基于SimHydraulics的电控液压转向系统仿真

沈文龙，汪东明，黄银花，李萍（淮安信息职业技术学院汽车工程系，江苏 淮安 223005）

基于SimHydraulics的电控液压转向系统仿真

沈文龙，汪东明，黄银花，李萍
（淮安信息职业技术学院汽车工程系，江苏 淮安 223005）

运用SimHydraulics工具对某型农业车辆改造后的电控液压转向系统进行了仿真研究，根据电控液压转向系统工作原理图，调用工具中相应的液压元件模型，建立仿真框图。仿真结果验证了系统的可行性和有效性，为实际研制提供了理论基础；同时，该工具适用于车辆上液压系统的快速建模仿真。

电控液压；转向系统；SimHydraulics；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.027

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-74-03

引言

车辆智能化已成为全球车辆工程领域的研究热点，自主导航行驶作为其关键技术之一，受到各国研究者和相关机构的青睐。车辆自主导航行驶需要对原有的转向机构进行改造，满足自动控制的需求。农业车辆自主导航尽管起步较晚，但也取得了一定成果，农业车辆原有转向机构多采用液力转向，因此对其机构改造多通过添加电控液压阀的方法［1］［2］。为了对改造后的转向机构和转向控制器参数、性能与可靠性等进行评估，电控液压转向系统仿真是必不可少的工作之一［3］。

液压系统的仿真部分采用是根据其工作原理在Simulink等仿真软件中建立数学模型的方法，但液压系统及其元件具有复杂的非线性和时变性，得到较为精确的数学模型比较困难，必须对模型进行简化，造成了简化程度与精度之间的矛盾［4］。还有一部分使用AMESim等液压专用仿真软件，这些软件具有丰富的模型库和图形化操作界面，但仿真控制策略的能力较弱［5］。也有部分研究者，将二者结合进行联合仿真，但费时且使得仿真变得愈加复杂，不利于工程实际的运用［6］。SimHydraulics具有较完善的商品化液压元件物理网络模型，并且这些基础元件模型还可重新组合创建新的液压软件模型，这些模型可根据液压系统实际环境建模。通过sensor模块和 source模块可以便捷的引入控制策略，结合 SimM echanics引入机械部分，整个仿真过程全部在Simulink单一环境下进行[7]，直观方便，非常有利于车辆上液压系统部分的开发和仿真。

1、电控液压转向系统

本文所述所改造的电控液压转向系统基于某型农业车辆，系统原理图如图1所示。其中元件1、2、4、5和6是车辆原有转向机构，在原有转向机构油泵2之后加装两位四通换向阀3起到切换油源流向作用，换向阀3通电工作后，油泵泵出的液力传动油经过油滤7输送给三位四通比例换向阀9，达到自动转向的要求。控制器10根据上位机发出的期望转角命令和角度传感器11发出的实际转角信号，计算控制量控制比例阀开口方向和大小将液压油输入转向油缸6的左或右腔，推动前轮转向。

液压系统的油泵提供排量6.3L/min、工作压力16MPa的恒流油源［8］；采用DBW10B1-52/3.15-6EG24N9K4型溢流阀，泄压值设为 3.5Mpa；比例方向阀型号为 4WREE10E75-22/G24K31/A1V型；转向油缸缸径为50mm、杆径为25mm；转向轮为 5.00-15型农用车轮胎，连接管路为橡胶油管。上述元件的具体参数均详细可查。

图1　电控液压转向系统原理图

2、建立仿真框图

根据电控液压转向系统实际工作部分，使用 SimHyd raulics建立的仿真框图如图2所示。

图2中油泵部分（Pump Unit）由系统压力值设定由常量值（constant）和数字信号转物理信号模块（S-PS）构成，油泵（Idea Hydraulic Pressure Source）的进油口（T）连接由油箱（Hydraulic Reference）和液压介质（Hydraulic Fluid）构成[6]，油泵出口（P）连接比例阀进油口，最终构成工作压力为 16MPa的恒压油源。通过溢流阀设定系统工作压力为3.5MPa。

轮胎负载部分（Tire Load）由质量（M）、阻尼（TD）、摩擦力（TF）、刚度（SPR）和基点（MTR）等组成。输入端连接在转向油缸杆上，输出端连载运动传感器（Ideal Translational Motion Sensor）物理接入点（C端）上。运动传感器将载有轮胎负载的油缸杆位移量通过位移输出端（P）输出至物理信号转数字信号（PS-S），输出到各部分示波器上。

图2　电控液压转向系统仿真框图

根据信号发生器（Signal Builder）发出的控制命令和运动传感器的反馈通过加减器（Subtract）得出偏差值发送至转向控制器，转向控制器采用带有死区的PD控制算法，因此控制器由死区（Dead Zone）和PD控制器（Controller），将转向控制器计算出的控制量通过 S-PS转换成物理控制信号输入至比例阀驱动模块（Propotional and Serco-Valve Actuator），继而输入至三位四通比例阀（4-Way Directional Valve）信号输入口（S端），控制比例阀A、B出口。

通过上述闭环系统可以发现，前轮转角和转向油缸的位移量由直接关系，通过标定找出二者的函数关系 f(u)，建立位移——转角转换模块，通过角度示波器（Angle）观测仿真结果。电控液压转向系统仿真结果能否达到预期的工作状态，取决于PD控制器死区值、P系数和D系数的确定。

3、电控液压转向系统的SimHydraulics仿真

在仿真框图中输入相应元件型号实际参数和标定关系函数，上位机输入的期望转角命令为10°，分别以无PD控制器和带有死区的PD控制器进行仿真，通过示波器得到仿真结果如图3所示。无PD控制器紧靠偏差值调节时，前轮转角超调量过大，且出现了反复振荡现象，不符合电控液压转向系统的要求。死区值为1.5°，反复选取P、D系数，当系数P 和D分别取0.25和0.01时，前轮快速达到期望转角并保持稳定，符合农业车辆转向的需求。

图3　电控液压转向系统的仿真结果

4、结论

电控液压转向系统具有转向力矩大、响应快等优点，非常适用于农业车辆。对其工况的仿真可以有效验证方案的可行性和动态响应特征，大大缩短研制过程，为后期具体改装提供良好的基础。SimHydraulics仿真工具提供了一种“所见即所得”的方法，适用于车辆上液压系统仿真，极大减轻研究人员的负担。

[1] 陈文良.拖拉机自动驾驶转向控制系统的研制[D].北京:中国农业大学,2006.

[2] 沈文龙,薛金林,张永.农业车辆电控液压转向系统的设计[J].湖南农业大学学报(自然科学版),2014(03):325-329.

[3] 李洪运,卓桂荣.基于 SimHydraulics的制动防抱死系统仿真分析[C].2010全国现代制造集成技术(CMIS)学术会议论文集.2010:330-340.

[4] 胡东,赵湘文,蔡旭.基于 SimHydraulics的兆瓦级风机液压型变桨系统仿真[J].机床与液压,2009(10):205-208.

[5] 郑洪波,孙友松.基于 Simulink/SimHydraulics的液压系统仿真[J].锻压装备与制造技术,2010(06):31-34.

[6] 孟亚东,李长春,刘晓东,张金英.基于SimHydraulics的电液伺服系统实物仿真[J].系统仿真学报,2009,06:1596-1598+1601.

[7] 刘勋,刘玉,李新有.基于 Simhydraulics软件的电液伺服系统仿真分析[J].机床与液压,2009(10):236-237+240.

[8] 吕白.CBN型齿轮[EBOL]//http://wenku.baidu.com/view/f897190 303d8ce2f0066231a.html. 2011-01-17.

The SimulationofElectro-hydraulic SteeringSystem Based onSimHydraulics

Shen Wenlong, Wang Dongming, Huang Yinhua, Li Ping
（Depaetment of Automotive Engineering, Huai'an College of Information Technology, Jiangsu Huai'an 223005）

The electro-hydraulic steering system of agricultural vehicle was simulated by means of SimHydraulics toolbox. The electro-hydraulic steering system can be directly modeled and simulated using a representative library of hydraulic components built in SimHyadraulics. Simulation shows the electro-hydraulic steering system is feasible and effective. The simulation results provide the theories foundation for research and manufacture. AndSimHydraulics is suitable for the vehicle hydraulic system of rapid modeling and simulation.

Electro-hydraulic; Steeringsystem; SimHydraulics; Simulation

U463.4

A

1671-7988（2015）12-74-03

沈文龙，硕士研究生，就职于淮安信息职业技术学院汽车工程系，主要从事车辆电子研究。

江苏省淮安市科技计划专项资金科技创新平台（HAP201411）。