基于SimHydraulics的電控液壓轉向系統(tǒng)仿真

沈文龍，汪東明，黃銀花，李萍（淮安信息職業(yè)技術學院汽車工程系，江蘇 淮安 223005）

基于SimHydraulics的電控液壓轉向系統(tǒng)仿真

沈文龍，汪東明，黃銀花，李萍
（淮安信息職業(yè)技術學院汽車工程系，江蘇 淮安 223005）

運用SimHydraulics工具對某型農業(yè)車輛改造后的電控液壓轉向系統(tǒng)進行了仿真研究，根據電控液壓轉向系統(tǒng)工作原理圖，調用工具中相應的液壓元件模型，建立仿真框圖。仿真結果驗證了系統(tǒng)的可行性和有效性，為實際研制提供了理論基礎；同時，該工具適用于車輛上液壓系統(tǒng)的快速建模仿真。

電控液壓；轉向系統(tǒng)；SimHydraulics；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.027

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-74-03

引言

車輛智能化已成為全球車輛工程領域的研究熱點，自主導航行駛作為其關鍵技術之一，受到各國研究者和相關機構的青睞。車輛自主導航行駛需要對原有的轉向機構進行改造，滿足自動控制的需求。農業(yè)車輛自主導航盡管起步較晚，但也取得了一定成果，農業(yè)車輛原有轉向機構多采用液力轉向，因此對其機構改造多通過添加電控液壓閥的方法［1］［2］。為了對改造后的轉向機構和轉向控制器參數、性能與可靠性等進行評估，電控液壓轉向系統(tǒng)仿真是必不可少的工作之一［3］。

液壓系統(tǒng)的仿真部分采用是根據其工作原理在Simulink等仿真軟件中建立數學模型的方法，但液壓系統(tǒng)及其元件具有復雜的非線性和時變性，得到較為精確的數學模型比較困難，必須對模型進行簡化，造成了簡化程度與精度之間的矛盾［4］。還有一部分使用AMESim等液壓專用仿真軟件，這些軟件具有豐富的模型庫和圖形化操作界面，但仿真控制策略的能力較弱［5］。也有部分研究者，將二者結合進行聯合仿真，但費時且使得仿真變得愈加復雜，不利于工程實際的運用［6］。SimHydraulics具有較完善的商品化液壓元件物理網絡模型，并且這些基礎元件模型還可重新組合創(chuàng)建新的液壓軟件模型，這些模型可根據液壓系統(tǒng)實際環(huán)境建模。通過sensor模塊和 source模塊可以便捷的引入控制策略，結合 SimM echanics引入機械部分，整個仿真過程全部在Simulink單一環(huán)境下進行[7]，直觀方便，非常有利于車輛上液壓系統(tǒng)部分的開發(fā)和仿真。

1、電控液壓轉向系統(tǒng)

本文所述所改造的電控液壓轉向系統(tǒng)基于某型農業(yè)車輛，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。其中元件1、2、4、5和6是車輛原有轉向機構，在原有轉向機構油泵2之后加裝兩位四通換向閥3起到切換油源流向作用，換向閥3通電工作后，油泵泵出的液力傳動油經過油濾7輸送給三位四通比例換向閥9，達到自動轉向的要求。控制器10根據上位機發(fā)出的期望轉角命令和角度傳感器11發(fā)出的實際轉角信號，計算控制量控制比例閥開口方向和大小將液壓油輸入轉向油缸6的左或右腔，推動前輪轉向。

液壓系統(tǒng)的油泵提供排量6.3L/min、工作壓力16MPa的恒流油源［8］；采用DBW10B1-52/3.15-6EG24N9K4型溢流閥，泄壓值設為 3.5Mpa；比例方向閥型號為 4WREE10E75-22/G24K31/A1V型；轉向油缸缸徑為50mm、桿徑為25mm；轉向輪為 5.00-15型農用車輪胎，連接管路為橡膠油管。上述元件的具體參數均詳細可查。

圖1　電控液壓轉向系統(tǒng)原理圖

2、建立仿真框圖

根據電控液壓轉向系統(tǒng)實際工作部分，使用 SimHyd raulics建立的仿真框圖如圖2所示。

圖2中油泵部分（Pump Unit）由系統(tǒng)壓力值設定由常量值（constant）和數字信號轉物理信號模塊（S-PS）構成，油泵（Idea Hydraulic Pressure Source）的進油口（T）連接由油箱（Hydraulic Reference）和液壓介質（Hydraulic Fluid）構成[6]，油泵出口（P）連接比例閥進油口，最終構成工作壓力為 16MPa的恒壓油源。通過溢流閥設定系統(tǒng)工作壓力為3.5MPa。

輪胎負載部分（Tire Load）由質量（M）、阻尼（TD）、摩擦力（TF）、剛度（SPR）和基點（MTR）等組成。輸入端連接在轉向油缸桿上，輸出端連載運動傳感器（Ideal Translational Motion Sensor）物理接入點（C端）上。運動傳感器將載有輪胎負載的油缸桿位移量通過位移輸出端（P）輸出至物理信號轉數字信號（PS-S），輸出到各部分示波器上。

圖2　電控液壓轉向系統(tǒng)仿真框圖

根據信號發(fā)生器（Signal Builder）發(fā)出的控制命令和運動傳感器的反饋通過加減器（Subtract）得出偏差值發(fā)送至轉向控制器，轉向控制器采用帶有死區(qū)的PD控制算法，因此控制器由死區(qū)（Dead Zone）和PD控制器（Controller），將轉向控制器計算出的控制量通過 S-PS轉換成物理控制信號輸入至比例閥驅動模塊（Propotional and Serco-Valve Actuator），繼而輸入至三位四通比例閥（4-Way Directional Valve）信號輸入口（S端），控制比例閥A、B出口。

通過上述閉環(huán)系統(tǒng)可以發(fā)現，前輪轉角和轉向油缸的位移量由直接關系，通過標定找出二者的函數關系 f(u)，建立位移——轉角轉換模塊，通過角度示波器（Angle）觀測仿真結果。電控液壓轉向系統(tǒng)仿真結果能否達到預期的工作狀態(tài)，取決于PD控制器死區(qū)值、P系數和D系數的確定。

3、電控液壓轉向系統(tǒng)的SimHydraulics仿真

在仿真框圖中輸入相應元件型號實際參數和標定關系函數，上位機輸入的期望轉角命令為10°，分別以無PD控制器和帶有死區(qū)的PD控制器進行仿真，通過示波器得到仿真結果如圖3所示。無PD控制器緊靠偏差值調節(jié)時，前輪轉角超調量過大，且出現了反復振蕩現象，不符合電控液壓轉向系統(tǒng)的要求。死區(qū)值為1.5°，反復選取P、D系數，當系數P 和D分別取0.25和0.01時，前輪快速達到期望轉角并保持穩(wěn)定，符合農業(yè)車輛轉向的需求。

圖3　電控液壓轉向系統(tǒng)的仿真結果

4、結論

電控液壓轉向系統(tǒng)具有轉向力矩大、響應快等優(yōu)點，非常適用于農業(yè)車輛。對其工況的仿真可以有效驗證方案的可行性和動態(tài)響應特征，大大縮短研制過程，為后期具體改裝提供良好的基礎。SimHydraulics仿真工具提供了一種“所見即所得”的方法，適用于車輛上液壓系統(tǒng)仿真，極大減輕研究人員的負擔。

[1] 陳文良.拖拉機自動駕駛轉向控制系統(tǒng)的研制[D].北京:中國農業(yè)大學,2006.

[2] 沈文龍,薛金林,張永.農業(yè)車輛電控液壓轉向系統(tǒng)的設計[J].湖南農業(yè)大學學報(自然科學版),2014(03):325-329.

[3] 李洪運,卓桂榮.基于 SimHydraulics的制動防抱死系統(tǒng)仿真分析[C].2010全國現代制造集成技術(CMIS)學術會議論文集.2010:330-340.

[4] 胡東,趙湘文,蔡旭.基于 SimHydraulics的兆瓦級風機液壓型變槳系統(tǒng)仿真[J].機床與液壓,2009(10):205-208.

[5] 鄭洪波,孫友松.基于 Simulink/SimHydraulics的液壓系統(tǒng)仿真[J].鍛壓裝備與制造技術,2010(06):31-34.

[6] 孟亞東,李長春,劉曉東,張金英.基于SimHydraulics的電液伺服系統(tǒng)實物仿真[J].系統(tǒng)仿真學報,2009,06:1596-1598+1601.

[7] 劉勛,劉玉,李新有.基于 Simhydraulics軟件的電液伺服系統(tǒng)仿真分析[J].機床與液壓,2009(10):236-237+240.

[8] 呂白.CBN型齒輪[EBOL]//http://wenku.baidu.com/view/f897190 303d8ce2f0066231a.html. 2011-01-17.

The SimulationofElectro-hydraulic SteeringSystem Based onSimHydraulics

Shen Wenlong, Wang Dongming, Huang Yinhua, Li Ping
（Depaetment of Automotive Engineering, Huai'an College of Information Technology, Jiangsu Huai'an 223005）

The electro-hydraulic steering system of agricultural vehicle was simulated by means of SimHydraulics toolbox. The electro-hydraulic steering system can be directly modeled and simulated using a representative library of hydraulic components built in SimHyadraulics. Simulation shows the electro-hydraulic steering system is feasible and effective. The simulation results provide the theories foundation for research and manufacture. AndSimHydraulics is suitable for the vehicle hydraulic system of rapid modeling and simulation.

Electro-hydraulic; Steeringsystem; SimHydraulics; Simulation

U463.4

A

1671-7988（2015）12-74-03

沈文龍，碩士研究生，就職于淮安信息職業(yè)技術學院汽車工程系，主要從事車輛電子研究。

江蘇省淮安市科技計劃專項資金科技創(chuàng)新平臺（HAP201411）。