邱緒云，李建英，彭月明

(1.山東交通學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357;2.廣東汽車(chē)檢測(cè)中心有限公司，廣東佛山 528061)

半掛運(yùn)輸車(chē)輛橫向穩(wěn)定性控制

邱緒云1，李建英1，彭月明2

(1.山東交通學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357;2.廣東汽車(chē)檢測(cè)中心有限公司，廣東佛山 528061)

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立半掛運(yùn)輸車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真模型，并將車(chē)輛模型仿真結(jié)果與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證車(chē)輛模型的有效性。基于模糊PID控制技術(shù)，以半掛運(yùn)輸車(chē)輛的折疊角速度和折疊角加速度為控制變量設(shè)計(jì)模糊PID控制器，通過(guò)單移線仿真試驗(yàn)進(jìn)行ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真分析，結(jié)果表明：半掛運(yùn)輸車(chē)輛的橫擺角速度、側(cè)向加速度和折疊角均有不同程度的改善，半掛運(yùn)輸車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性得到提高。

半掛運(yùn)輸車(chē)輛；橫向穩(wěn)定性；車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型；模糊PID控制；聯(lián)合仿真

半掛運(yùn)輸車(chē)輛裝載質(zhì)量大、單位貨物質(zhì)量的燃油消耗量低、運(yùn)輸效率高[1-3]，而且具有甩掛運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，以半掛運(yùn)輸車(chē)輛為代表的重型貨車(chē)在交通運(yùn)輸行業(yè)占有的比例越來(lái)越大，但半掛運(yùn)輸車(chē)輛由于質(zhì)心位置高、車(chē)身長(zhǎng)、輪距較小等[4-6]，在高速行駛過(guò)程中容易發(fā)生側(cè)滑、甩尾、折疊等橫向失穩(wěn)現(xiàn)象，一旦發(fā)生交通事故很容易波及其他車(chē)輛，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)半掛運(yùn)輸車(chē)輛橫向穩(wěn)定性的研究較少[7-9]。本文基于ADAMS建立半掛運(yùn)輸車(chē)輛仿真模型，根據(jù)模糊PID控制理論設(shè)計(jì)模糊PID控制器，以半掛運(yùn)輸車(chē)輛折疊角速度與折疊角加速度為控制器的輸入變量，半掛運(yùn)輸車(chē)輛橫向控制力為控制器的輸出變量，通過(guò)對(duì)車(chē)輛橫向控制力的控制，達(dá)到提高車(chē)輛橫向穩(wěn)定性的目的。

1 建立整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型

在ADAMS/Car中建立半掛運(yùn)輸車(chē)輛整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型，車(chē)輛模型參數(shù)如表1所示[10-12]

表1 車(chē)輛模型參數(shù)

整車(chē)模型包括牽引車(chē)前懸架系統(tǒng)、牽引車(chē)后懸架系統(tǒng)、半掛車(chē)懸架系統(tǒng)、輪胎模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及車(chē)身等。該車(chē)輛模型中，牽引車(chē)前懸架系統(tǒng)為非獨(dú)立式轉(zhuǎn)向懸架，牽引車(chē)后懸架系統(tǒng)與半掛車(chē)懸架系統(tǒng)均為平衡懸架。輪胎模型采用PAC2002輪胎，PAC2002輪胎模型適用于各種工況下的仿真試驗(yàn)，是車(chē)輛穩(wěn)定性仿真的理想輪胎模型[13-14]。牽引車(chē)前橋采用單輪結(jié)構(gòu)，牽引車(chē)雙驅(qū)動(dòng)橋與半掛車(chē)支持橋均采用雙輪結(jié)構(gòu)。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)均采用ADAMS中已建立的系統(tǒng)模板。由子系統(tǒng)裝配完成的半掛運(yùn)輸車(chē)輛仿真模型如圖1所示。

圖1 半掛運(yùn)輸車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真模型

2 驗(yàn)證車(chē)輛仿真模型

為了驗(yàn)證所建立半掛運(yùn)輸車(chē)輛模型的準(zhǔn)確性，參考文獻(xiàn)[15]中的一組實(shí)車(chē)側(cè)向穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在ADAMS/Car中對(duì)車(chē)輛模型設(shè)置相同的參數(shù)及仿真試驗(yàn)條件，將得出的仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)車(chē)輛以30 km/h的速度在半徑為25 m的固定圓周上勻速行駛，測(cè)試車(chē)輛在試驗(yàn)工況下側(cè)向加速度、橫擺角速度的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)曲線如圖2a)、3a)所示。車(chē)輛模型仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖2b)、3b)所示。

a) 試驗(yàn) b) 仿真圖2 半掛運(yùn)輸車(chē)輛側(cè)向加速度隨時(shí)間的變化曲線

a) 試驗(yàn) b) 仿真圖3 半掛運(yùn)輸車(chē)輛橫擺角速度隨時(shí)間的變化曲線

由圖2～3可以看出：仿真與試驗(yàn)車(chē)輛的側(cè)向加速度響應(yīng)、橫擺角速度響應(yīng)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了所建半掛運(yùn)輸車(chē)輛模型的合理性與有效性。

3 設(shè)計(jì)模糊PID控制器

在MATLAB的Simulink環(huán)境下，進(jìn)行半掛運(yùn)輸車(chē)輛模糊PID控制器的設(shè)計(jì)。模糊PID控制器以半掛運(yùn)輸車(chē)輛的折疊角速度ω、折疊角加速度α兩個(gè)指標(biāo)作為輸入變量，設(shè)ωI為折疊角速度ω的輸入信號(hào)，αI為折疊角加速度α的輸入信號(hào)，如圖4所示。采用7個(gè)語(yǔ)言模糊子集將輸入變量進(jìn)行模糊化[16-19]，7個(gè)模糊子集分別為NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。PID控制器的比例系數(shù)修正量ΔKp、積分系數(shù)修正量ΔKi、微分系數(shù)修正量ΔKd作為模糊邏輯控制器的輸出變量，采用7個(gè)語(yǔ)言模糊子集NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB將輸出變量進(jìn)行模糊化，形成2輸入3輸出模糊控制器模型。在MATLAB模糊編輯器中分別創(chuàng)建ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制規(guī)則，然后與PID控制器的比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)相結(jié)合，設(shè)計(jì)模糊PID控制器，如圖5所示。模糊PID控制器輸出隨ω、α變化的車(chē)輛橫向控制力Fy。

a)ΔKp b)ΔKi c)ΔKd圖4 ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊規(guī)則

圖5 模糊PID控制器

4 建立聯(lián)合仿真模型

ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真的核心是輸入變量與輸出變量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。由于ADAMS與MATLAB之間的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)狀態(tài)變量實(shí)現(xiàn)的，要實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，首先定義半掛運(yùn)輸車(chē)輛模型的輸出、輸入狀態(tài)變量。在圖1的半掛運(yùn)輸車(chē)輛模型的牽引車(chē)后驅(qū)動(dòng)車(chē)橋與半掛車(chē)支持車(chē)橋中設(shè)置橫向的力源(橫向控制力Fy)，將Fy作為半掛運(yùn)輸車(chē)的輸入狀態(tài)變量，ω、α作為輸出狀態(tài)變量。然后通過(guò)ADAMS中的Control模塊將半掛運(yùn)輸車(chē)輛仿真模型從ADAMS中導(dǎo)出，生成3個(gè)后綴名分別是.m、.cmd、.adm的目標(biāo)文件。

將半掛運(yùn)輸車(chē)輛模型生成的目標(biāo)文件調(diào)入MATLAB軟件中[20-21]，在MATLAB命令窗口輸入adams_sys命令生成圖6中左側(cè)的半掛運(yùn)輸車(chē)輛仿真模型模塊，該模塊與圖5所示的模糊PID控制器連接，ω、α作為模糊PID控制器的輸入變量，F(xiàn)y作為模糊PID控制器的輸出變量，建立ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真平臺(tái)如圖6所示。

圖6 聯(lián)合仿真模型

5 仿真分析

選取單移線工況進(jìn)行仿真試驗(yàn)。單移線仿真試驗(yàn)工況設(shè)置：路面附著系數(shù)為1，車(chē)輛以80 km/h的速度直線行駛5 s時(shí)輸入的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角如圖7所示。在仿真試驗(yàn)中模糊PID控制器輸出Fy的響應(yīng)曲線如圖8所示。通過(guò)橫向控制力調(diào)節(jié)的半掛運(yùn)輸車(chē)輛的折疊角速度、折疊角響應(yīng)曲線與未加橫向力控制的折疊角速度、折疊角響應(yīng)曲線對(duì)比如圖9～10所示。牽引車(chē)及掛車(chē)在有無(wú)控制的2種情況下，橫擺角速度、側(cè)向加速度響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)如圖11～14所示。

圖7 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角時(shí)間響應(yīng)曲線 圖8 車(chē)輛橫向控制力時(shí)間響應(yīng)曲線

圖9 半掛運(yùn)輸車(chē)輛折疊角速度時(shí)間響應(yīng)曲線 圖10 半掛運(yùn)輸車(chē)輛折疊角時(shí)間響應(yīng)曲線

圖11 牽引車(chē)橫擺角速度時(shí)間響應(yīng)曲線 圖12 掛車(chē)橫擺角速度時(shí)間響應(yīng)曲線

圖13 牽引車(chē)側(cè)向加速度時(shí)間響應(yīng)曲線 圖14 掛車(chē)側(cè)向加速度時(shí)間響應(yīng)曲線

由圖8可以看出，控制器能夠根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行狀況判斷所需要輸出Fy的大小及方向。由圖9～10可以看出：通過(guò)控制器的調(diào)節(jié)，半掛運(yùn)輸車(chē)輛的折疊角速度的3個(gè)峰值均有不同程度的減小，第3個(gè)峰值由10 (°)/s減小至5 (°)/s，在仿真8 s之后，車(chē)輛的折疊角速度沒(méi)有反向的波動(dòng)，而且曲線的變化較為平緩，從而平穩(wěn)的恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明車(chē)輛的橫向擺振得到有效控制；半掛運(yùn)輸車(chē)輛的折疊角也有明顯的減小，在仿真8 s之后，車(chē)輛的折疊角沒(méi)有反向值，同時(shí)曲線的變化較為平緩，說(shuō)明車(chē)輛的橫向擺振得到有效控制。

由圖11～12可以看出：通過(guò)控制器的調(diào)節(jié)作用，牽引車(chē)橫擺角速度的2個(gè)峰值有不同程度的降低；掛車(chē)橫擺角速度的2個(gè)峰值均有不同程度的降低，第2個(gè)峰值由16 (°)/s減小至13 (°)/s，在仿真8 s之后，掛車(chē)的橫擺角速度沒(méi)有反向值，說(shuō)明該控制策略對(duì)掛車(chē)甩尾具有抑制作用，同時(shí)曲線的變化較為平緩，直至穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖13～14可以看出：通過(guò)控制器的調(diào)節(jié)作用，牽引車(chē)側(cè)向加速度的2個(gè)峰值均有不同程度的減小，第2個(gè)峰值由4 m/s2減小至2.5 m/s2，在仿真8 s之后，牽引車(chē)側(cè)向加速度曲線的變化較為平緩；通過(guò)控制器的調(diào)節(jié)作用，掛車(chē)側(cè)向加速度的2個(gè)峰值均有不同程度的減小，第2個(gè)峰值由5 m/s2減小至3.75 m/s2，在仿真8 s之后，掛車(chē)側(cè)向加速度的變化較為平緩，并且沒(méi)有反向值，說(shuō)明該控制策略對(duì)掛車(chē)甩尾具有抑制作用。

6 結(jié)論

1)基于ADAMS建立了半掛運(yùn)輸車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，將模型仿真結(jié)果與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明所建模型正確。

2)基于模糊PID控制技術(shù)，以折疊角速度和折疊角加速度為控制變量設(shè)計(jì)模糊PID控制器，建立ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真平臺(tái)，進(jìn)行單移線仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明：半掛運(yùn)輸車(chē)輛的折疊角速度及折疊角以及牽引車(chē)與半掛車(chē)的橫擺角速度、側(cè)向加速度均有不同程度的改善，半掛運(yùn)輸車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性得到提高。

[1]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.2014年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[EB/OL].(2015-04-30)[2015-11-30].http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201504/t20150430_1810598.html.

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(責(zé)任編輯：楊秀紅)

Lateral Stability Control of Semi-Trailer Transportation Vehicle

QIUXuyun1,LIJianying1,PENGYueming2

(1.SchoolofAutomobileEngieering,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China;2.GuangdongAutomobileInspectionCenterCo.,Ltd.,Foshan528061,China)

The ADAMS, a kind of vehicle system dynamics simulation software, is used to establish a dynamics simulation model of the semi-trailer transport vehicle. Then, the simulation result of the vehicle model is contrasted with the actual driving test to verify the validity of the simulation model. Based on the fuzzy PID control algorithm, the fuzzy PID controller is designed,according to the acceleration and velocity of the semi-trailer transport vehicle as the control variables and the ADAMS and MATLAB collaborative simulation is analyzed by the single lane simulation test. The results show that the yaw rate, lateral acceleration and folding angle of the semi-trailer vehicle are improved to some extent and so is the driving stability of the semi-trailer vehicle.

semi-trailer transport vehicle; lateral stability; vehicle dynamics model; fuzzy PID control; collaborative simulation

2016-09-22

交通運(yùn)輸部項(xiàng)目(2013319817190)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015GGX105010)

邱緒云(1977—)，男，山東臨沂人，教授，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)檐?chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及仿真, E-mail:qiuxuyun@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.001

U469.5

A

1672-0032(2017)01-0001-06