两车纵向并车联合运输同步控制技术研究.pdf

液压气动与密封/2 0 2 4年第3期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.008两车纵向并车联合运输同步控制技术研究戴建军1,王建军2 3,赵静二,李文雷2（1.江苏海鹏特种车辆有限公司，江苏泰州2 1452 1；2.燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛0 6 6 0 0 4；3.安徽机电职业技术学院，安徽芜湖2 410 0 2）摘要：针对两台液压载重车联合运输大型轮船的同步控制进行研究，根据运载装备的特点，采用两车纵向并车的运输方式，行走过程中两车之间必须保证同步行走，否则可能会发生轮船滚落或载重车结构损坏的重大事故。针对运输车速度的稳定控制，求解出行驶驱动系统泵控马达的系统传递函数，并仿真验证了控制器采用PID控制算法可以提高运输车速度的稳定性。根据运输的特点，采用“主从式”控制策略，提出采用驱动压力和行驶速度的双闭环控制，设计出基于CAN总线的控制系统，最后进行了实车试验，根据现场试验采集的数据,验证了此控制器能够使两车保证很好的同步效果。关键词：联合运输；液压系统群；同步控制；CAN总线；双闭环PID控制中图分类号：TH137(1.Jiangsu HaiPeng Special Purpose Vehicle Co.,Ltd.,Taizhou 214521,China;2.College of Mechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China;3.Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhu 241002,China)Abstract:A study was conducted on the synchronous control of two hydraulic truck combined transport large ships.According to thecharacteristics of carrying heavy objects,the longitudinal combined transportation method was adopted.During the transportation process,thetwo vehicles must ensure synchronous running,otherwise major accidents such as ship rolling or structural damage to the truck may occur.Forthe stable speed control of the vehicle driving,a system transfer function for the pump controlled motor of the driving system was solved,and itis verified that adding PID control algorithm can improve the speed stability of the vehicle.According to the characteristics of transportation,a“master-slave control strategy was adopted,and double closed-loop control using driving pressure and driving speed is proposed,the controlsystem based on CAN bus is designed.Finally,actual vehicle tests were conducted,and based on the data collected from on-site tests,it wasverified that this controller can ensure good synchronization between the two vehicles.Key words:combined transportation;hydraulic system group;synchronous control;CAN bus;double closed loop PID control引言20世纪30 年代，国外已经开始了对液压载重车的研制和应用。我国对重型液压载重车辆的研发以及智能控制研究起步比较晚，但随着各大工程建设的需要，收稿日期：2 0 2 3-0 9-0 8基金项目：国家自然科学基金（516 7 546 1）;2 0 2 1年高校学科（专业）拔尖人才学术资助项目（gxbjZD2021100）；安徽省高校自然科学研究重点项目（KJ2020A1108）；2 0 19 年学校特色高水平专业机械设计与制造专业建设项目（2 0 19 tgzy01）作者简介：戴建军（19 8 3-），男，江苏泰州人，工程师,硕士，研究方向为特种车辆液压系统控制。42文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 0 42-0 5Study on Synchronous Control Technology for LongitudinalCombined Transportation of Two VehiclesDAI Jian-jun,WANG Jianjun,ZHAO Jing-yi,LI Wen-le?发展速度较快，近些年在特大型工程运输车领域出现了许多新的研究成果，并应用于各种工程实践。国内通过引进消化和自主研发，对各种重型液压载重车进行改进和创新设计,经过多年的努力,国内大型液压载重车与国外的差距越来越小，甚至某些性能参数已经超越国外 1-3O特大型装备的体积及重量异常庞大，普通车辆难以运输,为降低运输成本、提高利用率,采用多台液压载重车协同作业成为最佳方式。液压载重车联合之后，多台单车的液压系统组成需要协调控制的液压系统群,包括驱动系统、转向系统、悬挂系统和升降系统等 4-6 ，但其可以承担单台车难以完成的具有超大质量、尺寸、异形结构及不规则重心的特殊装备的运输。Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024多台液压载重车联合后，由于制造的误差，液压元件的集各车的压力、行驶速度、位移等参数，各车之间进行磨损和泄漏的不同,以及路况和负载的差异，会造成多信息传输与控制，使多车在行驶过程中保持协同。本台运输车难以实现协同控制，严重时会发生重大研究的研究对象是两车联合运输大型轮船，大型轮船事故 7。的运输方式采用两车纵向并车，两车直接无机械结构连接，属于软连接。1多车联合运输研究2幸载重车驱动系统模型研究多台液压载重车联合运输，需要实现在运输过程中的驱动、转向以及升降的协调控制，从而可以达到改善各车之间的误差，实现大型装备和货物的安全运输，所以研究多车联合作业的协调控制，对于大型装备或货物的安全运输技术的发展具有推进作用。多车联合运输大件比单车运输的优势是成本低、组合方便,可以大幅度缩短施工时间,提高效率。多车联合运输，通常是采用多台车的硬连接或软连接，通过协同控制实现。多车硬连接是采用机械结构连接，多车拼接成一个大型运输平台、相当于一台特大型运输车；而软连接可以实现更多的并车模式，根据运载货物或装备的形状,多车组成对应形状的车队，各车之间采用数据传输与控制，可以实现多车的协同控制，应用更广泛 8 。两车联合协同作业时，通常是横向、纵向或成一定夹角并车，可以根据需要选择并车模式。为了保证多车联合运输的安全，多台车在行驶过程中，必须保证多车在行驶和转向过程中保持各车相对位置不变，即多车形成的队形必须固定不变。多车的协同性差将会出现行驶路线偏差或不能行走，甚至会出现车体结构损坏和严重施工事故，造成人身财产重大损失，图1为两例纵向并车联合运输中的事故。(a)货物倾斜(a)Cargo tilt图1纵向并车不协调导致事故Fig.1 Accidents caused by uncoordinated longitudinalcombined transportation液压载重车采用的是液压驱动，所以联合作业的稳定运输取决于多车之间的协同性，即液压系统群之间的协调控制。多车联合作业可以采取多车结构上的机械式刚性连接，但是根据运输需要，有时必须采取软连接，集中控制 。软连接控制方式是通过传感器采2.1泵控马达系统模型建立液压载重车的行走驱动系统采用的静液压传动，由内燃机直接带动主液压泵，液压泵提供油液进入驱动马达油口，液压马达再通过减速器将动力传递到车辆驱动轮。主液压泵和驱动马达都可以变量，液压载重车的行驶速度调节属于容积调速，单台车的驱动系统原理如图2 所示，比例阀主液反馈杆压泵补油泵变量油缸双向溢流阀驱动马达图2 液压载重车驱动系统原理图Fig.2 Schematic diagram of the hydraulic truckdrive system液压泵和驱动马达之间的压力损失较小，可以忽略，假设系统泄漏为层流，油液的黏度和密度是理想的常数,将液压载重车的相关参数代人并简化可以获得马达输出转速与输入电压间的传递函数 10-，图3为传递函数的方框图。QpU(s)KD(S(b)整体侧翻np(s)(b)Rollover accident图3驱动系统传递函数框图Fig.3 Drive system transfer function block diagram2.2泵控马达系统PID仿真根据驱动系统的传递函数,加入PID控制器，在Simulink中对泵控马达调速系统进行仿真建模，得到仿真模型如图4所示。通过调整PID控制器的参数 12 ,得到如图5所示的液压马达转速响应曲线。43TL(s)1Pp(s)VDnm(s)Jms+Bm液压气动与密封/2 0 2 4年第3期du/dtLoad InterferenceGain3Gain4Signal InputGainkiGainlkdGain2Derivative1图4泵控马达调速系统模型Fig.4Pump control motor systemsimulationmodel4003503002502001501005000.511.5222.533.544.55时间/s图5马达转速曲线Fig.5The curve of the motor speed从图5可以看出，液压马达的转速达到稳定值需要的时间大约4 S，说明调速系统的响应较快，马达转速值的最大超调量只有5%，也就是说控制系统在加入PID控制器后,控制系统的性能很稳定。在仿真模型中，将马达的转速转换成运输车的位移,在无外部负载扰动时,通过仿真,可以得到采用PID和不加PID控制算法的位移输出曲线,两条曲线如图6所示。0.70.60.5F0.40.20.100.10.20.30.40.50.60.70.8 0.91.0时间/图6 两种情况位移曲线Fig.6 Displacement curves in two cases从两种情况的位移曲线结果来看，当加人了PID控制器后，车速比未加PID控制器更稳定，而未加入PID控制器的位移曲线出现了明显波动,且两种情况下的位移曲线偏差逐渐增大。443同步控制策略及仿真分析Derivative725Ad TransferFunctionden)Integratordu/dt一未加PID控制-加入PID控制3.1同步控制策略选择Oscilloscope目前液压的同步控制主要采用两种方式，开环控制和闭环控制。开环控制是一种采用分流集流阀、同simout步马达等元件组成的同步回路,其特点是原理简单，成To Workspace本低，但控制精度也较低，闭环控制是由电液控制阀和检测传感器为反馈构成闭环控制系统。液压载重车在同步控制方案中，选取主从控制策略，主从式控制策略采用的闭环控制，是电气和液压相结合，事实证明采用此控制策略能够得到较高的同步控制精度 13。两车同步控制是以其中一台车作为参考基准,控制两车之间的间距,两车之间的间距不变则说明两车行驶同步。基准车的控制是人为的驾驶控制或遥控，属于主车，另一台车为从车 14-15。3.2同步调整原理研究对象为两液压载重车纵向并车，两车同步调整原理如图7 所示，以A车为主车,B车为从车,B车根据反馈的两车间距和驱动压力值调整自身车速和压力，使两车协同。图7 两车同步调整原理Fig.7 Principle of synchronous adjustment betweenthe two vehicles3.3双闭环同步控制器在两车并车联合运输时，运输的轮船是搭在两车之上，由于轮船较重，与车载平台的摩擦力很大,这相当于“软刚性”连接。当两车行驶协同性差时，表面虽然看似同步，但轮船与车载平台的摩擦力会导致某车驱动压力过大,甚至损坏车体结构,所以只以车间距作为反馈的闭环控制不符合安全要求。为此提出以行驶速度和驱动压力两个参数的双闭环控制，当驱动压力调节相同之后再进行车速同步调节控制,最终使两车保持同步行驶且驱动力相同，控制原理如图8 所示。4基于 CAN总线控制系统设计CAN即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一，其可以对多车系统进行控制器之间交换信息，行车多车电子控制网络。液压载重车的液压系统是采用电液比例控制,可以应用现场总线技术,完成两台以上的液压载重车各控制器间的相互通讯，从而d经过调试,采集行驶过程中两车左前轴的压力和Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024实现多车协同控制 16 O输入招+-PD控制盟一酸压泵一液压马因速度传感器压力传感器PID控制器液压泵液压马达速度比较压力比较图8 同步控制系统框图Fig.8Block diagram of the synchronous control system根据CAN总线的特点,设计两车同步控制系统方案如图9 所示，传感器采集到的两车的车速和压力信号并通过CAN总线发送给控制器，控制器把预设的输入信号与反馈信号进行比较，实现闭环控制。A车为主车，B车根据传感器信号调整控制电流的大小，实现液压泵或马达排量的调节，从而改变车速和压力，从而实现两车的协同运输。A车各传感器信号A车控制器图9 两车CAN总线控制方案Fig.9The CAN bus control scheme of the two vehicles5现场联合运输调试液压载重车并车运输装载完成后，为了验证控制器的同步控制性能以及实用性，对两车纵向并车联合运输大型轮船进行了现场调试，如图10 所示。图10 两车联合作业同步调试现场Fig.10Synchronous debugging site for combinedtransportation of the two vehicles位移参数如图11,可见两车位移和压力在15s后基本A车一致，最大位移误差约30 mm，最大压力误差约为运1.5MPa,同步精度完全满足运输要求。输轮船B车B车各传感器信号B车控制器CAN Bus141210/864203.53.02.52.0移1.51.00.50图11两车（左前轴）位移和压力曲线Fig.11 Displacement and pressure curves of twovehicles(left front axle)6结论针对两车联合作业的同步控制进行了分析和研究，设计了基于 CAN总线的双闭环PID控制器,从而达到了行驶过程中的高精度同步，主要做了如下工作：（1）建立了运输车泵控马达系统数学模型和传递函数，并对液压驱动系统建立Simulink模型和进行仿真，发现通过调整PID参数可以得到较好的响应曲线；（2）为实现两车精确同步控制，采用两车之间的速度和压力信号的偏差作为控制目标，采用主从控制策略,设计出两车纵向并车的驱动压力和行驶速度的双闭环PID控制器，两车采用CAN总线进行通信和控制；（3）为了验证控制器的同步控制性能，进行了实车两车纵向并车联合运输同步控制试验，根据现场测得的相关参数，说明此控制系统可以满足两车的协同控制，而且控制精度较高，能够实现两车纵向并车运输的同步性和安全性。参考文献1(OSAMA Bedair.Relocation of Industrial Facilities Using Self-Propelled Modular Transporters（SPM T S）J.R e c e n t45一A车-B车1020时间/s(a)压力一A车-B车1020时间/s(b)位移303040405050液压气动与密封/2 0 2 4年第3期Patents on Engineering,2014,8(2):82-94.2赵静一.自行式液压载重车现状与发展 J.建设机械技术与管理,2 0 13(8):7 3-7 4.ZHAO Jingyi.Self-propelled Hydraulic Trucks CurrentSituation and Development J.Construction MachineryTechnology&Management,2013,26(8):73-74.3 赵静一：大型自行式液压载重车M.北京：化学工业出版社,2 0 10.ZHAO Jingyi.Large Self-propelled Hydraulic Truck M.Beijing:Chemical Industry Press,2010.4王欣，张明辉，高顺德，等.大型动力平板车技术的发展J.工程机械与维修,2 0 0 7（12):8 1-8 3.WANG Xin,ZHANG Minghui,GAO Shunde,et al.Development of Large Power Flat Car Technology J.Construction Machinery&Maintenance,2007(12):81-83.5赵静一,王智勇,覃艳明，等.TLC900型运梁车电液转向控制系统的仿真与试验分析 J.机械工程学报,2 0 0 7（9)：65 68,74.ZHAO Jingyi,WANG Zhiyong,QIN Yanming，e t a l.Simulation and Experimental Analysis of Electro-hydraulicSteering Control System for TLC900 Transporting GirderVehicle J.Chinese Journal of Mechanical Engineering,2007,43(9):65-68,74.6职山杰，高爱华，张红波，等.37 0 0 t大型模块化运载装备J.液压气动与密封,2 0 10(10):6 1-6 2.ZHI Shanjie,GAO Aihua,ZHANG Hongbo,et al.3700tModular Transporting Equipment J.Hydraulics Pneumaticsand Seals,2010(10):61-62.7郭锐.大型载重车联合作业液压系统群可靠性增长研究D.秦皇岛：燕山大学,2 0 16.GUO Rui.A Large Truck Joint Operation of Hydraulic Systemof Reliability Growth D.Qinghuangdao:Yanshan University,2016.8王长青,杨汴华,邢军伟.基于CAN总线技术的两台或多台平板车同步控制技术 J.铁道标准设计,2 0 0 8（3）：52-53.WANG Changqing,YANG Bianhua,XING Junwei.SynchronousControl Technology for Two or More Flatbed Tricycles Basedon CAN Bus Technology J.Railway Standard Design,2008(3):52 53.9赵静一,孙炳玉，李鹏飞.9 0 0 t提梁机液压行走系统原理引用本文：戴建军，王建军，赵静一，等.两车纵向并车联合运输同步控制技术研究 J.液压气动与密封，2 0 2 4,44（3）：42 46.DAI Jianjun,WANG Jianjun,ZHAO Jingyi,et al.Study on Synchronous Control Technology for Longitudinal Combined Transportation ofTwo Vehicles J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(3):42-46.分析及其功率匹配 J.液压与气动，2 0 0 7,12（2）：39-41.ZHAO Jingyi,SUN Bingyu,LI Pengfei.Principle Analysisand Power Match of Hydraulic Travelling System of 900tGirder Machine J.Chinese Hydraulics&Pneumatics,2007,12(2):39 41.10唐定友.9 0 0 吨轮胎式运梁车液压行走驱动系统研究D.西安：长安大学,2 0 0 7.TANG Dingyou.Study on Hydraulic System of TravelingBogies of 900t Wheel Transporting Girder Vehicle D.Xian:Changan University,2007.11王建军.多车编队作业液压系统群协同控制研究 D.秦皇岛：燕山大学，2 0 2 2.WANG Jianjun.Research on Hydraulic System GroupCooperative Control of Multi Vehicle Formation OperationD.Qinghuangdao:Yanshan University,2022.12龚国芳,胡国良，杨华勇.盾构推进系统同步协调控制实验分析 J.液压与气动,2 0 0 6（7）：56-58.GONG Guofang，H U G u o l i a n g，Y A N G H u a y o n g.Synchronization Control Analyses of Thrust System for ShieldTunneling Machine J.Chinese Hydraulics&Pneumatics,2006(7):56-58.13 HAN Qingkai,HAO Lina,ZHANG Hao,et al.Achievementof Chaotic Synchronization Trajectories of Master-slaveManipulators with Feedback Control Strategy J.ActaMechanica Sinica,2010,26(3):433-439.14何东博.2 30 0 t运梁车液压驱动同步控制系统研究与工程实践 D.秦皇岛：燕山大学,2 0 17.HE Dongbo.Research of Hydraulic Drive Synchronous ControlSystem for 2 300 t Girder and Engineering Practice D.Qinghuangdao:Yanshan University,2017.【15孙家春.CAN总线技术在工程机械的应用J.工程机械文摘,2 0 0 7,2 5(4):6 2-6 3.SUN Jiachun.Application of CAN Bus Technology inConstruction Machinery J.Engineering Machinery Design,2007,25(4):62-63.16吕九枝.CAN总线在专用设备中的应用J.机床电器，2012,39(6):42-43.LV Jiuzhi.Application of CAN Bus in Special EquipmentJ.Machine tool Appliance,2012,39(6):42-43.46