本發(fā)明屬于車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮轉(zhuǎn)向間隙及液壓非線性的電控全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著智能技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械等非公路車(chē)輛智能化在提高工作效率的同時(shí)，也需要滿足控制精度的要求，因此將智能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)非公路車(chē)輛的“液電智機(jī)一體化”迫在眉睫。由于全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部存在轉(zhuǎn)向間隙以及液壓系統(tǒng)的非線性特性，在轉(zhuǎn)向過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向偏差，導(dǎo)致目標(biāo)前輪轉(zhuǎn)角與實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角不能一一對(duì)應(yīng)，以至于智能控制系統(tǒng)無(wú)法保證車(chē)輛按照既定的目標(biāo)軌跡行駛，由此帶來(lái)了極大的不便以及安全隱患。如何解決全液壓轉(zhuǎn)向智能車(chē)輛的跟蹤精度較低這一問(wèn)題已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出考慮轉(zhuǎn)向間隙及液壓非線性的電控全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及控制方法。智能控制系統(tǒng)考慮全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的液壓非線性以及轉(zhuǎn)向間隙對(duì)智能車(chē)輛跟蹤軌跡精度的影響，實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)與全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的緊密結(jié)合，尤其解決智能商用車(chē)輛跟蹤軌跡的精度問(wèn)題。

2、一種考慮轉(zhuǎn)向間隙及液壓非線性的電控全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其特征在于，所述的電控全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包含全液壓轉(zhuǎn)向模塊，所述的全液壓轉(zhuǎn)向模塊包含轉(zhuǎn)向油缸、全液壓轉(zhuǎn)向閥、轉(zhuǎn)向油泵、直流電機(jī)、油箱、智能控制系統(tǒng)和定轉(zhuǎn)子副，

3、其中，

4、所述的轉(zhuǎn)向油缸上設(shè)有第一油口和第二油口；

5、所述的全液壓轉(zhuǎn)向閥上設(shè)有進(jìn)油口p1、出油口t1、油口a、油口b、油口c和油口d；

6、所述的定轉(zhuǎn)子副與所述的全液壓轉(zhuǎn)向閥的油口c、油口d連接；

7、所述的全液壓轉(zhuǎn)向閥的油口b與所述的轉(zhuǎn)向油缸的第二油口通過(guò)液壓管路連接，所述的轉(zhuǎn)向油缸的第一油口與所述的全液壓轉(zhuǎn)向閥的油口a通過(guò)液壓管路連接，當(dāng)全液壓轉(zhuǎn)向閥右移時(shí)，所述的進(jìn)油口p1與油口c連接，油液從油口c經(jīng)過(guò)定轉(zhuǎn)子副到達(dá)油口d，油口d與出油口t1連接，當(dāng)全液壓轉(zhuǎn)向閥左移時(shí)，進(jìn)油口p1與油口d連接，油液從油口d經(jīng)過(guò)定轉(zhuǎn)子副到達(dá)油口c，油口c與出油口t1連接；

8、所述的轉(zhuǎn)向油泵與所述的油箱連接，且所述的轉(zhuǎn)向油泵向所述的全液壓轉(zhuǎn)向閥供油；

9、所述的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與所述的定轉(zhuǎn)子副的輸入軸連接；

10、所述的定轉(zhuǎn)子副與所述的全液壓轉(zhuǎn)向閥連接；

11、所述的直流電機(jī)的信號(hào)輸入端與所述的智能控制系統(tǒng)的信號(hào)輸出端連接；

12、所述的智能控制系統(tǒng)包括考慮轉(zhuǎn)向間隙的mpc軌跡跟蹤模塊和考慮液壓非線性的全液壓轉(zhuǎn)向滑?？刂颇K；

13、所述的考慮轉(zhuǎn)向間隙的mpc軌跡跟蹤模塊根據(jù)規(guī)劃的路徑、車(chē)輛狀態(tài)以及轉(zhuǎn)向間隙，并采用基于mpc的軌跡跟蹤控制器求解出目標(biāo)前輪轉(zhuǎn)角；

14、所述的考慮液壓非線性的全液壓轉(zhuǎn)向滑?？刂颇K根據(jù)考慮液壓非線性的全液壓動(dòng)力學(xué)模型得出跟蹤活塞位移的狀態(tài)方程，并采用滑?？刂破髑蠼獬鲋绷麟姍C(jī)電壓。

15、作為優(yōu)選的實(shí)施例，步驟s1、根據(jù)參考軌跡、車(chē)輛狀態(tài)以及轉(zhuǎn)向間隙，采用mpc軌跡跟蹤控制器得出目標(biāo)前輪轉(zhuǎn)角，并換算成目標(biāo)活塞位移；

16、步驟s2、根據(jù)全液壓轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型得出活塞位移跟蹤狀態(tài)空間方程，其中，全液壓轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型考慮液壓非線性以及其他外部因素；

17、步驟s3、根據(jù)直流電機(jī)模型可得直流電機(jī)電壓與輸出軸轉(zhuǎn)速關(guān)系式；

18、步驟s4、根據(jù)步驟s2中的活塞位移跟蹤狀態(tài)空間方程以及目標(biāo)活塞位移與實(shí)際活塞位移的差值，采用滑模控制器得到直流電機(jī)電壓。

19、作為優(yōu)選的實(shí)施例，在步驟s1中，考慮轉(zhuǎn)向間隙的mpc軌跡跟蹤控制器計(jì)算得到目標(biāo)前輪轉(zhuǎn)角計(jì)算方法為：

20、s1.1、建立車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的離散狀態(tài)方程，如下所示：

21、

22、其中：xa(k)＝[vy(k)ωr(k)ψ(k)y(k)]t,

23、

24、式中，ωr為車(chē)輛橫擺角速度；m為整車(chē)質(zhì)量；cf為前輪的輪胎側(cè)偏剛度；cr為后輪的輪胎側(cè)偏剛度；a為質(zhì)心距前軸的距離；b為質(zhì)心距后軸的距離；iz為整車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；δf為前輪轉(zhuǎn)角；vy為側(cè)向速度；ψ為航向角；y為橫向位移；k為第k時(shí)刻；vx為縱向速度；xa為狀態(tài)量；δc為轉(zhuǎn)向間隙引起的前輪轉(zhuǎn)角；ua為控制量；

25、s1.2、構(gòu)建mpc的目標(biāo)函數(shù)與約束條件，

26、目標(biāo)函數(shù)如下所示：

27、

28、式中，ra為mpc控制器的控制目標(biāo)期望值；qa為mpc權(quán)重矩陣；np為預(yù)測(cè)步長(zhǎng)；nc為控制步長(zhǎng)；

29、約束條件如下所示：

30、umin(k+j)≤ua(k+j)≤umax(k+j)j＝0,1,…,nc-1

31、δumin(k+j)≤δua(k+j)≤δumax(k+j)j＝0,1,…,nc-1

32、ymin(k+j)≤ya(k+j)≤ymax(k+j)j＝0,1,…,np

33、式中，umin、umax為控制量的上下限；δumin、δumax為控制增量的上下限；ymin、ymax為輸出量的上下限；

34、s1.3、采用二次規(guī)劃算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解得到目標(biāo)前輪轉(zhuǎn)角，過(guò)程如下：

35、

36、δf＝[10...0]ua

37、yd＝iqδf

38、式中，ua為目標(biāo)前輪轉(zhuǎn)角控制序列；iq為前輪與活塞桿之間的傳動(dòng)比；yd為期望活塞位移；

39、其中，h＝θtqaθ+pa；g＝eqaθ；e＝ra-ψx(k)-θuc

40、

41、作為優(yōu)選的實(shí)施例，在步驟s2中，基于液壓非線性的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的活塞位移跟蹤狀態(tài)方程為：

42、s2.1、全液壓轉(zhuǎn)向的動(dòng)力學(xué)方程如下所示：

43、my”＝(p3-p4)a-by'+fc+f(t,x1,x2)

44、式中，m為輪胎載荷的質(zhì)量；y為活塞位移的二階導(dǎo)數(shù)；p3，p4為轉(zhuǎn)向油缸2個(gè)腔室內(nèi)的壓力；a為油缸活塞的面積；b為黏性摩擦力系數(shù)；y'為活塞位移的一階導(dǎo)數(shù)；fc為常數(shù)擾動(dòng)；f(t,x1,x2)為由其他外部擾動(dòng)以及液壓非線性引起的集中擾動(dòng)；

45、s2.2、雙桿液壓缸中的壓力動(dòng)力學(xué)方程如下所示：

46、pl＝p3-p4

47、

48、式中，vt為轉(zhuǎn)向油缸的總控制容積；βe為有效油體積模量；ct為轉(zhuǎn)向油缸的泄漏系數(shù)；ql為定轉(zhuǎn)子副平均流量；qc為常數(shù)誤差；q(t,x1,x2)為時(shí)變誤差；

49、s2.3、經(jīng)過(guò)定轉(zhuǎn)子副的平均流量計(jì)算公式，如下所示：

50、

51、

52、定轉(zhuǎn)子副輸出力矩與負(fù)載力矩的平衡方程，如下所示：

53、tl＝kmq(p1-p2)＝j(luò)mθ″m+bmθ′m+kθm+ta

54、式中，q為理論排量；ωm為電機(jī)輸出軸角速度；km為減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比；qm1、qm2分別為定轉(zhuǎn)子副流入、流出流量；cim、ccm分別為定轉(zhuǎn)子副內(nèi)、外泄漏系數(shù)；p1、p2分別為定轉(zhuǎn)子副入口、出口壓強(qiáng)；clm為定轉(zhuǎn)子副總泄漏系數(shù)；tl為直流電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；jm為定轉(zhuǎn)子副軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；bm為黏性阻尼系數(shù)；k為負(fù)載彈簧剛度；ta為定轉(zhuǎn)子副負(fù)載扭矩；θm為定轉(zhuǎn)子副轉(zhuǎn)角；

55、s2.4、基于液壓非線性的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的活塞位移跟蹤狀態(tài)空間方程描述如下：

56、

57、式中，狀態(tài)變量定義為

58、作為優(yōu)選的實(shí)施例，在步驟s3中，直流電機(jī)的電壓與輸出軸轉(zhuǎn)速關(guān)系方程，如下所示：

59、直流電機(jī)模型，如下所示：

60、

61、可得：

62、

63、式中，uv為輸入電壓；ce為直流電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；cm為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；tm為電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)時(shí)間常數(shù)；r為電樞回路總電阻；l為電樞回路總電感；i'd為電樞電流變化率；am為電機(jī)輸出軸角加速度；t1為電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)；

64、作為優(yōu)選的實(shí)施例，在步驟s4中，直流電機(jī)電壓滑模控制計(jì)算方法為：

65、s4.1、根據(jù)目標(biāo)活塞位移與實(shí)際活塞位移的差值，采用滑模控制器得到直流電機(jī)電壓，滑?？刂破鳂?gòu)造過(guò)程如下：

66、1)、構(gòu)造基于液壓非線性的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的活塞位移跟蹤狀態(tài)空間方程如s2.4所示。

67、2)、滑模面與指數(shù)趨近律如下所示：

68、s＝c1e1+c2e2+e3＝c1(x1d-x1)+c2(x2d-x2)+(x3d-x3)＝0c＞0

69、s'＝-εsgn(s)-psε＞0,p＞0

70、式中，c1,c2,c3＞0，滿足hurwitz條件，c1,c2,c3為滑?？刂茀?shù)；ε,p為指數(shù)趨近律控制參數(shù)。

71、3)、控制律如下所示：

72、

73、式中，

74、s4.2、電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速計(jì)算方法，如下所示：

75、

76、本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

77、本發(fā)明提出考慮轉(zhuǎn)向間隙及液壓非線性的電控全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及控制方法，其中的mpc軌跡跟蹤器考慮了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在轉(zhuǎn)向間隙的特性，通過(guò)預(yù)測(cè)、優(yōu)化、二次規(guī)劃求解得出考慮轉(zhuǎn)向間隙的目標(biāo)前輪轉(zhuǎn)角；滑?？刂破鞲鶕?jù)考慮液壓非線性的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型得出活塞位移跟蹤狀態(tài)空間方程之后求解出直流電機(jī)電壓。通過(guò)控制直流電機(jī)電壓以此控制電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)精確控制車(chē)輛轉(zhuǎn)向，解決了基于電控全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的智能商用車(chē)輛跟蹤精度較低的問(wèn)題。