摘要：高速大客车载人多、体积和质量惯性大、重心高且常变化,执行机构存在时滞,底盘的长宽比例高,在侧滑和甩尾等...高速大客车载人多、体积和质量惯性大、重心高且常变化,执行机构存在时滞,底盘的长宽比例高,在侧滑和甩尾等极限工况下,主动轮胎纵向力稳定性系统所能提供的附加横摆力矩有限,难以实现对车辆的有效纠摆控制,容易发生死伤惨重的侧翻事故。因此,大客车操纵稳定性的主动安全技术、控制策略及鲁棒性是大客车安全领域迫切需要解决的重要研究课题之一。主动前轮转向(Active Front Steering,AFS)技术是车辆转向系统的最新发展方向之一,它可以直接方便地控制转向系统的角位移和力矩传递特性,优化轮胎力和力矩分布,抵抗轮胎刚度摄动和外界干扰,并为车辆提供一个附加横摆力矩,可有效提高车辆的操纵稳定性和行驶的安全性。虽然电驱动机械叠加式的AFS系统已在部分高档乘用车上得到应用,大客车的转向阻力较大,需要的驱动电机功率和体积大,成本高,控制难度大,因此,目前的大客车仍不具有主动转向控制功能。液压伺服转向系统具有出力大、响应快速、控制性能好和可靠性高等优点,是目前各种大型轮式车辆助力转向系统合理的实现方案。有鉴于此,本课题组研发了一种新型液压助力主动转向器并将之应用于大客车上,使其在液压助力转向功能的基础上,兼有了小型汽车的主动前轮转向功能,从而为提高大客车的操纵稳定性,防止侧滑和甩尾提供了一种重要的主动安全控制解决方案。针对大客车的新型液压助力主动转向系统设计、性能分析、控制策略以及防甩尾AFS稳定性控制,本文开展深入研究。主要工作如下:建立大客车动力学模型、转向系统模型和轮胎模型。分析Pacejka轮胎模型局限性并提出改进方法,以提高模型对不同路况的适应性及拟合精度。分别建立Simulink和ADMAS/Car的多自由度非线性大客车动态仿真模型,进行蛇形绕桩和双移线超车换道的对比仿真实验,验证本文建立的非线性9-DOF大客车Simulink模型的准确性,并以此作为大客车防甩尾AFS稳定性控制研究的仿真平台。分析新型液压转向系统的工作模式,综合转向“路感”、响应快速性和控制精度,基于三余度可靠性思想,设计了双电机泵双独立液压源的液压控制系统,匹配设计电动液压机液伺服助力转向和电液伺服AFS系统的性能参数。建立新型电液伺服AFS位置控制系统的数学模型,推导出传递函数,基于小角度线性轮胎侧偏力的负载等效刚度,建立双伸缩缸液压伺服AFS系统的综合刚度耦合模型,并进行简化处理。分析了系统的稳定性、响应特性、误差和影响因素,并提出了相应的解决方案。针对新型液压转向系统的PMSM泵速度伺服系统,采用神经网络自适应滑模控制策略设计其控制器。选择积分形式的滑模面,利用RBF网络对控制律的变化进行在线估计,并结合自适应算法对不确定性进行补偿,消弱传统滑模的抖振,提高可变液压源系统的性能。建立了新型电液伺服AFS位置控制系统的三阶模型,采用反演控制算法设计第一阶和第二阶子系统,以保存滑模技术对系统不确定性的鲁棒性,在第三阶子系统中引入Terminal滑模控制律,消除抖振,提高主动转向控制系统的综合品质。开展新型液压助力主动转向控制系统的联合仿真分析。基于AMESim建立新型液压转向系统的液压和机械部分模型,用Simulink分别建立PMSM泵速度伺服系统和电液伺服AFS系统的控制器模型,以Simulink为主控软件进行联合仿真分析,对所提出的控制策略进行验证。搭建新型液压主动转向系统试验台架,基于分层结构设计数据采集与伺服运动控制系统,介绍硬件组成及软件功能,采用空载模拟高速行驶工况下的主动前轮转向系统的对比试验研究,验证了理论研究、仿真分析与实验结果的一致性,表明所设计的新型液压助力主动转向系统的合理性和有效性。基于稳定性因子分析大客车转向动力学特征,分析了大客车侧向失稳的原因,研究产生侧滑和甩尾等极限工况的轴侧向力变化规律。设计了大客车运动学与动力学参数检测与估算系统,建立了线性轮胎模型与非线性Dugoff轮胎模型侧偏力的偏差带模型,提出了一种基于轴侧向力饱和的大客车侧滑甩尾预测方法。研究了防甩尾AFS滑模控制策略,通过引入一个虚拟中间变量,实现了对横摆角速度与质心侧偏角综合反馈的滑模解耦算法,简化了控制器的设计。以装备新型液压助力主动转向系统的大客车为被控对象,建立Simulink防甩尾AFS控制器,针对典型工况进行防甩尾AFS控制仿真分析,结果表明,本文所提出的控制策略能实现大客车的防侧滑和甩尾有效控制,并具有较强的鲁棒性,同时提高了对期望轨迹的跟踪性能。显示全部
