垃圾車提升機構ADAMS和MATLAB聯合仿真研究

韓以倫，郭喚喚，鄭 輝

（山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590）

1 引言

隨著經濟的快速發展，人口規模的擴張，使得城市垃圾日益增多，而人們對生活質量的要求越來越高，由垃圾造成的環境污染已成為人類城市化進程中不可忽視且亟待解決的現實問題[1]。目前，我國常用的壓縮式垃圾車按照提升機構安裝位置的不同可分為前裝壓縮式垃圾車、后裝壓縮式垃圾車以及側裝壓縮式垃圾車。前裝壓縮式垃圾車一般來說操作比較復雜，而后裝壓縮式垃圾車相對來說價格昂貴，占用空間較大，并且不利于提高汽車駕駛的安全性。因此，側裝壓縮式垃圾車得到了廣泛的使用。

目前對后裝壓縮式垃圾車的研究比較多，而對側裝壓縮式垃圾車的研究相對比較少，文獻[2]主要對其結構進行優化，采用了雙重功能的多級缸，使推板既可以壓縮垃圾，又可以排料，而且采用多路閥等液壓元件保證了車輛的穩定性；文獻[3]利用CATIA和ADAMS軟件對提升機構和壓縮機構進行聯合仿真，對油缸進行了優化，并對提升機構建立機液耦合模型，驗證了系統的穩定性。

提升機構作為側裝壓縮式垃圾車的執行機構，合理的結構有利于垃圾車的穩定性和經濟性，因此在原有側裝壓縮式垃圾車的基礎上，對其提升機構進行了改進，這對于垃圾車提升機構的設計與研究具有重大的現實意義。

2 提升機構的組成和工作過程

提升機構作為垃圾車的執行機構，主要完成垃圾的夾持、提升和傾倒工作。改進后的提升機構主要包括壓桶機構、夾桶機構、提升油缸、左右導軌、頂蓋支架等部分組成。具體結構，如圖1所示。

圖1 提升機構結構圖Fig.1 Structure of Lifting Mechanism

該種機構的油缸設置在車廂頂蓋上，靠近車廂頂蓋的左前方平行放置兩個油缸，在油缸的作用下，可以同時實現頂蓋的打開和提升機構的運動，即一個動作可以同時實現開蓋和翻料兩個動作，然后再完成垃圾的提升和傾倒，這樣的設計使得油缸的受力較市面上現存的結構更加平穩、安全。其主要參數，如表1所示。

表1 提升機構主要參數Tab.1 Main Parameters of Lifting Mechanism

垃圾車提升機構工作過程如下：

作業初始位置時壓桶機構的下端與壓桶支撐板接觸，壓桶支撐板用來限位和支撐壓桶架，車廂上端頂蓋支架閉合，夾桶板也處于初始位置。將垃圾桶推到壓桶架和夾桶板之間，左右提升油缸的活塞桿伸出，帶動頂蓋支架轉動。這時頂蓋支架拉動左右拉桿，使左右拉桿帶動著夾桶板沿著壓桶架內的左右導軌向上運動，在向上運動過程中夾桶板的夾桶齒會插入垃圾桶的卡槽內，這時夾桶板一塊帶著垃圾桶向上運動，直到垃圾桶上表面頂住壓桶架的壓板，帶著壓桶架沿著左右翻轉導軌繼續向上運動。

當壓桶架的左上滑塊和右上滑塊到達左右翻轉導軌的終點位置時。隨著左右傾倒油缸繼續伸出，左右拉桿繼續拉動，壓桶架相對于壓桶架上部的左上滑塊和右上滑塊逆時針轉動，左下滑塊和右下滑塊離開左右翻轉導軌外表面，從而使夾在夾桶架上的垃圾桶發生翻轉，完成垃圾桶的卸料。

返回時左右提升油缸收回，左右拉桿推動壓桶機構左上和右上滑塊沿半圓弧向下運動直到到達左右翻轉導軌直線導軌區，左右拉桿繼續推動壓桶架的左上和右上滑塊沿著左右翻轉導軌向下運動，此時壓桶架還有相對于左上和右上滑塊的順時針轉動，直到壓桶架的左下滑塊和右下滑塊接觸到左右翻轉導軌外邊面。此時左右連桿就推動壓桶架、夾桶板、垃圾桶向下直線運動。壓桶架下表面接觸到壓桶支撐板時停止運動，夾桶板帶著垃圾桶繼續向下運動，直到頂蓋支架完全閉合，傾倒油缸停止工作，垃圾箱回到地面，夾桶板也回到初始位置，完成整個工作過程。

3 提升機構的運動學和動力學仿真

3.1 虛擬樣機模型的建立

由于ADAMS軟件很難精確建立復雜的三維實體模型[4]，所以選擇UG三維設計軟件建立了垃圾車的實體模型，將其保存為Parasolid格式，然后導入到ADAMS/View工作環境中，設置主參考系OXYZ，遵循右手定則，將單位設置為MMKS單位組。

模型導入后，需要對模型添加約束，這些約束不但可以限制各個構件之間的相互運動，而且可以將各構件按照確定的順序完成既定的運動，從而組成一個完整的系統。提升機構虛擬樣機各個構件之間的約束關系[5]，如表2所示。

表2 虛擬樣機運動副約束的設置Tab.2 Setting of Motion Pair Constraints for Virtual Prototyping

3.2 運動學仿真結果分析

垃圾車提升機構仿真模型建立之后，根據提升機構實際運動情況設置驅動函數為STEP（x，0,5,400），設置運動時間為5s，步數為100，便可以進行運動學和動力學仿真。

通過仿真分析的動畫，可以明顯直觀的觀察提升機構的運動過程，如圖2所示。

圖2 提升機構仿真模擬圖Fig.2 Simulation Diagram of Lifting Mechanism

圖3 垃圾桶的運動軌跡包絡線Fig.3 Envelope Line of Motion of Trash Can

為使垃圾桶的運動特性表現更為直觀，啟動ADAMS/PostProcessor模塊，右擊選擇Load Animation命令，在Trace Marker菜單下，選定垃圾桶的中心位置作為Marker點，就可以得到垃圾桶中心位置整個過程的運動軌跡，如圖3所示。

通過對提升機構的運動學分析，驗證了提升機構可以順利完成垃圾車的提升和翻轉過程，并且在仿真過程中沒有出現運動突變，驟停以及各運動部件之間的干涉等異常情況。

3.3 動力學仿真結果分析

為了驗證垃圾車執行機構系統運動的有效性及可靠性，以提升過程和翻轉過程中的傾倒液壓缸與車廂鉸接點處的作用力為例進行分析，通過ADAMS中的后處理模塊便可以得到仿真曲線，如圖 4（a）、圖 4（b）所示。

在提升階段傾倒液壓缸隨時間變化產生的作用力曲線圖，如

如圖4（a）所示。垃圾桶在提升過程的初始階段，提升液壓缸進油推出活塞桿，此時液壓油缸產生的作用力大約為90000N，在垃圾桶逐漸被提升過程中，其作用力迅速升高，大約0.15s時作用力達到最大值96000N。隨著垃圾桶逐漸上升，液壓缸的作用力緩慢降低，大約4.2s時液壓缸作用力大小基本保持在46000N左右，此時垃圾桶已經運行到直線導軌末端且滑塊馬上要進入圓形導軌，大約運行至4.5s時，垃圾桶在提升機構的作用下完成提升過程。

通過液壓缸作用的走勢分析，在提升的初始位置由于垃圾桶比較重，且主要由液壓缸提供提升力，所以在初始位置液壓缸作用力會達到最大值。隨著垃圾桶的不斷提升，車廂會給液壓缸一個反向作用力，由原來的拉力變成推力，導致液壓缸的作用力在不斷減小。

圖4 傾倒液壓缸作用力隨時間的變化曲線Fig.4 Change Curve of Dump Cylinder Force with Time

在翻轉階段傾倒液壓缸隨時間變化產生的作用力曲線圖，如圖4（b）所示。垃圾桶在傾倒過程中基本做定軸轉動，在進入圓形軌道后作用力會迅速升高。在翻轉起始位置，液壓油產生的作用力為85000N，在垃圾桶逐漸翻轉過程中，液壓缸產生的作用力升高，大約0.1s的時間作用力達到最大值90000N。隨著垃圾桶繼續翻轉，液壓缸的作用力也逐漸降低，在4s時降低到最小值1000N。

在翻轉初始階段，翻轉液壓缸需要比較大的作用力，隨著垃圾桶質量不斷減輕，液壓缸的作用力也在不斷減小，符合實際工況。

綜上所述，側裝壓縮式垃圾車的提升機構模型能夠順利的完成運動學和動力學仿真，并且符合實際系統，為下一步聯合仿真系統的機械子系統奠定了基礎。

4 聯合仿真

4.1 機械系統的建立

為了實現垃圾車提升機構的聯合仿真，需要在ADAMS軟件中設置輸入輸出變量，再由ADAMS/Control模塊將模型的控制信息導出，將其作為Simulink中的一個子系統[6]。

在ADAMS/Control模塊中，將傾倒液壓缸與活塞之間的力變量設置為輸入變量，用于MATLAB中控制系統的輸出指令；將提升機構驅動垃圾桶的位置變量與速度變量設置為輸出變量，用于控制系統中位置及速度反饋的輸入指令，這樣就構成了一個閉環控制系統，實現了垃圾桶位置的精確控制。完成上述的變量定義后，ADAMS/Control模塊將會生成三個文件，這些文件將成為ADAMS與MATLAB之間的數據傳遞[7]，在MATLAB中輸入命令：adams_sys，則會產生垃圾車提升機構的機械子系統模塊。

4.2 控制系統的建立

PID控制是目前最常用的一種控制方式，其使用靈活，參數易于整定[8]。PID控制器根據目標值r（t）與實際輸出值y（t）構成控制偏差e（t）=r（t）-y（t），其控制規律為：

式中：kp—比例系數；Ti—積分時間常數；Td—微分時間常數。

設r0為垃圾桶的目標位置輸出，r為垃圾桶的實際位置輸出，可得到驅動力方程表達式為：

式中：kp—比例環節系數；ki—積分環節系數，ki=kpT/Ti；kd—微分環節系數，kd=kpTd/T。

針對垃圾車提升機構驅動垃圾桶的運行，引入PID控制策略進行位置控制，通過對提升和翻轉過程中垃圾桶的位置控制來實現垃圾桶傾倒時的位置控制，保證垃圾桶能夠較高精度的實現預定的軌跡[9]，聯合仿真控制系統，如圖5所示。

圖5 位置控制系統聯合仿真Fig.5 Joint Simulation of Position Control System

4.3 聯合仿真結果分析

在PID控制器中，通過設定不同kp值、ki值和kd值對控制器進行調試，以便實現對垃圾車提升機構的精確和穩定控制。根據經驗公式，初步選取一組PID控制參數[10]，如表3所示。

表3 PID控制器參數值選取Tab.3 Selection of Parameter Value of PID Controller

將表3中PID控制參數值分別代入聯合仿真控制系統，給定一個階躍信號，幅值設為3.3?？傻寐摵戏抡嫦到y的階躍響應特性曲線，如圖6所示[11]。其誤差曲線，如圖7所示。

圖6 聯合系統階躍響應特性曲線Fig.6 Step Response Characteristic Curve of Joint System

圖7 系統階躍響應誤差曲線Fig.7 Error Curve of Step Response of System

由圖6可得，當PID控制參數值設定為kp=0.1，ki=0.1，kd=0.1時，可以看出其響應速度相對較慢，超調量較大，穩態誤差較大；當PID控制參數值設定為kp=0.2，ki=0.2，kd=0.2時，可以看出其響應速度變快，穩態誤差減小，但超調量變大；當PID控制參數值設定為kp=0.3，ki=0.4，kd=0.1時，可以看出其超調量明顯減小，穩態誤差進一步減小，但響應速度相對變慢；當控制參數值設定為kp=0.35，ki=0.45，kd=0.065時，可以看出其響應速度非?？?，超調量很小，穩態誤差也很小，且具有良好的穩定性。

由圖7可得，誤差在1.2s左右達到穩定且趨向于零。綜上所述，該提升機構能夠驅動垃圾桶在較短的響應時間內由初始位置移動到給定的目標位置，從而實現位置的快速控制。

進一步仿真可得，當kp=0.35，ki=0.45，kd=0.065時，輸出垃圾桶的位置控制曲線，如圖8（a）所示。其局部放大，如圖8（b）所示。

圖8 垃圾桶位置控制曲線圖Fig.8 Position Control Curve of Trash Can

由圖8（a）和圖8（b）可以看出，輸出垃圾桶的實際位置曲線無限逼近目標位置曲線，其跟隨誤差數量級為10-3，說明該提升機構驅動垃圾桶可以很好的跟蹤給定的目標曲線，誤差非常小，能夠實現對垃圾桶的精確位置控制。

5 結論

（1）利用三維建模軟件UG設計了一種結構合理、成本低且滿足實際工作需要的新型側裝壓縮式垃圾車的提升機構，采用ADAMS虛擬樣機技術對該機構進行運動學和動力學仿真，在仿真過程中能夠直觀的看到垃圾車提升機構的運轉過程，同時也為提升機構的實際運動控制提供了重要參考。

（2）采用ADAMS和MATLAB聯合仿真技術建立了聯合仿真控制系統，通過對控制器進行PID參數整定，得到了系統階躍響應特性曲線，誤差曲線和垃圾桶位置控制曲線，通過此方法，實現了對提升機構驅動垃圾桶的高精度控制，仿真效果逼近實際系統，大大提高了設計效率、降低了成本。