誤差盡快消除。模糊控制規(guī)則見表1。

表1 模糊控制規(guī)則

具體用模糊語言變量可表示為

IF E=NB AND EC=PB THEN U=NB

?

IF E=PM AND EC=PB THEN U=PB

IF E=PB AND EC=PB THEN U=PB

2.4 模糊推理算法的確定

采用曼丹尼(Mandani)極小運(yùn)算法確定模糊關(guān)系[2]。由于采用最大、最小運(yùn)算符∨，模糊控制規(guī)則表包含的每一條模糊條件語句都決定一個(gè)模糊關(guān)系，它們共有49個(gè)：

R1=[(NB)E×(NB)EC]T×(PM)U

?

R49=[(PB)E×(PB)EC]T×(NB)U

通過49個(gè)模糊關(guān)系的“并”運(yùn)算，可以得到總的模糊關(guān)系為R=R1∨R2∨…∨R49。其中：R為模糊關(guān)系矩陣；“∨”為取大。

采用合成推理法得控制輸出為U=(E×EC)°R。其中：“×”為求值積；“° ”為合成運(yùn)算符。

2.5 查詢表的建立

根據(jù)語言變量E和EC論域的量化等級，按照上面合成推理的方法，分別計(jì)算不同模糊變量值輸入組合情況下的各個(gè)輸出值，就可以獲得一個(gè)模糊控制查詢表。為了模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方便性和計(jì)算準(zhǔn)確性，使用 Matlab 的模糊邏輯工具箱(Fuzzy Control Toolbox)[3]，由隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則表，建立模糊推理系統(tǒng)模型，模糊函數(shù)及模糊控制規(guī)則如圖2和圖3所示。在規(guī)則觀測器中，Matlab以圖形化的方式給出了模糊推理的過程(如圖4所示)。利用規(guī)則觀測器得到模糊控制查詢表(見表2)。

2.6 模糊的量化處理

(1)e和ec的實(shí)際測量范圍分別為[-100，100]和[-50，50]，設(shè)計(jì)的論域?yàn)閇-6，6]，有：

則e和ec的量化因子分別為：ke=3/50，kec=3/25。

輸入量和量化因子相乘，并按下面兩式進(jìn)行四舍五入，得到其等級值，即成為論域中元素。

(2)控制量的變化范圍為[10%，90%]，設(shè)計(jì)的論域?yàn)閇-6，6]，有：

u=ku·U

UE6543210-1-2-3-4-5-6EC6666665445210056665543341000466554322300-1-23655442112-1-1-2-32554432001-2-2-3-41554331000-3-3-4-4054432000-1-3-4-4-5-14432100-1-2-3-4-5-5-24321000-2-3-4-4-5-5-332100-1-1-2-4-4-5-5-6-42100-1-2-2-3-4-5-5-6-6-5000-1-2-3-3-5-5-5-6-6-6-600-1-2-3-4-4-5-6-6-6-6-6

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)MATLAB/SIMULINK仿真分析

建立帶模糊控制器轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型(如圖5所示)，并進(jìn)行仿真分析。

3.1 固定角度輸入響應(yīng)

開始作業(yè)時(shí)，轉(zhuǎn)向輪需從油缸初始位置時(shí)偏轉(zhuǎn)角度-130°調(diào)整到正常偏轉(zhuǎn)角度0°。將0°作為輸入目標(biāo)值，得到轉(zhuǎn)向輪響應(yīng)曲線、模糊控制輸入輸出參數(shù)變化及脈寬調(diào)制信號(PWM)變化曲線如圖6～圖8所示。

由圖6可知，轉(zhuǎn)向輪從開始動(dòng)作至穩(wěn)定，響應(yīng)時(shí)間為4.2 s，響應(yīng)時(shí)間在可接受范圍內(nèi)，且轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)角沒有出現(xiàn)波動(dòng)，遲滯現(xiàn)象不明顯，3.8 s后曲線較為平和，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)。圖7為相應(yīng)的控制其輸入E、EC和輸出U值變化曲線。結(jié)合實(shí)際過程可知，前3.8 s左右的時(shí)間，實(shí)際轉(zhuǎn)角與目標(biāo)值相差較大，控制器輸出的U值較大，轉(zhuǎn)向輪響應(yīng)快，偏轉(zhuǎn)速度較大；3.8 s末至穩(wěn)定，實(shí)際轉(zhuǎn)角與目標(biāo)值相差較小，控制器輸出的U值小，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)速度小，轉(zhuǎn)向較為平和，有效避免了轉(zhuǎn)向粗暴的問題，模糊控制效果良好。由圖8可知，前2 s輸出PWM占空比保持在0.7，比例閥閥芯開度較大，油液流量大，轉(zhuǎn)向油缸運(yùn)動(dòng)速度大。負(fù)值代表比例閥換向，用于調(diào)整油缸運(yùn)動(dòng)速度，克服轉(zhuǎn)向油缸慣性影響，達(dá)到轉(zhuǎn)向平穩(wěn)的目的。

為與實(shí)際轉(zhuǎn)向過程相對應(yīng)，更好地反映轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性，更改四連桿機(jī)構(gòu)仿真初始值，將轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度為0°時(shí)作為初始角度進(jìn)行分析。在實(shí)際轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)多為小角度偏轉(zhuǎn)，且小角度偏轉(zhuǎn)的響應(yīng)特性能充分反映轉(zhuǎn)向的靈活性。分別以5°、10°、25°為輸入角度得到響應(yīng)曲線如圖9所示。當(dāng)輸入為5°時(shí)，轉(zhuǎn)向從開始到穩(wěn)定響應(yīng)時(shí)間為0.48 s，且曲線變化較為平和，當(dāng)輸入為10°、25°的響應(yīng)時(shí)間分別為為0.71 s和1.53 s。圖10為相應(yīng)的占空比變化曲線，曲線中向下突出曲線為脈寬調(diào)制信號(PWM)占空比為負(fù)值，代表電比例閥換向，對油缸速度和行程進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 變角度輸入響應(yīng)

在轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向角度使用最多的為左右偏轉(zhuǎn)45°，以轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度為0°作為初始值，初始輸入-45°，2 s后以45°作為目標(biāo)角度得到響應(yīng)曲線如圖11所示。完成整個(gè)轉(zhuǎn)向過程至穩(wěn)定，總響應(yīng)時(shí)間為4 s，在2 s末，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度剛好達(dá)到-45°的轉(zhuǎn)向要求，在躍階輸入下，轉(zhuǎn)向油缸收縮，轉(zhuǎn)向輪往回偏轉(zhuǎn)。圖12為控制電比例閥閥芯開度的PWM信號占空比變化值，明顯看出在2 s左右輸出PWM信號有激增的現(xiàn)象，電比例換向，轉(zhuǎn)向油缸伸長。

但總體來看，響應(yīng)曲線較為平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向過程較為平和?？刂破髟谳^短的時(shí)間之內(nèi)將角度調(diào)整到目標(biāo)角度，轉(zhuǎn)向過程平和，能較好控制角度的調(diào)整，這樣就保證了在實(shí)際的轉(zhuǎn)向過程當(dāng)中不會(huì)感覺到“急轉(zhuǎn)彎”，從而保證了裝備轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性、舒適性和安全性。

圖13為正弦響應(yīng)曲線，輸入正弦波振幅為45，頻率0.2 rad/s，響應(yīng)稍有延遲和失真，但是沒有嚴(yán)重的超調(diào)現(xiàn)象。

3.3 仿真分析

將轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)封裝成一個(gè)輸入一個(gè)輸出的封裝體，以輸入目標(biāo)角度代替轉(zhuǎn)向盤輸入角度仿真，在正常轉(zhuǎn)向模式下，以運(yùn)輸20 ft集裝箱為例，當(dāng)輸入角度為-30°時(shí)，各輪偏轉(zhuǎn)響應(yīng)如圖14所示。在此輸入下，經(jīng)過2 s，各輪從初始角度0°響應(yīng)值目標(biāo)角度至最終穩(wěn)定。其中右四輪響應(yīng)時(shí)間較長，左二輪相應(yīng)相對較快，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)角為負(fù)角度(右一轉(zhuǎn))時(shí)油缸收縮，耗時(shí)相對偏短，而正角度(左轉(zhuǎn))時(shí)，油缸伸長，耗時(shí)相對較長。圖15為相應(yīng)各輪PWM信號占空比變化曲線。圖16為輸入角度從0°階躍至30°，6 s末再階躍到-42°各輪偏轉(zhuǎn)響應(yīng)曲線，系統(tǒng)整體反應(yīng)迅速，12 s末各輪偏轉(zhuǎn)到預(yù)定角度，變化較為平穩(wěn)，符合預(yù)先設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)某集裝箱裝卸搬運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制要求，采用雙輸入單輸出模糊控制算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，其中各輪目標(biāo)角度與實(shí)際角度的偏差和偏差的變化率為模糊控制器的輸入變量，調(diào)控比例閥流量的PLC輸出的PWM脈寬調(diào)制信號的控制量(占空比)為輸出變量。借助Matlab Fuzzy模塊對模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到模糊控制規(guī)則表。以模擬轉(zhuǎn)向盤指令角度為輸入，對各輪在各作業(yè)模式和轉(zhuǎn)向模式下的響應(yīng)及響應(yīng)過程進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

[1] 諸靜．模糊控制原理與應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：405-408．

[2] 章衛(wèi)國，楊向忠．模糊控制理論與應(yīng)用[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999：32-41．

[3] 聞新，周露．MATLAB模糊邏輯工具箱的分析和應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2001：139-151．

(編輯：史海英)

Design of Steering Control Algorithm for Container Handling Transporter

BAI Xuefeng, LI Hongxun, MENG Xiangde

(National Emergency Transportation Equipment Engineering Technology Research Center, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

In order to make the deflection between wheels on both sides satisfying the steering requirement in the process of steering, the paper firstly designs fuzzy controller with fuzzy control as the steering control algorithm, and obtains control list of steering control program. Then, by inputting simulated steering instruction angle, it makes simulation analysis on resonse and response process of steering wheels in all kinds of operation modes and steering modes to verify the rationality and scientificalness of the whole steering system design.

container handling transporter; steering system; fuzzy control

2017-01-11；

2017-02-23．

白雪峰(1969—)，男，講師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.06.018

TH122

A

1674-2192(2017)06- 0075- 06