重型车辆侧倾主动控制系统的研制

1、重型车辆侧倾主动控制系统的研制概要本文介绍了半挂车侧倾主动控制系统的发展。 对轧辊控制系统硬件和软件的 设计进行了深入探讨。模拟偏航辊反应车辆的结果表明，该系统将提供侧翻稳定 性显著改善。1. 简介1.1背景 有研究表明，大多数涉及重型铰接车辆的侧翻事故发生在高速公路1 已经确定导致侧翻事故的有三大因素：(1) 由于较高的初始速度，并且结合重制动，从而导致突然的路线偏移(2) 转弯时速度过快(3) 满载时的转弯2 相对而言意外如果频繁的话，估计车主的平均成本会在12万和16万美元之间。1.2以往的研究关于对汽车主动悬架系统使用的研究，阐述了重型车辆使用主动式悬架系 统，特别是要控制横摇运动，一

2、直研究到一个相对精密的程度。然而，一些研究 人员指出改善潜在的侧翻安全是可能的，即使使用相对低功耗，低带宽致动器来 控制主动悬架系统。Dun woody模拟的稳态转向性能的半挂车配备了侧倾主动控制系统。该系统 包括一个第五轮液压倾耦合和液压执行机构，可以申请控制每个挂车车轴的力 矩。测量挂车横向加速度和牵引车与挂车之间的的相对侧倾角控制系统，研究发现这样一个系统可以提高20-30%的静态侧翻阈值。Lin等人使用简单的线性模型研究了侧倾主动控制卡车的一个单位。系统演示基于滚动角回馈，横向加速度回馈和载荷传递回馈。极点配置决定了收益控制。 作者们建议使用控制系统基于横向加速度回馈，显示出几个主要优

3、点：(1) 车辆能够倾斜一定角度，通过荷载传递达到显著改善(2) 快速的瞬时响应(3) 仪表要求相对简单。该研究报告说，这种系统可以减少在瞬态和稳态高达30%的负荷转移值。Lin等人还调查了一个侧倾控制系统性能的设计使用的最优状态，在回馈技术和转向输入功率谱的基础上对齐数据和伪随机变线。该系统性能略优于横向加速度回馈控制器。Lin等人根据控制系统装置来模拟与抗扭性能的半挂车框架。该控制器是基于横向加速度回馈。该研究发现这种系统可以减少一个稳态和瞬时负荷转移范围演习。研究报告建议对车辆的影响应该调查框架灵活性控制系统的性能。Sampson and Cebor提出了基于线性二次调节器的车辆侧倾控制

4、系统设计方 法。研究发现，这种设计技术可以被系统的设计者控制，当设计拖拉机半拖车辊控制系统和长期相结合的车辆时，在性能和能耗要求之间作出取舍。1.3 CVDC试验车控制系统被计算机控制系统所描述，并且正在开发剑桥车辆动态装置（CVDC。该系统由五个主动防侧倾杆（两个在拖拉机上和三个在半拖车上）组成，计算机控制十液压执行机构运行。车辆上的空气悬架系统以及驾驶控制系统由十个高性能半主动连续可变阻尼器组成。侧偏控制系统，是为了加强车辆电 子制动的系统，目前正处于开发的早期阶段。最后，三个系统将共同合作，为车 辆提供行驶集成控制，侧偏和侧倾动作。设计与开发防侧倾硬件是一项重大挑战， 是基于大力矩，扭矩

5、和转率而进行 有效的控制。研究将解决实际中关键处的限制，包括组件的优势以及液压限制（功 率，流量和压力）。研制和设计该控制系统的软件同样被性能和安全要求所挑战。2. 车辆建模2.1建模方法该车型的侧倾控制系统的设计和分析与使用是为了获得必要的处理方法和 轧辊动态。其它车辆的议案，如反弹和俯仰都是次要的。该模型是由Segel开发，是一个简单的三自由度单机延期模型。 拖拉机和半 挂车各自为一个单位，这两个单位一起连接到第五轮耦合上。 牵引车和挂车的簧 载和非悬挂质量单位是集中代表，每个单元的车辆有侧偏，侧滑，前部侧倾，后 部侧倾自由度（图1）。前部和后部加上扭矩灵活的框架。各部分的车辆车轴被 认为

6、是刚性机构，悬挂能够使轮胎灵活的旋转。簧上承载件关于侧倾转动，并受 制于侧倾刚度和阻尼暂停。控制力矩 Uf和Ur,代表扭矩应用侧倾主动控制系统， 体现在每一个簧上承载件上。图1通用车辆的单元示意图。2.2运动方程 每辆车有六个运动方程。侧向力方程：叫小心+%丿一0叮十翔浮（A+也）=场朋+匚忆+写血+匚厂爲 横摆力矩方程：门 -+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 （忆一忆J前悬挂品质的滚转力矩方程：以一0八十十叭）兔*必=叫金和-Kfi>fi- _（0“ 一d*J十"打一 K“边门一一匸鼻如一虹）一 F

7、丸十轧41 （0r,j-二疗Fi-后方悬挂品质的滚转力矩方程：h、屁+叫网=叫声丘#和一K"仏厂©*）-&冲-0"j+s +瓦/他Y+E“q 一兀）+巧几-心悅-妙屛-匕兀 （4其中FC是在车辆底盘剪切力：耳十+ Sc）（码,门+叫j 卜伉+"）-叫前方簧下品质滚转力矩方程：宓*。+ YfM+抵门5）+%广九川（A+叭）=K*j直心-勺虻厂直）-匕$ 一血J十®后方簧下品质滚转力矩方程：+匚皿+為一丿 J+叫-九.j（A +忆）=Kt/g - K”血1 一心打）一厶（心一必J+ ur4拖拉机的运动是由运动约束耦合在第五轮方程中。ft-卩

8、询二6卞+乩6+ 玉 _ 仏卩 +则,许=o（7）VVVV对合并后的车辆运动方程配制成状态空间描述，车辆的转向响应和瞬态稳 定，如变更车道模拟。同样的通用模型配方可用于任何普通汽车的单位数目，与各种机制顺利的耦合在一起，去模拟加长的结合车辆。一个简单的轮胎模型代表了轮胎侧偏刚度与垂直变化负载。现有的限制转矩 和响应时间的液压执行机构也包括在内。3. 悬挂系统硬件3.1概念设计挂车悬挂是一个改良后的空气悬架，它由两个独立的从横梁到尾部的铰链组 成。主动侧倾控制系统由一个硬度高的 U形防倾杆，每一个都连接在其后部， 和两个液压驱动器位于底盘和防侧倾之间（图 2 ）。执行器采用垂直距离相等， 方向相

9、反，并应用滚转力矩的车身。其结论是浮动式防倾杆的位置是由车轮决定 位置和执行器的位置。使用一个单一的液压驱动器会相对简单，但不可能的，因 为更大的行程的缘故该车辆将超过规定的可用空间。（a）后视图（b）上方透视图图2 修改后的实体模型的挂车悬挂，显示了执行器和防侧倾的位置:3.2执行器的规格运动学和动力学分析侧倾控制系统是为了确定所需要的行程和液压执行器 的大小。需要移动的簧载质量的最大横摇角（如有限的悬挂行程6.1 ）为85毫米。确定执行机构所需的最大力量为稳态和瞬态模拟。稳定状态的最大力量必须是簧载质量为零倾转角0.5g期间稳态转向。（该车辆侧翻阈值0.5g，计算为110千牛。最坏的情况是

10、短暂的力，需要驱动与侧倾的角度给予最大振幅频率正弦簧载 质量。图3 （a）显示了在动态情况下油轮机构行事。有弹簧（spring），阻尼器 （dampe），执行器（FARB），并在其后臂安装点（Ri and R2）。图3 （ b）显示 了尾部的承重臂。(9)r _ yarb阴 + 旳 f如冲XTAR工 -人嘉讪g 一丫占伽严-y6farb其中G1，G6的都是悬挂几何函数11。 对挂车侧倾中心分析给出了一个执行机构的动态表现:(10)其中hl , . , H3的都是悬挂几何函数11。(b)k.尸MF(a)油轮的高度；(b)设计的纵臂(查图3自由体图用于确定执行机构的动态要求：看的Y轴是平行于纵轴车

11、辆)。执行器需求的驱动频率依赖如图4所示。该系统具有一个1.8赫兹共振。 这对约1.2赫兹为系统带宽的上限。最高执行机构要求不低于128千牛直流值这个频率的力量。选择符合本规范执行器有125毫米的孔，并产生一杆直径56 毫米和210巴的压力137千牛。执行器必须活塞面积大，因此执行器会通过大 容量液体流动。对于1赫兹振荡，汽缸容积为1.1 L需要2.2流速属的s-1。通 过液压系统的移动阀限流率进一步制约了控制系统实现的响应带宽。蓄电池是用来储存电能，使系统运作一段数量有限的周期，但持续的谐运动是不可能无限期 地。在每个桥结束的交叉结合点都有两个空气弹簧的可能性。这样的一个系统 会非常有效地除

12、去轧辊刚性在低频减少力的需要。主动器力需要作为一个频率交 换的系统在图4也被显示出来。4.交叉结合空气弹簧除去这在个 1.8赫兹的 侧倾谐振，但是必需主动力剧烈地以外界刺激增加频率。做得成的系统带宽因最 大主动力的限制，需要超过藉着轧辊动作的谐振。举例来说，128的最大主动力给1.7赫兹的系统带宽为独立的空气弹簧配置是在1.2赫兹上的一个改良的频率。Fig 4” Dynamic achiatoi fbice requiied for haiinonk roll excitarion oftie $pnmg mass.然而，交叉结合系统的改良绩效有一个主要的安全不利点：车辆在转入活跃的控制系统中

13、是不稳定失败的事件。安全扮演重要角色例如当做紧急的闭锁一需 要安装阀和监听系统确保系统的安全。因此，以独立的空气弹簧为基础的系统在 初次的原型车辆上被选择。3.3.其他修改在悬线上的横的六角形的波束广泛加强，以便它会携带经过水力的主动器被 传输的大的另外负载。4 .控制器设计和实施4.1.结构分布式控制器结构，有一中央控制组件和多个局部控制组件，已经被采用 分布式结构被选择简化物理安装，最大化实时性能，启用模数的密码发展。C'eulral ConfrolJei' I'Priumni II Pt-hisrdjFig. 5. Distributed touliollsi a

14、rchitectuie for the experimental vehicle.中央控制组件运行高水准车辆动力学控制码，连同提供安全监听。低电平局 部控制单位控制个体的主动器而且获得感应器数据。中央的和局部控制组件一起 被联接在总线之中，结束中央的控制器传送需量讯号对当地的控制器， 和当地的 控制器传送感应器数据给中央的控制器。4.2 本地控制器的设计本地控制器控制液压执行元件的运动响应的需求信号由全局控制器提供。图6显示本地控制器包含一组动力矩控制器 ，控制器11。侧倾时刻控制器（一种 PID控制器作为论据前置）是当地控制器的重要组成部分。然而，由于一个浮动 的防侧倾杆安排使用，本地控制系

15、统还包括执行机构控制器，以确保防侧倾杆的 中心的中性位移（如下）。致动器的控制器是必要的，以确保有足够的地面间隙 和，以使得最大滚动冲程能够实现。车辆系统的动力学和反馈传感器共同完成反 馈环。致动器模型捕捉几个限制性控制系统硬件的限制，特别是最大致动器的力量，最大流量通过伺服、带宽的伺服阀。这个灵活的机械与液压元件在防侧倾杆 上的装配都包括在车辆及致动器的模型中。*Antirdl conbollgrTVahkh dynanuc?Local conlK)lltrjeiEQOFig. 6. Block diagram of the loefil controller system.本地控制器的增益

16、，选择使用的极点配置为目标的保证稳健的稳定性和良好 的稳态跟踪需求的扭矩，而且也作为一个迅速上升时间、 快速沉降时间和光滑的 阶跃响应。当地的控制系统具有约0.3 s的上升时间来回应一个侧倾扭矩信号的 60 kN.m 的需求。这是因为该应用足够快，尤其是当考虑到频谱的转向输入， 迫使车辆横摇运动频率低于1赫兹。4.3全局控制器的设计该控制器处理来自全局的汽车仪表的信号，并将扭矩的需求送达到每个车轴 的本地控制器。该控制系统的目的是尽量减少转向响应输入和横向载荷传递，因为它是过度横向载荷传递。导致车辆侧翻。由于载荷横向转移向心加速度和横向 耦合系统设置的车辆尺寸和轨迹。但是其他载荷传递方面，由于

17、车身侧倾和相邻 的车辆通过联轴器扭转，强烈影响了悬架系统和侧倾主动控制系统。活动侧倾控制系统对悬挂系统在操纵性能上有了比较大的改善。如图8和图9.活动车侧翻阈值增加，因为控制系统能够使原来的车辆倾斜，减轻负荷转移。 与被传动式系统相比。牵引车和挂车的负荷转移分别减少25%牵引车的转向滚动角比拖车的大得多。使牵引车和挂车产生滚动角差异的扭矩通过第五轮耦合传 输。进一步降低了扭矩在挂车车轴上的负荷转移。如果第五轮和挂车的底盘转动灵活，则改滚动力矩之间的合作效应是有限的。模拟反应的活性的系统的稳态侧偏表明，减少荷载传递的大约20%都是可能 的。侧倾扭矩分布在车轴呈辐射状，而不是集中在任何一桥。这一策

18、略避免了在 弯道表现在任何一个轴过高的减少，而且减少了车辆的操纵性能下降。M二4-嵩 百麦 匕 一 SUE.I1 posq 更 EDZTime 国Fig. 9. Load tnnfter response of 蚊tive and passivie vehicles drning a hue change mano&u.4.4硬件中央控制器已经使用英特尔奔腾U 400MHz的电脑。控制代码在 RealTech 公司的实时内核上运行。中央控制系统在MATLAB和Simulink的基础上开发软 件，编译成C代码，然后下载到个人电脑的中央控制器。本地控制器已实现使 用西门子C167microprocessors. 在C167功能板上的A / D和D / A转换器和一 个片上CAN接口，和星型的I / O线。用于信号调节和记忆体元件也安装在印刷 电路板的本地控制器上。本地控制器的系统软件用C语言程序开发，并下载到 处理器。5.结论侧倾控制系统以修改后的被动悬架系统为基础，已开出一种用于半挂车的系 统。由该系统采用主动防侧倾杆，由液压执行器控制每根车桥。主动侧倾控制系采用分布式控制器结构框架。本地驱动控制器的控制系统以微处理器为基础，