側面叉車線控液壓轉向系統的設計與仿真

陶 平，吳洪明，唐 文，李 磊

（1.武漢科技大學，武漢 430081；2. 武漢理工大學，武漢 430080）

側面叉車線控液壓轉向系統的設計與仿真

陶 平1，吳洪明2，唐 文1，李 磊2

（1.武漢科技大學，武漢 430081；2. 武漢理工大學，武漢 430080）

隨著線控轉向技術的發展，線控轉向技術與液壓技術結合的線控液壓轉向系統將改善車輛的轉向性能。針對側面叉車的行駛特點，設計了側面叉車的線控液壓轉向系統，在分析系統工作原理基礎上，建立了轉向系統數學模型；提出了模糊PID控制策略，利用AMESim和Simulink對系統進行聯合仿真，仿真分析結果表明，采用模糊控制系統的動態響應性能有明顯提高，抗外部干擾能力加強，轉角的跟隨性較好，轉向系統的響應速度達到了車輛實際的要求，為線控液壓轉向技術在叉車上的推廣應用提供理論指導。

線控技術；液壓轉向系統；模糊控制；系統仿真

0 引言

側面叉車屬于低速行駛車輛，需要在狹窄空間內頻繁轉向，由于側面叉車車身較長，轉彎半徑大，轉向通常不靈活。為了減小側面叉車的轉彎半徑，提高車輛轉向操作的靈活性和行駛穩定性，需要在轉向系統上進行改進。穆希輝等人[1]對全向行駛防爆側面叉車關鍵技術進行了研究；張青林等人[2]針對叉車低速、轉向頻繁和轉向性能要求高的特點，提出一種叉車轉向輪轉角模糊控制策略；方桂花等人[3]對工程車輛的線控液壓轉向系統進行了動態特性研究。線控液壓轉向系統是將線控轉向技術和全液壓轉向系統相結合，具有穩定性好、控制精度高等優點。目前線控轉向技術研究的主要對象是乘用車，對工程車輛的研究較少，本文以側面叉車為研究對象，針對其轉向需求，設計了側面叉車的線控液壓轉向系統，并建模仿真分析，對其系統的動態特性進行了分析，為線控液壓轉向系統在叉車上的推廣應用提供理論指導。

1 線控液壓轉向系統工作原理與數學模型

如圖1所示，為線控液壓轉向系統工作原理圖，轉向盤的轉動信號（方向盤轉角）和車速傳送給電子控制單元（ECU），按照相應的控制策略和控制目標，ECU進行相關運算和處理，把轉角信號轉換成電壓信號，驅動電液比例換向閥的閥芯產生位移，從而輸出相應的流量，驅使液壓缸的閥芯運動產生位移，推動齒輪齒條機構運動，從而實現車輪轉向[4]。轉角傳感器反饋當前車輪實際偏轉角度，系統將車輪實際偏轉角度與方向盤轉角比較計算出兩者的角度偏差，并轉化為電信號傳送到比例放大器，獲取功率放大后的電壓信號，從而達到閉環控制。

圖1 線控液壓轉向系統工作原理

由圖1可知，該系統即是一個比例閥控閉環位置控制系統，系統由比較元件、控制器、比例電磁閥、齒輪齒條擺動液壓缸、車輪、轉角傳感器及液壓泵等組成。通過對系統中各模塊進行分析計算，得到各模塊的傳遞函數[5,6]，從而獲得液壓轉向系統的數學模型方框圖如圖2所示。

圖2 液壓轉向系統的數學模型方框圖

2 線控液壓轉向系統模糊控制器的設計

為保證系統的穩定性及準確性，提高系統對外界不確定因素及外負載的抗干擾能力，我們采用模糊控制算法。其控制原理[7]是將執行裝置實時輸出偏差e以及輸出偏差變化率ec當作控制系統輸入，針對不同時間不同e和ec依據模糊推理及其規則表實時完成PID參數Kp、Ti、Tp的在線修正。常規的PID調節器在獲取新的整定參數后，對液壓轉向系統輸出相應控制量。

2.1 輸入、輸出變量及隸屬函數確定

以轉向輪上轉角傳感器的實際輸出電壓信號與理想值之間的角度誤差e及其誤差變化率ec作為模糊控制部分的輸入，而把PID控制器的修正參數ΔKp、ΔKi、ΔKd為輸出量。系統的輸入e、ec以及修正參數Δp、ΔKi、ΔKd的模糊論域均定義為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，其模糊子集定義為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。根據前期對系統的PID參數的整定及控制經驗，確定e、ec以及PID調節參數的精確論域如下：e、ec的精確論域分別為：[-5，5]， [-2，2]；修正參數ΔKp、ΔKi、ΔKd的精確論域分別為：[-0.06，0.06]，[-3，3]，[-0.0012，0.0012]。由以上各輸入、輸出變量的模糊、精確論域可計算出對應變量的量化因子，如表1所示。

考慮到側面叉車轉向控制系統具有有較高的控制靈敏度，其隸屬函數的選定：對應前面設定的模糊子集，負大（NB）選用Z形函數，正大（PB）采用S形函數，其余五個模糊子集均選用三角形函數。

2.2 控制規則確定

要達到模糊推理規則對PID參數進行實時修正的目的，其規則依據是[8]：當輸出偏差e較大時，應增加Kp值來提高系統的響應速度，減小Kd以防止其發生過飽和情況，定義Ki為0以規避出現明顯的超調量。當輸出偏差e適中時，應降低Kp值確保超調量變小，同時適當選取Ki和Kd的值使其獲得較好的響應速度。當系統偏差e較小時，適當增加Kp，減小Ki值，使轉向系統獲得較好的穩定性能，并在偏差變化率ec較大時為防止轉向系統出現明顯震蕩，減小Kd的值，反之則增加該值。

根據工程實際經驗及上述規則依據，經過反復實驗修正和不斷調試，得出ΔKp、ΔKi、ΔKd整定的模糊規則表如表2所示。按此規則表可得到參數ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊值，由加權平均法[9]清晰化運算，得到ΔKp、ΔKi、ΔKd的清晰值，從而獲得PID參數修正后的結果值Kp、Ki、Kd。

2.3 控制器的性能仿真分析

用Simulink搭建液壓轉向系統模糊控制的仿真模型圖如圖3所示，將側面叉車的模型參數帶入，同時進行常規PID控制仿真和模糊PID控制仿真，得到二者的仿真結果，分析比較得知，加入模糊PID控制器，系統的調整的時間從0.410秒降到了0.195秒，動態響應性能有了明顯提高，基本上沒有超調和震蕩；在抗外負載干擾能力方面，模糊PID控制對外部干擾的抵抗能力較強，能夠在更短時間內恢復到穩定狀態。

表1 模糊PID控制論域參數對照表

表2 輸出參數ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊規則表

圖3 模糊PID控制器的仿真模型

3 液壓轉向系統的聯合仿真

AMESim軟件是多學科復雜系統的建模仿真平臺，用AMESim可以進行液壓系統和各元件的仿真研究[10]。為了提高系統仿真模型的可信度，先對系統中各關鍵元件如比例電磁閥、恒壓變量泵、擺動液壓缸等模型進行研究和測試，最后將各子模型封裝，得到系統的聯合仿真模型圖如圖4所示。

圖4 液壓系統的聯合仿真模型

將方向盤轉角作為輸入量，以0～90°的斜坡輸入，進行仿真得到轉向輪轉角及其跟蹤誤差，液壓缸的壓力、流量及輸出扭矩隨時間的變化情況，如圖5所示。

從圖5看出，轉向輪的實際轉角相對給定的輸入轉角跟蹤性較好，在穩態時的轉角誤差約為0.772°，表明該系統的控制精度較高，轉角誤差率為0.86%，滿足單個轉向輪實際轉角與理論轉角相對誤差不超過2%的要求；由于機械慣性和電磁慣性的作用，轉向開始階段有0.1s的延遲，在一定程度上能夠避免轉向響應過快。

圖5 轉向輪轉角及跟蹤誤差

圖6 是齒輪齒條擺動液壓缸兩腔的壓力和輸出扭矩的變化情況，液壓缸的壓力由于比例方向閥的開啟出現波動，最終穩定在8.4MPa和1.8MPa，其壓差與不考慮機械效率時靜態計算結果一致。

圖6 液壓缸壓力及輸出扭矩

圖7 為液壓缸輸入流量的曲線，在啟動階段，由于壓力的波動，流量波動較大，然后穩定在3.56L/min，與靜態計算的結果非常接近。

圖7 液壓缸流量曲線

4 結論

本文以側面叉車為研究對象，對其線控液壓轉向系統進行了仿真分析，分析表明采用模糊控制，系統的動態響應性能有明顯提高，外部干擾的抵抗能力較強。用AMESim進行液壓系統的聯合仿真結果表明，轉角的跟隨性較好，轉向系統的響應速度達到了工程實際的要求。

[1] 穆希輝.全向行駛防爆側面叉車關鍵技術研究[A].物流工程高峰論壇論文集[C].2010.

[2] 張青林.叉車線控轉向系統轉向輪轉角模糊控制策略研究[J].化工自動化及儀表,2015(8):134-136.

[3] 方桂花.工程車輛轉向系統動態特性研究[J].機械設計與制造,2016(2):91-93.

[4] 朱智超,田麗娟.線控四輪轉向系統的研究綜述及技術總結[J].汽車技術,2012(5/6):7-12.

[5] 李磊.電動全向行駛側面叉車轉向方式的性能分析研究[D].武漢:武漢理工大學,2015.

[6] 陳永清,基于Simulink的液壓閉環位置控制系統建模與仿真[J].機床與液壓,2013(21):138-142.

[7] 張傳紅.電動助力轉向系統模糊控制算法研究[J].裝備制造技術,2014(2):33-35.

[8] 田福潤,宋子巍.工程車轉向模糊PID電液比例控制系統的設計[J].液壓與氣動,2011(7):32-34.

[9] 張國良.模糊控制及Matlab應用[M].西安:西安交通大學出版社,2002.

[10] 田樹軍,胡全義.液壓系統動態特性數字仿真[M].大連:大連理工大學出版社,2012.

Design and simulation for hydraulic steering by-wire system of side forklift

TAO Ping1, WU Hong-ming2, TANG Wen1, LI Lei2

TH16

：A

1009-0134(2017)06-0023-04

2017-02-23

湖北省自然科學基金（2014CFA013）

陶平（1964 -），女，武漢人，副教授，碩士，研究方向為機電控制技術、機械設計及理論。