胥軍，蘇田，李剛炎，程毅

(武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070)

近年來，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)已經成為國際公認的汽車三大安全系統(tǒng)之一，輪胎中央充放氣系統(tǒng)是在輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng) (tire pressure monitoring system，TPMS)的基礎上發(fā)展而來的，用于在車輛行駛過程中保持合適的胎壓，一方面可減少車輛的燃油消耗與輪胎磨損，另一方面可以大幅提升車輛的行駛安全性。電控式輪胎中央充放氣系統(tǒng)通過實時獲取胎壓，以當前氣壓值與目標值的偏差為依據，實時計算輪胎充氣或放氣所需的時間，控制電磁閥動作，通過輪邊裝置對相應的輪胎進行充氣或放氣操作。隨著旋轉氣動密封和汽車電子控制技術的不斷成熟[1-4]，電控式輪胎中央充放氣系統(tǒng)的綜合應用成本不斷降低，其逐步從軍用運輸車輛拓展到各型民用運輸車輛中。

2018年，我國的商用車總銷量突破了358萬輛，重型運輸車的占比達到33.4%[5]，其中用于公路物流運輸?shù)妮d重車的銷量得到了大幅提升。載重車因其質心高、承載量大，在行駛過程中若出現(xiàn)胎壓不平衡，極易發(fā)生側傾、側翻、爆胎，由此導致嚴重的安全事故。據統(tǒng)計，在我國高速公路上發(fā)生的各類交通事故中，約45% 是由輪胎故障引發(fā)的，其中胎壓不平衡是主要誘因之一。SAE的統(tǒng)計結果也表明，美國每年約有26萬起的交通事故和75% 的輪胎故障是由胎壓異常和輪胎滲漏造成的[6]。為保障載重車的行駛安全，輪胎中央充放氣系統(tǒng)及其控制技術日益受到關注。為實現(xiàn)電控式輪胎中央充放氣系統(tǒng)的精準控制，本文在充分考慮充放氣過程中動壓對胎壓變化的基礎上，以某型6×4載重車為例，提出了一種模糊-補償式控制算法，經聯(lián)合仿真與實測驗證，該算法能夠通過欠壓自動補償、過壓自動調節(jié)實現(xiàn)胎壓實時調節(jié)，且故障響應時間優(yōu)于GB/T 26149-2010的要求。

1 中央充放氣系統(tǒng)的特性

1.1 中央充放氣系統(tǒng)的結構

中央充放氣系統(tǒng)前橋的簡化模型如圖1所示?？諌簷C產生壓縮氣體進入儲氣罐達到穩(wěn)壓狀態(tài)后，氣體通過氣源電磁閥、輪胎充氣電磁閥和輪邊裝置進入輪胎，對輪胎充氣；當輪胎需要放氣時，輪胎內的氣體直接通過輪邊裝置和輪胎放氣電磁閥排放到大氣。輪邊裝置用于將固定的氣體管路與旋轉的輪胎氣門連接。

圖1 中央充放氣系統(tǒng)前橋的簡化模型

1.2 充放氣過程中胎壓的特性

在輪胎充放氣過程中，由于空壓機產生的壓縮氣體已在儲氣罐內達到穩(wěn)壓狀態(tài)，可將輪胎充氣電磁閥之前的裝置視作穩(wěn)壓氣源，僅考慮輪胎充氣電磁閥與輪胎之間的管路，管路的流通能力取決于該段管路的有效截面積，放氣管路采用相同的處理方法。輪胎充放氣過程的簡化模型如圖2所示，該模型主要由氣源、節(jié)流孔、輪胎組成。

圖2 充放氣管路簡化模型

將輪胎充放氣視為等溫充放氣過程，當p2/p1≤b時，節(jié)流孔內氣體流動屬于音速流動，由p20充氣至p2所需時間t如式(1)所示。

(1)

當b

(2)

其中，V為輪胎容腔體積，m3；p1為上游氣體壓力，Pa；p2為下游氣體壓力，Pa；R為氣體狀態(tài)常數(shù)，J/(kg·K)；S為管道有效橫截面積，m2；T1為環(huán)境溫度，K；b為臨界壓力比。

以某型6×4載重車為例，其參數(shù)如表1所示。

表1 目標車輛工況參數(shù)

在氣源壓力為1.4 MPa的情況下，對輪胎充氣至0.8 MPa后關閉電磁閥，試驗過程中胎壓變化如圖3所示。

圖3 充氣試驗的胎壓變化曲線

試驗結果表明，在充氣過程中氣體動壓會對胎壓傳感器壓力測量值產生較大影響，進而會導致胎壓實際值與設定值產生偏差，即充氣不足。已有的輪胎中央充放氣系統(tǒng)多采用胎壓差值計算或模糊推理充放氣時間方式的控制算法[7-8]，上述算法通過計算實際胎壓值與設定值的差值，然后依據差值的大小計算出充氣或放氣所需時間。由于在輪胎充放氣過程中，輪胎充放氣時間會受到空壓機性能指標、氣體管路有效截面積、輪胎溫度、輪胎變形等多方面因素影響，傳統(tǒng)控制方式會使胎壓數(shù)值嚴重偏離用戶設定值。

2 充放氣自動控制算法設計

2.1 充放氣自動控制算法主流程設計

為補償充放氣過程中的胎壓測量值與充放氣動作結束后的胎壓測量值間的誤差，實現(xiàn)胎壓的精確快速控制，本文提出一種輪胎充放氣模糊-補償控制算法，該算法主流程由兩階段組成，分別為模糊快速充放氣階段、充放氣補償與狀態(tài)診斷階段。該控制算法的控制主流程如圖4所示。

第一階段，該算法將用戶設定值、初始胎壓與設定值偏差、輪胎溫度作為模糊控制器的輸入，利用輪胎與中央充放氣系統(tǒng)參數(shù)建立模糊控制規(guī)則，最終通過模糊控制運算得出充放氣時間，使輪胎快速充放氣至用戶設定值附近；第二階段，利用胎壓監(jiān)測系統(tǒng)所反饋的輪胎狀態(tài)參數(shù)控制電磁閥進行充放氣補償，并通過控制器診斷輪胎與中央充放氣系統(tǒng)故障。

圖4 充放氣自動控制算法主流程

2.2 模糊快速充放氣算法設計

在模糊快速充放氣階段，系統(tǒng)根據當前實際胎壓值與用戶設定值P計算出初始胎壓與設定值偏差PD。由于輪胎在不同壓力范圍下的充放氣速率各不相同，必須同時考慮用戶設定值P和初始胎壓與設定值偏差PD才能得到較為準確的充放氣時間。為進一步提高中央充放氣系統(tǒng)的安全性，可將輪胎溫度T作為系統(tǒng)參考，在溫度異常時對輪胎采取相應措施以保證輪胎安全。

綜上所述，將模糊控制器的輸入設為用戶設定值P、初始胎壓與設定值偏差PD、輪胎溫度T，輸出為充氣時間IT或放氣時間DT。

P的模糊子集為{SA(低壓)、SB(中壓)、SC(高壓)}，論域為[0.8，1.4]；PD的模糊子集為{DA(負大)、DB(負中)、DC(負小)、DO(零)、DE(正小)、DF(正中)、DG(正大)}，論域為[-1.2，1.2]；T的模糊子集為{TA(低溫)、TB(中溫)、TC(高溫)}，論域為[-20，130]；IT的模糊子集為{XA(超短)、XB(很短)、XC(較短)、XD(中等)、XE(較長)、XF(很長)、XG(超長)}，論域為[0，600]；DT的模糊子集為{YA(超短)、YB(很短)、YC(較短)、YD(中等)、YE(較長)、YF(很長)、YG(超長)}，論域為[0，900]。

工程中常用的隸屬度函數(shù)有三角形隸屬度函數(shù)、梯形隸屬度函數(shù)、通用貝爾隸屬度函數(shù)、高斯隸屬度函數(shù)等[9]。經過試驗研究表明，三角形隸屬度函數(shù)靈敏度較高，梯形隸屬度函數(shù)穩(wěn)定性較好。為提高控制算法的綜合性能，用戶設定值和輪胎溫度選擇梯形隸屬度函數(shù)，胎壓與設定值偏差和充放氣時間選擇三角形隸屬度函數(shù)。

模糊規(guī)則庫是系統(tǒng)進行模糊推理的重要基礎，根據Mamdani模糊推理方法，對應三維模糊控制器建立“if…and…and…then…”形式的模糊推理語句，所建立的三維模糊規(guī)則如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則

在完成模糊推理后，需要將模糊推理結果進行解模糊化得到確切的充放氣時間結果，本系統(tǒng)選用重心法(centroid)為解模糊化方法，IT與DT解模糊化公式如式(3)-(4)所示，IT與DT解模糊化曲面如圖5-6所示。

(3)

(4)

圖5 IT解模糊化曲面

圖6 DT解模糊化曲面

2.3 充放氣補償與狀態(tài)診斷算法設計

為補償放氣過程中的胎壓測量值與充放氣動作結束后的胎壓測量值間的誤差，實現(xiàn)胎壓的精確控制，本文提出一種輪胎充放氣補償算法以實現(xiàn)胎壓控制的精確化，該算法首先依據用戶設定的胎壓上限值Pmax和胎壓下限值Pmin，生成由系統(tǒng)上限值Cmax和系統(tǒng)下限值Cmin構成的閾值區(qū)間，Cmax和Cmin的計算方法如式(5)所示。通過實時調節(jié)，使胎壓始終處于閾值區(qū)間內。

(5)

式中，k1和k2滿足1 >k1>k2> 0。

充放氣補償算法采取多次短時充放動作直至胎壓達到用戶設定值，在多次短時充放動作中胎壓傳感器會實時監(jiān)測輪胎壓力，當達到系統(tǒng)上限值會立即停止充放氣，充放氣檢查是測量穩(wěn)定胎壓是否達到用戶設定值的重要步驟，傳統(tǒng)的充放氣檢查算法采用單次測量[10]，即在充放氣動作結束之后，測量某一時刻的胎壓且僅測量一次。但在實際工況中，即使充放氣動作結束，輪胎的胎壓也不是絕對穩(wěn)定不變，還可能有其他因素引起胎壓波動，例如輪胎漏氣、外部沖擊、機械振動等。為解決上述問題，提出一種充放氣檢查算法，該檢查算法的檢查流程如圖7所示。

圖7 充放氣檢查算法流程

當實際控制狀態(tài)為充(放)氣檢查時，系統(tǒng)首先應檢查實際差值是否小于目標差值(實際差值計算如式(6)所示，目標差值由用戶根據實際要求自行設定)，當實際差值小于目標差值時，系統(tǒng)會延時一段時間t，然后再次檢查實際差值是否小于目標差值，若再次檢查仍小于目標差值，則充(放)氣檢查通過。在系統(tǒng)首次檢查實際差值時為防止胎壓波動造成檢測失誤，會設置一個檢查次數(shù)最大值，如果首次檢查失敗，系統(tǒng)會再次進行檢查，直至檢查的實際差值小于目標值或檢查次數(shù)n達到最大值，根據單位周期內充放氣檢查失敗次數(shù)的結果可診斷充放氣系統(tǒng)或輪胎故障。

ΔP=|PT-(Pmax+Pmin)/2|

(6)

其中，ΔP為實際差值；PT為檢測胎壓。

由于中央充放氣系統(tǒng)的管路及性能限制，在輪胎有充氣作業(yè)請求時，在同一時刻僅允許一個輪胎進行充氣動作，放氣作業(yè)請求則無限制。為此，本文采用先到先服務的調度算法。

3 AMESim-MATLAB聯(lián)合仿真

3.1 聯(lián)合仿真平臺的搭建

采用AMESim與MATLAB搭建聯(lián)合仿真平臺，根據上文所述的控制算法，采用Simulink/Stateflow搭建充放氣控制模型，利用AMESim內部的Pneumatic、Signal、Control庫等模型庫搭建模擬實際工況的管路、電磁閥、輪胎模型?；诼?lián)合仿真平臺，對充放氣控制算法進行驗證，驗證過程如圖8所示。

圖8 聯(lián)合仿真驗證過程

3.2 參數(shù)及工況設置

為驗證本控制算法在多種胎壓等級工況下的適應性，分別設置三種不同胎壓等級工況，即工況1、工況2、工況3。三種仿真工況的參數(shù)設置如表3所示。

表3 仿真工況參數(shù)設置

3.3 仿真結果分析

以時間為自變量，按0.01 s為步長控制AMESim模型中輪胎壓力達到設定范圍內，并記錄輪胎壓力隨時間的變化。三種工況下的胎壓曲線如圖9所示。

圖9 充氣仿真過程中的胎壓變化

由圖9可以得出三種工況下的調節(jié)時間和仿真穩(wěn)定胎壓，具體結果如表4所示。

表4 仿真結果

仿真結果表明，該控制算法會根據胎壓波動做出一次或多次調節(jié)，最終穩(wěn)定胎壓均符合目標胎壓要求。為驗證控制算法的故障報警功能，設定一種模擬的輪胎漏氣故障工況：輪胎初始胎壓為1 000 kPa，在初始階段為保壓狀態(tài)，隨后模擬發(fā)生漏氣，仿真的胎壓曲線如圖10所示。

圖10 漏氣故障工況胎壓變化

由圖10可知，在發(fā)生漏氣后，胎壓傳感器在約125 s時檢測到胎壓值低于用戶下限值，控制系統(tǒng)開始進行充氣動作，由于漏氣原因此時輪胎的充氣速率會低于正常情況下的充氣速率；在約150 s時胎壓傳感器檢測到充氣瞬時氣壓高于系統(tǒng)上限值，控制系統(tǒng)停止充氣動作開始進行充氣檢查，由于漏氣原因在充氣檢查過程中胎壓無法達到穩(wěn)態(tài)平衡；在約185 s時系統(tǒng)判斷充氣檢查失敗，控制系統(tǒng)開始繼續(xù)充氣；在約215 s時充氣瞬時氣壓再次高于系統(tǒng)上限值，但是由于漏氣故障未修復，在后續(xù)階段系統(tǒng)會再次判斷充氣檢查失敗。如漏氣故障一直未修復，后續(xù)系統(tǒng)將一直進行此循環(huán)動作，這時系統(tǒng)自計的打破平衡次數(shù)也會不斷累加，當打破平衡次數(shù)高于某設定值時，系統(tǒng)會發(fā)出輪胎漏氣報警。

4 充放氣控制算法驗證

4.1 硬件在環(huán)測試平臺的建立

由于AMESim-MATLAB聯(lián)合仿真忽略了系統(tǒng)硬件因素對中央充放氣系統(tǒng)性能的影響，為提高控制模型的置信度，搭建適用于中央充放氣系統(tǒng)控制算法驗證的硬件在環(huán)測試平臺，如圖11所示。

圖11 中央充放氣控制硬件在環(huán)測試平臺

中央充放氣系統(tǒng)控制器硬件在環(huán)測試平臺主要由三部分構成：車輛模型仿真平臺、輪胎及管路仿真平臺、參數(shù)注入及狀態(tài)反饋平臺。通過TruckMaker搭建車輛動力學模型，并利用Xpack4組件的M410模塊將輪速數(shù)據以CAN總線的傳輸方式傳遞給中央充放氣系統(tǒng)控制器。由于TruckMaker所提供的車輛模型缺少輪胎氣壓模型，為提高硬件在環(huán)測試的完整性，利用dSPACE實時仿真系統(tǒng)搭建了輪胎及管路仿真平臺，將TruckMaker所提供的輪胎負載數(shù)據通過CAN總線傳遞給dSPACE，以供dSPACE內部的輪胎充放氣及管路模型參考。為實時監(jiān)控控制器的運行狀況和輸入相關工況參數(shù)，利用Vehicle Spy3汽車總線仿真測試平臺搭建參數(shù)注入和狀態(tài)反饋平臺。

4.2 控制算法試驗驗證

置初始輪胎壓力為200 kPa，目標胎壓區(qū)間為995～1 005 kPa，分別啟動閾值控制和模糊-補償控制進行充氣，整理試驗記錄得到輪胎壓力變化的對比曲線，如圖12所示。

圖12 對比試驗過程中胎壓變化

由圖12可見，模糊-補償控制的胎壓曲線超調量σp1明顯小于閾值控制的超調量σp2，較小的超調量可提高充放氣過程中的安全性，同時模糊-補償控制的胎壓曲線調節(jié)時間ts1明顯小于閾值控制的調節(jié)時間ts2，較小的調節(jié)時間可提高充放氣的效率。

試驗期間內，為測試控制系統(tǒng)的診斷功能和響應時間，按照GB/T 26149-2010和SAE J2848-3-2012標準采取表5所示的五種注入故障的方式，在三種胎壓設定工況下分別模擬電磁閥故障、氣路故障、輪胎漏氣、輪胎欠壓、輪胎過壓，系統(tǒng)測試記錄如表5所示。

表5 模擬故障注入試驗測試數(shù)據

監(jiān)測界面可實時顯示中央充放氣自動控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，顯示的主要信息包括輪胎氣壓、輪胎溫度、各動作指示及系統(tǒng)報警情況等，其中電磁閥故障報警與氣路故障報警提示界面分別如圖13中(a)、(b)所示。

應用本文充放氣自動控制算法的控制器原型已安裝在東風特專生產的某型載重車上進行了實車測試，如圖14所示。設置路面信息后，啟動車輛點火開關，利用控制系統(tǒng)觸摸屏設置相關參數(shù)，設置完成后重啟系統(tǒng)開始功能驗證。測試結果與硬件在環(huán)試驗結果一致，驗證了該控制算法的胎壓調節(jié)效果。

圖13 故障提示界面

圖14 裝車對比驗證

5 結 論

本文針對載重車輛，采用理論分析、聯(lián)合仿真與試驗驗證相結合的方法，提出了一種中央充放氣系統(tǒng)的自動控制算法。通過分析輪胎充放氣過程中的胎壓特性建立了充放氣模型；以此為基礎設計了中央充放氣系統(tǒng)的控制算法，并基于AMESim-MATLAB聯(lián)合仿真平臺證明了該控制算法的有效性；通過硬件在環(huán)試驗和裝車測試進行了控制效果驗證，與現(xiàn)有的胎壓差值計算時間方式相比，胎壓調節(jié)響應速度快、精度高且故障診斷快速，為載重車中央充放氣系統(tǒng)控制器的開發(fā)提供了依據。由于缺乏對實際路面及車輛工況的主動識別研究，未能深入考慮人—車—路之間的信息交互，將來可考慮通過滑移率等車輛狀態(tài)信息自動識別路面工況，實現(xiàn)系統(tǒng)智能決策，進一步提高系統(tǒng)操作的簡便性與可靠性。