平衡重式叉車側(cè)傾分級控制及仿真研究

平衡重式叉車側(cè)傾分級控制及仿真研究

平衡重量車的行駛和駕駛條件復(fù)雜，工作環(huán)境差，側(cè)翻事故頻發(fā)，容易造成生命和財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)中國工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),截至2015年底,中國工程機(jī)械主要產(chǎn)品保有量為(663~718)×10目前國內(nèi)外工程車輛橫向穩(wěn)定性研究還處于起步階段,大部分工程車輛還沒有裝備橫向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)產(chǎn)品,安全性較低。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)和優(yōu)化了重型半掛車主動(dòng)懸架系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)平順性控制和主動(dòng)防側(cè)傾控制;其中,平順性控制系統(tǒng)采用改進(jìn)的天棚阻尼MSD控制,使車輛的振動(dòng)均方根(rootmeansquare,RMS)值降低,而主動(dòng)防側(cè)傾控制系統(tǒng)采用側(cè)向加速度反饋控制,能保證進(jìn)行穩(wěn)態(tài)圓周試驗(yàn)中試驗(yàn)車的側(cè)傾角保持在2.5°以下。文獻(xiàn)[2-3]對重型半掛車后軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),實(shí)施全工況路徑跟隨轉(zhuǎn)向控制策略,使得車輛低速行駛時(shí)的機(jī)動(dòng)性得到提升,輪胎和道路的磨損也相應(yīng)減少,而高速行駛時(shí)車輛的操縱穩(wěn)定性也得到提高。文獻(xiàn)[4]利用主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)并設(shè)計(jì)魯棒控制器來進(jìn)行車輛主動(dòng)防側(cè)傾研究,在現(xiàn)有轉(zhuǎn)向角輸入時(shí),保持橫向載荷轉(zhuǎn)移率(lateral-loadtransferratio,LTR)低于某特定水平。文獻(xiàn)[5]開展了利用主動(dòng)懸架進(jìn)行重型車輛主動(dòng)防傾翻的研究,通過主動(dòng)懸架對車輛進(jìn)行控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防傾翻控制,并對自行研制的試驗(yàn)車進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn),驗(yàn)證了該主動(dòng)懸架防傾翻控制系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)[6]分析了鉸接轉(zhuǎn)向車輛在轉(zhuǎn)彎、越障以及斜坡路面上的失穩(wěn)機(jī)理,提出了主動(dòng)制動(dòng)、主動(dòng)轉(zhuǎn)向和擺動(dòng)橋調(diào)整的防傾翻聯(lián)合控制辦法,通過電液比例壓力控制系統(tǒng)控制擺動(dòng)橋主動(dòng)調(diào)整。文獻(xiàn)[7]基于全局增度控制方法,設(shè)計(jì)了全狀態(tài)反饋控制器,仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該方法能有效提高重型車輛的橫向穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于橫擺角速度反饋的穩(wěn)定性控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由單輪制動(dòng)力PID控制器和四輪制動(dòng)邏輯控制器組成,并結(jié)合防抱死剎車系統(tǒng)的輪胎滑移率控制,有效防止車輛失穩(wěn)。文獻(xiàn)[9]提出了一種利用主動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)汽車防傾翻的控制方法,在八自由度汽車動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,運(yùn)用主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方式進(jìn)行了汽車的性能仿真分析,結(jié)果表明,采用主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)改變轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度,可以有效地減小汽車側(cè)向加速度,提升防傾翻能力。本文在汽車和其他工程車輛防側(cè)傾技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合平衡重式叉車的自身特點(diǎn),設(shè)計(jì)了叉車液壓支承調(diào)整機(jī)構(gòu);根據(jù)叉車側(cè)傾程度,將叉車側(cè)傾姿態(tài)進(jìn)行分級,并針對不同側(cè)傾姿態(tài)采取不同的控制方法,實(shí)現(xiàn)叉車側(cè)傾姿態(tài)調(diào)整,降低叉車傾翻可能性,提高叉車橫向穩(wěn)定性和主動(dòng)安全性。1平衡重式叉車的抗側(cè)傾能力平衡重式叉車按照支承平面方式劃分,主要有四輪式(四點(diǎn)支承式)和三輪式(三點(diǎn)支承式)2種,合力3t叉車主要是四輪式,如圖1所示。四輪支承式叉車一般前橋?yàn)轵?qū)動(dòng)橋,后橋?yàn)檗D(zhuǎn)向橋,后橋常使用單點(diǎn)鉸接方式與車架連接,并可以繞鉸接點(diǎn)作上下擺動(dòng),一般擺動(dòng)角度在2°~3°。由于鉸接,使叉車支承平面為ABE平面,后橋與車架的鉸接點(diǎn)為E,將ABF平面稱為行駛平面,ABE平面稱為支承平面。支承平面與行駛平面不重合產(chǎn)生的夾角γ稱為支承平面傾角(或稱升角),一般γ為8°~13°,而采用8°~10°的叉車居多。由于存在支承平面傾角,叉車在縱向傾翻時(shí)傾翻軸線為AB,在橫向傾翻時(shí)傾翻軸線為AE或BE。四輪平衡重式叉車前部配有裝卸貨物的工作裝置,前輪為驅(qū)動(dòng)輪并帶有制動(dòng)器,后輪為轉(zhuǎn)向輪,采用雙梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。為使叉車獲得較小的轉(zhuǎn)彎半徑,內(nèi)輪最大轉(zhuǎn)角約為78°,外輪最大轉(zhuǎn)角約為54°。轉(zhuǎn)向橋中部鉸接點(diǎn)E與車架連接,車架可通過鉸接點(diǎn)相對轉(zhuǎn)向橋進(jìn)行左、右擺動(dòng)。叉車的這種鉸鏈連接方式,雖然提高了叉車作業(yè)的靈活性以及通過凹、凸路面時(shí)車體的平穩(wěn)性,但是由于車架擺動(dòng),使叉車支撐平面ABE與行駛平面ABF不重合,轉(zhuǎn)彎時(shí)叉車易受離心力影響而發(fā)生橫向失穩(wěn)叉車發(fā)生側(cè)傾時(shí),車身會(huì)有一定的側(cè)傾角度,會(huì)引起乘員不舒服、疲勞的感覺,損壞所運(yùn)貨物;當(dāng)側(cè)傾程度進(jìn)一步加深,叉車可能沿前輪外側(cè)接地點(diǎn)與轉(zhuǎn)向橋鉸接軸中心的連線即AE或BE發(fā)生傾翻,直至車身側(cè)傾角達(dá)到3°時(shí),會(huì)被限位塊鎖止而不能繼續(xù)相對擺動(dòng);若側(cè)傾程度繼續(xù)惡化,叉車將會(huì)沿著前、后輪接地中心連線即AD或BC發(fā)生傾翻,危及乘員生命安全,造成運(yùn)載貨物損毀。因此,對叉車進(jìn)行橫向穩(wěn)定性的有效控制具有重大意義。2液壓油缸壓力控制因?yàn)椴孳囓嚿韨?cè)傾角比較直觀地體現(xiàn)了叉車傾翻的程度,所以按其不同大小對叉車側(cè)傾姿態(tài)進(jìn)行分級,控制流程如圖2所示。首先根據(jù)叉車傳感器獲得車身側(cè)傾角數(shù)據(jù),當(dāng)側(cè)傾角比較小時(shí),車身相對后橋擺動(dòng)幅度較小,初步選取側(cè)傾角1°作為臨界狀態(tài)。側(cè)傾角不大于1°時(shí),將側(cè)傾姿態(tài)評為一級側(cè)傾,此時(shí)為減小乘員的不適感和防止貨物損壞,需要對叉車進(jìn)行平順性控制。為了有效實(shí)現(xiàn)平順性控制,利用所設(shè)計(jì)的液壓支承調(diào)整機(jī)構(gòu),通過液壓油缸壓力調(diào)整來抑制甚至鎖止車身與后橋的相對擺動(dòng)。建立以車身側(cè)傾角和橫擺角速度為輸入、液壓支承調(diào)整機(jī)構(gòu)的液壓油缸壓力為輸出的二維模糊控制器,通過油缸壓力的反饋控制,實(shí)時(shí)地給車身以側(cè)傾反方向壓力,從而緩解側(cè)傾程度,維持叉車穩(wěn)定。當(dāng)車身側(cè)傾角大于1°時(shí),叉車側(cè)傾程度加大,將這種側(cè)傾姿態(tài)評為二級側(cè)傾。此時(shí)為了防止叉車側(cè)傾姿態(tài)繼續(xù)惡化以至達(dá)到翻車臨界狀態(tài),需要實(shí)施主動(dòng)防側(cè)傾控制。通過改變控制液壓油缸壓力使液壓油缸活塞向車身側(cè)傾反向移動(dòng),活塞位移動(dòng)態(tài)變化可以實(shí)時(shí)地阻止側(cè)傾姿態(tài)嚴(yán)重化,在側(cè)傾角達(dá)到最大值3°時(shí),油缸機(jī)構(gòu)起到支撐車身作用,鎖止車身與后橋的相對擺動(dòng)。二級側(cè)傾姿態(tài)下,可以選用車身側(cè)傾角和橫擺角速度作為輸入變量、液壓支承調(diào)整機(jī)構(gòu)的液壓油缸壓力作為輸出變量,建立模糊控制器。為了使模糊控制具備適應(yīng)控制對象實(shí)時(shí)變化的能力,進(jìn)一步提高控制精度、改善控制效果,可以將變論域模糊控制理論應(yīng)用于該雙輸入、單輸出的模糊控制器。3虛擬車身模型的構(gòu)建3.1動(dòng)連桿機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型叉車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向橋體、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、連桿和轉(zhuǎn)向液壓缸等組成,如圖3所示。圖3是一組六連桿機(jī)構(gòu),其中轉(zhuǎn)向橋體和轉(zhuǎn)向油缸固定。通過油缸活塞的左右移動(dòng)帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng),連桿再帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)臂使車輪左右擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。利用ADAMS建立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型后,仿真運(yùn)行內(nèi)、外轉(zhuǎn)角達(dá)不到要求,需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理論研究和實(shí)際需要,叉車轉(zhuǎn)向時(shí),為保證車輪作純滾動(dòng),需滿足如下關(guān)系式:其中,α為外轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角;β為內(nèi)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角。以β為實(shí)際運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角,α通過ADAMS參數(shù)化優(yōu)化后,得到誤差的優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,多次優(yōu)化之后,轉(zhuǎn)角誤差接近于0,最終ADAMS中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡圖如圖5所示。3.2使用proe進(jìn)行建模并進(jìn)行仿真運(yùn)行根據(jù)合力3t叉車數(shù)據(jù),調(diào)用Fiala輪胎模型,前、后輪型號分別為28X9-1512PR、6.50-10-10PR,如圖6所示。對于車身和舉升機(jī)構(gòu),利用ProE進(jìn)行三維建模,再導(dǎo)入ADAMS中添加需要的約束和力。需要注意的是,車身和驅(qū)動(dòng)橋是固連的,但是和轉(zhuǎn)向橋有相對擺動(dòng),傾角最大3°,本文通過在車身和轉(zhuǎn)向橋之間添加一個(gè)鉸鏈約束來實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行的相對擺動(dòng)。簡化的的整車模型如圖7所示。3.3液壓承接調(diào)整機(jī)構(gòu)平衡重式叉車載重時(shí)發(fā)生側(cè)傾所需側(cè)向支承力很大,如果采用傳統(tǒng)垂直支承油缸實(shí)現(xiàn)叉車側(cè)傾調(diào)整,那么不僅液壓支承油缸的體積、制造成本大幅增加,而且由于車架與車橋之間的安裝空間有限,需考慮機(jī)構(gòu)的安裝空間、制造成本等因素,因此本文主要設(shè)計(jì)平衡重式叉車的液壓支承調(diào)整機(jī)構(gòu)。采用三連桿AC、BC、DC設(shè)計(jì)液壓支承調(diào)整機(jī)構(gòu),如圖8所示,A點(diǎn)和B點(diǎn)均與車身鉸接,D點(diǎn)與轉(zhuǎn)向橋鉸接,三連桿AC、BC、DC在C點(diǎn)鉸接,G點(diǎn)即為車身與后橋的鉸接點(diǎn)。其中連桿AC采用橫置的液壓油缸代替,當(dāng)AC處液壓油缸壓力為0時(shí),整個(gè)機(jī)構(gòu)處于自由狀態(tài)。若車身向右側(cè)側(cè)傾,側(cè)傾力通過桿BC傳遞到桿CD和AC處液壓油缸,使∠BCD減小,液壓油缸活塞向左推動(dòng),此時(shí)若主動(dòng)控制液壓油缸壓力增加,使活塞向右推動(dòng),壓力傳遞到桿BC,起到支承車身的作用,緩解甚至阻止側(cè)傾。在階躍工況下對整車進(jìn)行仿真。建立液壓支承調(diào)整機(jī)構(gòu)之前,在車速接近3.5m/s時(shí),內(nèi)、外轉(zhuǎn)角分別在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過50°、35°,可以看到叉車整個(gè)傾翻了,車身側(cè)傾角如圖9a所示;添加了液壓支承調(diào)整機(jī)構(gòu)后,在相同的條件下進(jìn)行仿真,給油缸的活塞添加一個(gè)驅(qū)動(dòng),令其在29s時(shí)向側(cè)傾相反方向移動(dòng)1mm,仿真結(jié)果顯示,叉車不再傾翻,側(cè)身側(cè)傾角如圖9b所示。由2次仿真結(jié)果可以看出,本文設(shè)計(jì)的液壓支承調(diào)整機(jī)構(gòu)對于防止側(cè)傾有明顯的作用,該機(jī)構(gòu)可以用作側(cè)傾分級控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。4側(cè)傾斜控制單元的設(shè)計(jì)4.1金屬離子檢測因?yàn)椴孳噦?cè)傾時(shí)向左側(cè)傾和向右側(cè)傾的情況一致,所以本文以一側(cè)側(cè)傾情況為例進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。以車身側(cè)傾角和橫擺角速度作為輸入變量,液壓支承調(diào)整機(jī)構(gòu)油缸壓力作為輸出變量。車身側(cè)傾角θ的變化范圍為0°~1°,論域?yàn)閇0,1],模糊語言取{S,M,B},隸屬度函數(shù)取三角形隸屬度函數(shù),如圖10a所示,量化因子=1/1=1。橫擺角速度ω在總結(jié)專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合多工況下仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,建立一級側(cè)傾模糊規(guī)則,見表1所列。利用Matlab/Simulink提供的模糊工具箱建立了模糊控制器,其界面如圖11所示。4.2變論域模糊控制思想本文對于二級側(cè)傾采用變論域模糊控制方法。變論域模糊控制是近年興起的一種自適應(yīng)模糊控制方法,其原理是在保持模糊規(guī)則不變的前提下,輸入、輸出控制量論域分別隨著誤差的減小或增大相應(yīng)地收縮或膨脹,使控制具備適應(yīng)控制對象實(shí)時(shí)變化的能力,因此能不斷地在更精確的局部區(qū)域內(nèi)逼近理想控制輸出,克服了模糊控制精度不高或控制規(guī)則過多造成的運(yùn)算時(shí)間過長的缺點(diǎn),從而改善控制效果。設(shè)輸入變量為誤差x,初始論域?yàn)閇-E,E](E為實(shí)數(shù)),誤差隨著控制過程的進(jìn)行不斷減小,靠向零位(ZE),此時(shí)論域[-E,E]對于縮小后的誤差來說是偏大的,若繼續(xù)用原來的論域和模糊劃分進(jìn)行推理,控制結(jié)果的精度必然不高,因此本文提出一種變論域模糊控制的思想,即在模糊控制規(guī)則形式不變的前提下,其論域隨著誤差減小而收縮,隨著誤差增大而膨脹以車身側(cè)傾角和橫擺角速度作為輸入變量,液壓支承調(diào)整機(jī)構(gòu)油缸壓力作為輸出變量。車身側(cè)傾角θ的變化范圍為1°~3°,論域?yàn)閇0,1],模糊語言取{VS,S,M,B,VB},隸屬度函數(shù)取三角形隸屬度函數(shù),量化因子=1/(3-1)=0.5。橫擺角速度ω在總結(jié)專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合多工況下仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,建立模糊規(guī)則,見表2所列。輸入變量的伸縮因子為:輸出變量的伸縮因子:變論域模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖14所示。根據(jù)上述變論域模糊控制理論和算法、輸入輸出變量的關(guān)系,在Matlab中利用Simulink提供的模塊進(jìn)行連接和封裝5叉車整車和液壓系統(tǒng)參數(shù)ADAMS軟件可以建立復(fù)雜的多體動(dòng)力學(xué)模型,但其控制工具箱相對較弱,不易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。因此本文采用Matlab/Simulink建立控制系統(tǒng),結(jié)合ADAMS進(jìn)行聯(lián)合仿真,解決了整車模型自由度過多和控制系統(tǒng)控制算法過于復(fù)雜等問題。通過ADAMS/Controls模塊將整車模型以非線性被控形式輸出至Simulink環(huán)境中,以子系統(tǒng)來表示,通過ADAMS/Controls提供的Matlab接口將ADAMS將ADAMS建模參數(shù)如下:(1)整車參數(shù)。軸距為1700mm;空載時(shí)前、后輪負(fù)荷分別為1760、2640N,滿載時(shí)前、后輪負(fù)荷分別為6500、900N;整車質(zhì)量為4369kg;前、后輪距分別為1000、970mm;空載時(shí)質(zhì)心水平位置、垂直位置分別為1012、702mm,滿載時(shí)質(zhì)心水平位置(距前橋中心)、垂直位置(距地面)分別為212、741mm。(2)輪胎參數(shù)。前、后輪胎型號分別為28X9-1512PR、6.50-10-10PR;自由半徑為355mm;斷面寬度為220mm;高寬比為3.23;滾動(dòng)阻力矩力臂為85mm。(3)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)。主銷距為810mm;轉(zhuǎn)向節(jié)臂長為107mm;轉(zhuǎn)向節(jié)臂初始角為58°;液壓缸外偏距為56.7mm;連桿長為95.2mm;左轉(zhuǎn)向輪最大內(nèi)、外轉(zhuǎn)角分別為78°、54°。(4)叉車門架及貨叉參數(shù)。傾斜液壓缸上鉸點(diǎn)與門架下鉸點(diǎn)的豎直距離為450mm;傾斜液壓缸下鉸點(diǎn)與門架下鉸點(diǎn)的水平距離為230mm;傾斜液壓缸下鉸點(diǎn)與門架下鉸點(diǎn)的豎直距離為530mm;外門架寬度為724mm;傾斜液壓缸上鉸點(diǎn)與門架質(zhì)心的水平距離為277mm;最大起升高度為3000mm;最小離地間隙(空載時(shí))為135mm;叉架與內(nèi)架重疊距離為350mm(475mm);內(nèi)外架重疊距離440mm(282.5mm);載荷中心距為500mm;貨叉長為1070mm;貨叉厚為45mm。本文根據(jù)EN16203—2012標(biāo)準(zhǔn)(平衡重式叉車動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn))的規(guī)定設(shè)b為叉車寬度;a為叉車軸距。圖17中跑道尺寸如下:lw根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN16203—2012第6.2條款,w使叉車從圖17中?區(qū)域開始加速,并以試驗(yàn)速度通過線1進(jìn)入通道?;在進(jìn)入操作區(qū)域?時(shí),快速且平穩(wěn)