双流传动自行火炮静液转向控制技术研究

郭 毅，翟 涌，陈慧岩,金亚英

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

近些年，随着无人驾驶技术的不断发展以及未来战场无人作战的需要，无人驾驶技术逐渐成为履带平台研究和发展的重要方向。基于静液转向的液力机械双流传动装置，可以使履带平台具有优良的转向性能，实现由小半径到大半径的无级转向和原地转向，提高了履带平台的转向稳定性，在国内外主战坦克及履带式自行火炮车辆上得到了广泛应用[1-2]。

对于无人驾驶车辆，其驾驶行为是由上层控制决策系统和底层控制系统协调控制实现的。上层控制决策系统根据道路信息制定的转向控制指令，作为静液转向控制系统的控制目标，实现自动转向控制[3]。

1 双流传动系统分析

笔者将某自行火炮的静液转向控制系统定义为由转向控制器来实现自动转向控制的线控系统。转向控制器根据转向指令和转向控制策略向火炮的静液转向系统输出转向控制信号，驱动静液转向系统完成转向流功率的传递。某自行火炮双流传动系统的静液转向控制需求原理图如图1所示。

1.1 双流传动系统

笔者研究的某自行火炮的零差速式双流传动系统简图如图2所示，双流传动系统将发动机功率分流为直驶流和转向流两路，分别经液力机械自动变速箱和静液转向机构(泵控马达及其闭式液压回路)输出到两侧汇流机构[4]。

1.2 直驶特性分析

笔者研究的某液力机械双流传动的自行火炮，其行驶的路面大多是非铺装的越野路面，其行驶条件对火炮的直驶特性影响很大。根据车辆在越野路面进行的行驶试验数据，得到某自行火炮的直驶特性图,如图3所示。

通过直驶特性分析，可知车辆直驶的最高车速，作为火炮转向性能研究的约束条件和仿真模型的直驶参数输入，对于分析直驶过程对火炮转向性能的影响和研究静液转向系统控制具有重要意义。

1.3 静液转向系统分析

某自行火炮的转向机构采用由泵控马达系统及其闭式液压回路组成的静液转向系统，其中变量泵和定量马达都采用丹佛斯90系列斜盘式轴向柱塞泵和轴向柱塞马达，变量泵型号为90R130MA，基本参数如表1所示，变量马达的基本参数与变量泵参数相同。

表1 变量泵基本参数

静液转向控制主要通过排量调节机构控制变量泵斜盘倾角控制变量泵的排量无级变化，实现泵输出流量的连续无级调节。为了实现车辆转向过程的可控、无级调节，笔者研究的转向控制系统要根据变量泵驱动转速和目标转向半径控制变量泵流量调节机构，控制变量泵到定量马达的流量输出[5-7]。

2 静液转向控制系统

对于采用静液转向机构的双流传动自行火炮，其转向系统主要由转向控制系统(控制器)和泵控马达系统(执行机构)组成。笔者研究的自行火炮的静液转向自动控制系统，其目标就是通过采用转向自动控制系统来取代车辆方向盘有人控制转向，实现车辆转向过程的线控化。针对某自行火炮双流传动的静液转向系统，实现转向自动控制的方法，包括接收来自上层控制决策系统的转向指令、定义转向指令与控制指令的关系、制定转向控制策略及控制逻辑。

2.1 转向控制指令分析

转向指令的接收过程是转向过程自动控制的重要环节，对于无人车辆，转向控制系统准确地接收并将控制指令解释为系统能够处理的控制信号，是转向控制能够实现的前提条件。

车辆无人驾驶过程中，上层感知与决策系统根据规划路径和惯性导航信息将车辆的期望路径转换为期望直驶车速和期望转向半径信息，其中期望转向半径发送到转向控制系统进行转向过程自动控制；转向控制系统除了接收来自上层控制决策系统的期望转向半径作为转向控制目标外，还要通过与整车通信接收火炮的直驶状态信息，包括挡位信息、直驶车速信息和发动机转速信息；通过传感器反馈泵控马达系统状态信息，包括变量泵斜盘倾角、输出流量及定量马达输出转速信息。转向控制系统通过获得以上期望转向信息和火炮状态信息完成自行火炮自动转向控制指令的接收。

2.2 转向控制策略分析

制定转向控制策略是实现转向自动控制的关键技术，静液转向系统的转向控制策略主要是根据静液转向和双流传动的特性，定义期望转向半径，将火炮的期望转向半径解释为驱动变量泵排量调节机构的控制电流；选择控制算法，控制变量泵自动、稳定地调节自身的排量。

根据对自行火炮的双流传动特性分析，得到转向特性：R→f(I,ne,v,nm)和R→f(nT,nm)，即火炮的转向半径R由转向控制电流I、行驶车速v、发动机转速ne、马达输出转速nm(反馈控制)和直驶流转速nT共同决定。因此，为了完成火炮的静液转向系统的转向控制策略的制定，首先要研究控制电流I、行驶车速v、发动机转速ne和直驶流转速nT的定量关系。

通过MATLAB/Simulink仿真软件建立火炮双流传动系统的仿真模型，根据仿真分析结果制定火炮静液转向的控制策略。

3 模型建立

为了研究自行火炮双流传动系统的转向性能，以火炮实际直驶参数和火炮静液转向系统控制参数为依据，建立了基于静液转向的自行火炮液力机械综合传动仿真模型。应用MATLAB/Simulink仿真软件，以火炮在各排挡下的实际直驶工况以及不同的转向指令作为系统输入，研究模型输出的火炮转向特性。

3.1 数学模型

以某自行火炮的液力机械双流传动系统为原型，建立以静液转向系统为核心的履带式自行火炮双流传动系统模型。双流传动系统模型主要包括直驶输入模型、静液转向系统模型、行星排模型及定轴齿轮传动模型等。

对于双流传动系统转向过程，系统各挡位下的相对规定转向半径计算式为

(1)

式中：ρig为各挡相对转向半径；k为行星排特性参数；izf为转向流定轴传动的传动比；ibf为变速器传动比。

汇流行星排转速关系式为

ns+knr-(1+k)nc=0

(2)

式中：ns为太阳轮转速；nr为齿圈转速；nc为行星架转速。

(3)

式中:ZR为齿圈齿数；ZS为太阳轮齿数。

根据式(1)～(3)，由直驶流转速经齿圈输入汇流排、转向流转速经太阳轮输入汇流排，通过对汇流排及侧传动等齿轮传动系统建模即可得到两路功率耦合后输出到火炮行驶系统的转向特性参数(相对转向半径)。

3.2 仿真模型

为简化模型，忽略液压系统的渗漏、液压油与管壁的摩擦等影响，根据综合传动系统数学模型建立火炮综合传动系统仿真模型,如图4所示。

3.3 仿真分析

仿真模型的输入主要包括转向控制电流参数输入和直驶参数输入。图5为变量泵控制电流与泵排量关系，静液转向系统的反向控制输入电流I(s)的范围为-85～-14 mA，正向控制I(s)的范围为14～85 mA，转向控制器通过调节控制电流的大小和正负改变火炮的转向半径和方向，其中-14～14 mA为变量泵控制死区。

根据以上双流传动特性及数学模型分析，仿真模型的直驶输入参数包括发动机转速输入和火炮直驶车速输入。为了研究火炮转向控制策略，将模型的发动机转速输入设定为发动机额定转速，直驶车速分别以各挡最高车速为输入，通过调节转向控制电流I(s)的大小来定义期望转向半径与转向控制电流的关系。由于履带式自行火炮向两侧转向的控制方式相同，因此定义火炮向左转向为正，通过研究火炮向左侧转向特性，得到如图6所示的仿真结果。

由图6可知，在控制电流I(s)≤40 mA时，火炮的转向半径很大，在不发生侧滑的情况下火炮转向半径应尽量小，因此该转向控制电流范围主要用于火炮直驶过程中的行驶方向调整和大半径转向过程；在控制电流I(s)>40 mA时，火炮的转向半径较小，且转向半径随控制电流变化的线性度较高，有利于转向控制。通过以上仿真过程，确定了在不同行驶工况下，不同的期望转向半径所对应的控制电流信号，为转向控制策略的制定提供了参考模型。在无人自行火炮转向控制系统中，上层决策系统能够确定火炮的目标转向过程是大半径转向或小半径转向，因此，火炮转向控制系统可以制定不同转向工况下的转向控制策略，满足火炮的转向要求同时可以进一步提高火炮的转向性能。

4 转向控制策略

对于笔者研究的双流传动的无人自行火炮的自动转向控制系统，直驶性能对转向控制过程和转向性能都有很大的影响。

笔者研究的双流传动无人火炮静液转向控制策略制定的过程包括：定义期望转向半径、选择控制算法和制定控制指令。

4.1 定义期望转向半径

双流传动系统的静液转向自动控制的实质是将上层决策系统期望的转向半径定义为对应车速下的控制电流，通过控制电流驱动变量泵排量调节机构进行转向流输出转速调节。综合上述火炮直驶过程对转向性能的影响，可知：转向控制电流与火炮的期望转向半径和直驶车速相关，转向半径越小，车速越高，静液转向系统所需的流量越大，则控制电流越大。

在笔者研究的泵控马达静液转向系统中，变量泵执行机构的控制信号范围为14～85 mA的电流信号，根据图6所示的仿真试验的结果得到的火炮各挡行驶工况下，由最小转向半径转向到大半径转向过程中的各转向半径所对应的控制电流，这对于火炮的转向控制系统定义期望转向半径有重要作用。

因此，通过对图6的仿真试验结果分析，笔者将不同挡位下的期望转向半径定义为能够控制火炮转向的14～85 mA的控制电流，得到如表2所示的期望转向半径-控制电流关系表，规定了各挡、各期望转向半径所对应的控制电流，为控制系统制定控制指令定义了控制量。

表2 期望转向半径-控制电流关系

因此，转向控制系统在接收到期望转向半径指令后，通过查表获取相应的控制电流，通过控制算法对输出控制电流进行控制调整，实现自行火炮静液转向的自动控制。

4.2 选择控制算法

在转向控制过程中，采用先进的控制算法能够很好地提高控制系统的实时性和鲁棒性，使火炮具有良好的转向性能。通过对火炮静液转向控制策略相关文献的研究，目前静液转向系统采用的控制算法主要有基于神经网络的PID控制算法、基于神经元自适应的PID控制算法、模糊控制算法、遗传PID控制算法等自适应控制算法，对于提高火炮转向性能和转向稳定性都有一定的作用[8-10]。

针对本文的双流传动自行火炮的静液转向控制系统，采用基于BP神经网络的PID控制算法，通过训练神经网络的权系数调节PID参数，基于BP神经网络控制算法的控制PID控制器的结构如图7所示。控制器以期望转向半径对应的控制电流为控制输入，PID控制器的控制参数Kp、Ki、Kd通过神经网络学习，在线调整加权系数，实现PID控制参数的自适应调整。

4.3 转向控制逻辑

转向控制系统的控制对象为控制变量泵排量调节机构的电控比例阀，比例阀作为排量调节模块将电气输入信号转换为压力信号并将此压力信号作为先导级控制信号推动一个三位四通主阀芯运动，通过主控制油路控制伺服活塞移动带动斜盘倾角变化，进而调节变量泵排量的无级变化。

对于本文的双流传动自行火炮，转向控制过程包括向左、向右转向和中心转向3种转向方式，笔者以上研究过程都是以火炮向左转向过程为例，因此定义火炮向左转向控制电流范围是14～85 mA，向右转向控制电流范围为-85～-14 mA。车辆中心转向时，系统根据地面转向阻力反馈调节转向控制电流的大小。车辆正常转向时，系统根据车辆当前的挡位、车速和发动机转速，查表利用差值方法计算期望转向半径对应的控制电流，转向控制系统将对应期望转向半径的控制电流输出给比例阀，通过控制变量泵的排量进行转向流输出转速的无级调节，实现双流传动自行火炮转向过程的无级调节。双流传动自行火炮静液转向控制逻辑框图如图8所示。

5 结束语

为了研究基于静液转向的双流传动火炮无人驾驶转向控制特性，笔者采用了试验与仿真结合的研究方法，以火炮行驶试验数据作为模型仿真的输入，通过仿真分析得到了双流传动自行火炮的直驶性能对于静液转向系统的转向性能和控制性能的影响，并以此作为转向控制依据，提出了无人驾驶双流自行火炮车辆的静液转向自动控制系统的控制方法，制定了火炮的转向控制策略，得到无人自行火炮静液转向控制的基本逻辑。