基于動態軸荷的電控制動系統制動力分配控制算法＊

宗長富 李偉 鄭宏宇

（吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室）

基于動態軸荷的電控制動系統制動力分配控制算法＊

宗長富 李偉 鄭宏宇

（吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室）

針對半掛汽車列車制動時軸荷轉移大、制動距離受載荷影響大的問題，提出了非緊急制動工況基于動態軸荷的制動力分配算法。根據軸荷變化動態調整制動力分配，使各軸利用附著系數與車輛制動強度一致，同時根據車輛實際制動強度與理想制動強度差值調整制動力，使車輛在相同制動過程中制動距離不受載荷影響。對比通過軟件進行常規制動與采用該算法的電控系統車輛在不同載荷下的制動仿真結果表明，該算法可動態分配制動力并進行減速度控制。

1 前言

半掛汽車列車具有裝載量大和運輸成本低等優點，在公路運輸中占有重要地位。常規氣壓制動系統管路較長，制動響應時間長。而電控制動系統（Electronic Brake System，EBS）能實現制動過程的電子控制，進而大幅縮短制動響應時間和制動距離，提高制動效能，并可集成ABS、ESP等功能[1～3]。國外對于EBS的研究始于20世紀末，現已形成成熟產品并在歐美商用車市場上快速推廣，而國內還處于研究階段[4～7]。

半掛汽車列車制動時，牽引車與半掛車均在駕駛員控制下產生制動力。理想的制動力分配是各軸利用附著系數等于制動強度[8～10]，從而充分利用路面附著條件，增大制動強度，并提高制動穩定性。文獻[6]提出的EBS制動力分配算法僅適用于兩軸車輛；文獻[7]和文獻[8]提出基于滑移率的制動力分配算法，兩種算法在制動強度較低時不發揮作用，且均未實現理想的制動力分配。

車輛制動減速度受車輛載荷、摩擦片狀態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系統性能允許條件下，使相同的制動踏板行程產生相同的制動減速度，從而避免載荷變化、熱衰退等因素對制動效能的影響，提高制動安全性和舒適性。

本文針對半掛汽車列車提出非緊急制動工況下基于動態軸荷的制動力分配算法，根據軸荷變化動態調整制動力分配，使各軸利用附著系數與車輛制動強度一致，并通過Trucksim與Matlab/Simulink軟件進行列車在不同載荷下直線制動聯合仿真。

2 控制算法開發

半掛汽車列車制動時載荷動態轉移較大。常規制動系統按固定比例分配各軸制動力，制動效能較低，且易因車輪抱死而出現折疊、甩尾等危險工況。研究表明[9～10]，車輛制動時理想的制動力分配是使各軸利用附著系數均等于制動強度，從而充分利用路面附著條件，增大制動強度，并提高制動穩定性。利用附著系數φi計算公式如下：

式中，φi為第i軸利用附著系數；Fxi為汽車第i軸地面制動力；FZi為地面對第i軸的法向反力[10]。

由公式（1）可知，要實現理想制動力分配，應根據軸荷變化動態調整各軸制動力。因此，所提基于動態軸荷的制動力分配算法如下：

a.車輛總制動力計算模塊。根據制動踏板開度計算理想制動強度Z，則理想總制動力Fx為

式中，m為車輛總質量；a為車輛減速度。

b.制動力分配模塊。第j車輪理想的地面制動力為Fxbj=Fx×FZbj/FZ=Z×FZbj，其中FZ為車輛總重，FZbj為第j車輪垂直載荷。地面制動力矩與制動器制動力矩T平衡，即T=Fxbj×r=Z×FZbj×r，其中r為車輪半徑。根據制動器制動力矩與制動氣室壓力關系表，由制動力矩查取與理想制動強度Z相應的理想氣室壓力P0。

該算法可根據動態軸荷調整制動力矩，實現理想的制動力分配，即φ1=φ2=φ3=Z。且由公式（3）可知，當用該算法分配制動力時，車輛減速度由踏板開度確定，與載荷狀況無關。

式中，m1、m2分別為牽引車、半掛車的質量。

減速度控制不僅要克服載荷影響，還要避免制動器磨損、熱衰退等因素對制動效能的影響。因此提出采用門限值控制的減速度控制算法，根據車輛理想制動強度Z與實際制動強度Z′的差值調整制動力。

令K=（Z-Z′）/Z。控制邏輯如下：

a.K≥8%時，實際制動強度遠小于理想值，輸出信號P=1.1P0；

b.3%＜K＜8%時，實際制動強度小于理想值，輸出信號P=1.05P0；

c.-3%≤K≤3%時，實際值在理想范圍內，P=P0；

d.-8%＜K＜-3%時，實際制動強度大于理想值，輸出信號P=0.95P0；

e.K≤-8%時，實際制動強度遠大于理想值，輸出信號P=0.9P0。

該門限控制算法的門限值可應用于多種載荷條件。

通過以上算法實現了理想制動力分配，并且在相同制動過程中車輛制動距離相同，不受載荷、熱衰退等因素影響。控制算法結構圖如圖1所示。

3 聯合仿真模型

3.1 控制器模型

在Matlab/Simulink環境中建立控制器模型。模型主要由踏板信號計算模塊、制動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，輸出為牽引車和半掛車制動氣室壓力信號。

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。部分整車參數見表1[8]。

表1 部分整車參數

4 仿真與分析

采用Matlab/Simulink與Trucksim軟件聯合仿真，為對比按照固定比例分配制動力的常規制動系統與采用以上控制算法的EBS在不同載荷下的控制效果，分別進行常規制動車輛與裝備EBS車輛在載荷為空載、5 000 kg和8 000 kg 3種工況的仿真。路面附著系數為0.85，初始車速為70km/h，轉向盤轉角為0°。

4.1 常規制動系統仿真

常規制動中，各軸制動壓力按照固定比例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分別為常規制動時載荷為空載、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和第5輪處縱向力和垂向力之比與時間的關系曲線。

由圖3～圖5可知，相同制動過程中，各軸利用附著系數不一致，且隨載荷變化。車輛無法充分利用路面附著條件，既增加了制動距離，又增加了發生制動失穩的可能性。圖3和圖5中，第5輪處FX5/FZ5與各軸利用附著系數不同，牽引車和半掛車之間的耦合力影響制動舒適性和安全性。圖4中的車輛載荷與制動系統實現最優制動力分配的設計載荷接近，各軸利用附著系統及第5輪處耦合力基本一致。

圖6為常規制動車輛在3種載荷下實際制動強度曲線。由圖6可知，相同制動過程中，車輛制動強度受車輛載荷影響較大，降低了制動安全性和舒適性。

圖7為3種載荷下制動距離仿真曲線。可知相同制動過程中，制動距離分別為95.28 m、110.74 m、119.71 m，車輛制動距離受載荷影響進而影響制動安全性。

4.2 EBS仿真

因研究內容為制動力分配，故暫不考慮實際車輛制動踏板開度與制動強度對應關系，仿真中假設制動踏板開度與制動強度關系如圖8所示。車輛第3s開始勻速增加制動強度，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、第5輪處縱向力和垂向力之比與時間的關系曲線。

由圖9～圖11可知，相同制動過程中，各軸利用附著系數與理想制動強度基本一致，車輛可以充分利用路面附著條件縮短制動距離，提高制動安全性。第5輪處FX5/FZ5與制動強度一致，使牽引車和半掛車之間耦合力處于理想水平，提高了制動舒適性和安全性。

圖12為3種載荷下理想制動強度與車輛實際制動強度關系曲線。由圖12可知，相同制動過程中，理想制動強度與實際制動強度基本一致，即在不同載荷下相同制動踏板行程產生相同的車輛減速度，提高了制動安全性和舒適性。

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

圖14～圖16分別為3種載荷下制動時各車輪制動壓力曲線。

由圖14～圖16可知，相同制動過程中，各個車輪制動壓力隨載荷變化而變化，以實現理想的制動力分配。在增壓過程中，減速度控制算法對制動壓力進行了調整，以實現減速度控制。

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

5 結束語

a.基于動態軸荷的制動力分配算法可以根據軸荷變化動態調整制動力分配，使各軸利用附著系數與車輛制動強度一致，實現理想的制動力分配，提高制動效能，保證制動安全性；

b.減速度控制算法根據車輛實際制動強度與理想制動強度的差值調整制動力，使車輛在相同制動過程中制動距離相同，不受載荷影響，從而減少制動時駕駛員的負擔，提高了制動安全性和舒適性。

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

2劉錄秀.克諾爾商用車制動系統技術發展（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.商用車電子制動系統的建模與仿真.2008中國汽車工程學會年會論文集.北京：機械工業出版社，2008.

5中重型汽車電子控制制動系統.中國，200620028835.9.吉林大學，2007-08-29.

6劉杰.商用車電子控制制動系統的控制算法研究:[學位論文].長春：吉林大學，2007.

7宗長富，李偉，鄭宏宇，等.汽車列車電控制動系統制動力分配的控制算法.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.汽車理論.北京：機械工業出版社，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

電控制動系統制動力分配動態軸荷控制算法

U463.5

：A

：1000-3703(2014)01-0020-04

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