一种自调平履带车的整车建模搭建方法

1.本发明属于履带车整车建模领域，尤其是一种自调平履带车的整车建模搭建方法。


背景技术：

2.我国的农业经济正在高速发展，农机装备所面临的环境也在不断变化，传统的人工手动调平作业无法适应农业机械自动化、智能化的发展，为了满足农业机械化工作更高的要求，研究人员开始针对不同作业环境的农业机械研究自动调平系统，以减少操作人员的劳动强度，提高效率和作业质量。农业机械自动调平系统的不断优化升级，可显著提高农业机械的运行水平，实现农业机械现代化信息作业。
3.多自由整车动力学模型是开发车辆虚拟样机的核心技术，而现有技术中针对履带车动力学模型仅采用2自由度或半车模型，其无法模拟履带车在各种坡度的丘陵山地上的行驶工况以及调平情况；因此亟需建立履带车整车模型，为履带车在不同工况下的整车控制和车身调平提供研发平台。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种自调平履带车的整车建模搭建方法，本发明通过在仿真软件中进行联合仿真，实现了自调平履带车的整车模型搭建，能够模拟履带车在不同坡度的丘陵山地上调平及车身稳定情况，使用模糊自适应pid控制对液压缸位置控制，提高系统控制精度和鲁棒性。
5.为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
6.一种自调平履带车的整车建模搭建方法，包括如下步骤：
7.步骤1，履带车整车数学模型采用四点调平设计，且分别考虑履带车的车身在垂直、俯仰、侧倾方向的受力平衡，及履带车的底盘在垂直、俯仰、侧倾方向、车轮垂直方向的受力平衡，由此在仿真软件中建立履带车整车数学模型；
8.步骤2，在仿真软件中建立调平液压缸系统模型，利用该调平液压缸系统模型输出液压缸主动力，且使用模糊自适应pid控制器对液压缸进行位置控制；
9.步骤3，在仿真软件中对步骤1中搭建的履带车整车数学模型和步骤2中建立调平液压缸系统模型进行联合仿真，将调平液压缸系统模型输出的液压缸主动力作用于履带车整车模型，由此完成履带车整车模型的搭建；
10.步骤4、搭建路面激励模型，并根据路面激励模型所反馈的效果对履带车整车模型中的参数进行调控，实现整车模型的优化。
11.进一步，所述调平液压缸系统模型，主要包括电磁换向阀3、叠加式液控单向阀2、叠加式双单向节流阀1、力传感器、位移传感器和模糊自适应pid控制器；电磁换向阀3的进口端通过管路连接液压泵及储油单元，电磁换向阀3的出口端通过管路依次连接叠加式液控单向阀2、叠加式双单向节流阀1和液压缸。
12.进一步，电磁换向阀3用来改变液压缸的伸缩转换方向；叠加式液控单向阀2用于液压缸的保压，当横向调平液压缸和纵向调平液压缸完后调平动作后，锁死液压缸活塞杆伸出的位置。
13.进一步，模糊自适应pid控制器接收位移传感器所采集的位移信息，并基于位移信息处理输出调平控制信号至电磁换向阀3，对电磁换向阀3的换向位置进行调节，实现履带车自调平。
14.进一步，模糊自适应pid控制器的自调整公式表示为：
[0015][0016]
其中，k
p
、ki、kd为模糊自适应pid控制器的参数；k
p0
、k
i0
、k
d0
为标准pid控制器的参数；δk
p
、δki、δkd为模糊自适应pid控制器的调节量；q
p
、qi、qd为模糊自适应pid控制器的修正系数。
[0017]
进一步，步骤3中履带车整车数学模型和调平液压缸系统模型进行联合仿真的方法为：设定履带车整车数学模型输入给调平液压缸系统模型的变量包括：左前电磁换向阀信号、左后电磁换向阀信号、右前电磁换向阀信号、右后电磁换向阀信号；设定调平液压缸系统模型输入给履带车整车数学模型的变量包括：左前液压缸主动力f
a1
、左后液压缸主动力f
a2
、右前液压缸主动力f
a3
、右后液压缸主动力f
a4
、左前液压缸位移信号x1、左后液压缸位移信号x2、右前液压缸位移信号x3、右后液压缸位移信号x4。
[0018]
进一步，步骤4中履带车的整车时域路面激励模型表示为：
[0019][0020]
其中，f为时间频率，f
min
为时间下限截止频率，x(t)为时域路面激励，n0为参考空间频率，n0＝0.1m-1
，g(n0)为路面不平度系数，v为车速，w(t)为单位白噪声。
[0021]
进一步，步骤4中对履带车整车模型中的参数进行调控的方法为：
[0022]
将路面激励模型和履带车整车模型放置在仿真软件进行仿真，得到履带车车身加速度和底盘加速度，当履带车车身加速度均方根值和底盘加速度均方根值大于设定值时，对模糊自适应pid控制器的标准控制器参数k
p0
、k
i0
、k
d0
进行调节，直至履带车车身加速度均方根值和底盘加速度均方根值小于等于设定值。
[0023]
进一步，步骤1中的履带车整车数学模型是在simulink中搭建。
[0024]
进一步，调平液压缸系统模型在amesim中搭建。
[0025]
有益效果
[0026]
本发明的方法通过matlab/simulink与amesim的联合仿真建立基于模糊自适应pid控制的自调平履带车整车模型，其中履带车采用四点调平，通过车身倾角传感器采集平衡信息，模糊自适应pid控制器进行液压缸位置控制。整车建模中考虑了履带车的车身及其底盘的垂直、俯仰、侧倾方向和所有车轮垂直方向的受力平衡，使用matlab/simulink搭建履带车的整车模型；使用amesim搭建自调平液压缸系统模型，使用模糊自适应pid控制对液压缸位置进行控制；提高系统控制精度和鲁棒性，为不同工况下整车控制和车身调平提供研发平台。
附图说明
[0027]
图1是本发明履带车整车模型图；
[0028]
图2是本发明履带车的调平流程图；
[0029]
图3是本发明自调平履带车的simulink整车建模图；
[0030]
图4是本发明液压系统的amesim建模图；
[0031]
图5是本发明模糊自适应控制器的simulink控制图；
[0032]
图6是本发明联合仿真的底盘加速度曲线图；
[0033]
图7是本发明联合仿真的液压缸位移图。
具体实施方式
[0034]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0035]
结合附图1-5，本发明所提出的一种自调平履带车的整车建模搭建方法，包括如下步骤：
[0036]
步骤1，构建履带车整车数学模型
[0037]
履带车整车数学模型采用四点调平设计，故该履带车整车数学模型设计4个调平液压缸；并分别考虑履带车的车身在垂直、俯仰、侧倾方向的受力平衡，及履带车的底盘在垂直、俯仰、侧倾方向、车轮垂直方向的受力平衡，由此在仿真软件(如simulink)建立履带车整车数学模型。
[0038]
履带车整车数学模型由两部分构成，分别表示为：
[0039]
(1)考虑履带车的车身在垂直、俯仰、侧倾三个方向的受力平衡，列出以下方程：
[0040][0041][0042][0043]
其中，mc为车身质量，为车身加速度，c
slf
为左后悬架阻尼，c
srf
为左前悬架阻尼，c
slr
为右后悬架阻尼，c
srr
为右前悬架阻尼，k
slf
为左后悬架刚度，k
srf
为左前悬架刚度，k
slr
为右后悬架刚度，k
srr
为右前悬架刚度，x
slf
为左后车身位移，x
srf
为左前车身位移，x
slr
为右后车身位移，x
srr
为右前车身位移，x
tlf
为左后悬架处车轮的位移，x
trf
为左前悬架处车轮的位移，x
tlr
为右后悬架处车轮的位移，x
trr
为右前悬架处车轮的位移，为左后车身速度，为左后悬架处车轮的速度，为左前车身速度，为左前悬架处车轮的速度，为右后
车身速度，为右后悬架处车轮的速度，为右前车身速度，为右前悬架处车轮的速度，f
a1
为左前液压缸主动力，f
a2
为左后液压缸主动力，f
a3
为右前液压缸主动力，f
a4
为右后液压缸主动力，i1为车身侧倾转动惯量，i2为车身俯仰转动惯量，la为左车轮到履带车质心的横向距离，lb为右车轮到履带车质心的横向距离，lc为右后车轮到履带车质心的纵向距离，ld为右前车轮到履带车质心的距离，为车身侧倾角度，为车身俯仰角度。
[0044]
(2)考虑履带车的底盘在垂直、俯仰、侧倾方向、车轮垂直方向的受力平衡，列出以下方程：
[0045][0046][0047][0048]
其中，m
t
为底盘质量，为底盘加速度，k
1-10
分别为轮胎1-10的刚度，q
1-10
分别为轮胎1-10处的路面激励，x
t2
为车轮2的位移，x
t3
为车轮3的位移，x
t4
为车轮4的位移，x
t7
为车轮7的位移，x
t8
为车轮8的位移，x
t9
为车轮9的位移，i3为底盘侧倾转动惯量，i4为底盘俯仰转动惯量，为底盘侧倾角度，为底盘俯仰角度。
[0049]
步骤2，在仿真软件(amesim)中建立调平液压缸系统模型
[0050]
因为步骤1中构建的履带车整车数学模型中的液压缸所对应的液压缸主动力(f
a1
、f
a2
、f
a3
、f
a4
)需要通过液压系统提供，所以本发明在仿真软件中建立调平液压缸系统模型(如图4所示)，利用该调平液压缸系统模型输出液压缸主动力。
[0051]
结合附图4所示的调平液压缸系统模型，主要包括电磁换向阀3、叠加式液控单向阀2、叠加式双单向节流阀1、力传感器、位移传感器和模糊自适应pid控制器。电磁换向阀3的进口端通过管路连接液压泵及储油单元，电磁换向阀3的出口端通过管路依次连接叠加式液控单向阀2、叠加式双单向节流阀1和液压缸。力传感器用于获取液压缸输出的液压缸主动力。位移传感器用于获取液压缸的位移信息。模糊自适应pid控制器接收位移传感器所采集的位移信息，并基于位移信息处理输出调平控制信号至电磁换向阀3，对电磁换向阀3的换向位置进行调节，由此对相应液压缸的位移进行调节。综合4个液压缸位移的调节可以实现履带车自调平。
[0052]
更具体地，电磁换向阀3用来改变液压缸的伸缩转换方向；叠加式液控单向阀2可以完成液压缸的保压，当横向调平液压缸和纵向调平液压缸完后调平动作后，锁死液压缸活塞杆伸出的位置。
[0053]
更具体地，通过设置倾角传感器获取车身倾角信息，并且在不同路况下调节叠加
式双单向节流阀1的阀门，进而由叠加式双单向节流阀1用来控制液压缸的伸缩速度。例如，当倾角传感器显示角度较小即丘陵山地坡度较小时，减慢液压缸速度提高稳定性，当倾角传感器显示角度较大即丘陵山地坡度较大时，加快液压缸速度提高安全性。
[0054]
更具体地，模糊自适应pid控制器的模糊控制规则如图5以及下表1-3所示。
[0055]
使用模糊自适应pid控制器对液压缸进行位置控制，模糊自适应pid控制器的输入信号为仿真软件(amesim)建立的调平液压缸系统模型中的位移传感器输出的位移信号，模糊自适应pid控制器的输出信号为仿真软件(amesim)建立的调平液压缸系统模型中的电磁换向阀的调平控制信号，模糊自适应pid控制器的模糊控制规则如下表1-3所示，模糊自适应pid控制器的自调整公式表示为：
[0056][0057]
其中，k
p
、ki、kd为模糊自适应pid控制器的参数；k
p0
、k
i0
、k
d0
为标准pid控制器的参数；δk
p
、δki、δkd为模糊自适应pid控制器的调节量；q
p
、qi、qd为模糊自适应pid控制器的修正系数。
[0058]
表1
[0059][0060]
表2
[0061][0062][0063]
表3
[0064][0065]
步骤3，在仿真软件中对步骤1中搭建的履带车整车数学模型和步骤2中建立调平液压缸系统模型进行联合仿真，将调平液压缸系统模型输出的液压缸主动力作用于履带车整车模型，由此完成履带车整车模型的搭建。
[0066]
仿真软件选matlab，在本实施例中，采用matlab中的simulink。
[0067]
步骤1中的履带车整车数学模型是在simulink中搭建，调平液压缸系统模型在amesim中搭建。
[0068]
本实施例中，对联合仿真过程进行说明：
[0069]
设定履带车整车数学模型输入给调平液压缸系统模型的变量包括：左前电磁换向阀信号、左后电磁换向阀信号、右前电磁换向阀信号、右后电磁换向阀信号；设定调平液压缸系统模型输入给履带车整车数学模型的变量包括：左前液压缸主动力f
a1
、左后液压缸主动力f
a2
、右前液压缸主动力f
a3
、右后液压缸主动力f
a4
、左前液压缸位移信号x1、左后液压缸位移信号x2、右前液压缸位移信号x3、右后液压缸位移信号x4。
[0070]
步骤4、根据“路面激励模型”反馈的效果对“整车模型”中某些参数(如pid)进行调控，实现整车模型的优化。
[0071]
1、搭建履带车的整车时域路面激励模型
[0072]
构建基于滤波白噪声法(下式)的整车等级路面激励模型，该整车等级路面激励模型用来对履带车俯仰、侧倾等振动特性进行仿真。
[0073][0074]
其中f为时间频率，f
min
为时间下限截止频率，x(t)为时域路面激励，n0为参考空间频率，n0＝0.1m-1
，g(n0)为路面不平度系数，v为车速，w(t)为单位白噪声。
[0075]
2、将路面激励模型和履带车整车模型放置在仿真软件(simulink和amesim)进行仿真得到履带车车身加速度和底盘加速度，如图6所示为底盘加速度曲线图。当履带车车身加速度均方根值和底盘加速度均方根值大于设定值时，对模糊自适应pid控制器的标准控制器参数k
p0
、k
i0
、k
d0
进行调节，直至履带车车身加速度均方根值和底盘加速度均方根值小于等于设定值，完成履带车整车模型的优化。
[0076]
结合附图7，如图7所示的是对液压缸进行位置控制后的液压缸位移图，设定液压缸初始位置为0.5m，经过位置控制后变为0.53m并趋于稳定，证明控制器的正确性。
[0077]
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种自调平履带车的整车建模搭建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，履带车整车数学模型采用四点调平设计，且分别考虑履带车的车身在垂直、俯仰、侧倾方向的受力平衡，及履带车的底盘在垂直、俯仰、侧倾方向、车轮垂直方向的受力平衡，由此在仿真软件中建立履带车整车数学模型；步骤2，在仿真软件中建立调平液压缸系统模型，利用该调平液压缸系统模型输出液压缸主动力，且使用模糊自适应pid控制器对液压缸进行位置控制；步骤3，在仿真软件中对步骤1中搭建的履带车整车数学模型和步骤2中建立调平液压缸系统模型进行联合仿真，将调平液压缸系统模型输出的液压缸主动力作用于履带车整车模型，由此完成履带车整车模型的搭建；步骤4、搭建路面激励模型，并根据路面激励模型所反馈的效果对履带车整车模型中的参数进行调控，实现整车模型的优化。2.根据权利要求1所述的一种自调平履带车的整车建模搭建方法，其特征在于，所述调平液压缸系统模型，主要包括电磁换向阀3、叠加式液控单向阀2、叠加式双单向节流阀1、力传感器、位移传感器和模糊自适应pid控制器；电磁换向阀3的进口端通过管路连接液压泵及储油单元，电磁换向阀3的出口端通过管路依次连接叠加式液控单向阀2、叠加式双单向节流阀1和液压缸。3.根据权利要求2所述的一种自调平履带车的整车建模搭建方法，其特征在于，电磁换向阀3用来改变液压缸的伸缩转换方向；叠加式液控单向阀2用于液压缸的保压，当横向调平液压缸和纵向调平液压缸完后调平动作后，锁死液压缸活塞杆伸出的位置。4.根据权利要求1所述的一种自调平履带车的整车建模搭建方法，其特征在于，模糊自适应pid控制器接收位移传感器所采集的位移信息，并基于位移信息处理输出调平控制信号至电磁换向阀3，对电磁换向阀3的换向位置进行调节，实现履带车自调平。5.根据权利要求4所述的一种自调平履带车的整车建模搭建方法，其特征在于，模糊自适应pid控制器的自调整公式表示为：其中，k
p
、k
i
、k
d
为模糊自适应pid控制器的参数；k
p0
、k
i0
、k
d0
为标准pid控制器的参数；δk
p
、δk
i
、δk
d
为模糊自适应pid控制器的调节量；q
p
、q
i
、q
d
为模糊自适应pid控制器的修正系数。6.根据权利要求4所述的一种自调平履带车的整车建模搭建方法，其特征在于，步骤3中履带车整车数学模型和调平液压缸系统模型进行联合仿真的方法为：设定履带车整车数学模型输入给调平液压缸系统模型的变量包括：左前电磁换向阀信号、左后电磁换向阀信号、右前电磁换向阀信号、右后电磁换向阀信号；设定调平液压缸系统模型输入给履带车整车数学模型的变量包括：左前液压缸主动力f
a1
、左后液压缸主动力f
a2
、右前液压缸主动力f
a3
、右后液压缸主动力f
a4
、左前液压缸位移信号x1、左后液压缸位移信号x2、右前液压缸位移信号x3、右后液压缸位移信号x4。7.根据权利要求5所述的一种自调平履带车的整车建模搭建方法，其特征在于，步骤4
中履带车的整车时域路面激励模型表示为：其中，f为时间频率，f
min
为时间下限截止频率，x(t)为时域路面激励，n0为参考空间频率，n0＝0.1m-1
，g(n0)为路面不平度系数，v为车速，w(t)为单位白噪声。8.根据权利要求7所述的一种自调平履带车的整车建模搭建方法，其特征在于，步骤4中对履带车整车模型中的参数进行调控的方法为：将路面激励模型和履带车整车模型放置在仿真软件进行仿真，得到履带车车身加速度和底盘加速度，当履带车车身加速度均方根值和底盘加速度均方根值大于设定值时，对模糊自适应pid控制器的标准控制器参数k
p0
、k
i0
、k
d0
进行调节，直至履带车车身加速度均方根值和底盘加速度均方根值小于等于设定值。9.根据权利要求1所述的一种自调平履带车的整车建模搭建方法，其特征在于，步骤1中的履带车整车数学模型是在simulink中搭建。10.根据权利要求1所述的一种自调平履带车的整车建模搭建方法，其特征在于，调平液压缸系统模型在amesim中搭建。

技术总结
本发明公开了一种自调平履带车的整车建模搭建方法，采用四点调平设计，且分别考虑履带车的车身及履带车的底盘在垂直、俯仰、侧倾方向、车轮垂直方向的受力平衡，由此在仿真软件中建立履带车整车数学模型；在仿真软件中建立调平液压缸系统模型，利用该调平液压缸系统模型输出液压缸主动力，且使用模糊自适应PID控制器对液压缸进行位置控制；在仿真软件中对履带车整车数学模型和调平液压缸系统模型进行联合仿真，将调平液压缸系统模型输出的液压缸主动力作用于履带车整车模型，由此完成履带车整车模型的搭建；搭建路面激励模型，根据路面激励模型所反馈的效果对履带车整车模型中的参数进行调控，优化整车模型，实现自调平履带车的整车模型搭建。带车的整车模型搭建。带车的整车模型搭建。


技术研发人员：汪若尘 苏兆睿 孙泽宇 蒋俞 汤佳佳 叶青 师旭焕
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/8/6