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《吉林大学》 2013年
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商用半挂车制动意图辨识与制动力分配控制策略开发及验证

赵伟强  
【摘要】:商用车电控制动系统是一种非常先进的制动系统,通过实现制动线控化,极大弥补了传统气压制动系统的制动延迟,提高了制动系统的响应时间,从而提高了制动安全性及舒适性,为商用车制动性能的提升带了巨大的空间,是未来商用车制动系统研发的方向。 本文依托国家863项目“高品质重型商用车集成开发先进技术”(编号:2006AA110104)及国家自然科学基金项目“基于模型预测的重型半挂车动力学稳定性多目标控制研究”(编号:51075176),在调研国内外商用车电控制动系统理论和应用的现有研究成果基础上,以提高制动安全性及舒适性为目标,以商用车电控制动系统为硬件基础,开发兼顾紧急制动及常规制动的驾驶员制动意图辨识的方法,并在此基础上开发制动辅助、多轴制动力分配等控制策略,为我国商用车电控制动系统的自主研发提供理论支持。论文主要进行了以下几个方面的研究工作: (1)通过分析商用半挂车的结构特性,开发了商用半挂车26自由度非线性车辆动力学模型。文中将多轴半挂车简化为三轴形式:转向轴、驱动轴和挂车轴。所建立的模型主要是从车辆各个总成部件出发,对每一个子系统进行建模。子系统模型包括驾驶员模型、转向模型、发动机模型、传动系模型、制动系模型、车轮模型、轮胎模型、悬架模型、非簧载模型、车体动力学模型、路面模型和空气动力学模型。利用制动及操稳的工况进行了仿真,并与TruckSim对应工况的实验数据进行对比验证。为控制策略的离线仿真及硬件在环实验台验证提供了模型基础。 (2)对电控制动系统关键部件进行了性能分析及特性测试,针对各个执行机构的不同特性开发有针对性的闭环控制方法。通过对比例继动阀的结构进行观察、分析及测试,验证了其开环特性;针对其存在较大迟滞特性的特点,开发了PID结合前馈控制的控制方法,补偿其迟滞造成的闭环控制误差。由于桥控调节器及挂车桥控阀的核心构件均是开关阀,所以对其采用PWM的控制方法,为提高气室目标压力的闭环控制精度,采用了小步长增压的阶梯增压法。通过对这些关键部件进行开、闭环测试,掌握了这些阀的控制方法,为商用车电控制动系统控制策略的开发提供了硬件基础。 (3)搭建了电控制动系统硬件在环实验台,并进行EBS系统关键部件特性测试及EBS控制策略的硬件在环试验台验证。实验台由轮速模拟系统、测控系统、电控制动系统、人机交互系统及动力学实时交互系统组成。利用Matlab/xPCTarget技术搭建了电控制动系统快速原型平台,以软硬件结合的方式构建了电控制动系统硬件在环实验台,对比例继动阀、桥控调节器和挂车桥控阀的闭环特性进行了测试,并以此为基础,结合26自由度商用半挂车动力学模型,对驾驶员制动意图辨识方法、多轴车辆制动力分配控制策略及制动辅助控制策略进行了硬件在环实验台验证。 (4)利用神经网络的方法,建立了兼顾紧急制动及常规制动的驾驶员制动意图辨识模型。通过对制动时驾驶员制动特性的分析并结合EBS系统硬件特性,选定踏板开度及其变化率作为辨识驾驶员制动意图的参数,通过踏板开度辨识驾驶员期望制动减速度,踏板开度变化率辨识驾驶员制动的紧急程度。并选择神经网络的方法,结合小型驾驶模拟器,设计实验方案,采集驾驶员的制动操纵行为及车辆制动减速度,最终建立了同时适用于紧急制动及常规制动的驾驶员制动意图辨识模型,并对模型精度进行了离线验证。 (5)开发了制动辅助控制方法。利用硬件在环实验台,采集多个驾驶员的紧急制动行为,并通过后处理方法得到相应的紧急制动阈值。利用所建立的制动意图辨识模型,开发了制动辅助控制策略。当判断驾驶员有紧急制动意图时,制动辅助控制策略将取代驾驶员,向气室释放最大制动压力,确保制动系统对车辆施加最大的制动功率,并利用实验台对所开发的控制策略进行了验证。 (6)根据稳定性控制目标,分析了商用半挂车各轴分别抱死时的车辆状态,并基于滑移率控制方法,建立了多轴车辆制动力分配控制策略。通过分析确定,多轴车辆各轴的抱死顺序不同,对车辆的制动稳定性影响非常大:1)当前轴先抱死时,车辆稳定且可控;2)当挂车轴先抱死时,车辆稳定但不可控;3)当牵引车后轴先抱死时,车辆将既不稳定也不可控,将处于危险状态。利用TruckSim对分析结果进行了仿真验证。仿真结果验证了半挂车制动稳定性分析结果,即牵引车后轴先抱死是商用半挂车制动过程中最危险状况。根据商用半挂车动力学分析的结果,本文采用基于滑移率控制的方法,建立了多轴车辆制动力分配控制策略,根据车辆的实际状态通过相关控制算法确定目标滑移率,利用PID控制将滑移率控制在目标滑移率附近。利用所开发的26自由度车辆动力学模型及商用车电控制动系统硬件在环实验台,进行了控制策略的验证。 综上所述,本文取得的创新性成果如下: (1)通过分析、测试商用车电控制动系统核心执行器的结构、功能及动态特性,搭建了商用半挂车硬件在环实验台,解决了商用车试验难度大,非线性强,试验精度不高等问题,并结合建立的26自由度多轴车辆非线性车辆动力学模型,对所开发的控制策略进行了验证。 (2)通过采集经验丰富的商用车驾驶员制动样本,利用神经网络方法,建立了兼顾紧急制动及常规制动的驾驶员制动意图辨识模型。并对模型进行了离线验证。利用建立的制动意图辨识方法,开发了制动辅助控制策略。 (3)针对多轴汽车抱死给制动安全性带来的隐患,通过对商用半挂车制动时车辆稳定性的分析,确定了牵引车及半挂车各轴抱死顺序对车辆的操纵性及稳定性的影响,提出了多轴车辆各轴抱死的最优顺序;并据此建立了基于滑移率的多轴车辆制动力控制策略;并结合所开发的多轴车辆动力学模型及硬件在环实验台对控制策略进行了验证。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:U469.53

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【参考文献】
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