赵重年1白雪峰2王文强21陆军军事交通学院学员五大队研究生队天津陆军军事交通学院天津摘要：分析了某集装箱搬运机转向机构工作原理，建立转向机构的AMESim仿真模型，设计了转向系统控制算法，经整定后得到合适的PID控制参数。在此基础上与液压系统模型共同组建了整个转向系统的AMESim模型，得到转向系统的动态仿真结果。关键词：集装箱搬运机；转向系统；控制算法中图分类号：U.文献标识码：A文章编号：-（）12--　引言某集装箱搬运机的转向执行机构为一种新型的四连杆机构[1，2]，如图1所示，主要由转向臂、回转支承、推杆和行程可变的转向液压缸四部分组成。其中转向液压缸与液压缸支座，转向液压缸与推杆、转向臂，推杆与回转支承件，以及转向臂与转向臂支座均为铰链连接，回转支承与转向轴为花键连接，转向轴与车架为轴承连接。当机构正常工作时，转向液压缸可伸缩地驱动转向臂绕转向臂支架旋转，并驱动推杆推动回转支承，使转向轴旋转，从而实现转向轮的转向。1.车轮2.转向臂3.回转支承4.推杆5.车架6.转向液压缸7.液压缸支座图1转向执行机构单轮简图该集装箱搬运机转向采用方向盘操纵，电液控制系统由PLC控制器（中央控制器）、电液比例方向阀、转向液压缸、转向四连杆机构和转向轮角度传感器组成,如图2所示。图2转向系统结构简图研究其电液比例控制技术并通过仿真分析，完成整个控制系统的设计，可为设备自动对正控制和自动泊车控制、电液比例控制以及联合仿真等相关研究提供参考。1　四连杆机构建模建立坐标系XOY，如图3所示。图中OA为回转支承，AB为推杆，BC为转向臂，各杆长分别为LOA、LAB、LBC，BD为转向液压缸。点C的坐标为(Cx,0)，点D的坐标为(Dx,Dy)。图3四连杆机构坐标系在AMESim软件环境中，添加转向机构模型所需的各种模块后，经翻转及连线等简单操作，建立转向系统四连杆机构的AMESim仿真模型[3]。在仿真前，需要对模块进行必要的前处理，按照四连杆机构的设计、运动参数进行设定后，按图标即可查看四连杆机构的3D动画，界面如图4所示。运行仿真得四连杆机构的转向范围如图5所示，满足转向系统转向角范围在以上的设计要求。图4四连杆机构3D动画界面图5四连杆机构仿真结果2　转向PID控制器2.1　PID控制原理PID控制系统有两个主要部件：PID控制器和被控对象[4]，该控制系统的结构如图6所示。图6　PID控制系统结构图PID控制器的控制量是给定量r(t)和输出量y(t)的偏差PID控制器的控制规律为式中：KP为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。随着计算机技术的快速发展，新的数字PID控制器取代模拟PID控制器，使PID控制更加灵活。数字PID控制器通常使用两种PID控制算法，即位置式和增量式。由于计算机控制本质上是一种采样控制，因此，只有将连续的PID控制算法进行离散化才能使用。当使用位置式PID控制算法时，应选取大量采样时刻点KP来代替模拟PID控制算法中的连续时间量t，以确保计算的准确性，故有式中：k为采样序号，T为采样周期，Ki=KP/Ti，Kd=KPTd，e(k)－e(k－1)为k时刻与(k－1)时刻的偏差信号。2.2　PID控制器参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计中最重要的部分。根据控制过程的特点，确定PID控制器的比例系数及微、积分时间。目前较常用的是临界比例法，应用该方法进行PID控制器参数整定的步骤如下[5]：1）将Ki、Kd设置为0，KP设置较小的值，使系统能稳定运行；2）逐渐增加KP值，当系统出现等幅振荡（临界振荡）时停止，记录临界振荡增益K和临界振荡周期T；3）按照经验公式计算参数整定值为3　转向系统仿真模型3.1　搭建仿真模型在已搭建的液压模型和转向机构模型的基础上，经简单的修正，并添加PID控制器，可以构建转向控制系统的AMESim仿真模型。当转向轮转向时，地面与车轮之间的作用力，即滚动阻力和滑摩阻力会相对主销轴产生阻力矩，即转向阻力矩。单个车轮偏转时，轮胎的尺寸、形式和结构参数很大程度上会影响车辆转向阻力矩。在计算过程中，假设轮胎与地面接触面为直径等于轮胎宽度B的圆，且接触面各点处的压力P相等。因此，转向阻力矩等于圆形摩擦面对圆心的滑动摩擦力矩，即单轮偏转转向阻力矩ZM=ZB/3（6）式中：φ为附着系数，取φ=0.7；B为轮胎断面宽度，B=0.29m；Z为轮载，取Zmax=N。将各数据代入公式得此条件下最大单轮偏转转向阻力矩Mzmax=.67Nm，将其作为模型中回转支承的负载。加载负载力矩的方法：当转向轮角速度为正时，阻力矩为-.67Nm；当转向轮角速度为负时，阻力矩为.67Nm。3.2　仿真结果分析经过多次模拟仿真实验，PID控制器参数确定为KP=0.5，Ki=0.25，Kd=0.1。系统在10的阶跃输入下，得到四连杆机构回转支承的转角响应和各轮转角，仿真结果如图7、图8所示，液压缸速度变化曲线如图9所示。图7　10阶跃输入下等效转角图8　10阶跃输入下各轮转角图9　10阶跃输入下液压缸速度变化曲线在20的阶跃输入下，得到四连杆机构回转支承的转角响应和各轮转角。仿真结果如图10、图11所示，液压缸速度变化曲线如图12所示。图10　20阶跃输入下等效转角图11　20阶跃输入下各轮转角图12　20阶跃输入下液压缸速度变化曲线在40的阶跃输入下，得到四连杆机构回转支承的转角响应和各轮转角。仿真结果如图13、图14所示，液压缸速度变化曲线如图15所示。从10、20、40阶跃输入的仿真结果看出，该集装箱搬运机转向系统响应时间短，达到稳态时间短，控制效果较为理想，可以满足集装箱搬运机转向系统自动对正的要求。图13　40阶跃输入下等效转角图14　40阶跃输入下各轮转角图15　40阶跃输入下液压缸速度变化曲线4　结语根据四连杆机构的结构尺寸建立某集装箱搬运机转向四连杆机构的AMESim模型，并应用PID控制算法设计转向系统控制器，经整定后得到合适的PID控制参数，并由所建立的整个转向系统的AMESim模型得到不同输入下转向系统的动态仿真响应。结果表明，转向系统能够满足自动对正的性能要求。参考文献[1]张德坤，李立顺，孟祥德．基于MATLAB的某特种车转向轮四连杆机构设计[J]．专用汽车，（7）：64-67．[2]李旭．门架式集装箱装卸搬运机自动对正系统转向控制算法研究［D］．天津：军事交通学院，．[3]李吉．仿真软件AMESim应用研究［J］．航空计算技术，6（1）：56-58．[4]陶永华．新型PID控制及其应用［M］．北京：机械工业出版社，1．[5]曹刚．PID控制器参数整定方法及其应用研究［D］．杭州：浙江大学，4．

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