矿用铰接车辆线控转向系统特性研究

作     者：吉庆 

作者单位：煤炭科学研究总院 

学位级别：硕士

导师姓名：王腾;赵远

授予年度：2022年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：线控转向 状态反馈控制 虚拟样机 联合仿真 

摘      要：近年来,井工开采正向深部和难开采资源延申。在受限巷道空间中,辅运车辆运行环境弯多坡大、距离长、工况复杂,其操作性变差,安全风险变大,运输效率受到严重影响。在众多影响因素中,转向所占比重极大,尤其是以工作面重型设备安撤作业车辆,由于大承载和元部件防爆等特殊要求,使得辅运车辆外形尺寸庞大,转向通过性非常差。传统全液压转向系统由转向器、液压传动机构等组成,该转向系统无法避免其能耗高、泄露严重等问题。利用电液线控转向技术简化液压系统并减少损耗,是目前提高车辆转向性能的最优解决方案之一,其在方向盘与液压执行结构之间添加控制器ECU,通过嵌入相关控制算法可有效提高车辆的转向性能,还具有降低驾驶员的劳动强度,减少污染,提高能源利用率等优点。电液线控转向系统与原转向系统相比优势显而易见,但目前电液线控转向多数采用PID控制,当车辆以不同速度,不同角度转向时参数标定难度较大,使得车辆易出现精度差、蛇形行驶等情况。针对该问题本文对电液线控转向系统进行分析、建模,通过状态反馈控制算法的研究,分析车辆电液线控转向系统特性,主要内容如下:(1)设计电液线控转向系统。以铰接铲运机为研究对象,构建了电液线控转向系统;通过对转向阻力矩分析计算,对转向油缸、液压泵、电液比例阀等液压元件进行匹配校核,对影响转向性能的关键部件电液比例阀进行动/静态特性试验,获得了其比例及滞环特性,为转向建模和控制研究奠定了基础。(2)建立电液线控转向系统动力学模型。首先考虑油液的压缩与部分油液的泄露,建立液压系统模型,得到比例阀电流与转向力矩的关系;然后通过达朗贝尔原理对铲运机建立动力学模型,模型包含了车辆横摆、横向与纵向运动三个自由度;将液压系统模型与铲运机动力学模型耦合,并对耦合模型合理线性化,得到了电液线控转向系统动力学模型。(3)设计状态反馈控制器。根据所建立状态空间方程,设计状态反馈控制器并进行可控性证明,通过极点配置提高车辆转向系统的响应时间并减少超调量。通过可观性证明,建立空间状态观测器,以估计不可测量的状态变量。最后通过Matlab对控制算法进行仿真,验证了控制系统性能。(4)铰接车辆的虚拟样机仿真。为检验控制算法在实车上的运行效果,通过建立车辆的虚拟样机代替物理样机,并与控制器联合仿真。分别在15°30°转向指令下对比车辆铰接角速度、铰接角、横摆角速度等状态变量的变化,验证了控制器的控制效果。