基于動(dòng)態(tài)軸荷的電控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配控制算法＊

宗長富 李偉 鄭宏宇

（吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

基于動(dòng)態(tài)軸荷的電控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配控制算法＊

宗長富 李偉 鄭宏宇

（吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

針對(duì)半掛汽車列車制動(dòng)時(shí)軸荷轉(zhuǎn)移大、制動(dòng)距離受載荷影響大的問題，提出了非緊急制動(dòng)工況基于動(dòng)態(tài)軸荷的制動(dòng)力分配算法。根據(jù)軸荷變化動(dòng)態(tài)調(diào)整制動(dòng)力分配，使各軸利用附著系數(shù)與車輛制動(dòng)強(qiáng)度一致，同時(shí)根據(jù)車輛實(shí)際制動(dòng)強(qiáng)度與理想制動(dòng)強(qiáng)度差值調(diào)整制動(dòng)力，使車輛在相同制動(dòng)過程中制動(dòng)距離不受載荷影響。對(duì)比通過軟件進(jìn)行常規(guī)制動(dòng)與采用該算法的電控系統(tǒng)車輛在不同載荷下的制動(dòng)仿真結(jié)果表明，該算法可動(dòng)態(tài)分配制動(dòng)力并進(jìn)行減速度控制。

1 前言

半掛汽車列車具有裝載量大和運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn)，在公路運(yùn)輸中占有重要地位。常規(guī)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)管路較長，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間長。而電控制動(dòng)系統(tǒng)（Electronic Brake System，EBS）能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過程的電子控制，進(jìn)而大幅縮短制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)距離，提高制動(dòng)效能，并可集成ABS、ESP等功能[1～3]。國外對(duì)于EBS的研究始于20世紀(jì)末，現(xiàn)已形成成熟產(chǎn)品并在歐美商用車市場(chǎng)上快速推廣，而國內(nèi)還處于研究階段[4～7]。

半掛汽車列車制動(dòng)時(shí)，牽引車與半掛車均在駕駛員控制下產(chǎn)生制動(dòng)力。理想的制動(dòng)力分配是各軸利用附著系數(shù)等于制動(dòng)強(qiáng)度[8～10]，從而充分利用路面附著條件，增大制動(dòng)強(qiáng)度，并提高制動(dòng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]提出的EBS制動(dòng)力分配算法僅適用于兩軸車輛；文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]提出基于滑移率的制動(dòng)力分配算法，兩種算法在制動(dòng)強(qiáng)度較低時(shí)不發(fā)揮作用，且均未實(shí)現(xiàn)理想的制動(dòng)力分配。

車輛制動(dòng)減速度受車輛載荷、摩擦片狀態(tài)和路面條件等多種因素影響。減速度控制即在路面條件及制動(dòng)系統(tǒng)性能允許條件下，使相同的制動(dòng)踏板行程產(chǎn)生相同的制動(dòng)減速度，從而避免載荷變化、熱衰退等因素對(duì)制動(dòng)效能的影響，提高制動(dòng)安全性和舒適性。

本文針對(duì)半掛汽車列車提出非緊急制動(dòng)工況下基于動(dòng)態(tài)軸荷的制動(dòng)力分配算法，根據(jù)軸荷變化動(dòng)態(tài)調(diào)整制動(dòng)力分配，使各軸利用附著系數(shù)與車輛制動(dòng)強(qiáng)度一致，并通過Trucksim與Matlab/Simulink軟件進(jìn)行列車在不同載荷下直線制動(dòng)聯(lián)合仿真。

2 控制算法開發(fā)

半掛汽車列車制動(dòng)時(shí)載荷動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移較大。常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)按固定比例分配各軸制動(dòng)力，制動(dòng)效能較低，且易因車輪抱死而出現(xiàn)折疊、甩尾等危險(xiǎn)工況。研究表明[9～10]，車輛制動(dòng)時(shí)理想的制動(dòng)力分配是使各軸利用附著系數(shù)均等于制動(dòng)強(qiáng)度，從而充分利用路面附著條件，增大制動(dòng)強(qiáng)度，并提高制動(dòng)穩(wěn)定性。利用附著系數(shù)φi計(jì)算公式如下：

式中，φi為第i軸利用附著系數(shù)；Fxi為汽車第i軸地面制動(dòng)力；FZi為地面對(duì)第i軸的法向反力[10]。

由公式（1）可知，要實(shí)現(xiàn)理想制動(dòng)力分配，應(yīng)根據(jù)軸荷變化動(dòng)態(tài)調(diào)整各軸制動(dòng)力。因此，所提基于動(dòng)態(tài)軸荷的制動(dòng)力分配算法如下：

a.車輛總制動(dòng)力計(jì)算模塊。根據(jù)制動(dòng)踏板開度計(jì)算理想制動(dòng)強(qiáng)度Z，則理想總制動(dòng)力Fx為

式中，m為車輛總質(zhì)量；a為車輛減速度。

b.制動(dòng)力分配模塊。第j車輪理想的地面制動(dòng)力為Fxbj=Fx×FZbj/FZ=Z×FZbj，其中FZ為車輛總重，F(xiàn)Zbj為第j車輪垂直載荷。地面制動(dòng)力矩與制動(dòng)器制動(dòng)力矩T平衡，即T=Fxbj×r=Z×FZbj×r，其中r為車輪半徑。根據(jù)制動(dòng)器制動(dòng)力矩與制動(dòng)氣室壓力關(guān)系表，由制動(dòng)力矩查取與理想制動(dòng)強(qiáng)度Z相應(yīng)的理想氣室壓力P0。

該算法可根據(jù)動(dòng)態(tài)軸荷調(diào)整制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)理想的制動(dòng)力分配，即φ1=φ2=φ3=Z。且由公式（3）可知，當(dāng)用該算法分配制動(dòng)力時(shí)，車輛減速度由踏板開度確定，與載荷狀況無關(guān)。

式中，m1、m2分別為牽引車、半掛車的質(zhì)量。

減速度控制不僅要克服載荷影響，還要避免制動(dòng)器磨損、熱衰退等因素對(duì)制動(dòng)效能的影響。因此提出采用門限值控制的減速度控制算法，根據(jù)車輛理想制動(dòng)強(qiáng)度Z與實(shí)際制動(dòng)強(qiáng)度Z′的差值調(diào)整制動(dòng)力。

令K=（Z-Z′）/Z?？刂七壿嬋缦拢?/p>

a.K≥8%時(shí)，實(shí)際制動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于理想值，輸出信號(hào)P=1.1P0；

b.3%＜K＜8%時(shí)，實(shí)際制動(dòng)強(qiáng)度小于理想值，輸出信號(hào)P=1.05P0；

c.-3%≤K≤3%時(shí)，實(shí)際值在理想范圍內(nèi)，P=P0；

d.-8%＜K＜-3%時(shí)，實(shí)際制動(dòng)強(qiáng)度大于理想值，輸出信號(hào)P=0.95P0；

e.K≤-8%時(shí)，實(shí)際制動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于理想值，輸出信號(hào)P=0.9P0。

該門限控制算法的門限值可應(yīng)用于多種載荷條件。

通過以上算法實(shí)現(xiàn)了理想制動(dòng)力分配，并且在相同制動(dòng)過程中車輛制動(dòng)距離相同，不受載荷、熱衰退等因素影響。控制算法結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 聯(lián)合仿真模型

3.1 控制器模型

在Matlab/Simulink環(huán)境中建立控制器模型。模型主要由踏板信號(hào)計(jì)算模塊、制動(dòng)力分配模塊和減速度控制模塊等組成。輸入為車速和車輪載荷信號(hào)，輸出為牽引車和半掛車制動(dòng)氣室壓力信號(hào)。

3.2 車輛模型

仿真車輛模型采用Trucksim軟件中的半掛汽車列車模型。部分整車參數(shù)見表1[8]。

表1 部分整車參數(shù)

4 仿真與分析

采用Matlab/Simulink與Trucksim軟件聯(lián)合仿真，為對(duì)比按照固定比例分配制動(dòng)力的常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)與采用以上控制算法的EBS在不同載荷下的控制效果，分別進(jìn)行常規(guī)制動(dòng)車輛與裝備EBS車輛在載荷為空載、5 000 kg和8 000 kg 3種工況的仿真。路面附著系數(shù)為0.85，初始車速為70km/h，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為0°。

4.1 常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)仿真

常規(guī)制動(dòng)中，各軸制動(dòng)壓力按照固定比例1:1:1分配。車輛第3 s開始勻速增加制動(dòng)壓力，至第8 s增至0.5 MPa后保持恒定，如圖2所示。

圖3 、圖4和圖5分別為常規(guī)制動(dòng)時(shí)載荷為空載、5 000 kg和8 000 kg 3種工況下半掛汽車列車各軸利用附著系數(shù)和第5輪處縱向力和垂向力之比與時(shí)間的關(guān)系曲線。

由圖3～圖5可知，相同制動(dòng)過程中，各軸利用附著系數(shù)不一致，且隨載荷變化。車輛無法充分利用路面附著條件，既增加了制動(dòng)距離，又增加了發(fā)生制動(dòng)失穩(wěn)的可能性。圖3和圖5中，第5輪處FX5/FZ5與各軸利用附著系數(shù)不同，牽引車和半掛車之間的耦合力影響制動(dòng)舒適性和安全性。圖4中的車輛載荷與制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)制動(dòng)力分配的設(shè)計(jì)載荷接近，各軸利用附著系統(tǒng)及第5輪處耦合力基本一致。

圖6為常規(guī)制動(dòng)車輛在3種載荷下實(shí)際制動(dòng)強(qiáng)度曲線。由圖6可知，相同制動(dòng)過程中，車輛制動(dòng)強(qiáng)度受車輛載荷影響較大，降低了制動(dòng)安全性和舒適性。

圖7為3種載荷下制動(dòng)距離仿真曲線?？芍嗤苿?dòng)過程中，制動(dòng)距離分別為95.28 m、110.74 m、119.71 m，車輛制動(dòng)距離受載荷影響進(jìn)而影響制動(dòng)安全性。

4.2 EBS仿真

因研究?jī)?nèi)容為制動(dòng)力分配，故暫不考慮實(shí)際車輛制動(dòng)踏板開度與制動(dòng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系，仿真中假設(shè)制動(dòng)踏板開度與制動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系如圖8所示。車輛第3s開始勻速增加制動(dòng)強(qiáng)度，至第8 s增至0.5 MPa后保持恒定不變。

圖9 ～圖11分別為空載、載荷為5000kg和8000kg 3種工況下半掛汽車列車各軸利用附著系數(shù)、第5輪處縱向力和垂向力之比與時(shí)間的關(guān)系曲線。

由圖9～圖11可知，相同制動(dòng)過程中，各軸利用附著系數(shù)與理想制動(dòng)強(qiáng)度基本一致，車輛可以充分利用路面附著條件縮短制動(dòng)距離，提高制動(dòng)安全性。第5輪處FX5/FZ5與制動(dòng)強(qiáng)度一致，使?fàn)恳嚭桶霋燔囍g耦合力處于理想水平，提高了制動(dòng)舒適性和安全性。

圖12為3種載荷下理想制動(dòng)強(qiáng)度與車輛實(shí)際制動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系曲線。由圖12可知，相同制動(dòng)過程中，理想制動(dòng)強(qiáng)度與實(shí)際制動(dòng)強(qiáng)度基本一致，即在不同載荷下相同制動(dòng)踏板行程產(chǎn)生相同的車輛減速度，提高了制動(dòng)安全性和舒適性。

圖13為3種載荷下制動(dòng)距離仿真曲線，制動(dòng)距離分別為78.09 m、78.17 m、78.31 m。由圖13可知，通過減速度控制，在制動(dòng)過程相同的情況下，車輛制動(dòng)距離不受載荷影響，從而提高了制動(dòng)安全性。

圖14～圖16分別為3種載荷下制動(dòng)時(shí)各車輪制動(dòng)壓力曲線。

由圖14～圖16可知，相同制動(dòng)過程中，各個(gè)車輪制動(dòng)壓力隨載荷變化而變化，以實(shí)現(xiàn)理想的制動(dòng)力分配。在增壓過程中，減速度控制算法對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行了調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)減速度控制。

仿真結(jié)果表明：該算法的門限值可在多種載荷條件下進(jìn)行理想制動(dòng)力分配和減速度控制，具有較大的適用范圍。

5 結(jié)束語

a.基于動(dòng)態(tài)軸荷的制動(dòng)力分配算法可以根據(jù)軸荷變化動(dòng)態(tài)調(diào)整制動(dòng)力分配，使各軸利用附著系數(shù)與車輛制動(dòng)強(qiáng)度一致，實(shí)現(xiàn)理想的制動(dòng)力分配，提高制動(dòng)效能，保證制動(dòng)安全性；

b.減速度控制算法根據(jù)車輛實(shí)際制動(dòng)強(qiáng)度與理想制動(dòng)強(qiáng)度的差值調(diào)整制動(dòng)力，使車輛在相同制動(dòng)過程中制動(dòng)距離相同，不受載荷影響，從而減少制動(dòng)時(shí)駕駛員的負(fù)擔(dān)，提高了制動(dòng)安全性和舒適性。

1羅文發(fā).電子控制制動(dòng)系統(tǒng)EBS在牽引車上的應(yīng)用.商用汽車，2008，（6）：126～128.

2劉錄秀.克諾爾商用車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展（3）.汽車與配件，2006，（30）:34～38.

3Karthikeyan P，Subramanian SC.Development and Modeling ofanElectropneumaticBrakeSystem.IEEEIntelligent Vehicles Symposium，2009:858～863.

4劉自凱，陳慧，袁兼宗，等.商用車電子制動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真.2008中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

5中重型汽車電子控制制動(dòng)系統(tǒng).中國，200620028835.9.吉林大學(xué)，2007-08-29.

6劉杰.商用車電子控制制動(dòng)系統(tǒng)的控制算法研究:[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2007.

7宗長富，李偉，鄭宏宇，等.汽車列車電控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配的控制算法.汽車工程，2011，33(10):885～889.

8Goodarzi A，Behmadi M，Esmailzadeh E.Optimized Braking Force Distribution During a Braking-in-turn Maneuver for Articulated Vehicle.International Conference on Mechanical and Electrical Technology，2010.

9余志生.汽車?yán)碚?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

10Mauri Haataja，Tatu Leinonen.On the Distribution of Braking Forces in Road Braking.SAE 2000-01-3413，2000.修改稿收到日期為2013年3月6日。

（責(zé)任編輯晨曦）

A Control Algorithm of Braking Force Distribution for EBS Based on Dynamic Axle Load

Zong Changfu，Li Wei，Zheng Hongyu
（State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University）

To solve the problem of high axle load transfer and excessive effect of axle load on braking distance，a control algorithm for braking force distribution based on dynamic axle loads is proposed under non-emergency braking conditions，in which the distribution of braking force depends on dynamic changes of the axle loads，so that the adhesion utilization of each axle equals the braking strength of vehicle，meanwhile，the braking force will be regulated according to the difference between the vehicle's actual braking strength and the ideal braking strength to make the braking distance independent from the load conditions.Simulations of braking with software are performed in which vehicle models with traditional brake system and EBS is used.The results show that the braking forces can be distributed according to the dynamic axle loads and the deceleration control is achieved.

EBS,Braking force distribution,Dynamic axle loads,Control algorithm

電控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配動(dòng)態(tài)軸荷控制算法

U463.5

：A

：1000-3703(2014)01-0020-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51075176）和中國博士后基金項(xiàng)目（2012T50291，20110490158）資助。