電動(dòng)客車(chē)氣壓制動(dòng)響應(yīng)特性與復(fù)合制動(dòng)控制研究

花雙平

摘要：隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)在快速的發(fā)展，社會(huì)在不斷的進(jìn)步，1）以某型電動(dòng)客車(chē)為研究對(duì)象建立了復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)模型包括再生制動(dòng)仿真模型和氣壓制動(dòng)仿真模型，其中再生制動(dòng)仿真模型包括AVL-cruise中的整車(chē)模型、電機(jī)模型和電池模型;氣壓制動(dòng)仿真模型包括AMEsim中的電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)模型，MATLAB/simulink中的七自由度整車(chē)模型和TruckSim中的高精度整車(chē)模型。2）在電動(dòng)客車(chē)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)的上設(shè)計(jì)了電動(dòng)客車(chē)復(fù)合制動(dòng)控制策略，其主要包括再生制動(dòng)控制策略和氣壓ABS控制策略。分析了制動(dòng)法規(guī)、電機(jī)、電池和車(chē)速對(duì)再生制動(dòng)力分配的影響，然后制定了再生制動(dòng)控制策略;研究了自適應(yīng)容積卡爾曼濾波（ACKF）算法在車(chē)輛狀態(tài)估算中的應(yīng)用和修正邏輯門(mén)限值算法在執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制中的應(yīng)用，最后提出了基于滑移率的全局滑模變ABS控制策略。

關(guān)鍵詞：車(chē)輛工程;電動(dòng)客車(chē);復(fù)合制動(dòng);研究

引言

最新發(fā)布的《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示：石油仍是全球最重要的燃料，占全球能源消費(fèi)的三分之一以上;2016年全球石油消費(fèi)增長(zhǎng)160萬(wàn)桶舊，其中中國(guó)消費(fèi)增長(zhǎng)40萬(wàn)桶舊，是最主要的需求增量;而與消費(fèi)情況相反，全球石油產(chǎn)量?jī)H增長(zhǎng)40萬(wàn)桶舊，為2013年以來(lái)最緩增速。在全球石油產(chǎn)量增速放緩的同時(shí)，我國(guó)的原油產(chǎn)量自2015年開(kāi)始出現(xiàn)持續(xù)下滑現(xiàn)象，這直接導(dǎo)致我國(guó)對(duì)進(jìn)口原油的依賴(lài)度不斷增加，截止201_5年，我國(guó)原油進(jìn)口依賴(lài)度突破60%，這無(wú)疑給我國(guó)的能源安全提出了巨大挑戰(zhàn)。

1電動(dòng)客車(chē)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)總體構(gòu)型

圖1為本文中電動(dòng)客車(chē)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)總體構(gòu)型，根據(jù)構(gòu)型建立的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型主要包括：整車(chē)模型、電機(jī)模型、電池模型、電控制動(dòng)系統(tǒng)模型（EBS），其中電控制動(dòng)系統(tǒng)模型主要包括：前橋壓力控制模塊（FM）模型、后橋壓力控制模塊（RM）模型和ABS電磁閥模型，此外本文中共涉及三個(gè)車(chē)輛模型，第一個(gè)是在AVL-cruise中搭建的中等精度的車(chē)輛模型，主要用于再生制動(dòng)工況中整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的仿真驗(yàn)證，第二個(gè)是在TruckSim中搭建的高精度車(chē)輛模型，主要用于ABS工況的仿真驗(yàn)證;第三個(gè)是在MATLAB/simulink中搭建的一個(gè)七自由度整車(chē)模型，主要用于ABS工況中的狀態(tài)估算。

2電動(dòng)客車(chē)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

2.1電動(dòng)客車(chē)復(fù)合制動(dòng)控制策略總體架構(gòu)

圖2是本文中復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)控制策略的總體架構(gòu)圖，復(fù)合制動(dòng)控制策略包括兩部分，第一部分是車(chē)輛不發(fā)生滑移的常規(guī)制動(dòng)工況，這時(shí)車(chē)輛進(jìn)入再生制動(dòng)控制，再生制動(dòng)控制策略首先根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度確定前后軸制動(dòng)力分配，然后將后軸制動(dòng)力與電機(jī)實(shí)時(shí)能夠提供的最大電機(jī)制動(dòng)力對(duì)比，最后確定前后軸氣壓制動(dòng)力和電機(jī)制動(dòng)力，再生制動(dòng)過(guò)程中采用cruise軟件自帶的簡(jiǎn)化氣壓制動(dòng)系統(tǒng);第二部分是車(chē)輛發(fā)生滑移的緊急制動(dòng)工況，這時(shí)再生制動(dòng)退出，車(chē)輛進(jìn)入氣壓ABS控制，由ABS控制策略確定四個(gè)車(chē)輪的氣壓制動(dòng)力，然后控制氣壓制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整車(chē)的制動(dòng)控制。

2.2后軸氣壓制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力分配

在確定前后軸制動(dòng)力分配策略之后，再生制動(dòng)控制策略的第二部分內(nèi)容就是確定后軸氣壓制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力的分配，由于本文的再生制動(dòng)控制策略目標(biāo)是在滿(mǎn)足法規(guī)要求的前提下最大限度的回收制動(dòng)能量，所以后軸制動(dòng)力采用如下分配策略：如果電機(jī)最大制動(dòng)力能夠滿(mǎn)足后軸制動(dòng)力的要求則由電機(jī)單獨(dú)制動(dòng)，如果電機(jī)制動(dòng)力不能單獨(dú)滿(mǎn)足后軸制動(dòng)力的要求，則由最大電機(jī)制動(dòng)力和后軸氣壓制動(dòng)力共同制動(dòng)。

2.3線性卡爾曼濾波算法

在工程實(shí)踐中，很多狀態(tài)變量的真實(shí)值不能直接獲取或者獲取成本太高，因此狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題逐漸成為現(xiàn)代控制理論的一個(gè)重要研究方向。狀態(tài)估計(jì)的過(guò)程是根據(jù)狀態(tài)變量的觀測(cè)信號(hào)來(lái)估計(jì)狀態(tài)變量的真實(shí)值，由于狀態(tài)變量的觀測(cè)信號(hào)中存在觀測(cè)噪聲，狀態(tài)變量在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在過(guò)程噪聲，所以要準(zhǔn)確的獲得所需的狀態(tài)變量是不可能的，只能根據(jù)觀測(cè)信號(hào)來(lái)估計(jì)這些狀態(tài)量，這其中卡爾曼濾波器（KalmanFilter，KF）就是一種能有效降低噪聲影響的利器，在線性系統(tǒng)中，卡爾曼濾波是最優(yōu)濾波器，因?yàn)椴煌诰S納濾波器，卡爾曼濾波是遞推的，所以隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算要求和復(fù)雜性不再是卡爾曼濾波的應(yīng)用障礙，目前卡爾曼濾波越來(lái)越多的應(yīng)用于國(guó)防和制導(dǎo)等高科技領(lǐng)域。

2.4滑模面設(shè)計(jì)

基于滑移率的滑模變ABS控制器設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，第一部分是根據(jù)ABS系統(tǒng)的控制目標(biāo)設(shè)計(jì)滑模面，保證系統(tǒng)在滑動(dòng)模態(tài)區(qū)的運(yùn)動(dòng)漸進(jìn)穩(wěn)定;第二部分是根據(jù)滑模面設(shè)計(jì)控制律，保證在任意初始狀態(tài)下，系統(tǒng)能在有限時(shí)間內(nèi)移動(dòng)到滑模面上BAl基于滑移率的ABS控制器以滑移率為控制目標(biāo)，當(dāng)車(chē)輪的滑移率在15%-20%之間時(shí)地面制動(dòng)力達(dá)到最大值，這時(shí)車(chē)輪能夠最大限度的利用路面附著條件，減小制動(dòng)距離，保證制動(dòng)安全，因此本文中ABS控制器的控制目標(biāo)就是將四個(gè)車(chē)輪的滑移率控制在最佳滑移率附近，所以選擇車(chē)輪實(shí)際滑移率與理想滑移率之差作為滑模面。

2.5輪胎模型

輪胎是車(chē)輛與地面接觸并傳遞力和力矩的唯一部件，車(chē)輛所受的縱向力、側(cè)向力和回正力矩都是輪胎與地面接觸產(chǎn)生的，因此輪胎模型是否準(zhǔn)確對(duì)整車(chē)模型至關(guān)重要。目前主流的輪胎模型分為三類(lèi)：理論模型、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛蠖际峭ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到，形式簡(jiǎn)潔，計(jì)算簡(jiǎn)單，但是通用性較差，為了提高模型的適用性本文選擇理論模型一GIM輪胎模型，GIM輪胎模型對(duì)于側(cè)向力和縱向力的計(jì)算精度較高且模型參數(shù)測(cè)取方便。

2.6制動(dòng)器模型

從上文中知高壓氣體從儲(chǔ)氣筒經(jīng)EBS系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終達(dá)到制動(dòng)氣室產(chǎn)生制動(dòng)壓力，因此EBS能控制的是制動(dòng)氣室的制動(dòng)壓力，而在ABS和再生制動(dòng)控制策略中，最終給出的是車(chē)輪的制動(dòng)力或者制動(dòng)力矩，這中間就需要一個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換部件一制動(dòng)器。制動(dòng)器主要分為盤(pán)式制動(dòng)器與鼓式制動(dòng)器，盤(pán)式制動(dòng)器以圓盤(pán)狀的制動(dòng)盤(pán)作為摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件，盤(pán)式制動(dòng)器尺寸小、質(zhì)量輕、抗熱衰退性能好，普遍用于乘用車(chē);鼓式制動(dòng)器以制動(dòng)鼓作為摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件，鼓式制動(dòng)器制動(dòng)效能高、成本低、能兼顧駐車(chē)制動(dòng)，所以商用車(chē)特別是重型載貨或載客商用車(chē)均采用鼓式制動(dòng)器。

結(jié)語(yǔ)

1）研究了電動(dòng)客車(chē)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的總體布置并建立了復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)模型主要包括再生制動(dòng)仿真模型和氣壓制動(dòng)仿真模型，其中再生制動(dòng)仿真模型包括AVL-cruise中的整車(chē)模型、電機(jī)模型和電池模型;氣壓制動(dòng)仿真模型包括AMEsim中的電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)模型，MATLAB/simulink中的七自由度整車(chē)模型和Trucksim中的高精度整車(chē)模型。2）在電動(dòng)客車(chē)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)的上設(shè)計(jì)了電動(dòng)客車(chē)復(fù)合制動(dòng)控制策略，其主要由再生制動(dòng)控制策略和氣壓ABS控制策略組成，其中再生制動(dòng)控制策略包括前后軸制動(dòng)力分配策略和后軸電機(jī)制動(dòng)力與氣壓制動(dòng)力分配策略;氣壓ABS控制策略包括基于ACKF的狀態(tài)估算策略、電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制策略和基于滑移率的全局滑模變ABS控制策略。

參考文獻(xiàn)

[1]韓正鐵，宗長(zhǎng)富，趙偉強(qiáng).商用車(chē)EBS系統(tǒng)比例繼動(dòng)閥特性與控制方法[[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（10）：1一6.

[2]韓正鐵.商用車(chē)電控制動(dòng)系統(tǒng)遲滯特性及補(bǔ)償控制策略研究[D].吉林大學(xué)2014.

（作者身份證號(hào)碼：320124198811083258）