寧遠(yuǎn)釗,李鵬啟,吳永勝,王旭明

(西北機(jī)電工程研究所, 陜西 咸陽(yáng) 712099)

0 引言

軌道式遙控靶車(chē)系統(tǒng)主要模擬坦克、裝甲車(chē)輛等地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo),用以考核各類直瞄武器對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的射擊精度,由牽引車(chē)、拖車(chē)和遙控臺(tái)3部分組成[1-3],如圖1所示。其中,牽引車(chē)用于拖動(dòng)拖車(chē),遙控臺(tái)是遙控駕駛員的操控終端。

圖1 靶車(chē)系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of rail remote target carrier

牽引車(chē)是靶車(chē)系統(tǒng)中的動(dòng)力裝備,控制好牽引車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)以及傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比是車(chē)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。唐平建等[4]通過(guò)伺服氣缸操縱發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度,但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與氣缸行程線性程度差,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略有待優(yōu)化;劉溧等[5]采用變速箱實(shí)現(xiàn)機(jī)械式自動(dòng)換擋,換擋方式依托油門(mén)開(kāi)度和變速器轉(zhuǎn)速雙參數(shù)設(shè)計(jì),傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比控制相對(duì)復(fù)雜。在本項(xiàng)目軌道式遙控靶車(chē)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)比控制方式得到有效改進(jìn),文獻(xiàn)[4-5]公布的靶車(chē)方案中存在的牽引車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比控制相對(duì)復(fù)雜的工程問(wèn)題將得到解決。

由于靶車(chē)軌道全長(zhǎng)1 450 m,為有效拓寬射擊窗口期,對(duì)遙控靶車(chē)的車(chē)速控制提出以下指標(biāo)要求:① 加速和制動(dòng)性能:在5 t牽引車(chē)牽引5 t拖車(chē)的情況下,400 m內(nèi)由靜止加速至70 km/h,制動(dòng)距離小于300 m;② 穩(wěn)速精度:在牽引車(chē)速度70 km/h范圍內(nèi),速度控制精度小于5%。為滿足加速和制動(dòng)距離短、穩(wěn)速精度高的性能需求,提出一種通過(guò)目標(biāo)車(chē)速控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及泵和馬達(dá)排量的閉環(huán)車(chē)速控制方法。

1 車(chē)速控制系統(tǒng)

牽引車(chē)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵和液壓馬達(dá)組成的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),柴油發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)串聯(lián)的變量泵,為傳動(dòng)系統(tǒng)提供高壓油源;變量泵和變量馬達(dá)通過(guò)高壓軟管連接,組成閉式傳動(dòng)系統(tǒng);變量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)牽引車(chē)的前后橋,實(shí)現(xiàn)前后車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)。通過(guò)控制變量泵和馬達(dá)的液流方向和排量,從而控制牽引車(chē)的行走方向和速度。

牽引車(chē)車(chē)速控制系統(tǒng)由牽引車(chē)控制系統(tǒng)和遙控臺(tái)控制系統(tǒng)2部分組成,車(chē)速控制系統(tǒng)的原理如圖2所示。遙控駕駛時(shí),牽引車(chē)控制系統(tǒng)通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)接收遙控臺(tái)發(fā)出的指控指令,通過(guò)牽引車(chē)的控制器實(shí)現(xiàn)牽引車(chē)控制,同時(shí)由數(shù)傳電臺(tái)將牽引車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)送至遙控臺(tái),并在觸摸屏終端進(jìn)行顯示。

圖2 車(chē)速控制系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Schematic diagram of speed control system

牽引車(chē)控制系統(tǒng)用于牽引車(chē)運(yùn)行控制和狀態(tài)信息采集,主要包括控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、數(shù)傳電臺(tái)、傳感器和執(zhí)行器等?？刂破骺梢越邮諗?shù)傳電臺(tái)的控制指令,根據(jù)當(dāng)前牽引車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行安全聯(lián)鎖判斷和數(shù)據(jù)處理,并分別執(zhí)行油門(mén)開(kāi)度指令、傳動(dòng)比指令和剎車(chē)指令,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和剎車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引車(chē)運(yùn)行速度的控制。通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)牽引車(chē)運(yùn)動(dòng)的整體思路如下:① 通過(guò)CAN總線,發(fā)送油門(mén)開(kāi)度等指令到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU,控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制;② 通過(guò)PWM輸出接口控制泵和馬達(dá)的比例閥,改變泵和馬達(dá)的排量,實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓傳動(dòng)比的控制;③ 通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出接口直接控制剎車(chē)電磁閥,電磁閥驅(qū)動(dòng)剎車(chē)氣缸活塞桿伸縮,實(shí)現(xiàn)對(duì)剎車(chē)動(dòng)作的控制。

遙控臺(tái)控制系統(tǒng)可對(duì)牽引車(chē)運(yùn)行方向、行駛速度、制動(dòng)等進(jìn)行遠(yuǎn)程操控,同時(shí)對(duì)牽引車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控顯示。遙控臺(tái)控制系統(tǒng)由控制器、觸摸屏、數(shù)傳電臺(tái)等組成。對(duì)牽引車(chē)的遙控駕駛可以通過(guò)觸摸屏輸入牽引車(chē)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行程控模式駕駛。

2 車(chē)速控制方法

軌道式遙控靶車(chē)系統(tǒng)中,牽引車(chē)和拖車(chē)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程主要分為加速階段、穩(wěn)速階段和制動(dòng)階段。考慮到5 t牽引車(chē)牽引5 t拖車(chē)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景,控制過(guò)程存在以下難點(diǎn):① 牽引車(chē)和拖車(chē)質(zhì)量大,而軌道表面粘著系數(shù)相對(duì)偏小,加速能力受到最大粘著力限制;② 快速完成加速過(guò)程后進(jìn)入穩(wěn)速狀態(tài),容易造成縮短加速距離的同時(shí)降低穩(wěn)速精度的結(jié)果;③ 高速運(yùn)行時(shí)制動(dòng),在慣性作用下,減速容易打滑。對(duì)車(chē)速的控制既要保證加速和制動(dòng)距離短,又要保證射擊窗口內(nèi)速度穩(wěn)定。

為解決上述控制過(guò)程難點(diǎn),提出一種基于目標(biāo)車(chē)速控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及泵和馬達(dá)排量的閉環(huán)車(chē)速控制方法,如圖3所示。遙控駕駛員通過(guò)遙控臺(tái)發(fā)出目標(biāo)車(chē)速指令,牽引車(chē)控制器接收到目標(biāo)車(chē)速指令后,根據(jù)牽引車(chē)行駛狀態(tài)確定發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速以及泵、馬達(dá)排量。發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速可以通過(guò)CAN總線的方式由控制器發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU,泵、馬達(dá)排量的控制可以用控制器的PWM輸出接口通過(guò)控制液壓比例閥的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 目標(biāo)車(chē)速控制方法Fig.3 Target speed control method

為簡(jiǎn)化控制算法,控制器首先根據(jù)目標(biāo)車(chē)速輸入指令直接確定液壓傳動(dòng)系統(tǒng)泵、馬達(dá)的排量以及傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比。傳動(dòng)比確定后,車(chē)速的精確控制主要依靠對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的修正。根據(jù)車(chē)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋,控制發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)速的閉環(huán)控制?？刂圃砣鐖D4所示。實(shí)際控制過(guò)程中,需要從牽引車(chē)的性能參數(shù)出發(fā),確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的工作范圍,依據(jù)遙控牽引車(chē)的動(dòng)力性要求選擇合理的泵和馬達(dá)排量組合確定傳動(dòng)比[6-10]。

圖4 車(chē)速控制原理圖Fig.4 Speed control schematic diagram

車(chē)速的控制允許有穩(wěn)態(tài)誤差,可以選用比例或比例微分控制算法[11-13]。經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試試驗(yàn)最后采用了比例控制算法來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的計(jì)算如式(1)所示:

naim=nfact+kp(vaim-vfact)

(1)

式中:naim和nfact分別為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速;kp為比例系數(shù);vaim和vfact分別為目標(biāo)車(chē)速和實(shí)際車(chē)速。

1) 加速階段

在行駛期間,按照先變泵排量后變馬達(dá)排量的原則,逐步達(dá)到預(yù)設(shè)的排量和傳動(dòng)比。給泵控制前進(jìn)的比例閥供電,逐漸增加控制電流,泵輸出的流量開(kāi)始增大,馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加,車(chē)速逐漸增加,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。當(dāng)泵工作在最大排量后,逐漸增加馬達(dá)比例閥的控制電流,馬達(dá)排量減小,轉(zhuǎn)速和車(chē)速逐漸增加。同時(shí),車(chē)載控制器每隔一定周期按照式(1)修正發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速,并根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速控制發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量。當(dāng)車(chē)速偏差較大時(shí),比例系數(shù)可以選擇偏大,修正周期可以選擇偏小。而當(dāng)車(chē)速偏差較小時(shí),比例系數(shù)可以選擇偏小,修正周期可以選擇偏大。這種方法可以較好地實(shí)現(xiàn)牽引車(chē)在低速(目標(biāo)車(chē)速<40 km/h)運(yùn)行時(shí)的加速性能。高速(目標(biāo)車(chē)速≥40 km/h)運(yùn)行時(shí),在避免打滑現(xiàn)象發(fā)生的前提下,可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速快速修正到較高轉(zhuǎn)速,有利于發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩作用及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的加速能力。

2) 穩(wěn)速階段

為了達(dá)到穩(wěn)速效果,低速運(yùn)行時(shí),在控制算法中設(shè)置速度偏差死區(qū),當(dāng)車(chē)速達(dá)到預(yù)期精度后,令式(1)中的比例系數(shù)kp為0;而當(dāng)車(chē)速偏差大于偏差死區(qū),則繼續(xù)周期修正發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速,最終達(dá)到穩(wěn)速精度要求。高速運(yùn)行時(shí),當(dāng)車(chē)速首次達(dá)到預(yù)期精度后,可將發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速置為預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速,該預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速可通過(guò)試驗(yàn)獲得。同理,車(chē)速偏差大于偏差死區(qū),則繼續(xù)按公式(1)周期修正發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速,直至達(dá)到穩(wěn)速精度指標(biāo)。

3) 制動(dòng)階段

文獻(xiàn)[14]采用通過(guò)控制剎車(chē)氣壓進(jìn)行氣動(dòng)剎車(chē)制動(dòng),當(dāng)牽引車(chē)高速運(yùn)行時(shí)這種傳統(tǒng)的氣動(dòng)剎車(chē)方案會(huì)造成車(chē)輪抱死發(fā)生滑行[15],一方面容易對(duì)剎車(chē)片及車(chē)輪造成磨損,另一方面打滑距離過(guò)長(zhǎng),不利于牽引車(chē)和拖車(chē)的快速制動(dòng)。為避免上述問(wèn)題,采用以下制動(dòng)控制策略:低速時(shí),主動(dòng)降速制動(dòng),開(kāi)始減速后,發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)降低轉(zhuǎn)速,泵排量逐漸歸零,馬達(dá)逐漸增大排量工作,在閉式回路中,馬達(dá)在慣性力的作用下,以泵的模式工作,拖動(dòng)泵和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),泵和發(fā)動(dòng)機(jī)載荷對(duì)牽引車(chē)起制動(dòng)作用。高速時(shí),主動(dòng)降速制動(dòng)的同時(shí),輔助點(diǎn)動(dòng)剎車(chē),每隔一定周期對(duì)牽引車(chē)和拖車(chē)的車(chē)輪進(jìn)行持續(xù)的氣動(dòng)剎車(chē)控制。

圖5給出了牽引車(chē)前進(jìn)過(guò)程的車(chē)速控制流程圖。程控模式駕駛牽引車(chē)時(shí),首先需要完成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、氣室充氣、里程清零等準(zhǔn)備工作。遙控駕駛員通過(guò)觸摸屏輸入牽引車(chē)運(yùn)行的目標(biāo)車(chē)速,并按下“開(kāi)始”按鈕。牽引車(chē)控制器收到數(shù)傳電臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)的遙控指令后,根據(jù)目標(biāo)車(chē)速指令順序執(zhí)行加速和穩(wěn)速策略。當(dāng)里程超過(guò)1 000 m或接收到“停止”指令等制動(dòng)信號(hào)時(shí),執(zhí)行制動(dòng)控制策略,實(shí)現(xiàn)牽引車(chē)和拖車(chē)的制動(dòng),前進(jìn)流程結(jié)束。

圖5 車(chē)速控制流程Fig.5 Speed control flow chart

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)靶車(chē)的加速性能、制動(dòng)性能、車(chē)速的穩(wěn)定性能等主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。加速和制動(dòng)距離試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。圖6是靶車(chē)在不同目標(biāo)車(chē)速時(shí)測(cè)得的車(chē)速-里程曲線。可以看出,隨著目標(biāo)車(chē)速的增大,加速和制動(dòng)距離相應(yīng)地增大。目標(biāo)車(chē)速為70 km/h時(shí),加速距離為337 m,制動(dòng)距離為223 m。不同目標(biāo)車(chē)速對(duì)應(yīng)的加速和制動(dòng)距離均滿足指標(biāo)要求。圖7給出了靶車(chē)在不同目標(biāo)車(chē)速穩(wěn)速階段對(duì)應(yīng)的上偏差和下偏差散點(diǎn)圖。目標(biāo)車(chē)速為70 km/h時(shí),對(duì)應(yīng)的上偏差和下偏差分別為0.4%和-2.5%。不同目標(biāo)車(chē)速對(duì)應(yīng)的速度控制精度絕對(duì)值均小于5%,達(dá)到了預(yù)期的穩(wěn)速精度指標(biāo)。

表1 加速和制動(dòng)距離試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of acceleration and braking distance

圖6 車(chē)速-里程曲線Fig.6 Speed-distance curve

圖7 穩(wěn)速精度散點(diǎn)圖Fig.7 Speed stability accuracy scatter diagram

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)的車(chē)速控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,智能化程度高,使用方便。

2) 提出的基于目標(biāo)車(chē)速控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及泵和馬達(dá)排量的閉環(huán)車(chē)速控制方法,有效縮短了加速和制動(dòng)距離,提高了穩(wěn)速精度。

加速和制動(dòng)距離、穩(wěn)速精度均達(dá)到了指標(biāo)需求,可為其他工程車(chē)輛的設(shè)計(jì)改造提供參考和借鑒。