双杆式全挂汽车列车的主动转向控制研究

摘要

近年来,随着各国公路网络的不断完善和汽车工业的不断发展,依托于这两者发展的公路运输行业也得到了迅速扩张。汽车列车运输由于其承载能力强、质量利用系数高、运输量大以及运输成本低等特点,得到广泛应用。然而,由于挂车是在牵引连接装置传递的水平方向力作用下,被动地跟随牵引车转向,导致车辆在制动或在曲率半径较小的弯道上行驶时,易产生折叠或摆尾(挂车摆动)现象,带来一系列安全隐患。因而,为更好地提高汽车列车的运输效率,使其能持续、稳定发展,提高其安全性能势在必行。
　　全挂汽车列车大体上可分为牵引车和挂车以及牵引连接装置三大部分。本文基于一种液压双杆式全挂汽车列车,提出主动转向控制方法,从连接装置入手,改变以往的工作机制,化被动为主动,减轻挂车与牵引车的耦合作用,使挂车可以主动地跟随牵引车进行转向,提高挂车的转弯跟随性。
　　本文建立一个液压双杆式全挂汽车列车主动转向控制系统,通过传感器采集牵引车运动参数,将采集到的参数送到ECU进行处理,ECU根据参数判断行驶状态发出控制指令,经通讯网络将指令传递到挂车控制器,再由挂车控制器控制牵引杆的伸缩变化,改变牵引装置对全挂车施加的牵引力大小和方向,使全挂车能完成主动转向,改善全挂汽车列车转向特性。
　　在分析Ackerman转向原理的基础上推导出牵引车车速与液压牵引杆长度之间的比例控制关系,并进行开环仿真。对电液控制部分中的各个装置建立数学模型得到传递函数,并进行仿真分析,得到电液控制部分动态性能。
　　基于液压双杆式全挂汽车列车横摆运动及侧向运动建立车辆数学模型,并进行开环仿真。将各部分数学模型整理组合成整车主动转向控制系统模型,在MATLAB/Simulink中进行仿真,得到系统在阶跃输入下稳定输出响应曲线及液压双杆式全挂汽车列车行驶轨迹图,仿真结果表明主动转向控制系统是稳定的闭环控制系统,且能提高转向跟随性。
　　选用PID控制算法和遗传算法分别对主动转向系统进行优化,对比发现,经过两种算法优化的系统快速性均得到提高,但遗传算法优化作用下的系统响应稳定性能优于PID控制算法优化效果,且遗传算法作用下的车辆行驶轨迹得到明显改善。
　　在ADAMS中建立液压双杆式全挂汽车列车虚拟样机模型,并为其建立MATLAB接口,进行与MATLAB控制方案的联合仿真。联合仿真得到主动转向控制系统作用下车辆在S弯道上行驶轨迹图,结果表明具有良好跟随性。
　　按照比例制作液压双杆式汽车列车实物模型,设计制作硬件电路,编写控制程序以进行实物实验。通过调试运行小比例车辆模型,更加直观地观测液压双杆式主动转向全挂汽车列车运动状态及主动转向控制效果。实验结果验证了主动转向控制系统具有稳定性及可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及选题依据

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究内容及意义

1．3．1 研究意义

1．3．2 研究内容及重点

1．3．3 论文结构安排

1．4 本章小结

第二章 液压双杆式全挂汽车列车主动转向理论分析

2．1 全挂汽车列车介绍

2．2 液压双杆式全挂汽车列车介绍

2．2．1 液压双杆式全挂汽车列车

2．2．2 牵引连接装置

2．3 液压双杆式全挂汽车列车转向研究

2．4 本章小结

第三章 液压双杆式全挂汽车列车数学模型

3．1 三位四通比例阀数学模型

3．2 双作用单杆液压缸数学模型

3．3 车辆动力学模型

3．3．1 牵引车侧向动力学模型

3．3．2 全挂车侧向动力学模型

3．3．3 全挂汽车列车侧向动力学模型

3．3．4 滚动阻力

3．3．5 空气阻力

3．4 本章小结

第四章 仿真分析及系统优化

4．1 MATLAB／Simulink建模及仿真分析

4．1．1 电液控制部分仿真

4．1．2 主动转向控制系统仿真

4．1．3 连接装置模型仿真

4．1．4 挂车跟随控制仿真

4．1．5 整车主动转向控制系统仿真

4．2 PID算法

4．2．1 PID算法介绍

4．2．2 PID参数整定

4．2．3 PID算法优化系统

4．3 遗传算法

4．3．1 算法介绍

4．3．2 遗传算法基本原理与方法

4．3．3 遗传算法在线整定PID参数

4．4 MATLAB／Simulink与ADAMS模型联合仿真

4．4．1 ADAMS虚拟机模型

4．4．3 ADAMS与MATLAB／Simulink联合仿真

4．5 本章小结

第五章 小比例车辆样机实物仿真

5．1 样机总体设计

5．2 样机硬件电路设计

5．2．1 硬件模块

5．2．2 硬件选型及主要硬件电路

5．3 样机控制程序设计

5．4 样机实物调试运行

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果