某集裝箱裝卸搬運機轉向控制算法設計

白雪峰，李紅勛，孟祥德

(軍事交通學院 國家應急交通運輸裝備工程技術研究中心，天津 300161)

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● 基礎科學與技術 Basic Science & Technology

某集裝箱裝卸搬運機轉向控制算法設計

白雪峰，李紅勛，孟祥德

(軍事交通學院 國家應急交通運輸裝備工程技術研究中心，天津 300161)

為使某集裝箱裝卸搬運機在轉向過程中兩側車輪之間的偏轉關系始終滿足車輛的轉向特性要求，采用模糊控制作為轉向控制算法，完成模糊控制器的設計，得到轉向控制程序實現的控制列表。以模擬轉向盤指令角度為輸入，對各輪在各作業模式和轉向模式下的響應及響應過程進行仿真分析，驗證了整個轉向系統設計的合理性和科學性。

集裝箱裝卸搬運機；轉向系統；模糊控制

某集裝箱裝卸搬運機轉向控制的重點是使轉向過程中兩側車輪之間的偏轉關系始終滿足車輛的轉向特性要求。由于難以得到精確的數學模型，考慮到該機械屬于低速行駛車輛，機械和液壓系統的反應速度相對于處理器來說較慢，再加上液壓系統有一定的滯后時間，程序設計還必須考慮左右兩車輪的轉向關系，以及滿足轉角大、時間長和轉角小、時間短的規律，其轉向控制系統采用模糊控制算法來實現轉向過程的平穩控制。

1 轉向控制系統設計要求和思路

1.1 轉向控制系統設計要求

某集裝箱裝卸搬運機機械轉向系統設計要求是各車輪轉動的角速度和轉角按照駕駛員所設定的作業模式、轉向模式及轉向盤轉動方向與速度，在任何狀態下，各轉向輪的轉角與理論上純滾動對應的轉角誤差在1°以內。其控制系統應能將車輪偏轉到一定角度；在各工作模式下應具有正常轉向、原地轉向、蟹行和平移等功能；偏轉過程中應保證各車輪之間的偏轉角度關系；應提高響應特性和響應一致性；在轉向過程中，有故障發生時能夠進行緊急制動，并顯示相應的故障代碼供操作人員及時排除故障[1]。

1.2 模糊控制器設計思路

轉向系統模糊控制基本原理如圖1所示。根據各輪設定的目標角度值和實際輸入值，計算出角度誤差e和誤差變化率ec的精確值，通過模糊化得出輸入變量的模糊值，利用知識庫進行邏輯決策，得出輸出變量的模糊值，再經過解模糊化過程得出輸出變量的精確值，用來控制PWM信號的占空比，進而控制電液比例閥，完成轉向過程。

2 模糊控制器的設計

2.1 模糊化

(1)轉向輪的主要偏轉角度為-50°～50°，所以θx的范圍約為-50°～50°，得出偏差的最大值為100°。取e的實際測量范圍為[-100，100]。設系統設定的輪偏轉值為θ0，實際檢測的輪偏角度為θx，則偏轉誤差e=θ0-θx，為負值時代表輪需向左偏轉，為正值時需向右偏轉，其語言變量為E，論域為E= {-6，-5，-4，-3，-2，-1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}。

(2)取ec的實際測量范圍為[-50，50]。設偏轉角度誤差兩次采樣值的變化量是ec(k)=e(k)-e(k-1)，為負值時代表轉向盤指示需向右轉向，為正值是代表需向左轉向。其語言變量為EC，論域為EC= {-6，-5，-4，-3，-2，-1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}。

(3)控制系統的輸出是控制帶反饋電比例多路換向閥流量的占空比信號，占空比信號越大，帶反饋電比例多路換向閥流量越大。設占空比信號大小為系統的輸出控制量u，其語言變量為U，論域為U= {-6，-5，-4，-3，-2，-1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}。

2.2 各模糊變量隸屬度函數的確定

考慮到轉向中常用轉角為0°～20°，為提高反應速度，獲得良好轉向響應，本文中采用三角形隸屬函數和梯形隸屬函數，取E、EC、U具有相同形式的隸屬函數。

2.3 模糊控制規則的建立

當誤差較大時，控制量的變化應盡量使誤差迅速減少；當誤差較小時，除了要消除誤差外，還要考慮系統的穩定性，防止系統產生不必要的超調，甚至振蕩。當誤差為負且為負大時，若當誤差變化為負，表明誤差有增大的趨勢，為盡快消除已有的負大誤差并抑制誤差變大，這時控制量應取負大；當誤差為負大而誤差變化為正時，系統本身已有減少誤差的趨勢，所以為盡快消除誤差且又不超調，應取較小的控制量；當誤差為受中時，控制量應該使誤差盡快消除。模糊控制規則見表1。

表1 模糊控制規則

具體用模糊語言變量可表示為

IF E=NB AND EC=PB THEN U=NB

?

IF E=PM AND EC=PB THEN U=PB

IF E=PB AND EC=PB THEN U=PB

2.4 模糊推理算法的確定

采用曼丹尼(Mandani)極小運算法確定模糊關系[2]。由于采用最大、最小運算符∨，模糊控制規則表包含的每一條模糊條件語句都決定一個模糊關系，它們共有49個：

R1=[(NB)E×(NB)EC]T×(PM)U

?

R49=[(PB)E×(PB)EC]T×(NB)U

通過49個模糊關系的“并”運算，可以得到總的模糊關系為R=R1∨R2∨…∨R49。其中：R為模糊關系矩陣；“∨”為取大。

采用合成推理法得控制輸出為U=(E×EC)°R。其中：“×”為求值積；“° ”為合成運算符。

2.5 查詢表的建立

根據語言變量E和EC論域的量化等級，按照上面合成推理的方法，分別計算不同模糊變量值輸入組合情況下的各個輸出值，就可以獲得一個模糊控制查詢表。為了模糊控制系統設計的方便性和計算準確性，使用 Matlab 的模糊邏輯工具箱(Fuzzy Control Toolbox)[3]，由隸屬度函數和模糊規則表，建立模糊推理系統模型，模糊函數及模糊控制規則如圖2和圖3所示。在規則觀測器中，Matlab以圖形化的方式給出了模糊推理的過程(如圖4所示)。利用規則觀測器得到模糊控制查詢表(見表2)。

2.6 模糊的量化處理

(1)e和ec的實際測量范圍分別為[-100，100]和[-50，50]，設計的論域為[-6，6]，有：

則e和ec的量化因子分別為：ke=3/50，kec=3/25。

輸入量和量化因子相乘，并按下面兩式進行四舍五入，得到其等級值，即成為論域中元素。

(2)控制量的變化范圍為[10%，90%]，設計的論域為[-6，6]，有：

u=ku·U

UE6543210-1-2-3-4-5-6EC6666665445210056665543341000466554322300-1-23655442112-1-1-2-32554432001-2-2-3-41554331000-3-3-4-4054432000-1-3-4-4-5-14432100-1-2-3-4-5-5-24321000-2-3-4-4-5-5-332100-1-1-2-4-4-5-5-6-42100-1-2-2-3-4-5-5-6-6-5000-1-2-3-3-5-5-5-6-6-6-600-1-2-3-4-4-5-6-6-6-6-6

3 轉向系統MATLAB/SIMULINK仿真分析

建立帶模糊控制器轉向系統的仿真模型(如圖5所示)，并進行仿真分析。

3.1 固定角度輸入響應

開始作業時，轉向輪需從油缸初始位置時偏轉角度-130°調整到正常偏轉角度0°。將0°作為輸入目標值，得到轉向輪響應曲線、模糊控制輸入輸出參數變化及脈寬調制信號(PWM)變化曲線如圖6～圖8所示。

由圖6可知，轉向輪從開始動作至穩定，響應時間為4.2 s，響應時間在可接受范圍內，且轉向過程中轉角沒有出現波動，遲滯現象不明顯，3.8 s后曲線較為平和，轉向平穩。圖7為相應的控制其輸入E、EC和輸出U值變化曲線。結合實際過程可知，前3.8 s左右的時間，實際轉角與目標值相差較大，控制器輸出的U值較大，轉向輪響應快，偏轉速度較大；3.8 s末至穩定，實際轉角與目標值相差較小，控制器輸出的U值小，轉向輪偏轉速度小，轉向較為平和，有效避免了轉向粗暴的問題，模糊控制效果良好。由圖8可知，前2 s輸出PWM占空比保持在0.7，比例閥閥芯開度較大，油液流量大，轉向油缸運動速度大。負值代表比例閥換向，用于調整油缸運動速度，克服轉向油缸慣性影響，達到轉向平穩的目的。

為與實際轉向過程相對應，更好地反映轉向響應特性，更改四連桿機構仿真初始值，將轉向輪偏轉角度為0°時作為初始角度進行分析。在實際轉向過程中，轉向輪的偏轉多為小角度偏轉，且小角度偏轉的響應特性能充分反映轉向的靈活性。分別以5°、10°、25°為輸入角度得到響應曲線如圖9所示。當輸入為5°時，轉向從開始到穩定響應時間為0.48 s，且曲線變化較為平和，當輸入為10°、25°的響應時間分別為為0.71 s和1.53 s。圖10為相應的占空比變化曲線，曲線中向下突出曲線為脈寬調制信號(PWM)占空比為負值，代表電比例閥換向，對油缸速度和行程進行調節。

3.2 變角度輸入響應

在轉向過程中，轉向角度使用最多的為左右偏轉45°，以轉向輪偏轉角度為0°作為初始值，初始輸入-45°，2 s后以45°作為目標角度得到響應曲線如圖11所示。完成整個轉向過程至穩定，總響應時間為4 s，在2 s末，轉向輪偏轉角度剛好達到-45°的轉向要求，在躍階輸入下，轉向油缸收縮，轉向輪往回偏轉。圖12為控制電比例閥閥芯開度的PWM信號占空比變化值，明顯看出在2 s左右輸出PWM信號有激增的現象，電比例換向，轉向油缸伸長。

但總體來看，響應曲線較為平穩，轉向過程較為平和。控制器在較短的時間之內將角度調整到目標角度，轉向過程平和，能較好控制角度的調整，這樣就保證了在實際的轉向過程當中不會感覺到“急轉彎”，從而保證了裝備轉向系統的可靠性、舒適性和安全性。

圖13為正弦響應曲線，輸入正弦波振幅為45，頻率0.2 rad/s，響應稍有延遲和失真，但是沒有嚴重的超調現象。

3.3 仿真分析

將轉向控制系統封裝成一個輸入一個輸出的封裝體，以輸入目標角度代替轉向盤輸入角度仿真，在正常轉向模式下，以運輸20 ft集裝箱為例，當輸入角度為-30°時，各輪偏轉響應如圖14所示。在此輸入下，經過2 s，各輪從初始角度0°響應值目標角度至最終穩定。其中右四輪響應時間較長，左二輪相應相對較快，這是因為轉角為負角度(右一轉)時油缸收縮，耗時相對偏短，而正角度(左轉)時，油缸伸長，耗時相對較長。圖15為相應各輪PWM信號占空比變化曲線。圖16為輸入角度從0°階躍至30°，6 s末再階躍到-42°各輪偏轉響應曲線，系統整體反應迅速，12 s末各輪偏轉到預定角度，變化較為平穩，符合預先設計要求。

4 結 語

本文根據某集裝箱裝卸搬運機轉向系統的控制要求，采用雙輸入單輸出模糊控制算法實現轉向控制，其中各輪目標角度與實際角度的偏差和偏差的變化率為模糊控制器的輸入變量，調控比例閥流量的PLC輸出的PWM脈寬調制信號的控制量(占空比)為輸出變量。借助Matlab Fuzzy模塊對模糊控制器進行設計，得到模糊控制規則表。以模擬轉向盤指令角度為輸入，對各輪在各作業模式和轉向模式下的響應及響應過程進行分析，分析結果表明整個轉向系統符合設計要求。

[1] 諸靜．模糊控制原理與應用[M]．北京：機械工業出版社，2001：405-408．

[2] 章衛國，楊向忠．模糊控制理論與應用[M]．西安：西北工業大學出版社，1999：32-41．

[3] 聞新，周露．MATLAB模糊邏輯工具箱的分析和應用[M]．北京：科學出版社，2001：139-151．

(編輯：史海英)

Design of Steering Control Algorithm for Container Handling Transporter

BAI Xuefeng, LI Hongxun, MENG Xiangde

(National Emergency Transportation Equipment Engineering Technology Research Center, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

In order to make the deflection between wheels on both sides satisfying the steering requirement in the process of steering, the paper firstly designs fuzzy controller with fuzzy control as the steering control algorithm, and obtains control list of steering control program. Then, by inputting simulated steering instruction angle, it makes simulation analysis on resonse and response process of steering wheels in all kinds of operation modes and steering modes to verify the rationality and scientificalness of the whole steering system design.

container handling transporter; steering system; fuzzy control

2017-01-11；

2017-02-23．

白雪峰(1969—)，男，講師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.06.018

TH122

A

1674-2192(2017)06- 0075- 06