【摘 要】
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随着中国经济的飞速发展,叉车作为搬运工具在国内许多行业中起到重要作用。由于平衡重式叉车工作环境复杂,尤其在高速转向工况下容易发生横向失稳甚至侧翻的危险,造成人员伤亡和经济损失,因此进行叉车侧翻机理与防侧翻控制研究显得至关重要。本文在叉车结构分析的基础上建立叉车侧翻动力学模型,提出了基于稳定域划分的叉车防侧翻分层控制策略与考虑输入时滞的叉车防侧翻动态输出反馈H∞控制策略,并进行仿真与实车试验验证。主
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目《平衡重式叉车转弯侧翻机理与防侧翻控制研究》(51875151); 企业委托项目《平衡重式叉车智能安全集成控制系统研究开发》(W2017JSKF0073);
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随着中国经济的飞速发展,叉车作为搬运工具在国内许多行业中起到重要作用。由于平衡重式叉车工作环境复杂,尤其在高速转向工况下容易发生横向失稳甚至侧翻的危险,造成人员伤亡和经济损失,因此进行叉车侧翻机理与防侧翻控制研究显得至关重要。本文在叉车结构分析的基础上建立叉车侧翻动力学模型,提出了基于稳定域划分的叉车防侧翻分层控制策略与考虑输入时滞的叉车防侧翻动态输出反馈H∞控制策略,并进行仿真与实车试验验证。主要研究内容与结果如下:(1)在平衡重式叉车结构特性与侧翻机理分析的基础上,考虑轮胎非线性特性,建立了叉车两阶段三自由度侧翻动力学模型:限位块未接触的第一阶段模型和限位块接触的第二阶段模型;为了降低模型复杂度,建立了全工况叉车三自由度侧翻动力学模型;考虑平衡重式叉车“前驱动桥+后转向桥”的三点支撑式结构特点,确定了平衡重式叉车防侧翻控制执行机构:液压支撑油缸、动平衡块和转向油缸,进行侧向支撑、横向载荷和主动转向控制调节。(2)考虑平衡重式叉车侧翻过程的特殊性,确定了侧倾第一阶段横向载荷转移率LTR1和第二阶段横向载荷转移率LTR2作为评价指标,并进行了稳定域划分:稳定域、相对稳定域、危险域和异常危险域;提出了基于稳定域划分的叉车防侧翻分层控制策略,上层稳定域识别控制器进行叉车侧翻状态识别;中层模型预测控制器MPC以车身侧偏角和横摆角速度为控制目标计算所需控制力矩;下层执行控制器采用改进链式递增分配方法对动平衡块、液压支撑油缸和转向油缸进行控制力矩分配,以减小侧倾过程中的侧倾角与横摆角速度,提高叉车横向稳定性。(3)考虑执行器输入时滞,进行平衡重式叉车防侧翻动态输出反馈H∞控制,构造了叉车防侧翻T-S模糊系统,以叉车横向载荷转移率LTR作为控制目标,设计了动态输出反馈H∞控制器,以保证具有H∞扰动衰减水平和输出约束的闭环系统的渐近稳定性;利用Lyapunov理论和线性矩阵不等式(LMI)方法,构造了期望的动态输出反馈控制器,以降低叉车恢复稳定过程中的抖动,提高了叉车防侧翻控制系统的鲁棒性。(4)进行了叉车防侧翻控制系统硬件与软件的设计与调试、基于欧标工况的实车试验验证,试验结果表明所提出的控制策略可有效提高叉车主动安全性与系统的稳定性。
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