三軸車輛電控液壓式全輪轉向系統設計與控制

袁 磊，劉西俠，劉維平，金 毅

(裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072)

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三軸車輛電控液壓式全輪轉向系統設計與控制

袁 磊，劉西俠，劉維平，金 毅

(裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072)

針對某型三軸車輛低速機動性不好、高速穩定性差的問題，通過對原車轉向助力系統進行深入研究，設計了一套電控液壓式全輪轉向系統。針對全輪轉向系統控制器設計難的問題，建立了車輛三自由度全輪轉向數學模型，設計了全輪轉向比例前饋和模糊控制反饋控制器。分別選取前輪轉角為3°角階躍輸入，車速為20，80 km/h兩種轉向工況，對全輪轉向車輛與原雙前橋轉向車輛進行對比仿真研究。結果表明：所設計的全輪轉向控制器能夠改善車輛各狀態參數的響應特性，降低車輛側滑幾率，提高車輛低速機動性和高速操縱穩定性。

車輛工程；三軸車輛；全輪轉向；數學模型；模糊控制

三軸車輛通常車身較長、質量較大、重心較高，其在狹小空間內調頭和轉向較為困難[1]。傳統的三軸車輛通常采用機械搖臂式雙前橋轉向機構，該機構穩定、耐用。但低速時不能解決車輛的小半徑轉向問題，高速時不能保證車輛的操縱穩定性。全輪轉向車輛低速轉向半徑小，高速穩定性好，轉向軌跡可控性強，轉向響應快，輪胎磨損低，轉向效率高[2]。因而，全輪轉向系統的研究備受關注，特別是多軸車輛的全輪轉向系統。

全輪轉向系統的研究主要包括轉向系統設計和轉向控制算法選取兩方面。在全輪轉向系統設計方面，通常采用電控液壓式或電控電動式兩種驅動型式。但對于多軸車輛，由于使用環境惡劣、轉向沖擊大，通常考慮采用電控液壓式。然而，對于多軸車輛電控液壓式全輪轉向系統設計的研究國內外文獻較少。在全輪轉向控制算法選取方面，零側偏角比例控制[3-5]、最優控制[6-7]的研究較多。但這些控制都沒有解決控制模型不精確的問題，模糊控制作為一種智能控制算法，對該問題的解決具有較好效果[8-12]。

因此，筆者首先設計了一套電控液壓式的全輪轉向系統，提出了零側偏角比例前饋和模糊控制反饋的全輪轉向控制策略，并進行了仿真分析，分析結果可為三軸車輛全輪轉向系統的開發提供參考。

1 全輪轉向系統設計

全輪轉向系統總體設計方案如圖1。原車為雙前橋轉向，改裝后，車輛中后軸均采用與前軸相同的轉向傳動機構，同時加裝電磁閥和轉向助力缸，發動機曲軸直接聯結液壓泵為助力缸供油。

1—方向盤；2—轉向器；3—方向盤轉角傳感器； 4—位移傳感器；5—電磁閥；6—助力缸； 7—車輛狀態信息

方向盤轉角輸入后，經轉向傳動機構及轉向助力缸共同作用，使前輪轉向。方向盤轉角由方向盤轉角傳感器實時采集并輸入控制單元，控制單元經計算后轉化為前輪轉角?1，控制單元還實時接收車速傳感器、橫擺角速度傳感器采集的當前車輛狀態信息，轉角和車輛狀態信息經控制器控制算法計算后，為中、后軸電磁閥發出能夠使中后軸車輪轉過角度為?2和?3的開口信號，以此控制電磁閥開口，進而驅動車輪轉過相應角度。

整個車輛控制系統可分為5層結構：第1層手動進行車輛不同轉向模式的選擇，可選擇前兩軸轉向或全輪轉向；第2層由控制單元協調并進行控制算法運算；第3層由控制單元輸出電磁閥控制信號驅動助力缸移動；第4層由助力缸驅動擺臂，助力缸動力來源于發動機驅動的液壓泵；第5層由轉向搖臂通過轉向傳動機構使車輪轉動。

2 全輪轉向車輛數學模型

考慮多軸車輛簧載質量側傾運動對車輛轉向的影響，建立包含側傾自由度的車輛三自由度等效力學模型，如圖2。

圖2 全輪轉向車輛三自由度模型

圖2中，Q點為過車輛質心與側傾軸線的交點，以該點為原點，得到固定于簧載質量的坐標系Q-x′-y′-z′和固定于非簧載質量的坐標系Q-x-y-z。根據拉格朗日方程可推導出車輛三自由度動力學方程，如式(1)：

(1)

式中：m為車輛總質量；ms為車輛簧載質量；e0為車輛簧載質量質心到側傾軸線的距離；li(i=1～3)為車輛質心到第i軸的距離；di(i=1～3)為單位車身側傾角引起的第i軸車輪側向偏移量；Iz為車輛繞z軸的轉動慣量；Ix為車身繞x軸的轉動慣量；Ixz為車身繞x軸和z軸的慣性積；φ為車身側傾角；Kφ為車身側傾角剛度；Cφ為車身側傾等效阻尼系數；Ki(i=1～3)為等效車輪剛度；vx，vy分別為車輛縱向和側向速度；wx，wz分別為車輛繞x軸和z軸的角速度。

由式(1)可推導出車輛各主要狀態參數的傳遞函數：

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：

wz1=(a12a33+a13a32)g2+(a13a22-a12a23)g3-

(a22a33+a23a32)g1，

wz2=(a12a36+a15a33-a13a35)g2+(a13a25-

a15a23)g3+(a23a35-a25a33-a22a36)g1，

wz3=(a12a37+a15a36)g2-(a22a37-a25a36)g1，

wz4=a15a37g2+a25a37g1，

a12a23a31+ a13a22a31，

a13a24a32+a13a25a31-a14a22a33-a14a23a32-a15a23a31，

n4=a12a15a37-a11a25a37+a12a24a37-a14a22a37-a14a25a36+a15a24a36n5=a15a24a37-a14a25a37，

β1=(a12a33-a23a31)g1+(a11a23-a12a13)g3+

(a13a31-a11a33)g2，

β2=(a12a36+a24a33-a23a34)g1+(a13a34-

a14a33-a11a36)g2+(a14a23-a13a24)g3，

β3=(a12a37+a24a36)g1-(a11a37+a14a36)g2，

β4=a24a37g1-a14a37g2，

wx1=(a12a32+a22a31)g1-(a11a32+a12a31)g2+

wx2=(a22a34+a24a32+a25a31-a12a35)g1+(a11a35-a12a34-a15a31-a14a32)g2+(a12a15+a12a24-a11a25-

a14a22)g3，

wx3=(a25a34-a24a35)g1+(a14a35-a15a34)g2+

(a15a24-a14a25)g3，

φ2=a12a15g3-a12a35g1-a11a25g3+a11a35g2+

a12a24g3-a12a34g2-a14a22g3-a14a32g2-a15a31g2+

a22a34g1+a24a32g1+a25a31g1，

φ3=a14a35g2-a14a25g3+a15a24g3-a15a34g2-

a24a35g1+a25a34g1，

a31=Ixz,a32=mse0u,a33=Ix,a34=mse0u-

3 全輪轉向系統控制

考慮到多軸車輛轉向行駛過程中，車輪載荷和外界環境的變化都會對車輪剛度產生影響，車輛控制模型很難表達出這種影響，這導致了通常采用的零側偏角比例控制難以實現預期的控制目標。因此，筆者采用零側偏角比例前饋和模糊控制反饋的方法對車輛全輪轉向進行控制，以達到全輪轉向車輛的環境適應能力。

3.1 零側偏角比例前饋

零側偏角比例控制以質心零側偏角為控制目標，由車輛穩態轉向二自由度數學模型可得車輛轉向中心到第1軸的距離Li：

(6)

假設δi=Kiδ1，由車輛全輪轉向阿克曼定理可得車輛各軸車輪轉角的轉角比例Ki：

(7)

3.2 模糊控制反饋

模糊反饋控制設計主要包含3個方面：輸入輸出量選擇，論域確定，模糊規則確定。為實現質心側偏角為零的目標，選擇質心側偏角誤差e和誤差變化率ec為輸入變量，后兩軸車輪轉角比例K1、K2為輸出變量。通常質心側向側偏角偏差和偏差變化率的范圍為[-0.02,0.02]，[-0.3,0.3]；輸入輸出比例系數范圍為[-1,1]，以其變化范圍作為模糊控制的基本論域。模糊控制的輸入和輸出語言均選擇7個：負大(NM)、負中(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。

模糊規則的確定主要依據以下4點：①當質心側偏角偏差和偏差變化率符號同為正時，車輪反向偏轉，快速向目標轉角接近，此時控制K2減小，增加車輛響應速度，同理，當兩者符號同為負時，控制K2增大；②當質心側偏角偏差為0時，偏差變化率為負或為正，則增大或減小K2以消除誤差；③當質心側偏角和偏差變化率符號一正一負時，后輪轉角比例K2與誤差變化率同號；④當K2增大時，車輛為高速，此時δ1>δ2>δ3，當K2減小時，車輛為低速，此時δ1>δ3>δ2。基于以上分析，可建立K2，K1的模糊規則，如表1、表2。

表1 K2模糊規則

表2 K1模糊規則

3.3 全輪轉向車輛仿真分析

分別選取車速為20，80 km/h，前輪轉角為3°角階躍輸入，觀察車輛質心側偏角β、橫擺角速度ω、車身側傾角φ、車身側傾角速度p的變化情況，并與原雙前橋轉向進行比較。

1)由圖3可知：車輛在20，80 km/h時，全輪轉向車輛質心側偏角都基本保持為0，實現了預期的控制目標。同時，當車輛為80 km/h時，雙前橋轉向車輛質心側偏角出現了負值，這是由于車速提高后，車輛向心加速度增加，不足轉向度減小，車輛中后軸質心側偏角的絕對值增加，方向為負，進而導致了整車質心側偏角為負。仿真結果同時表明：模糊控制全輪轉向能夠抑制整車質心側偏角的負向變化，減少車輛側滑幾率。

圖3 質心側偏角響應情況對比

2)由圖4可知：車輛在20 km/h時，全輪轉向車輛橫擺角速度較大，有利于車輛的低速機動；而在80 km/h時，全輪轉向車輛橫擺角速度較小，這使得車輛高速的不足轉向度增加，穩定性增強。對于普通雙前橋轉向車輛，當車速增加后，車輛的橫擺角速度也出現了增加的情況，這將極易導致車輛高速側滑、側翻狀況的出現。

圖4 質心橫擺角速度響應情況對比

3)由圖5可知：車輛在20，80 km/h時，全輪轉向車輛和雙前橋轉向車輛仿真開始5 s后，側傾角都能基本保持為0，且高速時側傾角超調量相對較小，進入穩態所需要的時間短，有利于車輛的高速穩定性。80 km/h時，雙前橋轉向車輛的側傾角波動較大，達到穩定所需時間長，不利于車輛的高速穩定。

圖5 側傾角響應情況對比

4)由圖6可知：車輛在20，80 km/h時，全輪轉向車輛的側傾角速度穩態值都較小，車輛穩定性好。而普通的雙前橋轉向車輛，始終都保持較大的側傾角速度，這對于車輛轉向行駛是不利的。

圖6 側傾角速度響應情況對比

4 結 語

基于某型三軸車輛底盤，設計了一套電控液壓式全輪轉向系統，系統以原車結構為基礎，對全輪轉向系統的實現方案進行了詳細闡述。建立了三軸全輪轉向車輛數學模型，設計了零側偏角比例前饋和模糊控制反饋的全輪轉向控制器，并進行了對比仿真分析。結果表明：所設計的模糊反饋控制能夠降低車輛側滑幾率，提高車輛的低速機動性和高速操縱穩定性。

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Design and Control of Electro-Hydraulic All-Wheel Steering System of Three-Axle Vehicle

Yuan Lei, Liu Xixia, Liu Weiping, Jin Yi

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Aiming at the problem of bad maneuverability at low speed and poor stability at high speed for an all-wheel steering three-axle vehicle, a set of electric hydraulic all wheel steering system was designed by the study on the steering system of the original vehicle. Aiming at the problem of the design of all-wheel steering controller, the 3-DOF mathematical model was established, the proportional feed forward and fuzzy control feedback controller were designed. The three degree step of front wheel angle was selected at the speed of 20 and 80 km/h, for comparison study on the simulation result for the double front axle steering vehicle and the all-wheel steering vehicle. The results show that the all-wheel steering controller can improve the response characteristics of the vehicle state parameters, reduce the vehicle sideslip rate, and improve the low-speed maneuverability and high-speed handling and stability of vehicle.

vehicle engineering; three-axle vehicle; all-wheel steering; mathematic model; fuzzy control

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.28

2014-03-10；

2014-12-01

國家自然科學基金項目(51305457)

袁 磊(1990—)，男，云南宣威人，博士，主要從事車輛總體技術方面的研究。E-mail: yuanlei-scut@outlook.com。

U463.4

A

1674-0696(2015)03-142-04