CN106740404A - 一种降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置，包括：液罐，其能够相对于车体横向倾斜；液罐调整单元，其安装在液罐和车体之间，用于驱动液罐横向倾斜一定的角度；侧倾角传感器，其安装在车体上，用于检测车体的倾斜角度；控制器，其连接侧倾角传感器并接收侧倾角传感器的信号；其中，控制器还连接液罐调整单元，其根据接收的侧倾角传感器的信号控制液罐调整单元驱动液罐横向倾斜一定的角度。本发明的液罐调整装置和控制方法，采用了液压缸对液罐姿态进行了积极的动态的控制，提高了对环境的适应性，可以在各种多变工况下改变液罐倾斜的角度，进而改善液罐车的行驶稳定性。

Description

一种降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置及控制方法

技术领域

本发明涉及液罐车技术领域，更具体地说，涉及一种降低液体横向晃动的液罐车液罐姿态主动调整装置及控制方法。

背景技术

液罐车是一种装运油类物料的载货汽车，液体货物置于液罐内。考虑到液体热胀冷缩的特性以及使用过程中的实际情况，多数情况下，液罐车为非满载状态，在行驶过程中，车辆的加速、制动与转向操作将导致内部液体的晃动，对液罐内壁产生较大的冲击，且导致车体质心位置的不断变化，同时，为了降低整车的质心高度，液罐的横向尺寸一般大于垂向尺寸，因此尤其是在转向过程中，液体的横向载荷转移较为剧烈，这将降低汽车行驶的稳定性，对液罐车的行车安全构成了极大的威胁。

现有的技术可以通过主动悬架对一般商用车的侧倾进行控制，但对于液罐车来说，主动悬架并没有解决液罐中液体晃动的问题，液体的剧烈晃动依然会对液罐造成冲击，降低主动悬架对侧倾控制的作用效果。为提高液罐车的行车安全，现有的技术主要围绕于在液罐内部安装防波板以降低液体的晃动从而提高液罐车的操纵稳定性，其主要特征为：防波板沿液罐长度方向交叉布置，防波板顶部和底部开有槽孔。现有的技术存在一些不足之处，实际上液罐内部液体仍处于连通状态，在汽车加速、减速以及转弯时液体的晃动，尤其是横向晃动没有得到有效的抑制，依然会严重影响液罐车的操纵稳定性，严重情况下液罐车将发生侧翻。除此之外，浪涌对防波板会产生较大的冲击，降低其使用寿命。因此，有必要从其他角度入手，设计一种抑制液体晃动的装置。

发明内容

本发明目的是提供一种降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置，控制器根据其检测的侧倾角，通过调整单元调整液罐的横向角度，防止液位横向晃动过大。

本发明还有一个目的是一种降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置的控制方法，通过模糊控制调整液罐的倾斜角度，防止液位横向晃动过大。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置，包括：

液罐，其能够相对于车体横向倾斜；

液罐调整单元，其安装在所述液罐和车体之间，用于驱动液罐横向倾斜一定的角度；

侧倾角传感器，其安装在车体上，用于检测车体的倾斜角度；以及

控制器，其连接侧倾角传感器并接收侧倾角传感器的信号；

其中，所述控制器还连接液罐调整单元，其根据接收的侧倾角传感器的信号控制液罐调整单元驱动液罐横向倾斜一定的角度。

优选的是，所述液罐调整单元包括：

两组液压缸，其对称安装在所述液罐两侧，用于驱动液罐向左或右横向倾斜；

液压泵，其通过阀门组和液压管路连接液压缸，用于给液压缸提供液压油；

阀门组，其连接控制器，用于控制液压管路的通断；

其中，所述液压管路包括供油支路、溢流回油支路、第一工作支路和第二工作支路。

优选的是，所述液罐调整单元还包括：

驱动电机，其通过减速机构连接液压泵的入口，用于驱动液压泵输出液压油。

优选的是，所述阀门组包括：电磁阀，包括第一入口，其中，所述第一入口通过供油支路连接液压泵的出口；溢流阀，其通过溢流回油支路连接所述电磁阀的第二入口，用于控制溢流；其中，所述电磁阀的第一出口通过第一工作支路连接一组液压缸，所述电磁阀的第二出口通过第二工作支路连接另一组液压缸；电磁调速阀，其分别安装在所述第一工作支路和第二工作支路上，用于控制工作支路中液压油的速度；分流阀，其分别安装在所述第一工作支路和第二工作支路上连接液压缸的一端，用于对一组液压缸进行分流。

优选的是，所述控制器连接电磁调速阀和电磁阀，用于控制液压管路的通断。

优选的是，所述控制器包括：主控芯片，其连接所述侧倾角传感器和CAN模块，接收侧倾角信号并输出控制信号；CAN模块，其连接主控芯片，用于与外部进行通信并传输控制信号；电磁阀驱动电路，其通过CAN模块接收控制信号，用于控制电磁阀；调速阀驱动电路，其通过CAN模块接收控制信号，用于控制调速阀；供电电路模块，其连接主控芯片，用于给主控芯片供电。

本发明的目的还通过一种降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置的控制方法来实现，包括以下步骤：

所述主控芯片采用模糊控制器；

分别将侧倾角、侧倾角变化率以及液压缸的动作速度转换为模糊论域中的量化等级；

将所述侧倾角、侧倾角变化率输入模糊控制器；

所述模糊控制器中的侧倾角、侧倾角变化率分为5个等级，液压缸的动作速度分为4个等级；

模糊控制器输出液压缸的动作速度，分别控制液压缸驱动液罐横向倾斜。

优选的是，所述输入侧倾角和侧倾角变化率的模糊论域为[-1,1]，模糊子集均为{LB、LS、ZE、RS、RB}；其中，所述侧倾角的量化因子为5，侧倾角变化率的量化因子为10；

输出液压缸的动作速度的模糊论域为[-1,1]，模糊子集为{S、MS、MF、F}，量化因子为0.1。

优选的是，还包括侧倾执行层：

模糊控制器控制一组液压缸执行侧倾动作，一组中每个液压缸的侧倾力矩T为：

其中，κ为侧倾力矩因子；M为液罐的质量；M_l为液罐中液体的质量；g为重力加速度；L为液压缸活塞杆的动作量；n为一组液压缸中液压缸的数量。

侧倾力矩因子κ为：

其中，v为液压缸动作速度，θ为侧倾角传感器检测到的车体的侧倾角。

优选的是，所述模糊控制规则为：

当车体一侧的侧倾角和侧倾角变化率较大时，液压缸控制液罐反向一侧快速倾斜；

当车体一侧的侧倾角和侧倾角变化率较小时，液压缸控制液罐反向一侧较慢或较快的倾斜；

当车体处于中位且侧倾角变化率较小时时，液压缸控制液罐反向一侧慢速倾斜。

本发明至少包括以下有益效果：1、本发明采用了液压缸对液罐姿态进行了积极的动态的控制，提高了对环境的适应性，可以在各种多变工况下改变液罐倾斜的角度，由于液罐的横向尺寸大于垂向尺寸，因此可以降低液罐内液体的横向晃动，进而改善液罐车的行驶稳定性；2、本发明由于采用了主动控制，可以考虑减少液罐内部的防波板数目，使液罐的制造与维护更加便利，而且便于对液罐内部进行清理；3、本发明与采用主动悬架技术抑制车辆侧倾的技术方案相比，在不改变原车结构的前提下进行了附加装置的安装，对原车改动较小，可根据需要进行拆装。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的一种降低液体横向晃动的液罐车液罐姿态主动调整装置的主视图；

图2为本发明所述的一种降低液体横向晃动的液罐车液罐姿态主动调整装置的侧视图；

图3为本发明所述的一种降低液体横向晃动的液罐车液罐姿态主动调整装置的结构组成示意图；

图4为本发明所述的一种降低液体横向晃动的液罐车液罐姿态主动调整装置的单片机控制器结构组成框图；

图5为本发明所述的一种降低液体横向晃动的液罐车液罐姿态主动调整装置的工作原理框图；

图6为本发明所述的一种降低液体横向晃动的液罐车液罐姿态主动调整装置的液压缸动作速度模糊控制算法框图；

图7为本发明所述的一种降低液体横向晃动的液罐车液罐姿态主动调整装置采用模糊控制的输入侧倾角的隶属度函数；

图8为本发明所述的一种降低液体横向晃动的液罐车液罐姿态主动调整装置采用模糊控制的输入侧倾角的变化率的隶属度函数；

图9为本发明所述的一种降低液体横向晃动的液罐车液罐姿态主动调整装置采用模糊控制的输出液压缸的动作速度的隶属度函数；

图10本发明所述的一种降低液体横向晃动的液罐车液罐姿态主动调整装置调整过程的示意图

图11为本发明所述的一种降低液体横向晃动的液罐车液罐姿态主动调整装置的液位调整示意图。

图12为普通液罐车微调整液位时的液位效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1-2示出了根据本发明的一种实现形式，一种降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置包括：液罐车100和调整装置200，其中，所述液罐车100包括液罐110、车体120，液罐110通过调整装置200铰接在车体120上，能够相对于车体120横向倾斜；调整装置200包括液罐调整单元、控制器270和侧倾角传感器280，所述液罐调整单元安装在所述液罐110和车体120之间，用于承载液罐110和驱动液罐110横向倾斜一定的角度；所述侧倾角传感器280安装在车体120上，用于检测车体110在行驶过程中整体的倾斜角度；所述控制器270，其连接侧倾角传感器280并接收侧倾角传感器的信号；其中，所述控制器270还连接液罐调整单元，其根据接收的侧倾角传感器280的信号控制液罐调整单元驱动液罐110横向倾斜一定的角度。当液罐车100在行驶过程中，侧倾角传感器280检测到车体120向行驶方向的侧向(转弯或路面不平导致)倾斜一定的角度，其向控制器270发出侧倾角信号，控制器接收侧倾角信号，并控制液罐调整单元驱动液罐110向相反方向倾斜，防止液罐110内的液体液面波动过大。

在另一实施例中，如图2-4所示，所述液罐调整单元采用液压驱动，其包括：2组固定支架210、2组液压缸220、控制阀门组230、液压泵240、驱动电机250和减速机构260。如图2所示，两组液压缸220对称安装在所述液罐110的两侧，每组液压缸220均固定于同一液压缸固定支架210上，每组液压缸220包括2个液压缸，分别安装在液罐110在车辆前进方向的两端，液罐110底部焊接有与液压缸220数量相同的铰链固定装置，通过铰链将液罐110罐体与液压缸220的活塞杆顶端联接，使得液罐罐体可以通过活塞的伸缩进行一定角度的转动。2组固定支架210、2组液压缸220构成独立的调整装置总成，此总成通过螺栓联接固定于液罐车车体120上，方便拆装。当左侧的一组液压缸220动作，其上活塞杆顶端升高，驱动液罐110左侧升高，液罐110向右倾斜；相反，液罐110左倾斜。

如图3所示，液压泵240通过阀门组230和液压管路连接液压缸220，用于给液压缸220提供液压油；所述液压泵240由驱动电机250驱动，驱动电机250由液罐车100发电机供电。

阀门组230连接控制器270，用于控制液压管路的通断；其中，所述液压管路包括供油支路、溢流回油支路、第一工作支路和第二工作支路。

驱动电机250，其通过减速机构260连接液压泵240的入口，用于驱动液压泵240输出液压油。

在另一实施例中，如图3所示，所述阀门组230包括：电磁阀233为三位四通式电磁阀，包括第一入口、第二入口、第一出口和第二出口，其中，所述第一入口通过供油支路连接液压泵的出口；溢流阀234，其通过溢流回油支路连接第二入口，用于控制溢流；其中，第一出口通过第一工作支路连接一组液压缸，第二出口通过第二工作支路连接另一组液压缸；电磁调速阀232包括2个旁通式电磁调速阀，其分别安装在所述第一工作支路和第二工作支路上，用于控制工作支路中液压油的速度；分流阀231，其分别安装在所述第一工作支路和第二工作支路上连接液压缸的一端，用于对一组液压缸进行分流。

在另一实施例中，所述控制器270连接2个电磁调速阀232、电磁阀233，用于控制液压管路的通断。

在另一实施例中，如图4所示，所述控制器270包括：主控芯片、供电电路模块和外部I/O接口，其中，外部I/O接口包括侧倾角传感器信号处理电路、CAN通信模块、三位四通电磁阀驱动电路以及调速阀驱动电路。整个控制器围绕主控芯片布置，主控芯片最小电路由24V供电电路模块供电，外部I/O接口包括侧倾角传感器信号处理电路、CAN通信模块、三位四通电磁阀驱动电路以及调速阀驱动电路，主控芯片接收侧倾角传感器信号处理电路传来的侧倾角信号进行决策，通过CAN模块与外部进行通信，同时将控制信号传输至三位四通电磁阀驱动电路及调速阀驱动电路实现对外部液压回路的控制。

一种降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置的控制方法，包括：参阅图5，侧倾角传感器280采集车辆的侧倾角信号，控制器270根据采集到的信号进行判断，当侧倾角未超过阈值时，三位四通电磁阀233处于中位，中位的管路联接为“H”型，即将第一工作支路、第二工作支路和溢流回油支路同时与液压泵240输出相连，此时油液可到达各个液压缸220，但由于溢流回油支路的存在，使得管路内压力保持在一较低值，不足以使液压缸220活塞动作，这样可以使液压泵240在不作用时以较低的功率运行，节约电力，同时又能使油液充满管路，提高动作时的响应速度。

当侧倾角超过阈值时，工作过程参阅图10，为防止液罐110内液体产生较大幅度的晃动，此时液罐姿态主动调整装置200开始工作。若侧倾角向左，即液罐110罐体跟随车体左倾，则控制三位四通电磁阀233以第一工作支路接入油路，使左侧液压缸220动作，使液罐罐体有右倾的趋势，右倾的速度由第一工作支路的旁通式电磁调速阀232控制。若侧倾角向右，原理同上。

参阅图6，液压缸动作速度的控制策略可以通过模糊控制算法实现，但不限于通过模糊控制算法实现。

模糊控制器的输入为侧倾角及侧倾角的变化率，侧倾角用以表征侧倾的程度，侧倾角的变化率用以表征侧倾运动的趋势，模糊控制算法的输出为液压缸的动作速度，输入及输出的量化论域均为[-1,1]。侧倾角的基本论域为[-5°,+5°]，量化因子为5，模糊子集为{LB、LS、ZE、RS、RB}；侧倾角变化率的基本论域为[-10°/s,+10°/s]，量化因子为10，模糊子集为{LB、LS、ZE、RS、RB}，其中，车体左倾则侧倾角小于零，车体右倾则侧倾角大于零；液压缸动作速度的基本论域为[0m/s，0.1m/s]，量化因子为0.1，模糊子集为{S、MS、MF、F}，其中：LB，LS，ZE，RS，RB分别表示左倾较大、左倾较小、中位、右倾较小、右倾较大；S、MS、MF、F分别表示慢速、较慢、较快、快速，隶属度函数采用三角隶属函数，参阅图7和8，模糊控制器采用规则形式为IF-THEN的Mamdani模糊推理系统，解模糊化时，利用重心法进行反模糊化计算求得输出变量。其模糊控制规则如下或详见表一

当车体一侧的侧倾角和侧倾角变化率较大时，液压缸控制液罐反向一侧快速倾斜；

当车体一侧的侧倾角和侧倾角变化率较小时，液压缸控制液罐反向一侧较慢或较快的倾斜；

当车体处于中位且侧倾角变化率较小时时，液压缸控制液罐反向一侧慢速倾斜。

表一 模糊控制规则

加速度向右时的作用效果参阅图10-12，可见液罐罐体为一椭圆，液罐罐体的左倾使得罐体右侧抬升，同时底部左倾。

横向倾斜执行层

执行层控制液罐调整单元实现液罐横向倾斜一定的角度：当车辆直线行驶时，两组液压缸的驱动力相等，则驱动力为零；若侧倾角向左且侧倾角超过阈值，即液罐110罐体跟随车体左倾，为了提高液罐的稳定裕度，具体分配上左侧两个液压缸各产生所需侧倾力矩的1/2，以保证液压缸实际动作速度的满足模糊控制器输出的动作速度。

所述执行侧倾动作的一组液压缸中的任意一个液压缸的侧倾力矩T为：

其中，κ为侧倾力矩因子，无因次；M为液罐的质量，单位为Kg；M_l为液罐中液体的质量，单位为Kg；g为重力加速度；L为液压缸活塞杆的动作量，单位为m；n为一组液压缸中液压缸的数量，本实施例中n＝2。

L＝v·t (2)

其中，v为液压缸动作速度，单位为m/s；t为液压缸动作时间，单位为s。

侧倾力矩因子κ是经过多次实验得到的经验因子，为液压缸动作速度v、侧倾角θ、液罐质量M和液体质量M_l的函数，侧倾力矩因子κ在1.0～1.5之间，其公式为：

其中，θ为侧倾角传感器检测到的车体的侧倾角，单位为度。

车辆转弯时，液体在惯性力的作用下向右侧运动，但由于液罐的左倾，使得液体运动到右侧所需的势能增加，同时底面的倾斜也将减缓一部分液体向右运动的冲击，因此液体的晃动幅度将大大降低，提高了车辆行驶的稳定性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置，其特征在于，包括：

液罐，其能够相对于车体横向倾斜；

液罐调整单元，其安装在所述液罐和车体之间，用于驱动液罐横向倾斜一定的角度；

侧倾角传感器，其安装在车体上，用于检测车体的倾斜角度；以及

控制器，其连接侧倾角传感器并接收侧倾角传感器的信号；

其中，所述控制器还连接液罐调整单元，其根据接收的侧倾角传感器的信号控制液罐调整单元驱动液罐横向倾斜一定的角度。

2.如权利要求1所述的降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置，其特征在于，所述液罐调整单元包括：

两组液压缸，其对称安装在所述液罐两侧，用于驱动液罐向左或右横向倾斜；

液压泵，其通过阀门组和液压管路连接液压缸，用于给液压缸提供液压油；

阀门组，其连接控制器，用于控制液压管路的通断；

其中，所述液压管路包括供油支路、溢流回油支路、第一工作支路和第二工作支路。

3.如权利要求2所述的降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置，其特征在于，所述液罐调整单元还包括：

驱动电机，其通过减速机构连接液压泵的入口，用于驱动液压泵输出液压油。

4.如权利要求3所述的降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置，其特征在于，所述阀门组包括：

电磁阀，包括第一入口，其中，所述第一入口通过供油支路连接液压泵的出口；

溢流阀，其通过溢流回油支路连接所述电磁阀的第二入口，用于控制溢流；

其中，所述电磁阀的第一出口通过第一工作支路连接一组液压缸，所述电磁阀的第二出口通过第二工作支路连接另一组液压缸；

电磁调速阀，其分别安装在所述第一工作支路和第二工作支路上，用于控制工作支路中液压油的速度；

分流阀，其分别安装在所述第一工作支路和第二工作支路上连接液压缸的一端，用于对一组液压缸进行分流。

5.如权利要求4所述的降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置，其特征在于，所述控制器连接电磁调速阀和电磁阀，用于控制液压管路的通断。

6.如权利要求5所述的降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置，其特征在于，所述控制器包括：

主控芯片，其连接所述侧倾角传感器和CAN模块，接收侧倾角信号并输出控制信号；

CAN模块，其连接主控芯片，用于与外部进行通信并传输控制信号；

电磁阀驱动电路，其通过CAN模块接收控制信号，用于控制电磁阀；

调速阀驱动电路，其通过CAN模块接收控制信号，用于控制调速阀；

供电电路模块，其连接主控芯片，用于给主控芯片供电。

7.一种降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置的控制方法，其特征在于，包括：

主控芯片采用模糊控制器；

分别将侧倾角、侧倾角变化率以及液压缸的动作速度转换为模糊论域中的量化等级；

将所述侧倾角、侧倾角变化率输入模糊控制器；

所述模糊控制器中的侧倾角、侧倾角变化率分为5个等级，液压缸的动作速度分为4个等级；

模糊控制器输出液压缸的动作速度，分别控制液压缸驱动液罐横向倾斜。

8.如权利要求7所述的降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置的控制方法，其特征在于，所述输入侧倾角和侧倾角变化率的模糊论域为[-1,1]，模糊子集均为{LB、LS、ZE、RS、RB}；其中，所述侧倾角的量化因子为5，侧倾角变化率的量化因子为10；

输出液压缸的动作速度的模糊论域为[-1,1]，模糊子集为{S、MS、MF、F}，量化因子为0.1。

9.如权利要求8所述的降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置的控制方法，其特征在于，还包括侧倾执行层：

模糊控制器控制一组液压缸执行侧倾动作，一组中每个液压缸的侧倾力矩T为：

$T=\mathrm{\κ}\×\frac{(M+M_l)}{n}\×g\·L$

其中，κ为侧倾力矩因子；M为液罐的质量；M_l为液罐中液体的质量；g为重力加速度；L为液压缸活塞杆的动作量；n为一组液压缸中液压缸的数量。

侧倾力矩因子κ为：

$\mathrm{\κ}={\left(1.264e^v\right)}^{\cos \mathrm{\θ}\×\frac{M_l}{M+M_l}}$

其中，v为液压缸动作速度，θ为侧倾角传感器检测到的车体的侧倾角。

10.如权利要求9所述的降低液体横向晃动的液罐车液罐调整装置的控制方法，其特征在于，所述模糊控制规则为：

当车体一侧的侧倾角和侧倾角变化率较大时，液压缸控制液罐反向一侧快速倾斜；

当车体一侧的侧倾角和侧倾角变化率较小时，液压缸控制液罐反向一侧较慢或较快的倾斜；

当车体处于中位且侧倾角变化率较小时时，液压缸控制液罐反向一侧慢速倾斜。