稳定土拌和机全轮转向系统试验及仿真研究

马丽英，归少雄，曹源文

（1.重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆 400074;2.重庆交通大学应用技术学院，重庆 400074）

稳定土拌和机全轮转向系统试验及仿真研究

马丽英1，归少雄2，曹源文1

（1.重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆 400074;2.重庆交通大学应用技术学院，重庆 400074）

在分析稳定土拌和机全轮转向试验平台工作原理的基础上，对四轮转向各个工况进行试验，绘制出系统的伯德图，确定了系统的传递函数;利用MATLAB/SIMULINK软件对转向系统进行动态仿真。结果表明:系统具有的幅值裕度为13.4 dB，相位裕度为48.9°，显示该稳定土拌和机转向试验系统具有一定的储备;试验系统的响应速度较快，系统的稳定性符合要求;四轮转向比传统的二轮转向转弯半径减小约20%左右。

全轮转向;试验研究;仿真分析

稳定土拌和机是一种直接在施工现场将稳定剂与土壤或砂石均匀拌和的专用自行式机械。按拌和装置的安装位置分为转子前置式、转子中置式和转子后置式，目前应用最广的是后两种。中置式和后置式稳定土拌和机因转子安装在机械的中部和后部，机身较长使得转向灵活性降低。而现场施工往往要求这类机械频繁转向，所以如何减小其转弯半径成为一个亟需解决的迫切任务［1-2］。笔者分析了稳定土拌和机全轮转向试验平台的工作原理，利用试验平台进行各种转向工况的试验。结果表明，稳定土拌和机全轮转向系统的转弯半径减小约20%左右，操作稳定性明显改善。

1 试验平台概述

稳定土拌和机全轮转向试验平台主要由4大系统组成，即转向系统、加载系统、气动振动系统和电气控制系统。由于结合了电子控制技术，液压传动及控制技术和计算机技术3大技术优势，使得该转向试验系统安全性和可靠性较高，同时具有一定的自动化和智能化。为了提高实用价值，特别为该试验平台设计了加载系统和气动振动系统。因此，可以在室内试验条件下，较好的模拟稳定土拌和机工作路面不平导致机体颠簸、作业负荷范围大且变化频率快、振动大等真实作业特点［3-4］。

转向系统主要由液压缸、流量控制伺服阀、精滤器、液压泵、电机和溢流阀等组成，是组成稳定土拌和机全轮转向试验平台的重要环节之一［5］。将非接触式霍尔效应传感器安装在4个转向轮上，通过传感器测得各个轮的实际转角，并将该信号反馈给控制器，再经过控制器的计算与分析，重新发出指令信号，比较实际与希望的转角偏差，从而使得整个系统形成闭环回路，提高了系统的控制精度［6］。

为了比较全轮转向与二轮转向的不同特点，该试验平台设有5位旋转开关。通过操纵5位旋转开关，便可实现偏转前轮的二轮转向、偏转全轮的4轮转向和蟹形转向等工况。

2 试验研究

2.1 试验装置控制系统原理

稳定土拌和机全轮转向试验装置控制系统可以分为3大模块，即输入模块、处理模块和输出模块。试验装置控制系统原理如图1。

图1 试验装置控制系统结构Fig.1 Structure chart of test equipment control system

输入模块:系统的输入信号主要包括2大类:源于方向盘转角的转向传感器的输出信号，和源于相应转向轮上非接触式霍尔效应传感器输出信号的4个转向轮的实际转向角度。因此该全轮转向控制系统构成闭环控制，提高了系统的控制精度。处理模块:该模块的主要功用是分析由输入模块获取的方向盘转角和4个霍尔效应传感器的输出信号等机械行驶状态参数，运用信号分析及数据处理技术和方法得到各个转向轮的转向角度信息，为输出模块提供具体的指令。输出模块:该模块主要包括液压泵、流量控制伺服阀、各个转向轮及其转向液压缸等。它是具体的执行机构，用于完成处理模块提供的具体指令。为了能够在实验室实验条件下充分模拟稳定土拌和机的实际工作状况，增强路感，专门设计加载回路和气动振动回路，使室内试验尽量接近真实工况。

2.2 试验测试系统原理

试验数据测试系统由磁带记录仪、动态电阻应变仪、电源、WYJ∃-02B2晶体管直流稳压电源、正弦信号发生器、示波器、压力传感器及位移传感器等组成。试验中通过仪器测取系统的工作压力、各个转向轮的角位移和线位移等参数。通过测取分别安装在前左轮和后左轮的2个转向缸上的位移传感器的位移信号，可以计算液压缸的流量。图2为测试系统的工作原理。

图2 测试系统原理Fig.2 Schematic diagram of test system

2.3 试验数据的采集和处理

根据系统分析需要，本试验采集9个数据。1#磁带记录仪的1～5通道采集5个信号，即方向盘转向角信号及4个霍尔效应传感器信号;1#磁带记录仪的6、7通道分别记录工作压力传感器信号和负载压力传感器信号;2#磁带记录仪的1、2通道记录了安装在前左轮和后左轮上的2个位移传感器信号，前左轮和后左轮转向液压缸的流量通可以过这2个位移传感器信号计算得出。为确保实验的准确性，每次都需对各个传感器进行标定。试验完毕后，在HP3562A动态信号分析仪上进行各个通道信号的分析及处理，并读取数据。转向试验过程中，在4轮转向、蟹行转向及前轮转向等转向方式下，分别对无振动工况和有振动工况进行试验，进行数据采集和处理。限于篇幅，仅以4轮转向模式为例进行说明。当工作压力为8 MPa，负载压力为2.8 MPa时，测得在4轮转向模式下，无振动工况的试验数据如表1。

表1 全轮转向模式试验数据Table 1 Test data in the mode of all-wheel steering

表1中数据为输入交流幅值为1.5 V，直流为2.5 V时，输入信号与输出信号的峰-峰值。其中，输入信号是1#磁带记录仪第一通道的信号，即方向盘转向角传感器的信号（单位:mV）;输出信号是1#磁带记录仪第2通道的信号，即左前轮霍尔效应传感器的角位移信号（单位:mV）;相移差τ是输入、输出信号相邻波峰/波谷之间的时间差（单位:s）。根据这些数据，可以计算出各个频率点上的输出信号与输入信号的比值及相位差，从而求出系统的闭环伯德图如图3。由图3不难看出，系统的截止频率ωb=2.65 Hz，则系统的截止带宽为0～2.65 Hz，满足稳定土拌和机的作业要求。

图3 闭环伯德图Fig.3 Close loop Bode diagram

2.4 系统传递函数的确定

借助现代控制工程理论［7］的知识，对试验数据进行处理和分析，可以得出系统的传递函数如式（1）:

由式（1）可以求得系统所具有的幅值裕度Kg=13.4 dB，相位裕度γ=48.9°，符合系统稳定性储备的要求。

3 系统仿真分析

用MATLAB软件对系统的频域特性进行分析，便于绘出系统的伯德图和奈奎斯特图［8］。笔者正是利用MATLAB软件的这一特点，对系统的开环和闭环伯德图进行仿真。仿真结果与试验得出的系统伯德图非常接近，这足以说明试验所确定的传递函数是准确的。

用MATLAB/SIMULINK仿真软件对系统传递函数进行动态仿真，得到试验系统的阶跃响应如图4。

图4 单位阶跃输入下的仿真Fig.4 Simulation of unit step input

由图4不难得出，系统的上升时间tr=0.15 s，峰值时间 tp=0.25 s，最大超调量 Mp=11.5% ＜20%，调整时间ts=0.57 s。综合以上指标可见，本试验系统的响应速度较快，系统符合稳定性的要求。仿真结果与频域下的性能分析结果基本一致。

4 结语

1）试验系统的幅值裕度和相位裕度分别是13.4 dB和48.9°。因此，系统具有充分的稳定性储备，稳定性满足要求。

2）试验过程中，对系统施加随机振动荷载，发现系统在ω﹤1 Hz的低频阶段，基本不受随机振动的影响;而当处于频率ω﹥1 Hz的频段时，输出波形有了一定的锯齿状波动，但其整体形状仍然是正弦信号，其幅值与不加振动时相比基本不变。可见，随机振动对系统的影响较小。

3）动态仿真结果表明，系统的上升时间tr=0.15 s，峰值时间 tp=0.25 s，最大超调量 Mp=11.5% ＜20%，调整时间 ts=0.57 s。可见，本转向试验系统的响应速度较快，系统符合稳定性的要求。

4）系统仿真及各个转向工况的试验结果，表明全轮转向比二轮转向系统的转弯半径降低20%左右。

（References）:

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CAO Yuan-wen，MA Li-Ying，CHEN Peng-peng.Portfolio analysis of construction equipments in uninterrupted road re-treading［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29（1）:73-75.

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MA Li-ying，CAO Yuan-wen，GUI Shao-xiong.Research of engineering machine’s new type steering system［J］.Road Machinery＆ Construction Mechanization，2006，23（11）:62-64.

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MA Li-ying，CAO Yuan-wen，GUI Shao-xiong.The work principle of 4WS electric-hydraulic-controlled system of engineering machine［J］.Construction Machinery and Equipment，2006，37（9）:30-32.

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LEI Zheng-hong.Application of Matlab in automatic control theory teaching［J］.Modern Electronic Technique，2004（4）:85-86.

Test and Simulation of All-Wheel Steering System for Stabilized Soil Mixer

MA Li-ying1，GUI Shao-xiong2，CAO Yuan-wen1
（1.School of Mechatronics＆ Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.School of Application Technology，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Based on the analysis of the all-wheel steering test platform for stabilized soil mixer，a series of tests for each steering working condition are carried out.The transfer function of the system is determined，and Bode diagram is also drawn out.Meanwhile，the system is simulated dynamically by use of MATLAB/SIMULINK software.The research results show that the amplitude margins and phase margins of the steering system are respectively 13.4dB and 48.9°，which meets the stability reserve requirements of the steering system for stabilized soil mixer;the fast response speed and the stability of experimental system also meet the requirement;what’s more，all-wheel steering decreases about 20%turning radius than 2 wheel steering does.

all-wheel steering;experimental research;simulation analysis

U416.21

A

1674-0696（2011）06-1412-03

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.36

2011-03-21;

2011-07-15

交通运输部西部交通建设科技项目（200631879846）

马丽英（1973-），女，河北卢龙人，副教授，博士研究生，主要从事道路工程施工技术及施工机械性能及理论、液压传动及控制方面的教学与研究工作。E-mail:maliying801@yahoo.com.cn。