重型車(chē)輛側(cè)傾主動(dòng)控制系統(tǒng)的研制

1、重型車(chē)輛側(cè)傾主動(dòng)控制系統(tǒng)的研制概要本文介紹了半掛車(chē)側(cè)傾主動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展。 對(duì)軋輥控制系統(tǒng)硬件和軟件的 設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入探討。模擬偏航輥反應(yīng)車(chē)輛的結(jié)果表明，該系統(tǒng)將提供側(cè)翻穩(wěn)定 性顯著改善。1. 簡(jiǎn)介1.1背景 有研究表明，大多數(shù)涉及重型鉸接車(chē)輛的側(cè)翻事故發(fā)生在高速公路1 已經(jīng)確定導(dǎo)致側(cè)翻事故的有三大因素：(1) 由于較高的初始速度，并且結(jié)合重制動(dòng)，從而導(dǎo)致突然的路線偏移(2) 轉(zhuǎn)彎時(shí)速度過(guò)快(3) 滿載時(shí)的轉(zhuǎn)彎2 相對(duì)而言意外如果頻繁的話，估計(jì)車(chē)主的平均成本會(huì)在12萬(wàn)和16萬(wàn)美元之間。1.2以往的研究關(guān)于對(duì)汽車(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)使用的研究，闡述了重型車(chē)輛使用主動(dòng)式懸架系 統(tǒng)，特別是要控制橫搖運(yùn)動(dòng)，一

2、直研究到一個(gè)相對(duì)精密的程度。然而，一些研究 人員指出改善潛在的側(cè)翻安全是可能的，即使使用相對(duì)低功耗，低帶寬致動(dòng)器來(lái) 控制主動(dòng)懸架系統(tǒng)。Dun woody模擬的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向性能的半掛車(chē)配備了側(cè)傾主動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng) 包括一個(gè)第五輪液壓傾耦合和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以申請(qǐng)控制每個(gè)掛車(chē)車(chē)軸的力 矩。測(cè)量掛車(chē)橫向加速度和牽引車(chē)與掛車(chē)之間的的相對(duì)側(cè)傾角控制系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)系統(tǒng)可以提高20-30%的靜態(tài)側(cè)翻閾值。Lin等人使用簡(jiǎn)單的線性模型研究了側(cè)傾主動(dòng)控制卡車(chē)的一個(gè)單位。系統(tǒng)演示基于滾動(dòng)角回饋，橫向加速度回饋和載荷傳遞回饋。極點(diǎn)配置決定了收益控制。 作者們建議使用控制系統(tǒng)基于橫向加速度回饋，顯示出幾個(gè)主要優(yōu)

3、點(diǎn)：(1) 車(chē)輛能夠傾斜一定角度，通過(guò)荷載傳遞達(dá)到顯著改善(2) 快速的瞬時(shí)響應(yīng)(3) 儀表要求相對(duì)簡(jiǎn)單。該研究報(bào)告說(shuō)，這種系統(tǒng)可以減少在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)高達(dá)30%的負(fù)荷轉(zhuǎn)移值。Lin等人還調(diào)查了一個(gè)側(cè)傾控制系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)使用的最優(yōu)狀態(tài)，在回饋技術(shù)和轉(zhuǎn)向輸入功率譜的基礎(chǔ)上對(duì)齊數(shù)據(jù)和偽隨機(jī)變線。該系統(tǒng)性能略優(yōu)于橫向加速度回饋控制器。Lin等人根據(jù)控制系統(tǒng)裝置來(lái)模擬與抗扭性能的半掛車(chē)框架。該控制器是基于橫向加速度回饋。該研究發(fā)現(xiàn)這種系統(tǒng)可以減少一個(gè)穩(wěn)態(tài)和瞬時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)移范圍演習(xí)。研究報(bào)告建議對(duì)車(chē)輛的影響應(yīng)該調(diào)查框架靈活性控制系統(tǒng)的性能。Sampson and Cebor提出了基于線性二次調(diào)節(jié)器的車(chē)輛側(cè)傾控制

4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方 法。研究發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)技術(shù)可以被系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者控制，當(dāng)設(shè)計(jì)拖拉機(jī)半拖車(chē)輥控制系統(tǒng)和長(zhǎng)期相結(jié)合的車(chē)輛時(shí)，在性能和能耗要求之間作出取舍。1.3 CVDC試驗(yàn)車(chē)控制系統(tǒng)被計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所描述，并且正在開(kāi)發(fā)劍橋車(chē)輛動(dòng)態(tài)裝置（CVDC。該系統(tǒng)由五個(gè)主動(dòng)防側(cè)傾桿（兩個(gè)在拖拉機(jī)上和三個(gè)在半拖車(chē)上）組成，計(jì)算機(jī)控制十液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行。車(chē)輛上的空氣懸架系統(tǒng)以及駕駛控制系統(tǒng)由十個(gè)高性能半主動(dòng)連續(xù)可變阻尼器組成。側(cè)偏控制系統(tǒng)，是為了加強(qiáng)車(chē)輛電 子制動(dòng)的系統(tǒng)，目前正處于開(kāi)發(fā)的早期階段。最后，三個(gè)系統(tǒng)將共同合作，為車(chē) 輛提供行駛集成控制，側(cè)偏和側(cè)傾動(dòng)作。設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)防側(cè)傾硬件是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)， 是基于大力矩，扭矩

5、和轉(zhuǎn)率而進(jìn)行 有效的控制。研究將解決實(shí)際中關(guān)鍵處的限制，包括組件的優(yōu)勢(shì)以及液壓限制（功 率，流量和壓力）。研制和設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)的軟件同樣被性能和安全要求所挑戰(zhàn)。2. 車(chē)輛建模2.1建模方法該車(chē)型的側(cè)傾控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析與使用是為了獲得必要的處理方法和 軋輥動(dòng)態(tài)。其它車(chē)輛的議案，如反彈和俯仰都是次要的。該模型是由Segel開(kāi)發(fā)，是一個(gè)簡(jiǎn)單的三自由度單機(jī)延期模型。 拖拉機(jī)和半 掛車(chē)各自為一個(gè)單位，這兩個(gè)單位一起連接到第五輪耦合上。 牽引車(chē)和掛車(chē)的簧 載和非懸掛質(zhì)量單位是集中代表，每個(gè)單元的車(chē)輛有側(cè)偏，側(cè)滑，前部側(cè)傾，后 部側(cè)傾自由度（圖1）。前部和后部加上扭矩靈活的框架。各部分的車(chē)輛車(chē)軸被 認(rèn)為

6、是剛性機(jī)構(gòu)，懸掛能夠使輪胎靈活的旋轉(zhuǎn)。簧上承載件關(guān)于側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)，并受 制于側(cè)傾剛度和阻尼暫停?？刂屏?Uf和Ur,代表扭矩應(yīng)用側(cè)傾主動(dòng)控制系統(tǒng)， 體現(xiàn)在每一個(gè)簧上承載件上。圖1通用車(chē)輛的單元示意圖。2.2運(yùn)動(dòng)方程 每輛車(chē)有六個(gè)運(yùn)動(dòng)方程。側(cè)向力方程：叫小心+%丿一0叮十翔?。ˋ+也）=場(chǎng)朋+匚憶+寫(xiě)血+匚廠爲(wèi) 橫擺力矩方程：門(mén) -+L厲=N”再 + N加 + N詮.S. + xf .F._x - xr .Ff 十瓦口（叫T 一附J K旳t （憶一憶J前懸掛品質(zhì)的滾轉(zhuǎn)力矩方程：以一0八十十叭）兔*必=叫金和-Kfi>fi- _（0“ 一d*J十"打一 K“邊門(mén)一一匸鼻如一虹）一 F

7、丸十軋41 （0r,j-二療Fi-后方懸掛品質(zhì)的滾轉(zhuǎn)力矩方程：h、屁+叫網(wǎng)=叫聲丘#和一K"仏廠©*）-&沖-0"j+s +瓦/他Y+E“q 一兀）+巧幾-心悅-妙屛-匕兀 （4其中FC是在車(chē)輛底盤(pán)剪切力：耳十+ Sc）（碼,門(mén)+叫j 卜伉+"）-叫前方簧下品質(zhì)滾轉(zhuǎn)力矩方程：宓*。+ YfM+抵門(mén)5）+%廣九川（A+叭）=K*j直心-勺虻廠直）-匕$ 一血J十®后方簧下品質(zhì)滾轉(zhuǎn)力矩方程：+匚皿+為一丿 J+叫-九.j（A +憶）=Kt/g - K”血1 一心打）一厶（心一必J+ ur4拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)是由運(yùn)動(dòng)約束耦合在第五輪方程中。ft-卩

8、詢二6卞+乩6+ 玉 _ 仏卩 +則,許=o（7）VVVV對(duì)合并后的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)方程配制成狀態(tài)空間描述，車(chē)輛的轉(zhuǎn)向響應(yīng)和瞬態(tài)穩(wěn) 定，如變更車(chē)道模擬。同樣的通用模型配方可用于任何普通汽車(chē)的單位數(shù)目，與各種機(jī)制順利的耦合在一起，去模擬加長(zhǎng)的結(jié)合車(chē)輛。一個(gè)簡(jiǎn)單的輪胎模型代表了輪胎側(cè)偏剛度與垂直變化負(fù)載?，F(xiàn)有的限制轉(zhuǎn)矩 和響應(yīng)時(shí)間的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)也包括在內(nèi)。3. 懸掛系統(tǒng)硬件3.1概念設(shè)計(jì)掛車(chē)懸掛是一個(gè)改良后的空氣懸架，它由兩個(gè)獨(dú)立的從橫梁到尾部的鉸鏈組 成。主動(dòng)側(cè)傾控制系統(tǒng)由一個(gè)硬度高的 U形防傾桿，每一個(gè)都連接在其后部， 和兩個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)器位于底盤(pán)和防側(cè)傾之間（圖 2 ）。執(zhí)行器采用垂直距離相等， 方向相

9、反，并應(yīng)用滾轉(zhuǎn)力矩的車(chē)身。其結(jié)論是浮動(dòng)式防傾桿的位置是由車(chē)輪決定 位置和執(zhí)行器的位置。使用一個(gè)單一的液壓驅(qū)動(dòng)器會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但不可能的，因 為更大的行程的緣故該車(chē)輛將超過(guò)規(guī)定的可用空間。（a）后視圖（b）上方透視圖圖2 修改后的實(shí)體模型的掛車(chē)懸掛，顯示了執(zhí)行器和防側(cè)傾的位置:3.2執(zhí)行器的規(guī)格運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析側(cè)傾控制系統(tǒng)是為了確定所需要的行程和液壓執(zhí)行器 的大小。需要移動(dòng)的簧載質(zhì)量的最大橫搖角（如有限的懸掛行程6.1 ）為85毫米。確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的最大力量為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬。穩(wěn)定狀態(tài)的最大力量必須是簧載質(zhì)量為零傾轉(zhuǎn)角0.5g期間穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向。（該車(chē)輛側(cè)翻閾值0.5g，計(jì)算為110千牛。最壞的情況是

10、短暫的力，需要驅(qū)動(dòng)與側(cè)傾的角度給予最大振幅頻率正弦簧載 質(zhì)量。圖3 （a）顯示了在動(dòng)態(tài)情況下油輪機(jī)構(gòu)行事。有彈簧（spring），阻尼器 （dampe），執(zhí)行器（FARB），并在其后臂安裝點(diǎn)（Ri and R2）。圖3 （ b）顯示 了尾部的承重臂。(9)r _ yarb陰 + 旳 f如沖XTAR工 -人嘉訕g 一丫占伽嚴(yán)-y6farb其中G1，G6的都是懸掛幾何函數(shù)11。 對(duì)掛車(chē)側(cè)傾中心分析給出了一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)表現(xiàn):(10)其中hl , . , H3的都是懸掛幾何函數(shù)11。(b)k.尸MF(a)油輪的高度；(b)設(shè)計(jì)的縱臂(查圖3自由體圖用于確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)要求：看的Y軸是平行于縱軸車(chē)

11、輛)。執(zhí)行器需求的驅(qū)動(dòng)頻率依賴如圖4所示。該系統(tǒng)具有一個(gè)1.8赫茲共振。 這對(duì)約1.2赫茲為系統(tǒng)帶寬的上限。最高執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求不低于128千牛直流值這個(gè)頻率的力量。選擇符合本規(guī)范執(zhí)行器有125毫米的孔，并產(chǎn)生一桿直徑56 毫米和210巴的壓力137千牛。執(zhí)行器必須活塞面積大，因此執(zhí)行器會(huì)通過(guò)大 容量液體流動(dòng)。對(duì)于1赫茲振蕩，汽缸容積為1.1 L需要2.2流速屬的s-1。通 過(guò)液壓系統(tǒng)的移動(dòng)閥限流率進(jìn)一步制約了控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的響應(yīng)帶寬。蓄電池是用來(lái)儲(chǔ)存電能，使系統(tǒng)運(yùn)作一段數(shù)量有限的周期，但持續(xù)的諧運(yùn)動(dòng)是不可能無(wú)限期 地。在每個(gè)橋結(jié)束的交叉結(jié)合點(diǎn)都有兩個(gè)空氣彈簧的可能性。這樣的一個(gè)系統(tǒng) 會(huì)非常有效地除

12、去軋輥剛性在低頻減少力的需要。主動(dòng)器力需要作為一個(gè)頻率交 換的系統(tǒng)在圖4也被顯示出來(lái)。4.交叉結(jié)合空氣彈簧除去這在個(gè) 1.8赫茲的 側(cè)傾諧振，但是必需主動(dòng)力劇烈地以外界刺激增加頻率。做得成的系統(tǒng)帶寬因最 大主動(dòng)力的限制，需要超過(guò)藉著軋輥動(dòng)作的諧振。舉例來(lái)說(shuō)，128的最大主動(dòng)力給1.7赫茲的系統(tǒng)帶寬為獨(dú)立的空氣彈簧配置是在1.2赫茲上的一個(gè)改良的頻率。Fig 4” Dynamic achiatoi fbice requiied for haiinonk roll excitarion oftie $pnmg mass.然而，交叉結(jié)合系統(tǒng)的改良績(jī)效有一個(gè)主要的安全不利點(diǎn)：車(chē)輛在轉(zhuǎn)入活躍的控制系統(tǒng)中

13、是不穩(wěn)定失敗的事件。安全扮演重要角色例如當(dāng)做緊急的閉鎖一需 要安裝閥和監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)確保系統(tǒng)的安全。因此，以獨(dú)立的空氣彈簧為基礎(chǔ)的系統(tǒng)在 初次的原型車(chē)輛上被選擇。3.3.其他修改在懸線上的橫的六角形的波束廣泛加強(qiáng)，以便它會(huì)攜帶經(jīng)過(guò)水力的主動(dòng)器被 傳輸?shù)拇蟮牧硗庳?fù)載。4 .控制器設(shè)計(jì)和實(shí)施4.1.結(jié)構(gòu)分布式控制器結(jié)構(gòu)，有一中央控制組件和多個(gè)局部控制組件，已經(jīng)被采用 分布式結(jié)構(gòu)被選擇簡(jiǎn)化物理安裝，最大化實(shí)時(shí)性能，啟用模數(shù)的密碼發(fā)展。C'eulral ConfrolJei' I'Priumni II Pt-hisrdjFig. 5. Distributed touliollsi a

14、rchitectuie for the experimental vehicle.中央控制組件運(yùn)行高水準(zhǔn)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)控制碼，連同提供安全監(jiān)聽(tīng)。低電平局 部控制單位控制個(gè)體的主動(dòng)器而且獲得感應(yīng)器數(shù)據(jù)。中央的和局部控制組件一起 被聯(lián)接在總線之中，結(jié)束中央的控制器傳送需量訊號(hào)對(duì)當(dāng)?shù)氐目刂破鳎?和當(dāng)?shù)氐?控制器傳送感應(yīng)器數(shù)據(jù)給中央的控制器。4.2 本地控制器的設(shè)計(jì)本地控制器控制液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的需求信號(hào)由全局控制器提供。圖6顯示本地控制器包含一組動(dòng)力矩控制器 ，控制器11。側(cè)傾時(shí)刻控制器（一種 PID控制器作為論據(jù)前置）是當(dāng)?shù)乜刂破鞯闹匾M成部分。然而，由于一個(gè)浮動(dòng) 的防側(cè)傾桿安排使用，本地控制系

15、統(tǒng)還包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器，以確保防側(cè)傾桿的 中心的中性位移（如下）。致動(dòng)器的控制器是必要的，以確保有足夠的地面間隙 和，以使得最大滾動(dòng)沖程能夠?qū)崿F(xiàn)。車(chē)輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和反饋傳感器共同完成反 饋環(huán)。致動(dòng)器模型捕捉幾個(gè)限制性控制系統(tǒng)硬件的限制，特別是最大致動(dòng)器的力量，最大流量通過(guò)伺服、帶寬的伺服閥。這個(gè)靈活的機(jī)械與液壓元件在防側(cè)傾桿 上的裝配都包括在車(chē)輛及致動(dòng)器的模型中。*Antirdl conbollgrTVahkh dynanuc?Local conlK)lltrjeiEQOFig. 6. Block diagram of the loefil controller system.本地控制器的增益

16、，選擇使用的極點(diǎn)配置為目標(biāo)的保證穩(wěn)健的穩(wěn)定性和良好 的穩(wěn)態(tài)跟蹤需求的扭矩，而且也作為一個(gè)迅速上升時(shí)間、 快速沉降時(shí)間和光滑的 階躍響應(yīng)。當(dāng)?shù)氐目刂葡到y(tǒng)具有約0.3 s的上升時(shí)間來(lái)回應(yīng)一個(gè)側(cè)傾扭矩信號(hào)的 60 kN.m 的需求。這是因?yàn)樵搼?yīng)用足夠快，尤其是當(dāng)考慮到頻譜的轉(zhuǎn)向輸入， 迫使車(chē)輛橫搖運(yùn)動(dòng)頻率低于1赫茲。4.3全局控制器的設(shè)計(jì)該控制器處理來(lái)自全局的汽車(chē)儀表的信號(hào)，并將扭矩的需求送達(dá)到每個(gè)車(chē)軸 的本地控制器。該控制系統(tǒng)的目的是盡量減少轉(zhuǎn)向響應(yīng)輸入和橫向載荷傳遞，因?yàn)樗沁^(guò)度橫向載荷傳遞。導(dǎo)致車(chē)輛側(cè)翻。由于載荷橫向轉(zhuǎn)移向心加速度和橫向 耦合系統(tǒng)設(shè)置的車(chē)輛尺寸和軌跡。但是其他載荷傳遞方面，由于

17、車(chē)身側(cè)傾和相鄰 的車(chē)輛通過(guò)聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)，強(qiáng)烈影響了懸架系統(tǒng)和側(cè)傾主動(dòng)控制系統(tǒng)?；顒?dòng)側(cè)傾控制系統(tǒng)對(duì)懸掛系統(tǒng)在操縱性能上有了比較大的改善。如圖8和圖9.活動(dòng)車(chē)側(cè)翻閾值增加，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)能夠使原來(lái)的車(chē)輛傾斜，減輕負(fù)荷轉(zhuǎn)移。 與被傳動(dòng)式系統(tǒng)相比。牽引車(chē)和掛車(chē)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移分別減少25%牽引車(chē)的轉(zhuǎn)向滾動(dòng)角比拖車(chē)的大得多。使?fàn)恳?chē)和掛車(chē)產(chǎn)生滾動(dòng)角差異的扭矩通過(guò)第五輪耦合傳 輸。進(jìn)一步降低了扭矩在掛車(chē)車(chē)軸上的負(fù)荷轉(zhuǎn)移。如果第五輪和掛車(chē)的底盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，則改滾動(dòng)力矩之間的合作效應(yīng)是有限的。模擬反應(yīng)的活性的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)側(cè)偏表明，減少荷載傳遞的大約20%都是可能 的。側(cè)傾扭矩分布在車(chē)軸呈輻射狀，而不是集中在任何一橋。這一策

18、略避免了在 彎道表現(xiàn)在任何一個(gè)軸過(guò)高的減少，而且減少了車(chē)輛的操縱性能下降。M二4-嵩 百麥 匕 一 SUE.I1 posq 更 EDZTime 國(guó)Fig. 9. Load tnnfter response of 蚊tive and passivie vehicles drning a hue change mano&u.4.4硬件中央控制器已經(jīng)使用英特爾奔騰U 400MHz的電腦?？刂拼a在 RealTech 公司的實(shí)時(shí)內(nèi)核上運(yùn)行。中央控制系統(tǒng)在MATLAB和Simulink的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)軟 件，編譯成C代碼，然后下載到個(gè)人電腦的中央控制器。本地控制器已實(shí)現(xiàn)使 用西門(mén)子C167microprocessors. 在C167功能板上的A / D和D / A轉(zhuǎn)換器和一 個(gè)片上CAN接口，和星型的I / O線。用于信號(hào)調(diào)節(jié)和記憶體元件也安裝在印刷 電路板的本地控制器上。本地控制器的系統(tǒng)軟件用C語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)，并下載到 處理器。5.結(jié)論側(cè)傾控制系統(tǒng)以修改后的被動(dòng)懸架系統(tǒng)為基礎(chǔ)，已開(kāi)出一種用于半掛車(chē)的系 統(tǒng)。由該系統(tǒng)采用主動(dòng)防側(cè)傾桿，由液壓執(zhí)行器控制每根車(chē)橋。主動(dòng)側(cè)傾控制系采用分布式控制器結(jié)構(gòu)框架。本地驅(qū)動(dòng)控制器的控制系統(tǒng)以微處理器為基礎(chǔ)，