客車預(yù)警防側(cè)翻控制研究

鐘 欣

（重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122）

前言

客車質(zhì)心高、輪距窄、行駛穩(wěn)定性較低，在緊急避讓或高速超車等行駛工況易發(fā)生側(cè)翻事故[1-2]。車輛預(yù)警防側(cè)翻控制系統(tǒng)能提前讓駕駛?cè)烁兄囕v未來運動狀態(tài)，在車輛趨于側(cè)翻時會產(chǎn)生力矩抑制車輛側(cè)傾，一定程度減緩駕駛?cè)瞬倏v或響應(yīng)滯后所帶來的影響，從而可以有效降低車輛側(cè)翻事故風險[3]。

為此，本文在車輛三自由度模型模型基礎(chǔ)上，聯(lián)合TruckSim 非線性整車模型設(shè)計了基于橫向動態(tài)載荷轉(zhuǎn)移率客車預(yù)警防側(cè)翻系統(tǒng)，并通過與角階躍工況下被動懸架客車進行比較，驗證設(shè)計系統(tǒng)整體性能。

1 客車側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 客車模型構(gòu)建

客車模型精度是決定側(cè)翻預(yù)警控制系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵因素，傳統(tǒng)三自由度模型忽略了懸架和車身垂向運動的影響，不能準確反映客車側(cè)翻極限位置；而四自由度模型忽略了橫擺運動，導(dǎo)致高速過彎時所反映的側(cè)翻特性與真實側(cè)翻特性存在偏差，間接影響了預(yù)警控制系統(tǒng)整體性能驗證。本文客車模型選用TruckSim 非線性客車整車模型，只需修改車身結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真精度高，其系統(tǒng)蘊含多個變量I/O 口，可更好驗證先期預(yù)警控制系統(tǒng)設(shè)計理念?？蛙囍饕獏?shù)見表1。

表1 客車主要參數(shù)

1.2 側(cè)翻指標選取

傳統(tǒng)側(cè)翻指標主要以側(cè)向加速度和靜態(tài)橫向輪胎載荷轉(zhuǎn)移率為主，側(cè)向加速度對于不同車輛缺乏通用性，而靜態(tài)橫向輪胎載荷轉(zhuǎn)移率未考慮懸架側(cè)傾特性影響[4-5]?？紤]到車輛實際行駛過程中，懸架側(cè)傾會直接影響橫向載荷轉(zhuǎn)移率，故本文采用動態(tài)橫向載荷轉(zhuǎn)移率作為預(yù)警系統(tǒng)門限指標，其表達式由式(1)描述。

式中：T 為車輛輪距

1.3 車輛名義模型構(gòu)建

車輛三自由度模型算法簡單，實時性強，故采用三自由度模型作為車輛模型作為評估輪胎載荷轉(zhuǎn)移率名義模型。根據(jù)達朗貝爾原理，車輛平衡方程可由式(2)描述：

式中：m 為整車質(zhì)量；Φ 為車輛側(cè)傾角；ψ 為車輛橫擺角；vy為側(cè)向車速；vx為縱向車速；Fyf為前輪側(cè)向力；Fyr為后輪側(cè)向力；ay為側(cè)向加速度；h 為質(zhì)心到側(cè)傾中心距離；a 為質(zhì)心至前軸距離；b 為質(zhì)心至后軸距離；kφ 為懸架阻尼剛度；c 為懸架阻尼系數(shù)；Iz為車輛繞z 軸轉(zhuǎn)動慣量；Ir為車輛繞側(cè)傾軸轉(zhuǎn)動慣量。

1.4 側(cè)翻預(yù)警算法構(gòu)建

圖2 預(yù)警算法流程圖

側(cè)翻預(yù)警算法通過TruckSim 輸出車輛行駛姿態(tài)參數(shù)至車輛名義模塊，再由名義模塊輸出未來各時刻的載荷轉(zhuǎn)移率結(jié)合預(yù)警系統(tǒng)規(guī)則進行判斷，期間考慮到駕駛?cè)瞬倏v響應(yīng)具有遲滯，為保證車輛行駛安全，設(shè)置橫向載荷轉(zhuǎn)移率門限為0.8，預(yù)警時上限為2s，計算步長為10ms，車輛預(yù)警流程見圖2。

2 車輛預(yù)警防側(cè)翻控制策略

傳統(tǒng)PID 控制策略結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高，但自適應(yīng)能力較差。為使側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)能夠滿足復(fù)雜行駛工況變化，本文采用模糊控制對PID 控制參數(shù)實現(xiàn)自正定。PID 控制規(guī)律表達式由式(3)描述。

式中：e(t)為系統(tǒng)偏差信號；Kp 為比例系數(shù)；Ki 為積分系數(shù)；Kd 為微分系數(shù)。

表2 △Kp 模糊控制規(guī)則表

表3 △Ki 模糊控制規(guī)則表

表4 △Kd 模糊控制規(guī)則表

模糊控制器輸入由動態(tài)LTR 與期望LTR 差值及其變化率二維變量構(gòu)成，以Kp、Ki、Kd 修正量為輸出。輸入/輸出模糊論域變量設(shè)定為[-3,3]，輸入量物理論域設(shè)定為[-1，1]，[-25，25]，輸出量物理論域分別為[-1750，1750]，[-15，15]，[-140，140]。模糊子集采用負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(NM)、正大(NB)7 個等級描述，具體控制規(guī)則設(shè)置見表2～表4，最后采用面積重心法實現(xiàn)解模糊化。

對模糊PID 控制器輸出的主動懸架控制力進行合理分配，實現(xiàn)客車防側(cè)翻控制。當趨于左側(cè)側(cè)翻時，左側(cè)主動懸架應(yīng)產(chǎn)生對應(yīng)推力抑制客車側(cè)傾運動，其懸架控制力可由式（4）描述。同理右側(cè)側(cè)翻懸架控制力可由式（5）描述。

式中：Fd為所需懸架控制力；Fdij分別為各懸架控制力。

3 仿真結(jié)果及分析

圖3 角階躍工況仿真結(jié)果

仿真工況設(shè)置為角階躍工況，客車初始車速為70km/h，駕駛?cè)嗽?s 位置開始轉(zhuǎn)動方向盤，并在0.1s 內(nèi)實現(xiàn)方向盤角度由0deg-100deg 轉(zhuǎn)變且維持不變，仿真時長為8s，步長設(shè)置為0.001s。

圖3 示出客車角階躍工況下仿真結(jié)果，其中黑色實線和紅色虛線分別表示客車被動懸架和模糊PID 主動懸架控制結(jié)果，從圖中可以看出，無論是側(cè)傾角、側(cè)傾角速度、還是輪胎動態(tài)橫向載荷轉(zhuǎn)移率曲線，采用模糊PID 主動懸架控制車輛對應(yīng)峰值大小或穩(wěn)定時間均小于被動懸架曲線，說明采用模糊PID 控制策略的主動懸架能夠有效改善客車側(cè)翻穩(wěn)定性。為進一步說明模糊PID 控制策略的優(yōu)越性，對角階躍工況下客車側(cè)傾角速度兩次波峰值對應(yīng)的側(cè)傾穩(wěn)定性參數(shù)進行比較。

表5 客車側(cè)翻穩(wěn)定性參數(shù)值

從表5 可以看出，相較于被動懸架，采用模糊PID 主動懸架控制的客車其側(cè)傾角、側(cè)傾角速度、動態(tài)橫向載荷轉(zhuǎn)移率分別降低了29.77%、10.44%、8.82%，進一步說明采用模糊PID 控制器的主動懸架對于客車側(cè)翻的抑制十分有效。

4 結(jié)論

（1）基于動態(tài)橫向載荷轉(zhuǎn)移率指標能夠良好反映客車側(cè)翻狀態(tài)。

（2）采用PID 模糊控制的預(yù)警防側(cè)翻系統(tǒng)能夠有效降低車輛側(cè)翻風險，從而保障車輛行駛穩(wěn)定性。