客車預警防側翻控制研究

鐘 欣

（重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122）

前言

客車質心高、輪距窄、行駛穩定性較低，在緊急避讓或高速超車等行駛工況易發生側翻事故[1-2]。車輛預警防側翻控制系統能提前讓駕駛人感知車輛未來運動狀態，在車輛趨于側翻時會產生力矩抑制車輛側傾，一定程度減緩駕駛人操縱或響應滯后所帶來的影響，從而可以有效降低車輛側翻事故風險[3]。

為此，本文在車輛三自由度模型模型基礎上，聯合TruckSim 非線性整車模型設計了基于橫向動態載荷轉移率客車預警防側翻系統，并通過與角階躍工況下被動懸架客車進行比較，驗證設計系統整體性能。

1 客車側翻預警系統構建

1.1 客車模型構建

客車模型精度是決定側翻預警控制系統整體性能的關鍵因素，傳統三自由度模型忽略了懸架和車身垂向運動的影響，不能準確反映客車側翻極限位置；而四自由度模型忽略了橫擺運動，導致高速過彎時所反映的側翻特性與真實側翻特性存在偏差，間接影響了預警控制系統整體性能驗證。本文客車模型選用TruckSim 非線性客車整車模型，只需修改車身結構參數，仿真精度高，其系統蘊含多個變量I/O 口，可更好驗證先期預警控制系統設計理念。客車主要參數見表1。

表1 客車主要參數

1.2 側翻指標選取

傳統側翻指標主要以側向加速度和靜態橫向輪胎載荷轉移率為主，側向加速度對于不同車輛缺乏通用性，而靜態橫向輪胎載荷轉移率未考慮懸架側傾特性影響[4-5]。考慮到車輛實際行駛過程中，懸架側傾會直接影響橫向載荷轉移率，故本文采用動態橫向載荷轉移率作為預警系統門限指標，其表達式由式(1)描述。

式中：T 為車輛輪距

1.3 車輛名義模型構建

車輛三自由度模型算法簡單，實時性強，故采用三自由度模型作為車輛模型作為評估輪胎載荷轉移率名義模型。根據達朗貝爾原理，車輛平衡方程可由式(2)描述：

式中：m 為整車質量；Φ 為車輛側傾角；ψ 為車輛橫擺角；vy為側向車速；vx為縱向車速；Fyf為前輪側向力；Fyr為后輪側向力；ay為側向加速度；h 為質心到側傾中心距離；a 為質心至前軸距離；b 為質心至后軸距離；kφ 為懸架阻尼剛度；c 為懸架阻尼系數；Iz為車輛繞z 軸轉動慣量；Ir為車輛繞側傾軸轉動慣量。

1.4 側翻預警算法構建

圖2 預警算法流程圖

側翻預警算法通過TruckSim 輸出車輛行駛姿態參數至車輛名義模塊，再由名義模塊輸出未來各時刻的載荷轉移率結合預警系統規則進行判斷，期間考慮到駕駛人操縱響應具有遲滯，為保證車輛行駛安全，設置橫向載荷轉移率門限為0.8，預警時上限為2s，計算步長為10ms，車輛預警流程見圖2。

2 車輛預警防側翻控制策略

傳統PID 控制策略結構簡單、穩定性高，但自適應能力較差。為使側翻預警系統能夠滿足復雜行駛工況變化，本文采用模糊控制對PID 控制參數實現自正定。PID 控制規律表達式由式(3)描述。

式中：e(t)為系統偏差信號；Kp 為比例系數；Ki 為積分系數；Kd 為微分系數。

表2 △Kp 模糊控制規則表

表3 △Ki 模糊控制規則表

表4 △Kd 模糊控制規則表

模糊控制器輸入由動態LTR 與期望LTR 差值及其變化率二維變量構成，以Kp、Ki、Kd 修正量為輸出。輸入/輸出模糊論域變量設定為[-3,3]，輸入量物理論域設定為[-1，1]，[-25，25]，輸出量物理論域分別為[-1750，1750]，[-15，15]，[-140，140]。模糊子集采用負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(NM)、正大(NB)7 個等級描述，具體控制規則設置見表2～表4，最后采用面積重心法實現解模糊化。

對模糊PID 控制器輸出的主動懸架控制力進行合理分配，實現客車防側翻控制。當趨于左側側翻時，左側主動懸架應產生對應推力抑制客車側傾運動，其懸架控制力可由式（4）描述。同理右側側翻懸架控制力可由式（5）描述。

式中：Fd為所需懸架控制力；Fdij分別為各懸架控制力。

3 仿真結果及分析

圖3 角階躍工況仿真結果

仿真工況設置為角階躍工況，客車初始車速為70km/h，駕駛人在1s 位置開始轉動方向盤，并在0.1s 內實現方向盤角度由0deg-100deg 轉變且維持不變，仿真時長為8s，步長設置為0.001s。

圖3 示出客車角階躍工況下仿真結果，其中黑色實線和紅色虛線分別表示客車被動懸架和模糊PID 主動懸架控制結果，從圖中可以看出，無論是側傾角、側傾角速度、還是輪胎動態橫向載荷轉移率曲線，采用模糊PID 主動懸架控制車輛對應峰值大小或穩定時間均小于被動懸架曲線，說明采用模糊PID 控制策略的主動懸架能夠有效改善客車側翻穩定性。為進一步說明模糊PID 控制策略的優越性，對角階躍工況下客車側傾角速度兩次波峰值對應的側傾穩定性參數進行比較。

表5 客車側翻穩定性參數值

從表5 可以看出，相較于被動懸架，采用模糊PID 主動懸架控制的客車其側傾角、側傾角速度、動態橫向載荷轉移率分別降低了29.77%、10.44%、8.82%，進一步說明采用模糊PID 控制器的主動懸架對于客車側翻的抑制十分有效。

4 結論

（1）基于動態橫向載荷轉移率指標能夠良好反映客車側翻狀態。

（2）采用PID 模糊控制的預警防側翻系統能夠有效降低車輛側翻風險，從而保障車輛行駛穩定性。