履带车辆低速转向过程协调控制仿真研究

张林晖，韩 恺

(北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

履带车辆通过两侧履带速差实现转向，液压机械双流转向机构具有结构简单、工作效率高、无级转向等特点，广泛应用于农业机械用履带车辆以及军用履带车辆上.目前对采用液压机械转向系统的履带车辆的研究主要是系统参数匹配以及性能分析等方面［1-4］，在履带车辆转向控制研究方面，主要对象是采用静液压驱动转向以及采用电传动的履带车辆［5-7］，关于采用液压机械转向系统的履带车辆进行转向控制的研究很少，伍迪等［8］提出一种液压机械差速转向综合控制策略，以解决液压机械差速转向系统控制问题.而对于履带车辆在直驶-转向-直驶这一动态过程进行发动机协调控制研究未见相关报道.

针对采用液压机械转向机构的履带车辆在发动机怠速下起步，然后进行转向，再恢复直驶这一动态过程中容易出现的车辆转向困难，驾驶员意图实现差以及直驶与转向工况切换时车速扰动大等问题，通过协调控制发动机输出转矩，实现车辆低速平稳转向的目的，同时减轻驾驶员操作负担.

1 双流传动履带车辆转向分析

1.1 液压机械履带车辆转向原理

图1所示为某采用液压机械转向机构的履带车辆的动力传动简图，发动机输出功率经过联轴器传递至液力变矩器，液力变矩器涡轮连接分流机构，一路通过直驶变速机构连接至汇流行星排齿圈，另一路经转向变量泵、定量马达及其他元件组成的调速回路传递到汇流行星排的太阳轮，汇流行星排的行星架输出功率到两侧履带.由于左零轴与左侧太阳轮间同右零轴与右太阳轮间少一级齿轮传动(传动比相同)，当转向路开始工作时，左右两侧的太阳轮转速大小相同，方向相反，使得一侧履带加速，另一侧履带减速，实现速差转向.由于转向泵的排量可实现无级变化，所以可实现车辆在最小转向半径以上连续无级的转向半径.

图1 动力传动简图

1.2 履带车辆转向动力学分析

为了便于分析，假设:①履带车辆行驶在水平地面上;②两侧履带具有相同的横向载荷;③车辆履带在接触地面段内压力均匀分布;④两侧履带在车辆直线行走时具有相同的阻力;⑤不计履带的滑转和滑移;⑥车辆的几何中心与其重心重合.图2是履带车辆转向示意图，内侧履带减速，外侧履带加速，主动轮作用在履带上的力F1、F2用来克服转向时履带板纵向直驶时的滚动阻力FR1、FR2以及横向运动引起的横向阻力力矩Mμ.所研究的转向过程车速低，忽略离心力作用，其中内侧履带受到的制动力F1和外侧履带受到的牵引力F2的计算公式为［9］

式中:G为车辆重量;fR为滚动阻力系数;L为履带接地长;B为履带中心距;μ为转向阻力系数，可由最大转向阻力系数μmax求得，其经验公式:

式中:ρ是相对转向半径，其可由内、外侧履带卷绕速度n1、n2表示为

图2 履带车辆转向示意图

2 整车模型

在构建整车系统动力学模型时，利用面向对象的建模思想，按照动力传递方向模块化各子系统，分解为发动机、综合传动系统、负载系统.发动机采用 GT－power软件建立，传动及负载模型在Simulink下建立.

2.1 发动机模型

发动机为道依茨BFM增压中冷柴油机，发动机参数见表1.

表1 BFM1015基本参数

由于转向过程负载变化剧烈，发动机转速变化较大，属于典型的发动机动态过程，为了准确地反应发动机的动态特性，特别是“涡轮滞后”现象引起的发动机的输出转矩响应速度变化，采用GT-power软件建立了详细的发动机模型，如图3，主要包括进排气管路、中冷器、涡轮增压器和气缸四部分.考虑发动机曲轴和涡轮增压器转子的真实转动惯量，因此能够反应发动机进排气管道的压力波动，从而体现出涡轮“迟滞”等现象，适合于动态仿真.而建立气缸模型的关键是确定各输入变量与容积效率、指示平均有效压力、排气温度和摩擦平均有效压力等四个参数之间的关系［10］.随着人工智能技术的成熟，人工神经网络技术在建立体现柴油机燃烧过程的MAP时，表现出其独特的优势，引入人工神经网络的方法来确定输入变量和上述四个参数的关系，进而获得构建发动机气缸模型所需要的MAP.

图3 发动机GT-power模型

2.2 传动模型及负载模型

传动模型根据传动参数利用Simulink中的Simscape工具箱建立.包括液力变矩器、三自由度定轴变速箱、齿轮传动以及转向液压调速回路系统，其中，变速箱主要由齿轮和液压换挡离合器组成，齿轮传动包括定轴齿轮和行星齿轮，考虑啮合效率以及阻尼.当不考虑转向泵排量控制机构时，转向液压调速回路原理图如图4，图中:1为双向变量泵，2为双向定量马达，3为补油泵，4和5为单向阀，6、7、8、10为溢流阀，9为冷却梭阀，11为油箱.

图4 转向容积调速回路原理图

2.3 负载模型

分为直驶阻力和转向阻力，由于主要对履带车辆低速运动过程进行研究，忽略空气阻力，履带车辆在直驶过程所受负载为内、外侧履带滚动阻力

转向阻力为上述转向动力学分析中内外侧履带所受阻力，通过检测内外侧主动轮转速计算得到瞬时相对转向半径，进而计算得到地面对两侧履带的作用力.

3 协调控制策略设计

3.1 控制策略

基于转矩的控制策略利用转矩作为各部件控制的标准接口，从整车层面对各部件进行管理和控制，可以有效提高车辆综合性能.同时，由于该策略具有良好的移植性和扩展性，将有效改善整车开发信息交叉耦合，标定过程重复等问题，缩短开发周期［11］.在履带车辆基于转矩的控制策略架构下开展研究，图5给出履带车辆基于转矩的控制策略架构.

图5 履带车辆基于转矩的控制策略架构

履带车辆从直驶切换到转向工况，再恢复到直驶工况，车辆所受的负载扰动大，借鉴利用前馈补偿来增强车速抗扰动性的思路［12］，提高车辆行驶平顺性.转向马达随变量泵机构输入的响应过程是一个动态过程，当综合考虑车速和车辆的盲区距离后，液压转向闭式回路的响应时间在0.5-1s之内［13］，所以当驾驶员操作方向盘后，车辆实现转向需要一定时间，此时加入转矩前馈环节，主动提高发动机转速，当车辆进入转向后，发动机输出转矩克服转向负载的能力提高.前馈转矩部分是对发动机负荷扰动进行估计并以进行补偿，但是由于负荷估计精度有限，单纯的前馈控制并不能完全抵消负荷扰动的影响，因此需要加入反馈转矩部分，如图6所示.为了进一步控制车速扰动，选择液力变矩器涡轮输出转速进行反馈控制，目标涡轮转速为由直驶切换到转向工况前的涡轮转速.但是此时存在发动机转速和涡轮转速两个PID互相作用，影响了控制效果，因此屏蔽转向过程发动机转速闭环控制，保留转向前发动机转速PID计算转矩作为基数，加上涡轮转速闭环控制转矩作为转向期间的发动机目标转矩，恢复到直驶后，再切换至发动机全程调速闭环控制，实现两个闭环控制的解耦.

图6 基于前馈-反馈的控制系统结构图

3.2 需求转矩计算

转矩前馈中需求转矩的计算对控制效果影响较大，对于双流传动履带车辆，转向过程发动机需求转矩可通过转向过程中地面对履带作用力经转向分路和变速分路反求得到.

转向过程中，经转向分路克服地面阻力所需的发动机转矩为

式中:rz为主动轮半径;VP为转向变量泵排量;VM为马达排量;izj为由发动机经转向分路到主动轮的传动比 (不包括液压机组传动比)，称为转向分路机械传动比;ηzz为由发动机经转向分路到主动轮的机械效率和液压机组机械效率之积，称为转向路总效率.ηx为循环效率，内侧履带功率回流至外侧履带过程中的效率

式中:ηh为汇流行星排效率;ηc为侧传动效率;ηxd为行动部分的效率

而变速分路的转向所需发动机扭矩

式中:ii为由发动机经变速分路到主动轮的传动比，即直驶时某挡位下的总传动比;ηbz为由发动机经变速分路到主动轮的效率，称为变速分路总效率;ηx为循环效率.

所以，转向时需要的发动机转矩

4 仿真验证

为了验证协调控制策略的正确性，对履带车辆在发动机怠速下起步后转向再恢复直驶过程进行仿真，变速箱保持在一挡，液力变矩器为解锁状态.通过改变液压转向泵排量系数实现车辆直驶和转向工况的切换.分为3种不同的仿真工况，保持泵排量系数随时间变化一致，变化曲线如图7所示，0－10s车辆完成起步并实现稳定车速直驶，10s时刻开始进入转向工况，经过1s泵排量系数到达最大排量系数的1/2，直到19s时刻，转向泵排量系数开始减小，20s时刻恢复到直驶状态.

第一种为驾驶员操作油门踏板，直驶时保持发动机油门在原位，转向开始，发动机油门随着泵排量增加保持正比例增大，随后保持在一固定位置，转向结束后，踏板位置恢复到原位，变化曲线如图7所示.第二种为不操作油门踏板，始终保持油门踏板在原位.第三种为不操作油门踏板，但是加入上述的前馈－反馈协调控制，协调发动机转矩输出.

图7 转向泵排量系数与操作油门踏板位置变化曲线

图8、图9和图10分别给出了5－25s区间内车速、发动机转速以及发动机输出转矩和喷油量随时间变化曲线.从图中可以看出，车辆起步后，5s－10s为直驶工况，车速逐渐保持稳定，10s时刻后，车辆进入转向工况，对于不操作油门踏板的工况，由于路面阻力增大，车速开始下降，而液力变矩器的缓冲作用，使得发动机转速下降较小，并且在全程调速的作用下很快恢复到稳定转速，发动机输出转矩有少量增加，但不足以克服转向阻力，车速持续下降，直至车辆停止，当泵排量系数开始减小时，转向阻力减小，车辆开始前进，逐渐恢复直驶车速.

图8 车速变化曲线

图9 发动机转速变化曲线

图10 发动机输出转矩及喷油量变化曲线

而驾驶员操作油门踏板时，转向开始后，车速在转向阻力作用下下降，发动机输出转矩在油门踏板增大的作用下逐渐上升，但略慢于喷油量的增加速度，如图10所示，这是由于涡轮增压发动机低速响应较差导致的，当发动机输出转矩足够克服转向阻力的时候，车速开始增加，19s时刻后，方向盘开始恢复到原位，油门踏板位置也开始减小，发动机转速开始下降，发动机端输出转矩虽有下降，但转向阻力减小更加剧烈，导致车速有明显的上升，后随着发动机转速急速下降，车速也开始快速减小，然后逐渐恢复到稳定车速.

对于不操作油门踏板，加入协调控制时，进入转向后车速有一定的下降，但是由于转矩前馈的作用，发动机转速在转向阻力作用之前有了一定幅度的提升，使得车速下降量较小，同样由于涡轮增压器的迟滞效应，发动机输出转矩上升较喷油量的变化有一定的延迟.随着涡轮转速反馈PID作用，发动机输出转矩提高，发动机转速进一步升高并达到一个稳定值，从而使车速逐渐恢复到直驶时水平，19s时刻后，阻力开始减小，车速有一定的上升，但是在反馈控制的作用下，车速开始下降，然后恢复到直驶稳定车速.

通过对比可以发现，在不操作油门踏板的情况下，加入前馈+反馈协调控制，能有效的减小车速在直驶和转向工况间切换时造成的车速扰动.图11给出了转速角速度随时间变化曲线，可以看出在协调控制作用下，能有效的实现转向意图，车辆转向过程更加平稳.

图11 转向角速度变化曲线

5 结论

采用面向对象的方法对某采用液压机械转向机构的履带车辆进行了系统建模，针对直驶-转向-直驶这一动态过程，建立了能反映发动机动态响应的详细发动机模型，结合综合传动模型及负载模型形成整车模型.设计了履带车辆转向过程发动机协调控制策略，该策略由转向转矩前馈和涡轮转速反馈组成.仿真结果表明:该控制策略能有效的实现履带车辆起步后的转向意图，通过协调控制发动机输出转矩，能替代驾驶员对油门踏板的操作，减轻驾驶员操作负担，整个过程车速扰动较小，转向平稳，实现了低速平稳转向的目的.

［1］张海岭，李和言，宋卫群，等.静液传动高速履带车辆转向参数匹配与控制 ［J］.吉林大学学报 (工学版).2012(05):1127-1134.

［2］游四海，俞 宁，李和言，等.零差速式综合传动履带车辆的转向动态特性 ［J］.重庆大学学报.2008，31(08):874-880.

［3］宋海军，李 军，安 钢，等.履带车辆转向过程仿真与试验研究 ［J］.装甲兵工程学院学报.2005(03):50-52.

［4］杨磊，马 彪，李和言，等.液压驱动装甲履带车辆转向特性仿真研究 ［J］.兵工学报.2010，31(6):663-668.

［5］张海岭，李和言，马 彪，等.静液传动履带车辆转向神经元自适应PID控制［J］.北京理工大学学报.2013，33(1):52-56.

［6］翟 丽，孙逢春，谷中丽，等.电传动履带车辆电子差速转向控制策略 ［J］.北京理工大学学报.2009(2):113-117.

［7］刘 翼，毛 明，马晓枫，等.零差速电传动履带车辆转向负载自适应控制策略研究 ［J］.车辆与动力技术.2013(1):7-11.

［8］伍 迪，姚 进，李 华，等.履带车辆液压机械差速转向系统控制策略 ［J］.农业工程学报.2012，28(8):78-83.

［9］汪明德，赵毓芹，祝嘉光.坦克行驶原理 ［M］.北京:国防工业出版社，1983.

［10］韩 恺，吴滔滔，赵长禄，等.基于DOE和神经网络的增压柴油机实时模型建模方法研究［J］.内燃机工程.2014(01):57-62.

［11］刘巨江.基于模型的高压共轨柴油机扭矩算法研究［D］.浙江大学，2007.

［12］段其昌，段 盼，董 平，等.汽油发电机转速前馈-反馈控制系统 ［J］.控制理论与应用.2011，28(4):525-530.

［13］任 京，马 彪，颜和顺.液压转向闭式回路动态仿真建模与分析［J］.车辆与动力技术.2001(2):19-25.