掛車氣動剎車系統(tǒng)響應(yīng)滯后建模及動態(tài)補償控制方案設(shè)計

中圖分類號：U469.5 收稿日期：2025-02-18 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.016

Modeling and Design of Dynamic Compensation Control Scheme for Air Brake System of Trailer

Huo Jiaxiong Henan CAERI Vehicle Inspectionamp; Certification Center Co.，Ltd.，Jiaozuo 4540oo，China

Abstract：Thispaperaddresestheisueofresponselaginthepneumaticbrakingsystemof trailersbyproposingacomprehensive modelinganddynamiccompensationcontrolschemedesign.Firstlyapeumaticbrakingsystemmodelisestablishedthattakesintoac countthegastransmisiondelayandthepressureresposedelayinthebrakechambers.Subsequentlysimulationanalysisisconducted toevealteinfluencingfactorsofthebrakingresponsetime.Toshortentheresponsetime，controlstrategyoptimiedbyagenet icalgorithmissigndfora-tierakepressureontrol.Fiallolborativecontrolstategyintegratingpematicdelaycom pensationandananti-lockbraingsystem（ABS）isproposed.Troughco-simulationverification，thisschemefectivelyeducesthe brakingesposetie，tigatesthepeumaticdelaypenomeonsuespateotrol，andeancesthecle'sakigperfor mance.

Key words：Trailer pneumatic braking;Lag modeling;Dynamic compensation control

1掛車氣動剎車系統(tǒng)響應(yīng)滯后建模

掛車氣動剎車系統(tǒng)作為重型運輸車輛的關(guān)鍵安全組件，其性能直接影響到行車安全。然而，由于掛車自身結(jié)構(gòu)特點，如長軸距、復(fù)雜的氣動管路布局以及較大的制動負(fù)載，導(dǎo)致剎車響應(yīng)存在明顯的滯后現(xiàn)象。為了深入理解并解決這一問題，建立掛車氣動剎車系統(tǒng)響應(yīng)滯后模型顯得尤為重要。

1.1理論基礎(chǔ)與建模原則

氣動剎車系統(tǒng)的響應(yīng)滯后主要源于氣體在管道中的傳輸延遲以及制動器內(nèi)部壓力建立的動態(tài)過程。因此，建模時需考慮流體力學(xué)中的波速理論、氣體狀態(tài)方程以及制動器動力學(xué)。波速理論用于描述氣體在管道中的傳播速度，它決定了信號從制動踏板傳遞到各車輪制動器的時間延遲。氣體狀態(tài)方程則關(guān)聯(lián)了壓力、體積和溫度的變化，這對于模擬制動氣室內(nèi)壓力的建立過程至關(guān)重要。制動器動力學(xué)部分則涉及摩擦材料、制動盤/鼓的熱效應(yīng)以及制動力矩的產(chǎn)生，這些因素共同影響制動響應(yīng)的最終效果。建模時，應(yīng)遵循準(zhǔn)確性、實用性和可擴展性原則，確保模型既能真實反映系統(tǒng)特性，又便于后續(xù)的分析與控制設(shè)計[1]。

1.2氣動傳輸延遲模型

a.氣動傳輸延遲模型構(gòu)建。

氣動剎車系統(tǒng)中，氣體通過復(fù)雜的管路網(wǎng)絡(luò)傳輸制動信號，這一過程產(chǎn)生的延遲是響應(yīng)滯后的主要來源之一。為了量化這一延遲，需要構(gòu)建氣動傳輸延遲模型。該模型基于一維非定常流理論，考慮管道長度、直徑、內(nèi)壁粗糙度以及氣體屬性（如密度、黏度）等因素，通過求解Navier-Stokes方程的簡化形式（如圣維南方程）來預(yù)測氣體波的傳播速度和壓力分布。在建模過程中，可以將管道網(wǎng)絡(luò)劃分為多個小段，每段視為均勻流管，通過節(jié)點連接，形成網(wǎng)絡(luò)模型。利用有限差分法或特征線法求解，可以得到任意時刻各節(jié)點處的壓力狀態(tài)，從而計算出從制動踏板輸入到各車輪制動器響應(yīng)的時間延遲。

b.模型參數(shù)確定與驗證。

模型參數(shù)的確定依賴于實驗數(shù)據(jù)，包括管道的實際尺寸、材料特性以及氣體屬性等。通過實驗測量不同條件下的氣體傳輸時間，與模型預(yù)測值進行對比，可以驗證模型的準(zhǔn)確性。此外，利用CFD（計算流體動力學(xué)）軟件對管道內(nèi)的流動進行仿真，也是驗證模型有效性的另一種手段。通過不斷迭代調(diào)整模型參數(shù)，直至預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)高度吻合，即可認(rèn)為模型構(gòu)建成功。

1.3制動器動態(tài)響應(yīng)模型

a.制動器動態(tài)響應(yīng)模型概述。

制動器是氣動剎車系統(tǒng)執(zhí)行制動動作的核心部件，其動態(tài)響應(yīng)特性直接影響制動性能和響應(yīng)滯后。制動器動態(tài)響應(yīng)模型需考慮制動氣室內(nèi)的壓力變化、摩擦副的接觸狀態(tài)以及制動力的生成過程。模型通?；谫|(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒原理，結(jié)合摩擦學(xué)理論和熱力學(xué)分析，建立制動氣室壓力與制動力矩之間的關(guān)系。模型中，制動氣室被視為一個可變?nèi)莘e的氣壓容器，其壓力變化受氣體流入速率、流出速率以及容積變化率共同影響。摩擦副的動態(tài)接觸狀態(tài)則通過接觸力學(xué)模型描述，包括接觸壓力分布、摩擦系數(shù)變化以及熱效應(yīng)等。

b.模型細(xì)化與參數(shù)估計。

為了準(zhǔn)確模擬制動器的動態(tài)響應(yīng)，模型需要進一步細(xì)化，包括考慮制動盤/鼓的熱膨脹、摩擦材料的磨損以及制動液的溫升效應(yīng)等。參數(shù)估計方面，可以利用實驗數(shù)據(jù)，如制動測試中的壓力-時間曲線、制動力矩-時間曲線，結(jié)合遺傳算法、粒子群優(yōu)化等智能優(yōu)化算法，對模型中的未知參數(shù)進行辨識。此外，考慮到制動器在不同工況下的性能差異，模型還應(yīng)具備自適應(yīng)能力，能夠根據(jù)實時工況調(diào)整參數(shù)，提高預(yù)測精度。

c.模型驗證與應(yīng)用。

模型的驗證同樣依賴于實驗數(shù)據(jù)，包括制動性能試驗、耐久性試驗以及極端工況下的制動測試。通過對比模型預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果，評估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。一旦模型驗證通過，即可應(yīng)用于掛車氣動剎車系統(tǒng)的性能分析、故障診斷以及控制策略設(shè)計中。例如，在控制策略設(shè)計中，可以利用模型預(yù)測不同制動指令下系統(tǒng)的響應(yīng)特性，從而設(shè)計出更為合理的控制算法，減少響應(yīng)滯后，提升制動性能[2]。

2動態(tài)補償控制方案設(shè)計

在掛車氣動剎車系統(tǒng)中，響應(yīng)滯后問題不僅影響制動性能，還可能增加行車安全隱患[3]。為了有效解決這一問題，設(shè)計一套高效、可靠的動態(tài)補償控制方案至關(guān)重要。本部分將從控制策略的基本原理出發(fā)，探討如何設(shè)計并實現(xiàn)一種能夠有效減少響應(yīng)滯后的動態(tài)補償控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在通過實時監(jiān)測與分析制動過程中的關(guān)鍵參數(shù)，動態(tài)調(diào)整控制策略，以實現(xiàn)對制動響應(yīng)滯后的有效補償。

2.1控制策略的基本原理

動態(tài)補償控制策略的核心在于實時性和準(zhǔn)確性。實時性要求系統(tǒng)能夠迅速捕捉制動過程中的微小變化，并作出相應(yīng)調(diào)整；準(zhǔn)確性則要求系統(tǒng)能夠精確計算補償量，確保制動響應(yīng)達到預(yù)期效果。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，系統(tǒng)需要集成先進的傳感器技術(shù)、信號處理算法以及控制算法。傳感器負(fù)責(zé)實時監(jiān)測制動壓力、車速、加速度等關(guān)鍵參數(shù)；信號處理算法則用于提取和分析這些參數(shù)中的有用信息；控制算法則根據(jù)提取的信息，計算并輸出補償控制信號，以調(diào)整制動系統(tǒng)的輸出。

2.2基于預(yù)測控制的動態(tài)補償策略

a.預(yù)測控制策略的設(shè)計。

預(yù)測控制是一種先進的控制策略，它利用系統(tǒng)模型預(yù)測未來的輸出狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果提前調(diào)整控制輸入，以實現(xiàn)最優(yōu)的控制效果。在掛車氣動剎車系統(tǒng)中，預(yù)測控制策略可以應(yīng)用于制動響應(yīng)滯后的補償。首先，建立一個精確的掛車氣動剎車系統(tǒng)模型，該模型能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的動態(tài)特性和響應(yīng)滯后現(xiàn)象。然后，利用模型預(yù)測在不同制動指令下系統(tǒng)的未來輸出狀態(tài)，包括制動壓力、制動力矩等。接著，根據(jù)預(yù)測結(jié)果，計算并輸出補償控制信號，以提前調(diào)整制動系統(tǒng)的輸出。

表1所示為預(yù)測控制策略實驗數(shù)據(jù)對比，可以看出，預(yù)測控制策略在不同制動工況下均能有效縮短制動響應(yīng)時間，平均縮短比例達到 30% 左右。

表1預(yù)測控制策略實驗數(shù)據(jù)對比

b.預(yù)測控制策略的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。

預(yù)測控制策略的優(yōu)勢在于其能夠提前預(yù)測并補償系統(tǒng)的響應(yīng)滯后，從而提高制動性能。然而，該策略也面臨一些挑戰(zhàn)。系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性對于預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。如果模型存在誤差，預(yù)測結(jié)果將偏離實際，導(dǎo)致補償控制效果不佳。此外，預(yù)測控制策略需要實時計算大量的數(shù)據(jù)，對計算能力和實時性要求較高。實驗數(shù)據(jù)顯示，在復(fù)雜工況下，若模型誤差超過 5% ，預(yù)測控制策略的響應(yīng)時間縮短比例將下降至 20% 以下，說明模型準(zhǔn)確性對策略效果影響顯著。

2.3基于自適應(yīng)控制的動態(tài)補償策略

a.自適應(yīng)控制策略的設(shè)計。

自適應(yīng)控制是一種能夠根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)變化或未知擾動而自動調(diào)整控制策略的方法。在掛車氣動剎車系統(tǒng)中，自適應(yīng)控制策略可以應(yīng)用于應(yīng)對系統(tǒng)參數(shù)的不確定性以及外部環(huán)境的干擾。首先，設(shè)計一個自適應(yīng)控制算法，該算法能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)的輸出狀態(tài)，并根據(jù)輸出狀態(tài)的變化自動調(diào)整控制參數(shù)。例如，當(dāng)檢測到制動響應(yīng)滯后增加時，算法可以自動增加補償量，以維持制動性能的穩(wěn)定。其次，算法還需要具備學(xué)習(xí)功能，能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化控制策略，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。

表2所示為自適應(yīng)控制策略實驗數(shù)據(jù)對比。從表2可以看出，自適應(yīng)控制策略在不同路面條件下均能有效降低滑移率波動范圍，平均提升比例達到 30% 左右，說明該策略能有效提高制動穩(wěn)定性。

表2自適應(yīng)控制策略實驗數(shù)據(jù)對比

b.自適應(yīng)控制策略的實現(xiàn)與驗證。

自適應(yīng)控制策略的實現(xiàn)需要依賴先進的算法和硬件支持。算法方面，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來實現(xiàn)自適應(yīng)控制。硬件方面，配置高性能的處理器和傳感器，以確保算法的實時性和準(zhǔn)確性。在驗證階段，通過實驗測試來評估自適應(yīng)控制策略的效果。實驗測試涵蓋不同的制動工況和外部環(huán)境條件，結(jié)果表明，在初始學(xué)習(xí)階段，自適應(yīng)算法可能需要10～15次制動循環(huán)才能達到較好的補償效果，但隨著學(xué)習(xí)次數(shù)的增加，其性能逐漸穩(wěn)定。

c.自適應(yīng)控制策略的優(yōu)勢與局限性。

自適應(yīng)控制策略的優(yōu)勢在于其能夠根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的變化和外部環(huán)境的干擾自動調(diào)整控制策略，從而提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。然而，該策略也存在一定的局限性。自適應(yīng)算法需要一定的時間來學(xué)習(xí)和優(yōu)化控制策略，因此在初始階段可能無法立即達到最佳效果。此外，自適應(yīng)算法的性能也受到算法參數(shù)和硬件資源的限制[4]。實驗數(shù)據(jù)顯示，若硬件處理器性能不足，自適應(yīng)算法的實時性將下降，導(dǎo)致補償效果降低，滑移率波動范圍可能僅降低 15%～20% 。因此，在設(shè)計自適應(yīng)控制策略時，需要綜合考慮算法的性能、實時性和硬件資源的限制，確保系統(tǒng)既具有足夠的自適應(yīng)能力，又能滿足實際應(yīng)用的需求。

3補償控制方案的驗證與優(yōu)化

在掛車氣動剎車系統(tǒng)中，補償控制方案的驗證與優(yōu)化是確?？刂撇呗杂行院涂煽啃缘年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過驗證，可以評估控制方案在實際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)潛在的問題并進行優(yōu)化，從而提升制動性能和行車安全。

3.1基于模擬仿真的驗證方法

a.模擬仿真驗證。

模擬仿真是驗證補償控制方案的有效手段之一。通過建立掛車氣動剎車系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合控制算法，可以在計算機上進行模擬仿真，評估控制方案在不同工況下的性能表現(xiàn)。模擬仿真可以模擬制動過程中的各種參數(shù)變化，如制動壓力、制動力矩、車速等，并觀察控制方案對這些參數(shù)的影響。通過對比仿真結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)，可以評估控制方案的有效性，并發(fā)現(xiàn)潛在的問題。模擬仿真的優(yōu)勢在于可以靈活調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和控制策略，進行多次試驗和優(yōu)化，從而降低成本和時間。

b.仿真模型的構(gòu)建與驗證。

在進行模擬仿真之前，需要構(gòu)建準(zhǔn)確的掛車氣動剎車系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。模型應(yīng)能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的動態(tài)特性和響應(yīng)滯后現(xiàn)象，包括氣體傳輸延遲、制動器動態(tài)響應(yīng)等。同時，還需要考慮外部環(huán)境的干擾，如路面條件、風(fēng)速等。構(gòu)建好模型后，需要進行模型驗證，確保模型能夠準(zhǔn)確模擬系統(tǒng)的實際行為。這可以通過與實驗數(shù)據(jù)進行對比來實現(xiàn)，如果模型預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，則認(rèn)為模型是有效的，可以用于后續(xù)的仿真驗證。

3.2基于實驗測試的驗證與優(yōu)化

a.實驗測試驗證。

實驗測試是驗證補償控制方案最直接的方法。通過在實車上進行制動測試，可以觀察控制方案對制動性能的實際影響。實驗測試可以包括不同工況下的制動性能測試，如緊急制動、連續(xù)制動等，以及不同外部環(huán)境條件下的性能測試，如濕滑路面、高溫環(huán)境等。通過對比實驗測試數(shù)據(jù)與預(yù)期目標(biāo)，可以評估控制方案的有效性和魯棒性。同時，實驗測試還可以發(fā)現(xiàn)控制方案中存在的問題和不足，為后續(xù)的優(yōu)化提供方向[5]。

b.優(yōu)化策略的制定與實施。

在實驗測試的基礎(chǔ)上，可以制定優(yōu)化策略，對補償控制方案進行優(yōu)化。優(yōu)化策略可以包括調(diào)整控制參數(shù)、改進控制算法、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面。例如，如果發(fā)現(xiàn)制動響應(yīng)時間仍然較長，可以考慮增加補償量或調(diào)整補償策略；如果發(fā)現(xiàn)控制策略在特定工況下效果不佳，可以針對該工況進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化策略的制定需要綜合考慮系統(tǒng)的性能要求、成本控制以及實際應(yīng)用的可行性。實施優(yōu)化策略后，需要再次進行實驗測試，以驗證優(yōu)化效果[6]。

c.持續(xù)迭代與優(yōu)化。

補償控制方案的驗證與優(yōu)化是一個持續(xù)迭代的過程。通過實驗測試發(fā)現(xiàn)問題，制定優(yōu)化策略，再次進行實驗測試驗證優(yōu)化效果，如此循環(huán)往復(fù)，直到控制方案達到預(yù)期的性能要求。在迭代過程中，需要不斷積累經(jīng)驗，總結(jié)教訓(xùn)，逐步完善控制方案的設(shè)計和優(yōu)化方法。同時，還需要關(guān)注新技術(shù)的發(fā)展，如先進的傳感器技術(shù)、控制算法等，以便將新技術(shù)應(yīng)用于補償控制方案的優(yōu)化中，進一步提升制動性能和行車安全。

3.3基于數(shù)據(jù)分析與反饋的驗證與優(yōu)化

a.數(shù)據(jù)分析與反饋。

在驗證與優(yōu)化過程中，數(shù)據(jù)分析與反饋是不可或缺的一環(huán)。通過對實驗測試數(shù)據(jù)進行深入分析，可以挖掘出控制方案中的潛在問題和改進方向[7]。例如，通過分析制動響應(yīng)時間的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)控制策略中的不足；通過分析制動性能在不同工況下的表現(xiàn)，可以評估控制方案的魯棒性和適應(yīng)性。同時，還可以收集用戶的反饋意見，了解實際應(yīng)用中遇到的問題和需求，為控制方案的優(yōu)化提供參考。

b.數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化方法。

基于數(shù)據(jù)分析與反饋，可以采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化方法來改進補償控制方案。數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化方法利用大量的實驗數(shù)據(jù)，通過機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，建立數(shù)據(jù)模型，預(yù)測控制方案在不同條件下的性能表現(xiàn)，并優(yōu)化控制參數(shù)和策略。這種方法可以更加準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的實際行為，提高優(yōu)化效率[8]。同時，數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化方法還可以實現(xiàn)自動化和智能化，減少人工干預(yù)，提高優(yōu)化過程的準(zhǔn)確性和可靠性。

c.持續(xù)優(yōu)化與改進。

數(shù)據(jù)分析與反饋是補償控制方案持續(xù)優(yōu)化與改進的基礎(chǔ)。通過不斷收集和分析實驗數(shù)據(jù)、用戶反饋等信息，可以發(fā)現(xiàn)控制方案中的新問題和新需求，為后續(xù)的優(yōu)化提供方向。同時，還可以利用新技術(shù)和新方法，如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等，對控制方案進行創(chuàng)新和升級，進一步提升制動性能和行車安全[9-10]。持續(xù)優(yōu)化與改進是補償控制方案保持競爭力的關(guān)鍵所在。

4結(jié)語

通過綜合運用流體力學(xué)、制動器動力學(xué)以及先進的控制理論，成功建立了能夠準(zhǔn)確反映掛車氣動剎車系統(tǒng)動態(tài)特性和響應(yīng)滯后現(xiàn)象的模型，并設(shè)計了基于預(yù)測控制和自適應(yīng)控制的動態(tài)補償控制方案。這些成果不僅為深入理解掛車氣動剎車系統(tǒng)的響應(yīng)滯后問題提供了理論基礎(chǔ)，也為實際工程應(yīng)用中的制動性能提升和行車安全保障提供了有效的技術(shù)手段。通過模擬仿真、實驗測試以及數(shù)據(jù)分析與反饋等方法，驗證了控制方案的有效性和可靠性，并指出了持續(xù)優(yōu)化與改進的方向，為掛車氣動剎車系統(tǒng)的進一步發(fā)展和創(chuàng)新奠定了堅實基礎(chǔ)。

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