半挂汽车列车非线性稳定性控制研究

【摘要】：半挂汽车列车作为牵引车与半挂车的重要组合形式，已逐渐成为道路运输车辆的主体。由于普遍采用牵引车和半挂车独立生产和市场经营的运作模式，难以保证牵引车和挂车的匹配和综合安全性，加之国内针对半挂汽车列车安全性评价标准不尽完善、检测技术相对落后等原因，使半挂汽车列车操纵性和行驶稳定性较差，导致交通事故居高不下，甚至有不断加剧的趋势。因此，从牵引车和半挂车匹配和综合安全性的角度，分析和研究汽车列车运动学特性，改善整车操纵和行驶稳定性能，仍然是当前迫切需要解决的问题。 围绕半挂汽车列车运动特性分析、行驶稳定域估计以及主动安全控制等方面的问题展开研究，力求从根本上掌握半挂汽车列车稳定性和非线性动力学特性，解决工程中广泛关注的半挂汽车列车操纵稳定性检测、行驶稳定域估计及车辆在侧向风干扰和极限转向情况下的行驶稳定性控制等问题，主要研究内容如下： 1）构建多自由度半挂汽车列车动力学模型，分析车辆在不同载荷和转向条件下的运动响应及失稳的形式和特点；应用GPS技术和惯性测量技术集成，开发适用于半挂汽车列车操纵和行驶稳定性的检测装置，并对实车进行典型工况试验测试；根据所研究对象合理简化半挂汽车列车动力学模型并验证模型可靠性。 2）基于半挂汽车列车动力学系统相关特性，从系统稳态转向平衡点、非稳态转向平衡域及系统能量转化角度对车辆转向稳定性进行分析，掌握半挂汽车列车和牵引车单车在不同行驶条件下各状态参量平衡点、平衡域变化及系统能量转化规律；定性和定量分析半挂车对牵引车及整车协同运动的影响。 3）依据分岔理论、中心流定理和混沌理论，在构建包含Pacejka轮胎魔术公式的半挂汽车列车动力学系统Jacobian矩阵的基础上，分析车辆稳态转向临界状态时的鞍结分岔特性，获得外界干扰条件下系统平衡点及分岔形式的变化规律，并对考虑纵向速度和转角幅值变化的车辆动力学系统在非稳态转向条件下是否存在混沌运动问题进行了初步探讨。 4）依据二自由度单车行驶稳定域的John分析方法，构建包含三次项轮胎公式的车辆系统二次型Lyapunov能量函数，利用Lagrange切点法确定能量函数边界条件并依据Lyapunov稳定性理论求解车辆行驶稳定域；通过分析上述方法的局限，提出改进方法：构建包含Pacejka轮胎魔术公式的车辆系统二次型Lyapunov能量函数，利用系统能量转化特性确定能量函数边界条件并对车辆行驶稳定域进行估计；从定性和定量角度对两种方法估计的车辆行驶稳定域进行对比分析，并通过实车和仿真试验验证改进方法的准确性。 5）提出考虑轮胎参数摄动和侧向风干扰的半挂汽车列车线性分式变换(LFT)模型；基于鲁棒控制理论，应用主动前轮转向和鞍座主动横摆力矩控制策略，利用H回路成形方法和期望状态输出的H范数指标设计多输入多输出的H前馈和反馈综合控制器；通过车辆在侧向风干扰和极限转向输入条件下的半挂汽车列车运动仿真试验，分析和验证控制器对于消除车辆参数摄动和外界不确定因素干扰的影响以及提高车辆直线保持性和期望状态跟踪性方面的控制效果。