基于VAPID的道路清障車扶正控制研究

呂成緒 張為公 李 旭

1.東南大學(xué)，南京，210018 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京，210031

0 引言

道路清障車是交通事故救援的主要裝備。扶正作為道路清障車的主要功能，是影響道路交通事故救援效率的關(guān)鍵因素。目前國(guó)內(nèi)對(duì)道路清障車的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面［1-7］。與道路清障車扶正系統(tǒng)類似的汽車起重機(jī)起升系統(tǒng)的研究，主要面向其伸縮臂控制及二次起升問(wèn)題［8-10］，而針對(duì)扶正控制的研究成果較少。

國(guó)內(nèi)道路清障車主要配備雙卷?yè)P(yáng)［11-12］，國(guó)外多為四到六個(gè)卷?yè)P(yáng)。清障救援作業(yè)時(shí)，由清障救援人員手動(dòng)控制、協(xié)調(diào)各卷?yè)P(yáng)位移，實(shí)現(xiàn)事故車輛扶正［13-16］。扶正過(guò)程中，具體操作因清障救援人員經(jīng)驗(yàn)而異，缺乏規(guī)范，自動(dòng)化程度低，嚴(yán)重影響救援效率。采用雙卷?yè)P(yáng)扶正時(shí)，捆扎復(fù)雜，且不能保證扶正過(guò)程的穩(wěn)定性，容易引發(fā)二次事故。

為了順應(yīng)工程機(jī)械自動(dòng)化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)［17］，提高救援效率，本文對(duì)道路清障車的自動(dòng)扶正控制進(jìn)行了研究。根據(jù)事故車輛與道路清障車的幾何位置關(guān)系，建立了扶正控制模型，獲得了控制對(duì)象的變化規(guī)律，并分別利用常規(guī)PID控制算法和變參數(shù)PID(VAPID)控制算法，對(duì)該模型進(jìn)行了仿真研究。

1 扶正過(guò)程建模

為簡(jiǎn)化模型，將事故車輛以長(zhǎng)方體剛體代替，不考慮側(cè)向位移，將扶正過(guò)程簡(jiǎn)化為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。模型采用四卷?yè)P(yáng)(主副卷?yè)P(yáng)各2個(gè))。為保證扶正過(guò)程平穩(wěn)，以扶正過(guò)程中事故車輛姿態(tài)為控制對(duì)象，研究扶正過(guò)程中各卷?yè)P(yáng)之間的位移關(guān)系。建立圖1所示的扶正模型。圖1中，AB為事故車輛高度;BC為事故車輛寬度;CD為事故車輛長(zhǎng)度;AJ為事故車輛前懸長(zhǎng)度;JK為事故車輛軸距;KF為事故車輛后懸長(zhǎng)度;P、Q為道路清障車吊臂上主副卷?yè)P(yáng)固定滑輪位置;K、J、L、M為事故車輛輪胎鋼圈位置;AOEF為事故車輛底盤(pán)。

圖1 扶正模型

扶正時(shí)以4個(gè)輪胎鋼圈作為捆扎固定位置。捆扎時(shí)，要求MN∥LR∥AB，NH∥RI∥OA，繩索PHM和PIL分別連接2個(gè)主卷?yè)P(yáng)，QK、QJ連接2個(gè)副卷?yè)P(yáng)。扶正過(guò)程中，設(shè)卷?yè)P(yáng)到吊鉤的距離及LI、MH等長(zhǎng)度保持不變，只有PH、PI、QK、QJ隨事故車輛翻轉(zhuǎn)角度而變化。

圖2所示為扶正模型在YOZ平面的投影。設(shè)AB=a，BC=b，CD=c，AJ=d，AK=e，P點(diǎn)坐標(biāo)為(x1，y1，z1)，Q點(diǎn)坐標(biāo)為(x2，y2，z2)。根據(jù)幾何關(guān)系，可得

圖2 扶正模型在YOZ平面投影圖

扶正過(guò)程應(yīng)安全平穩(wěn)，避免二次事故，因此控制策略以事故車輛姿態(tài)平穩(wěn)為首要考慮。假設(shè)事故車輛以角速度ω勻速扶正，即α=ωt。一旦確定ω及事故車輛特征參數(shù)、清障救援車輛與事故車輛的相對(duì)位置，根據(jù)上述公式即可求得扶正過(guò)程各卷?yè)P(yáng)位移變化曲線。

以一般的家用轎車為例，設(shè)事故車輛長(zhǎng)寬高為4.8m、1.8m、1.4m，車輛前懸長(zhǎng)度為 0.9m，后懸長(zhǎng)度為1.2m，軸距為2.7m，即a=1.4m，b=1.8m，c=4.8m，d=0.9m，e=0.9+2.7=3.6m。道路清障車主副卷?yè)P(yáng)固定滑輪坐標(biāo)為P(2m，－3m，4m)、Q(2m，－3.5m，3m)，角速度ω=10°/min。將上述參數(shù)代入式(1)～式(4)，可分別求得4個(gè)卷?yè)P(yáng)的位移曲線，如圖3所示。

圖3 卷?yè)P(yáng)位移曲線

扶正過(guò)程中，該位移曲線的變化量即為各卷?yè)P(yáng)收放繩索的長(zhǎng)度，負(fù)值表示繩索收緊，正值表示卷?yè)P(yáng)放繩。因?yàn)榉稣^(guò)程比較緩慢，以60s為間隔進(jìn)行計(jì)算，將t+60時(shí)刻位移與t時(shí)刻位移相減，即可得到各卷?yè)P(yáng)工作時(shí)，位移隨時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。

圖4 卷?yè)P(yáng)位移變化曲線

2 液壓回路AMESim建模

在AMESim環(huán)境下，根據(jù)道路清障車的實(shí)際起升回路［18］，建立其扶正系統(tǒng)電液伺服模型，單個(gè)卷?yè)P(yáng)液壓回路模型如圖5所示。模型主要參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1。

圖5 基于AMESim的道路清障車扶正系統(tǒng)仿真模型

表1 重要液壓元件參數(shù)

3 AMESim與MATLAB聯(lián)合仿真

工程實(shí)踐中，經(jīng)常采用常規(guī)PID控制。常規(guī)PID控制中，Kp、Ki、Kd根據(jù)對(duì)象模型或動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線進(jìn)行整定［19］。變參數(shù)PID控制器將Kp、Ki、Kd取為偏差E的函數(shù)。根據(jù)偏差E的大小，實(shí)時(shí)改變這3個(gè)系數(shù)，加快對(duì)小偏差的反應(yīng)，提高控制器對(duì)干擾的靈敏度，出現(xiàn)干擾時(shí)及時(shí)調(diào)節(jié)［20］。

VAPID控制算法的參數(shù)調(diào)整公式如下:

通過(guò)設(shè)置環(huán)境變量等，MATLAB可以實(shí)現(xiàn)與AMESim 的聯(lián)合仿真［21］。在 MATLAB/Simulink環(huán)境中，分別搭建常規(guī)PID與VAPID控制系統(tǒng)。系統(tǒng) Simulink模塊見(jiàn)圖 6、圖 7，其中，AMESim Model模塊為AMESim中經(jīng)過(guò)系統(tǒng)編譯、參數(shù)設(shè)置等生成供Simulink使用的S函數(shù)。圖7中封裝的VAPID模塊內(nèi)部組成如圖8所示。

圖6 常規(guī)PID控制系統(tǒng)Sim ulink模塊圖

圖7 VAPID控制系統(tǒng)Sim ulink模塊圖

圖8 VAPID Sim ulink模塊圖

常規(guī)PID與VAPID階躍響應(yīng)曲線如圖9所示。將輸入信號(hào)由階躍信號(hào)改為4個(gè)卷?yè)P(yáng)實(shí)際位移變化曲線，仿真得到的跟蹤誤差見(jiàn)圖10。

圖9 階躍響應(yīng)曲線

圖10 位移跟蹤誤差

圖11 系統(tǒng)誤差E2(t)曲線

圖12 系統(tǒng)誤差E2(t)的積分

由階躍響應(yīng)曲線及跟蹤誤差曲線可知:

(1)從仿真結(jié)果來(lái)看，常規(guī)PID也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定，但是利用VAPID控制，不僅能保證系統(tǒng)穩(wěn)定，而且能使系統(tǒng)的階躍響應(yīng)更快，到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間更短，基本無(wú)超調(diào)。

(2)在跟蹤道路清障車各卷?yè)P(yáng)位移時(shí)，VAPID控制的系統(tǒng)跟蹤誤差比常規(guī)PID控制的系統(tǒng)跟蹤誤差衰減更快，且系統(tǒng)誤差無(wú)回調(diào)現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)事故車輛的平穩(wěn)扶正。

(3)在仿真過(guò)程中，VAPID控制比常規(guī)PID控制增加了3個(gè)參數(shù)，但設(shè)置并不復(fù)雜，能夠使得控制效果提升明顯。

4 結(jié)論

(1)建立了道路清障車扶正模型。通過(guò)扶正模型，只需確定事故車輛前懸長(zhǎng)度、后懸長(zhǎng)度、軸距及清障救援車作業(yè)位置等參數(shù)，即可獲得控制對(duì)象的變化規(guī)律。(2)利用AMESim軟件建立了道路清障車扶正系統(tǒng)的液壓回路模型，分別采用VAPID與常規(guī) PID算法進(jìn)行了扶正控制，在MATLAB/Simulink環(huán)境中進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，VAPID相對(duì)于常規(guī)PID控制算法，在跟蹤各卷?yè)P(yáng)實(shí)際位移時(shí)，誤差衰減更快，且基本無(wú)超調(diào)現(xiàn)象出現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)事故車輛的自動(dòng)平穩(wěn)快速扶正。研究結(jié)果為增強(qiáng)道路清障救援行業(yè)自動(dòng)化水平、提高救援效率奠定了理論研究基礎(chǔ)。(3)在實(shí)際情況中，車輛外形各式各樣，事故對(duì)車輛外形的影響也不盡相同，本文將車輛側(cè)翻后理想化為長(zhǎng)方體剛體只是其中較為典型的事故形態(tài)。對(duì)于其他如混凝土車等車輛的扶正，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行建模和理論分析。

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