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三轴半挂汽车列车稳定性控制算法研究

房永  
【摘要】: 随着国民经济的发展和公路交通的改善,半挂汽车列车以其机动灵活的优点逐渐成为公路运输的主要车型之一,目前国内半挂汽车列车保有量21万辆,年产量2.5万辆。但由于其载重量大、尺寸大、质心高等问题,容易导致侧翻和横向失稳而引发交通事故,造成巨大损失。目前提高汽车列车稳定性主要通过优化车辆结构参数和安装稳定性控制系统两中手段,然而优化车辆参数对稳定性的提升有限,因此研究开发稳定性控制系统已成为各个主机厂的紧迫任务。 目前比较成熟的稳定性控制系统主要有侧翻警示系统、侧翻控制系统、电子稳定性控制系统和主动防侧倾控制系统等,一般采用的控制方法有:降低发动机输出扭矩、对选定车轮主动施加制动力、调整左右悬架特性。其中电子稳定性控制系统在制动防抱死系统基础上增加了方向盘转角、侧向加速度、横摆角速度等传感器,并利用车载网络获取发动机、变速器等的控制器信息,实时检测车辆的运行状态,当车辆发生侧翻或横摆失稳时,主动降低发动机的输出扭矩并对选定车轮施加制动力以纠正车辆的失稳运动。 论文结合科技部863专项、国际科技合作及省市科技支撑计划重大专项等项目的研究内容与中国第一汽车集团公司技术中心密切合作,根据企业对半挂汽车的技术需求,以三轴半挂汽车列车为研究对象,围绕稳定性控制系统的基础理论和控制算法展开研究。提出了稳定性控制算法的整体结构,开发了整车质量、质心位置、侧倾状态、折叠角、名义横摆角速度等车辆状态的估算算法。提出稳定性控制开始和退出的叛别条件,并根据不同的行驶工况设定不同的门限值,对选定车轮施加不同的压力控制。在Matlab环境下开发半挂汽车列车离线仿真平台和硬件在环试验台,对提出的稳定性控制算法在不同工况下进行离线仿真验证和硬件在环试验验证。论文研究成果为一汽集团半挂汽车列车稳定性控制系统的产品开发奠定了理论基础。 全文主要内容包括: 1、根据汽车列车的运动学原理,建立二十五自由度三轴半挂汽车列车非线性动力学模型。模型包括子系统动力学模型和整车动力学模型,子系统模型有发动机模型、传动系模型、制动器模型、悬架模型、轮胎模型、第五轮约束模型、车轮垂直载荷模型和辅助计算模型等,整车动力学模型包括牵引车和半挂车运动学模型和操纵稳定性模型。模型能够模拟汽车列车的在不同路面上的制动、转向、加速及组合工况,实现稳定性控制所需的仿真。 2、提出了稳定性控制算法整体结构,确定半挂汽车列车稳定性控制系统的控制目标,将稳定性控制分为防侧翻控制和横摆稳定性控制两部分。根据对车辆的侧翻的情形分析,结合当前研究条件确定主要研究工况为转弯侧翻。 3、半挂汽车载重量在很大范围内变化,导致车辆参数变动很大,从而影响稳定性控制系统的控制效果,因此对需要各种车辆状态进行估算,然后利用估算值对控制参数进行修正。利用多函数法根据发动机和轮速信号在起步加速工况下估算整车质量;利用空气弹簧气囊中的压力信号估算质心距离各车轴的位置;利用侧向加速度和侧倾角速度信号估算质心高度;利用轮速信号估算车速;利用侧倾角速度、侧向加速度和四自由度侧倾模型设计了状态观测器估算牵引车侧倾角;利用汽车列车三自由度模型和扩展卡尔曼滤波算法估算车辆折叠角;利用二自由度模型估算牵引车名义横摆角速度,用来识别牵引车的不足或过多转向特性。 4、根据估算的状态变量和车辆转向特性来识别车辆的稳定状态,确定稳定性控制开始和退出的条件。当车辆有侧翻趋势时首先施加试验制动压力,以判断车轮是否离地,然后根据车辆侧翻趋势的不同和转向工况的的不同设定控制门限值和压力控制算法,对于回转转向的控制,在左右车轮充分接地时采用左右轮同时制动的压力切换策略。 5、汽车列车发生横摆失稳时,根据所识别的不足或过多转向特性,降低发动机输出扭矩并采用主动制动的方式对选定的车轮施加制动,纠正车辆的失稳状态,当折叠角过大车辆发生折叠危险时,对其压力控制策略进行调整,进行防折叠控制。横摆稳定性控制过程中如果触发了防侧翻控制,则优先进行防侧翻控制。 6、根据车辆动力学模型和控制算法,在Matlab环境下搭建包括车辆模型、控制器模型和用户图形界面的离线仿真平台,并利用此平台在高、中、低不同路面附着情况下进行开环方向盘角阶跃输入、鱼钩转向输入、正弦输入和闭环双移线等工况的仿真,对开发的稳定性控制算法进行验证,仿真结果表明所开发的离线仿真平台能够很好的完成稳定性控制算法的仿真试验,所开发的算法能够很好的防止车辆侧翻和横横摆失稳,提高行驶稳定性。 7、在离线仿真平台的基础上,开发了基于Matlab/xPC的硬件在环试验台,试验台包括xPc Target实时运行平台、执行机构、传感器、数据采集及处理系统、硬件台架和仿真软件,其中硬件台架包括操纵台架、牵引车台架和半挂车台架三部分。利用硬件在环试验台对开发的稳定性控制算法在不同路面的多种工况下进行试验,试验结果表明所开发的稳定性控制算法能够在多种工况下抑制车辆侧翻和横摆失稳,提高车辆稳定性。


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