半挂汽车列车转弯制动稳定性模糊控制

万方数据
１４８
公路交通科技
１．１ Ｂｒａｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ，
第３１卷
交通事故的可能性¨。ｊ。
转向系统 转向系统的运动学特性分为从转向盘到转向器
汽车防抱死制动系统（Ａｎｔｉｌｏｃｋ
ＡＢＳ）的应用，在一定程度上可提高半挂汽车列车
和从转向器到转向轮两部分。其中，第一部分近似 用线性系统表达，名义角转向比为／７，。；第二部分通 过梯形臂和横拉杆等进行非线性传递，使得传递到 左右轮的传动比不同。 设传递到左、右轮的传动比分别为ｒｔ；，和ｒｔ露，则
０
引言
辆。我国牵引车和半挂车当前采用的独立生产和管 理运营模式，难以保证二者性能匹配的合理性和运
行的安全性，尤其是半挂汽车列车在转弯行驶和制
半挂汽车列车凭借整备质量小、运输效率高、 运输成本低等优点，已逐渐成为道路货运的主流车
动时，常出现折叠、甩尾等危险现象，增加了发生
收稿日期：２０１４—０２—２６ 基金项目：交通运输部科技项目（２０１１３１８２２３４５０）；中央级公益性科研所基本科研业务费专项资金项目（２０１４—９０１３） 作者简介：李臣（１９８１一），男，山东寿光人，博士，助理研究员．（ｃ．ｔｉ＠ｒｉｏｈ．ｃｎ）
ｏｎ
ｓｅｌｅｃｔｅｄ
ｔｏ
ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ
ａｎｄ ｔｈｅ
ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｌｏｇｉｃ
ｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｅ
ｃｏｒｎｅｒｉｎｇ
ａｂｏｖｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ３ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｔｒａｃｔｏｒ—ｓｅｍｉｔｒａｉｌｅｒ，ｔｈｅ ｂｒａｋｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ
ｔｏ
ｔｈａｔ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｄｏｐｔｉｎｇ
ｌｏｇｉｃ
ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ
ｃａｎ
ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｈｏｒｔｅｎ
ｂｒａｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔ ｆｏｌｄｉｎｇ ｏｆ ｔｒａｃｔｏｒ—ｓｅｍｉｔｒａｉｌｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｔｒａｃｔｏｒ—ｓｅｍｉｔｒａｉｌｅｒ；Ｔｒｕｅｋｓｉｍ；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；ｃｏ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｒｎｅｒｉｎｇ ｂｒａｋｉｎｇ；ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ
１
式中，最为车轮转角；秽。为转向盘角输入；６。ｉ为左
右轮的弹性运动学特性；丝ｉ为车轮回正力矩；Ｆｙ。为
车轮侧向力。
通过主销内倾角、主销后倾角、纵偏距和侧偏 距四个参数定位主销，如图１所示。
ｚ
Ｌ
王
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前初 ｌ图
歹
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／
・●・—一
半挂汽车列车整车模型
侧偏距
纵偏距
本文以某６×４型牵引车和三轴厢式半挂车组成 的六轴半挂汽车列车为控制车型，采用Ｔｒｕｃｋｓｉｍ搭 建了半挂汽车列车转弯制动非线性整车模型¨０【，并 定义了牵引车和半挂车各自的系统结构及其相关性
生的边界压力，一般为０．４８ ＭＰａ；ｒ，为制动气室气
‰‰＝石：丽，
ｏｒｔ＂柚＝石了ｉ孑，
（７）
式中，盯ｔｏｔ．。为联合侧滑角；盯ｘ＝一若≮；盯ｒ＝舞墨；
，ｃ为轮胎纵向滑移率；ａ为轮胎侧偏角。 通过侧滑峰值系数得到规范联合侧滑角：
（８）
压从０增加至Ｐ。的时间，此过程不产生制动力矩；
下：为制动气室气压从Ｐ。。增加至制动气室最大压力
能和结构参数。 半挂汽车列车的基本参数如表１所示。
表１半挂汽车列车参数
Ｔａｂ．１ Ｆｉｇ．１
图１车轮主销定位示意图
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
ｄｉａｇｒａｍ
ｏｆ ｗｈｅｅｌ ｋｉｎｇｐｉｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ
模型左、右车轮定位参数相同，如表２所示。
表２车轮主销定位参数
Ｔａｂ．２
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｗｈｅｅｌ ｋｉｎｇｐｉｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ 数值
Ｆｕｚｚｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｔｒａｃｔｏｒ。ｓｅｍｉｔｒａｉｌｅｒ Ｃｏｒｎｅｒｉｎｇ Ｂｒａｋｉｎｇ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
ＬＩ Ｃｈｅｎｌ，２”，ＬＩ Ｘｉｎｇ—ｈｕｌ一，ＪＩＮ
Ｊｉｅｌ’２
（１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｈｉ【ｇｈｗａｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８８，Ｃｈｉｎａ；
万方数据
第１１期
李臣，等：半挂汽车列车转弯制动稳定性模糊控制
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体压力和制动气室压力的差值成正比¨２｜，即：
１
胎力¨引。通过纵向滑移率与侧偏角得到联合侧
（３） 滑角：
ｐ。＝二（Ｐ。一Ｐ。），
１
当Ｐ。≤Ｐｐ０，且Ｐ。＞０时，丁＝７－１；当Ｐ。＞Ｐ。，且Ｐ。 ＞０时，．ｒ＝下２；当ｐ。＜０时，ｒ＝ｒ３。 式中，Ｐ。为制动气室压力；丁为制动气室时间 常数；Ｐ。为制动踏板系统管路压力；Ｐ。为制动力产
李 臣１’２…，李兴虎１’２，晋
杰１’２
（１．交通运输部公路科学研究院，北京１０００８８；２．运输车辆运行安全技术交通行业重点实验室，北京１０００８８； ３．北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京１００１９１） 摘要：针对半挂汽车列车转弯制动时易发生折叠等危险工况的现象，采用Ｔｒｕｃｋｓｉｍ和Ｓｉｍｕｌｉｎｋ联合仿真的方法，建 立了半挂汽车列车转弯制动的动力学模型，并利用实车道路试验数据验证了模型的准确性。设计了半挂汽车列车转 弯制动稳定性的控制器和模糊控制策略，并选择高、中、低三种附着系数路面对模糊控制策略和传统逻辑门限控制 策略的效果进行了对比分析。结果表明：半挂汽车列车在三种附着系数路面上转弯制动时，模糊控制比逻辑门限控 制在车辆制动稳定性能上有所改善，可有效地缩短制动距离和预防折叠现象的发生。 关键词：汽车工程；半挂汽车列车；Ｔｒｕｃｋｓｉｍ；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；联合仿真；转弯制动；模糊控制 中图分类号：Ｕ４６１．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—０２６８（２０１４）１１—０１４７—０６
第３１卷第１１期 ２０１４年１１月
公路交通科技
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｉｇｈｗａｙ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ＶｏＬ ３ｌ
ＮＯ．１１
ＮＯＶ．２０１４
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—０２６８．２０１４．１ １．０２４
半挂汽车列车转弯制动稳定性模糊控制
ｆｏｒ ｔｒａｃｔｏｒ。ｓｅｍｉｔｒａｉｌｅｒ ｃｏｒｎｅｒｉｎｇ ｂｒａｋｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｌｏｗ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ
ａｒｅ
ａｒｅ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｈｉｇｈ，ｍｅｄｉｕｍ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｂｒａｋｉｎｇ
式中，ｒ。为制动踏板系统时间常数；Ｐ耐为驾驶员通 过制动踏板输入的参考压力。 从制动气室压力到制动力矩，利用二次曲线函 数表达制动力矩与制动气室压力和轮毂转速的
关系‘１ ３｜：
０ ０≤Ｐ。≤Ｐｐｏ
！！！堂：竺墨竺竺：！！墨！！！墨！ ＝＿——■■——————■—■弋，
１＋ｏｒｔｏｔａｌ‘ｏｒｘ。．ａｘ。ｓｌｇｎ（口■）
式中，盯ｔ：ｔａｌ为规范联合侧滑角；盯；＝责兰；盯；＝
半Ｌ；矿～为最大纵向力对应的滑移率；盯№为最
ｕ Ｙｍａｘ
Ｐ。。的时间；ｒ，为制动气室气压下降至０的时间。 踏板管路系统压力也用一阶微分方程表达，即：
ｌ
ｐ。＝÷（Ｐ耐一Ｐ。），
’Ｊ ｔ
（４）
大侧向力对应的侧偏角。 由此得到当量滑移率和当量侧偏角：
。，一 Ｋ
Ｊ ２Ｕ
，＝Ｏ，１，２；％曲为车轮切向速度；Ｐ。。为制动气室内
ｆ％巩叫‰喝’㈢川２，
ｋ＝Ｆ如叫ｋ蹦（笔）２
ｆ８Ⅵ‘０ｗ，‘＜１。 盯ｔ：“＞１
Ｌ占＝１
气体的最大压力。
１．３悬架系统 半挂汽车列车悬架系统以钢板弹簧为主。钢板 向力。
式中，Ｆ二为修正的轮胎纵向力；Ｆ品为修正的轮胎侧
性控制具有重要意义。
（１）
式中，ｎ。ｉ为从转向盘到左、右转向轮的转向比；ｎ酊
为传递到左、右轮的传动比；江ｌ，２，分别代表左
轮和右轮（下同）。 左、右轮的转角由转向系统运动学特性和弹性
国外学者自２０世纪２０年代以来，在汽车列车 的操纵稳定性和制动稳定性方面开展了研究。近年 来，国外学者开始研究车轮独立制动控制对提高半
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｄａｎｇｅｒｏｕｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｕｓｕａｌｌｙ
Ｔｏ ｃｏｐｅ ｗｉｔｈ
ｏｃｃｕｒ
ｗｈｅｎ ｔｒａｃｔｏｒ．ｓｅｍｉｔｒａｉｌｅｒ ｃｏｒｎｅｒｉｎｇ ｂｒａｋｉｎｇ．
ｔｈｉｓ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ，ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｒａｃｔｏｒ—ｓｅｍｉｔｒａｉｌｅｒ ｃｏｒｎｅｒｉｎｇ ｂｒａｋｉｎｇ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｖ
转向系统总的传动比为：
／－ｔｐ。＝乃。‘，ｚ ｇＩ，
的制动稳定性。现有的ＡＢＳ通常考虑如何防止车轮 抱死以及车辆的制动效率，较少考虑在复杂工况下 车辆的稳定性问题，如半挂汽车列车在弯道制动时 由于载荷转移的影响，制动过程中各车轮上的法向
载荷变化很大，导致车轮上的制动力和侧向力变化
很大，使得半挂汽车列车转弯制动时产生较大的横 摆力矩，造成折叠等现象Ｈ Ｊ。因此，从提高半挂汽 车列车运营安全的角度出发，研究其弯道制动稳定
ｕｓｉｎｇ Ｔｒｕｃｋｓｉｍ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ＣＯ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｖ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｕｔｐｕｔ ｗｉｔｈ ｄａｔａ ｏｆ ｔｒａｃｔｏｒ－ｓｅｍｉｔｒａｉｌｅｒ ｒｏａｄ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ
ｒ９、 Ｌ，，
Ｏｔ’＝ｔａｎ一［盯。：ｔａｌ・盯№・ｓｉｇｎ（ｏｒｙ）］，
（１０）
式中，Ｋ’为当量滑移率；Ｏｌ’为当量侧偏角。 由相似理论可得任意Biblioteka Baidu着系数路面的轮胎力：
Ｔｂ
２
争小吣Ｐ０
‰Ｐ。＜Ｐ。≤Ｐ。。
２
（５）
』‰吐（％秒
【Ｆ阳邓ｒｋ铷’）
系数；肛为仿真轮胎摩擦系数。 修正轮胎力：
㈣，
式中，‰为由相似理论得到的轮胎纵向力；Ｆｍ为由
相似理论得到的轮胎侧向力；Ｆｘ为轮胎纵向力；Ｆ，为
轮胎侧向力；Ｆｚ为轮胎垂直载荷；／－ｔｏ为实测轮胎摩擦
式中，瓦为可获得的制动力矩；Ｐ。为扭矩收敛点处
的压力；Ｃｉ为制动压力系数，ｉ＝０，１，２；ＴｂＰ。为Ｐ。
处的平均扭矩，‰＝∑Ｃｉ（Ｐ。）ｉ；当Ｐ。≤Ｐ呻时，
Ｉ＝Ｕ
２
ｃ。＝∑ｃ“以曲；ＣⅡ为速度回归系数，ｉ＝０，１，２，
２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｓａｆｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｏｎ
Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８８，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１，Ｃｈｉｎａ）
挂汽车列车横向稳定性的影响Ｈ‘７ｊ。国内对半挂汽
运动学特性决定，该转角可以表达为¨１１： 挽＝Ｚ＿２＿ｓ＋６。。（丝。，Ｆ，。），
，０ｐｉ
（２）
车列车制动性能的研究起步较晚，主要围绕汽车列 车弯道制动性能、各轴制动力分配对制动性能的影 响和汽车列车的优化设计等方面开展了研究¨‘９ Ｊ。 本文在前期对半挂汽车列车转弯制动失稳影响 因素和实车道路试验方法研究的基础上，对半挂汽 车列车转弯制动方向稳定性控制问题进行研究。以 滑移率为控制目标，通过模糊控制，实现半挂汽车 列车非线性特性和路况变化条件下的智能控制；探 讨Ｔｒｕｃｋｓｉｍ和Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的联合仿真问题，在 Ｔｒｕｃｋｓｉｍ中建立半挂汽车列车转弯制动的整车仿真 模型，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中设计模糊控制策略，通过联合 仿真实现对控制策略的验证。
１００ ７．２ Ｏ ５．２
参数 侧偏距／ｒａｍ 主销内倾角／（。） 纵偏距／ｒａｍ 主销后倾角／（。）
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｒａｃｔｏｒ－ｓｅｍｉｔｒａｉｌｅｒ
１．２制动系统 制动系统模型主要表达从驾驶员脚踩制动踏板
到制动力矩产生的过程。制动气室压力建模用一阶 微分方程表达，气压变化率与制动踏板管路中的气