CN111959379A - 基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置和控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆安全技术的改进，具体涉及一种基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置和控制算法，能根据不同车速、不同转向情况自动调节一字型柔性防波板的角度，提高油罐车的侧倾稳定性，包括罐体，还包括一字型防波装置，所述一字型防波装置包括至少三个浮动板，相邻浮动板之间通过铰链转动配合，一字型防波装置的边缘通过缆绳与电机的转轴连接，所述电机的机身安装在罐体的底部。

Description

基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置和控制算法

技术领域

本发明涉及一种车辆安全技术的改进，具体涉及一种基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置和控制算法。

背景技术

油罐车转向时，罐内液体冲击会增加车辆惯性力，降低车辆的行驶稳定性。液体晃动产生的冲击也会破坏罐壁的结构，减少罐体的使用寿命，提高运输成本。基于液晃带来的危害，人们开发了一些防晃装置，这些防晃装置多为刚性且固定在罐体中，不能根据具体行驶工况改变，不能最大程度减小液晃带来的冲击力。研究表明，浮在液体上的板块在移动时能消耗波浪能量，相对于固定的防波板系统，浮动的系统性能更好；但目前现有技术中针对上述的改进技术仍较少。

发明内容

本发明要解决的技术问题克服现有的缺陷，提供一种基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置和控制算法，能根据不同车速、不同转向情况自动调节一字型柔性防波板的角度，提高油罐车的侧倾稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置，包括罐体，还包括一字型防波装置，所述一字型防波装置包括至少三个浮动板，相邻浮动板之间通过铰链转动配合，一字型防波装置的边缘通过缆绳与电机的转轴连接，所述电机的机身安装在罐体的底部。

作为优选，所述缆绳为弹性缆绳。

作为优选，一字型防波装置的边缘通过缆绳与电机的转动轴连接具体是指浮动板上设有安装孔，所述缆绳的一端与安装孔连接，另一端与电机的传动轴连接。

作为优选，还包括底座和锁定块，所述电机通过底座与罐体可拆式连接。

作为优选，所述可拆式连接，具体是指所述底座与罐体固定连接，电机通过锁定块与底座可拆式连接。

作为优选，还包括密封盖一和密封盖二，所述密封盖一和密封盖二分别设在电机的两端。

作为优选，所述电机上还设有接线盒。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种柔性一字型罐体油液防晃装置的控制算法，包括以下步骤：

步骤S1：确定半挂液罐车动力学模型；

步骤S2：确定理想横摆加速度、质心侧偏角；

步骤S3：上层模糊控制；

上层控制器采用双输入单输出的二维模糊控制器，车辆理想动力学模型输出的横摆角速度和质心侧偏角与实际车辆横摆角速度、质心侧偏角差值即ω_r-ω_r0、β-β₀作为模糊控制器的输入，输出为期望横摆力矩；

步骤S4：下层控制器工作；

下层控制器采用模糊PID控制，根据模糊控制器求得的附加横摆力矩转化为一字型防波板的翻转力矩，缆绳拉力计算器进行分析计算，之后进入模糊PID控制，完成对电机目标力矩的动态调节；分为低速、中速和高速模糊控制，分工况对一字型防波系统进行控制，并将控制结果进行反馈。

本发明有益效果：本发明的基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置和控制算法提供一种浮式可翻转防波装置，相对于固定刚性防波板系统，防晃性能更好；以模糊算法控制车辆的质心侧偏角和横摆角速度；还可根据不同工况动态调节浮式防波板翻转角度，从而减小不稳定性。

附图说明

图1为本发明的液罐车横摆运动时的三自由度的模型示意图；

图2为本发明的液罐车横摆运动时的侧倾运动的模型示意图；

图3为本发明的罐体的结构示意图；

图4为本发明的一字型防波装置的主视图；

图5为本发明的一字型防波装置的侧视图；

图6为本发明的一字型防波装置的结构示意图；

图7为本发明的电机的结构示意图；

图8为本发明的一字型防波装置的转动时受力分析图；

图9为本发明的一字型防波装置的简图；

图10为本发明的液罐车防侧翻系统控制流程图；

图11为本发明的下层控制器工作流程图；

图12为本发明的下层控制器隶属度函数。

附图说明：1、罐体；2、浮动板；3、铰链；4、缆绳；5、电机；6、转轴；7、密封盖一；8、接线盒；9、底座；10、密封盖二；11、锁定块；12、安装孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置，包括罐体1，还包括一字型防波装置，所述一字型防波装置包括至少三个浮动板2，相邻浮动板2之间通过铰链3转动配合，一字型防波装置的边缘通过缆绳4与电机5的转轴6连接，所述电机5的机身安装在罐体1的底部；所述缆绳4为弹性缆绳；一字型防波装置的边缘通过缆绳4与电机5的转动轴连接具体是指浮动板2上设有安装孔12，所述缆绳4的一端与安装孔12连接，另一端与电机的传动轴连接；还包括底座9和锁定块11，如图7所示，所述电机5通过底座9与罐体1可拆式连接；所述可拆式连接具体是指所述底座9与罐体1固定连接，电机5通过锁定块11与底座9可拆式连接；还包括密封盖一7和密封盖二10，所述密封盖一7和密封盖二10分别设在电机5的两端；所述电机5上还设有接线盒8。

一种柔性一字型罐体油液防晃装置的控制算法，包括以下步骤：

步骤S1：确定半挂液罐车动力学模型；

步骤S2：确定理想横摆加速度、质心侧偏角；

步骤S3：上层模糊控制；

上层控制器采用双输入单输出的二维模糊控制器，车辆理想动力学模型输出的横摆角速度和质心侧偏角与实际车辆横摆角速度、质心侧偏角差值即ω_r-ω_r0、β-β₀作为模糊控制器的输入，输出为期望横摆力矩；

步骤S4：下层控制器工作；

下层控制器采用模糊PID控制，根据模糊控制器求得的附加横摆力矩转化为一字型防波板的翻转力矩，缆绳拉力计算器进行分析计算，之后进入模糊PID控制，完成对电机目标力矩的动态调节；分为低速、中速和高速模糊控制，分工况对一字型防波系统进行控制，并将控制结果进行反馈。

在具体实施时，所述步骤S1涉及的半挂液罐车动力学模型，考虑整车的侧向、横摆运动及侧倾运动，采用三自由度车辆简化模型。液罐车的横摆运动、侧倾运动如图1和图2所示。

牵引车运动方程：

半挂车运动方程：

式中：m₁，m₂——分别为牵引车、半挂车质量；

——分别为牵引车、半挂车的质心侧偏角；

——分别为牵引车、半挂车的质心横摆角；

m_1s，m_2s——分别为牵引车和半挂车的簧载质量；

F_i——第i轮的侧向力，其中i为1、2和3；

F₄——半挂车对牵引车的作用力；

——分别为牵引车、半挂车簧载质量侧倾角；

I_1xx，I_2xx——分别为牵引车、半挂车簧载质量侧倾转动惯量；

I_1zz，I_2zz——分别为牵引车、半挂车横摆转动惯量；

u₁，u₂——分别为牵引车、半挂车行驶车速；

k_r1，k_r2——分别为牵引车、半挂车侧倾刚度；

c₁，c₂——分别为牵引车、半挂车侧倾角阻尼；

k₁₂——第五轮侧倾刚度；

h_1c，h_2c——分别为牵引车、半挂车质心高度；

h₁，h₂——分别为牵引车、半挂车质心到各自侧倾轴线的距离；

Γ——铰接角；

a,b,c——分别为牵引车重心到前轴、后轴、铰接点的距离；

d,e——分别为半挂车重心到后轴、前轴的距离。

所述步骤S2涉及的横摆角速度ω、质心侧偏角β为：

ω_1ref＝ω_2ref

β_1ref＝β_2ref

式中，下标1ref表示牵引车，2ref表示挂车。

所述步骤S3涉及的模糊控制输入为车辆理想动力学模型输出的横摆角速度和质心侧偏角与实际车辆横摆角速度、质心侧偏角差值即ω_r-ω_r0、β-β₀作为模糊控制器的输入，输出为期望横摆力矩。模糊控制器输入输出变量选7个模糊等级，即{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB},量化论域为[-6,+6]。模糊控制器隶属度函数采用三角隶属度函数，表1为模糊控制规则。

表1模糊控制规则

所述步骤S4涉及的下层控制器采用双输入单输出的二维模糊控制器，输入为一字型防波板翻转力矩M及其变化率，输出为力矩调节系数x，模糊输入与模糊输出的隶属度函数如图10所示。模糊控制规则根据模糊输入来实时进行电机力矩调节，其控制思路为：如果M越大且d_M越大，则车辆处于一个高速转向状态，给电机力矩施加越大的一个调节量；反之如果M越小，d_M也越小，则说明转向瞬态过程即将结束，缩小电机力矩的调节量。

结合图3至6所示，一字型防波装置由三块一字型浮动板2通过铰链3连接拼接而成，可以弯曲；一字型防波装置两端通过绳索拴在罐体上，绳索为弹性，可以在液体晃动时产生弹性阻力。电机作为拉动绳索的动力源，绳索分为左右两侧，一侧绳索为一组，一个电机拉动一组绳索，绳索拉力差会导致柔性一字型防波板翻转；一字型防波装置两端通过缆绳栓在罐体上，缆绳为弹性，可以在液体晃动时产生弹性阻力可以弯曲。

如图8所示，θ是一字型防波装置翻转角，f_f,x,f_f,y分别是水动力沿水平方向和垂直方向的分力，M_f为翻转力矩。

如图9所示，一字型防波装置靠4根缆绳约束，A、B点由一个电机带动，C、D点由一个电机带动，两个电机交错安装在罐体底部中心处。

如图10所示，防侧翻控制系统分为上层模糊控制和下层模糊PID控制，上层根据横摆角速度差值和质心侧偏角差值相应的模糊控制器得到的期望横摆力矩，下层采用模糊PID控制，在车辆行驶过程中控制电机转动以使得一字型防波板转动一定角度，从而产生校正力矩来改变车辆的运行状态，对车辆稳定性进行控制。

如图11所示，上层控制器将横摆力矩导入下层控制器转化为一字型防波板翻转力矩，然后缆绳拉力计算器进行分析计算，之后进入模糊PID控制，具体分为低速、中速和高速模糊控制，分工况对浮式防波系统进行控制，并将控制结果进行反馈，直到达到预期效果。

如图12所示，下层控制器采用双输入单输出的二维模糊控制器，输入为一字型防波板翻转力矩M及其变化率，输出为力矩调节系数x。模糊控制规则根据模糊输入来实时进行电机力矩调节，其控制思路为：如果M越大且d_M越大，则车辆处于一个高速转向状态，给电机力矩施加越大的一个调节量；反之如果M越小，d_M也越小，则说明转向瞬态过程即将结束，缩小电机力矩的调节量。

以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置，包括罐体(1)，其特征在于：还包括一字型防波装置，所述一字型防波装置包括至少三个浮动板(2)，相邻浮动板(2)之间通过铰链(3)转动配合，一字型防波装置的边缘通过缆绳(4)与电机(5)的转轴(6)连接，所述电机(5)的机身安装在罐体(1)的底部。

2.根据权利要求1所述的基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置，其特征在于：所述缆绳(4)为弹性缆绳。

3.根据权利要求1所述的基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置，其特征在于：一字型防波装置的边缘通过缆绳(4)与电机(5)的转动轴连接，具体是指浮动板(2)上设有安装孔(12)，所述缆绳(4)的一端与安装孔(12)连接，另一端与电机的传动轴连接。

4.根据权利要求1所述的基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置，其特征在于：还包括底座(9)和锁定块(11)，所述电机(5)通过底座(9)与罐体(1)可拆式连接。

5.根据权利要求4所述的基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置，其特征在于：所述可拆式连接具体是指所述底座(9)与罐体(1)固定连接，电机(5)通过锁定块(11)与底座(9)可拆式连接。

6.根据权利要求1所述的基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置，其特征在于：还包括密封盖一(7)和密封盖二(10)，所述密封盖一(7)和密封盖二(10)分别设在电机(5)的两端。

7.根据权利要求1所述的基于模糊算法的柔性一字型罐体油液防晃装置，其特征在于：所述电机(5)上还设有接线盒(8)。

8.一种如权利要求1所述的柔性一字型罐体油液防晃装置的控制算法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：确定半挂液罐车动力学模型；

步骤S2：确定理想横摆加速度、质心侧偏角；

步骤S3：上层模糊控制；

上层控制器采用双输入单输出的二维模糊控制器，车辆理想动力学模型输出的横摆角速度和质心侧偏角与实际车辆横摆角速度、质心侧偏角差值即ω_r-ω_r0、β-β₀作为模糊控制器的输入，输出为期望横摆力矩；

步骤S4：下层控制器工作；

下层控制器采用模糊PID控制，根据模糊控制器求得的附加横摆力矩转化为一字型防波板的翻转力矩，缆绳拉力计算器进行分析计算，之后进入模糊PID控制，完成对电机目标力矩的动态调节；分为低速、中速和高速模糊控制，分工况对一字型防波系统进行控制，并将控制结果进行反馈。

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