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多轮胎车辆转向控制分析

发表时间：2021/5/19 来源：《基层建设》2020年第35期作者：孟海滨王伟

[导读]

        徐州徐工基础工程机械有限公司江苏徐州 221000
        引言：
        多轮胎车辆是针对高速铁路建设中使用的混凝土大梁而设计的专用产品，共有32个悬挂，64个轮胎，轮胎分为32个轮组，采用机电液一体化控制技术，可实现直行、斜行、原地转向等功能。转向技术是多轮胎车辆的核心控制技术之一。
        一、控制系统概述
        多轮胎车辆由于自身质量大，惯性矩大，轴距大，轴数多等特点，为了加强产品的机动性以及能够在有限的场地内灵活的转弯，产品采用了多轴转向方式的转向系统。
        通过比例电磁换向阀驱动32个转向油缸，以每个轮组上的转向编码器信号作为反馈元件，与主控制器提供的控制信号进行比较，信息误差作为PID控制器的输入，一次提供电液比例阀电磁铁所需电流驱动信号，进而控制流入液压缸的流量，并以较好的动态响应准确达到转向轮目标转角。多轴转向执行机构闭环控制原理如图1所示。

        图1
        二、转向控制分析
        手柄给定目标转向值，控制器根据手柄发出的指令给定比例电磁阀一定电流，控制进入转向油缸的油量，轮组转向；转向油缸上的编码器作为反馈元件检测轮组转向角度，并将信息反馈给ECU，与主控ECU提供的信号进行比较，误差作为PID控制器的输入，以此提供比例电磁阀电磁铁所需的电流驱动信号，进而控制进入液压缸的流量，并以较好的动态响应准确达到转向轮目标转角。
        已知：手柄设定首个转向桥角度α
        轴间距L
        相邻平行轮组间距S
        距中心线最近轮组到中心线距离K
        可经计算得出：
        转向半径R=（K+3*L）/tanα+S/2
        tanβ=（K+2*L）/（R－S/2）
        依此算法依次算出每个轮子所需转向角度，进而实现转向要求；

多轮胎车辆的转向模式有：八字模式、半八字模式、中心回转模式以及斜行模式，操作时根据选择模式的不同，经过上述算法，计算出转向圆心位置和转向半径，然后由控制器依据产品结构尺寸进而计算出每个轮子所需的转向角度，从而实现转向目的；其中斜行模式当中要求所有轮子转向角度一致，所以算法较为简单。
转向模式示意图如下：

八字模式

半八字模式

中心回转模式

        斜行模式
        三、PID控制分析
        在实际转向过程中，所有轮子的转向目标值都是经过控制器计算后得出的理论角度，轮子朝着这个理论角度进行转向，当达到这个理论角度允许的公差范围内之后，控制器将认为转向已经到位，此时转向停止；公差应保证在一个小的范围之内以保证所有轮子在行走过程中角度的一致性。但是实际使用当中由于液压系统响应慢、转向惯性大、设备自重过大导致每个轮子和地面摩擦力差别大以及网络延时等因素的影响，实际会出现超调现象，即很多轮子最后会在理论角度的左右一直摆动，很难停下来。
        为了保证所有轮子能快速准确达到目标角度，在实际控制中引用位置同步的PID优化算法进行控制。为防止超调，引入积分环节 I，其效果是，使经过比例增益 P 放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大（或减小），从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间 I 太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。
        所以在引入位置同步的PID控制算法的同时，同时引入积分分离的PD调节算法，使控制系统具有良好的调节能力。即当被控量与设定值偏差较大时，暂不引入积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低；而当被控量接近目标值时，引入积分控制，以便消除静差，提高系统控制精度。在实际使用当中人为设定一个较大的值，在差值大于设定值的时候放弃积分环节，只用PD调节；而在差值小于设定值时引入积分环节，使用PID调节。两种控制方法的结合可以有效的实现控制目的。
        针对P、I、D三个参数的设置，因为实际当中面对不同的控制对象和设备运行环境，所需要设定的值都不同，所以编程时只设定他们的大概数值，然后通过现场反复的调试才能找到相对比较理想的参数值。