井下無軌膠輪車主動轉(zhuǎn)向控制方案

趙獻臣

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機電與信息工程學(xué)院)

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井下無軌膠輪車主動轉(zhuǎn)向控制方案

趙獻臣

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機電與信息工程學(xué)院)

為了解決井下無軌膠輪車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向沉重、穩(wěn)定性差、能耗高等問題，引入線控主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，基于CarSim軟件建立線控轉(zhuǎn)向整車動力學(xué)模型，采用橫擺角速度反饋控制方案，在Simulink軟件中搭建控制框圖。對線控主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分別進行對開路面和雙移線仿真分析，并與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行對比分析，結(jié)果表明，線控主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可顯著改善無軌膠輪車的轉(zhuǎn)向特性。

井下無軌膠輪車 線控轉(zhuǎn)向 主動轉(zhuǎn)向 CarSim Simulink

井下無軌膠輪車作為煤礦輔助運輸?shù)闹匾M成部分，具有使用范圍廣、機動靈活、適應(yīng)性強、安全可靠以及可完成直達運輸?shù)葍?yōu)點，極大提高了煤礦生產(chǎn)運輸?shù)男?，是未來井下運輸?shù)陌l(fā)展趨勢之一[1-3]。傳統(tǒng)無軌膠輪車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)向方式的不同可分為偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向和鉸接式轉(zhuǎn)向2類。該2類轉(zhuǎn)向機構(gòu)在怠速時，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向沉重，操作不靈活，而高速時，又缺乏穩(wěn)定性，且隨著負載的增加消耗功率的比重越來越高，通常占到全車功耗的7%～14%。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過微電子技術(shù)連接并控制轉(zhuǎn)向元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械或液壓連接，大大提高了車輛操縱系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，相對于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，節(jié)能約5%，可有效解決傳統(tǒng)無軌膠輪車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所存在的問題[1-3]。

以某廠WXD-45JGJ2型礦用防爆蓄電池無軌膠輪車為例，在CarSim軟件中建立整車動力學(xué)模型，以橫擺角速度為反饋控制目標，實現(xiàn)車輛的穩(wěn)定性控制；在Simulink軟件中搭建線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過S函數(shù)接口進行聯(lián)合仿真并與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行對比分析，結(jié)果顯示，采用線控系統(tǒng)主動轉(zhuǎn)向控制方案的無軌膠輪車性能更為優(yōu)越。

1 線控轉(zhuǎn)向動力學(xué)模型

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)總成、主控制器、自動防故障系統(tǒng)、電源等組成。根據(jù)線控系統(tǒng)的基本組成，對WXD-45JGJ2型無軌膠輪車原有機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行改造，增加轉(zhuǎn)向器驅(qū)動電機和方向盤路感電機以及主控制器等硬件設(shè)備。分別對整車動力學(xué)、方向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)總成等3個部分進行建模。

1.1 CarSim整車動力學(xué)模型

CarSim軟件的內(nèi)置模型在計算機上運行速度比實時速度快3～6倍，可以仿真車輛對駕駛員、路況及空氣動力學(xué)輸入的響應(yīng)，主要用來預(yù)測和仿真汽車整車的操縱穩(wěn)定性、動力性、平順性、制動性和經(jīng)濟性[1]。根據(jù)WXD-45JGJ2型無軌膠輪車車型特點，在CarSim軟件中選用D-Class型車輛為參考進行建模。建模過程中，車輛空氣動力學(xué)參數(shù)采用默認設(shè)置，驅(qū)動系采用四輪驅(qū)動，制動系采用ABS制動，輪胎模型采用CarSim軟件的內(nèi)置輪胎模型，型號為255/65R16。車輛的主要參數(shù)見表1。

表1 整車模型主要參數(shù)

1.2 方向盤系統(tǒng)總成動力學(xué)模型

方向盤系統(tǒng)總成主要包括方向盤、轉(zhuǎn)向柱、路感電機、減速器轉(zhuǎn)角傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器[2]。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點建立了簡單動力學(xué)模型見圖1。

圖1 方向盤系統(tǒng)總成

1.3 轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成動力學(xué)模型

轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)總成包括執(zhí)行電機，減速器，轉(zhuǎn)向器以及位移傳感器。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點建立了簡單動力學(xué)模型見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)總成

2 線控系統(tǒng)主動控制方案

2.1 橫擺角速度反饋控制方案

以車輛的橫擺角速度為控制目標，首先將方向盤轉(zhuǎn)角及車速輸入車輛線性二自由度參考模型中得到期望橫擺角速度，此期望橫擺角速度受地面附著系數(shù)以及車速限制；然后主控制器通過橫擺角速度傳感器得到車輛實際的橫擺角速度值，對期望和實際的橫擺角速度差進行PID控制，降低實際橫擺角速度在轉(zhuǎn)向過程中的波動，使其盡快趨于期望值；最后得到所需的附加轉(zhuǎn)向角并通過執(zhí)行電機輸出[2]，控制方案見圖3。

圖3 橫擺角速度控制方案

2.2 基于Simulink軟件搭建控制方案

由圖3可知，在橫擺角速度反饋控制方案中實際車輛的輸入端為方向盤轉(zhuǎn)角，該值為駕駛員轉(zhuǎn)向角與經(jīng)過PID控制器調(diào)整之后的補償角之間的疊加值，輸出端為車速和橫擺角速度，現(xiàn)采用Simulink軟件搭建控制方案。首先，建立理想橫擺角速度參考模型，根據(jù)理想橫擺角速度公式以及在路面附著系數(shù)一定時車輛所能達到的最大橫擺角速度，可知在車速和方向盤轉(zhuǎn)角已知的情況下能夠推算出理想橫擺角速度，在Simulink軟件中搭建的參考模型如圖4所示。然后，將該參考模型進行封裝，根據(jù)圖3所示的方案，在Simulink軟件中搭建完成線控系統(tǒng)主動轉(zhuǎn)向控制方案如圖5所示。

3 仿真分析

3.1 對開路面仿真試驗

設(shè)定車速為80 km/h，道路為平坦直線公路，右側(cè)路面附著系數(shù)為0.5，左側(cè)模仿井下矸石路面附著系數(shù)為0.2，駕駛員在進入對開路面后2 s緊急剎車，剎車時間間隔為1 s，駕駛員輸入方向盤轉(zhuǎn)角為0°，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6(a)、圖6(b)可知，在駕駛員緊急制動后，膠輪車橫擺角速度出現(xiàn)波動，控制器迅速做出反應(yīng)，通過轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機控制系統(tǒng)輸出前輪轉(zhuǎn)角，及時矯正失穩(wěn)車輛，使其繼續(xù)平穩(wěn)行駛。由圖6(b)、圖6(c)可知，未安裝線控主動轉(zhuǎn)向控制器的車輛橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角已遠超正常值，車輛嚴重失穩(wěn)，有側(cè)翻風(fēng)險。因此，線控主動控制器可有效提高車輛的穩(wěn)定性。

圖4 理想橫擺角速度參考模型

圖5 Simulink軟件中主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 對開路仿真結(jié)果

3.2 雙移線仿真試驗

設(shè)定車速為50 km/h，路面附著系數(shù)為0.85，該工況是為了檢驗?zāi)z輪車在井下緊急避障的能力，設(shè)定路徑如圖7所示，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 設(shè)定路徑

圖8 雙移線仿真結(jié)果

由圖8(a)可知，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向車輛均完成了雙移線試驗，但線控轉(zhuǎn)向膠輪車軌跡偏差較小，更加穩(wěn)定。由圖8(b)可知，在達到同樣轉(zhuǎn)向特性的前提下，線控主動轉(zhuǎn)向膠輪車的方向盤輸入轉(zhuǎn)角較小，在很大程度上降低了駕駛員負擔。由圖8(c)可知，線控轉(zhuǎn)向膠輪車橫擺角速度變化幅度較小，顯著提高了車輛操縱的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

針對井下無軌膠輪車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所存在的問題，對無軌膠輪車主動轉(zhuǎn)向控制方案進行了仿真研究。結(jié)果表明，線控主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)顯著增強了無軌膠輪車的穩(wěn)定性、安全性、靈活性，同時也降低整車能耗，具有較好的市場前景。

[1] 肖 闖，黃 江，易 高.基于CARSIM的車輛穩(wěn)定性控制仿真[J].專用汽車，2007(6)：36-38.

[2] 余志生.汽車理論[M].5版.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 于蕾艷，林 逸，施國標.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型的研究[J].計算機仿真，2008(6)：251-253.

Controlling Scheme of Active Steering of Underground Trackless Rubber-tyred Vehicle

Zhao Xianchen

(School of Mechanical Electronic & Information Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing))

In order to solve the problems of steering heavy, poor stability and high energy consumption of the steering system of underground trackless rubber-tyred vehicle, the wire control active steering system is introduced.Based on the CarSim software, the vehicle dynamic model with wire control active steering system is established. The feedback scheme of horizontal pendulum angular velocity is used to construct control block diagram based on Simulink software. The wire control active steering system is simulated by splitter road and double lines experiment, and the simulation results of the wire control active steering system and traditional steering system are contrastive analyzed. The analysis results show that the wire control active steering system is good to improve steering characteristics of underground trackless rubber-tyred vehicle.

Underground trackless rubber-tyred vehicle, Wire control steering, Active steering, CarSim, Simulink

2014-12-29)

趙獻臣(1989—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路丁11號。