半挂运输车辆横向稳定性控制

邱绪云，李建英，彭月明

(1.山东交通学院汽车工程学院，山东济南 250357;2.广东汽车检测中心有限公司，广东佛山 528061)

半挂运输车辆横向稳定性控制

邱绪云1，李建英1，彭月明2

(1.山东交通学院汽车工程学院，山东济南 250357;2.广东汽车检测中心有限公司，广东佛山 528061)

基于系统动力学仿真软件ADAMS建立半挂运输车辆动力学仿真模型，并将车辆模型仿真结果与实车试验结果进行对比分析，验证车辆模型的有效性。基于模糊PID控制技术，以半挂运输车辆的折叠角速度和折叠角加速度为控制变量设计模糊PID控制器，通过单移线仿真试验进行ADAMS与MATLAB的联合仿真分析，结果表明：半挂运输车辆的横摆角速度、侧向加速度和折叠角均有不同程度的改善，半挂运输车辆的行驶稳定性得到提高。

半挂运输车辆；横向稳定性；车辆动力学模型；模糊PID控制；联合仿真

半挂运输车辆装载质量大、单位货物质量的燃油消耗量低、运输效率高[1-3]，而且具有甩挂运输的优势，以半挂运输车辆为代表的重型货车在交通运输行业占有的比例越来越大，但半挂运输车辆由于质心位置高、车身长、轮距较小等[4-6]，在高速行驶过程中容易发生侧滑、甩尾、折叠等横向失稳现象，一旦发生交通事故很容易波及其他车辆，造成人员伤亡和财产损失。

目前，国内外学者对半挂运输车辆横向稳定性的研究较少[7-9]。本文基于ADAMS建立半挂运输车辆仿真模型，根据模糊PID控制理论设计模糊PID控制器，以半挂运输车辆折叠角速度与折叠角加速度为控制器的输入变量，半挂运输车辆横向控制力为控制器的输出变量，通过对车辆横向控制力的控制，达到提高车辆横向稳定性的目的。

1 建立整车动力学仿真模型

在ADAMS/Car中建立半挂运输车辆整车动力学仿真模型，车辆模型参数如表1所示[10-12]

表1 车辆模型参数

整车模型包括牵引车前悬架系统、牵引车后悬架系统、半挂车悬架系统、轮胎模型、转向系统及车身等。该车辆模型中，牵引车前悬架系统为非独立式转向悬架，牵引车后悬架系统与半挂车悬架系统均为平衡悬架。轮胎模型采用PAC2002轮胎，PAC2002轮胎模型适用于各种工况下的仿真试验，是车辆稳定性仿真的理想轮胎模型[13-14]。牵引车前桥采用单轮结构，牵引车双驱动桥与半挂车支持桥均采用双轮结构。动力传动系统与转向子系统均采用ADAMS中已建立的系统模板。由子系统装配完成的半挂运输车辆仿真模型如图1所示。

图1 半挂运输车辆动力学仿真模型

2 验证车辆仿真模型

为了验证所建立半挂运输车辆模型的准确性，参考文献[15]中的一组实车侧向稳定性试验数据，在ADAMS/Car中对车辆模型设置相同的参数及仿真试验条件，将得出的仿真试验数据与实车试验数据进行对比。

试验车辆以30 km/h的速度在半径为25 m的固定圆周上匀速行驶，测试车辆在试验工况下侧向加速度、横摆角速度的稳态响应，其稳态响应曲线如图2a)、3a)所示。车辆模型仿真试验结果如图2b)、3b)所示。

a) 试验 b) 仿真图2 半挂运输车辆侧向加速度随时间的变化曲线

a) 试验 b) 仿真图3 半挂运输车辆横摆角速度随时间的变化曲线

由图2～3可以看出：仿真与试验车辆的侧向加速度响应、横摆角速度响应结果基本吻合，验证了所建半挂运输车辆模型的合理性与有效性。

3 设计模糊PID控制器

在MATLAB的Simulink环境下，进行半挂运输车辆模糊PID控制器的设计。模糊PID控制器以半挂运输车辆的折叠角速度ω、折叠角加速度α两个指标作为输入变量，设ωI为折叠角速度ω的输入信号，αI为折叠角加速度α的输入信号，如图4所示。采用7个语言模糊子集将输入变量进行模糊化[16-19]，7个模糊子集分别为NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。PID控制器的比例系数修正量ΔKp、积分系数修正量ΔKi、微分系数修正量ΔKd作为模糊逻辑控制器的输出变量，采用7个语言模糊子集NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB将输出变量进行模糊化，形成2输入3输出模糊控制器模型。在MATLAB模糊编辑器中分别创建ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制规则，然后与PID控制器的比例环节、积分环节和微分环节相结合，设计模糊PID控制器，如图5所示。模糊PID控制器输出随ω、α变化的车辆横向控制力Fy。

a)ΔKp b)ΔKi c)ΔKd图4 ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊规则

图5 模糊PID控制器

4 建立联合仿真模型

ADAMS与MATLAB联合仿真的核心是输入变量与输出变量数据的实时交换。由于ADAMS与MATLAB之间的数据交换是通过状态变量实现的，要实现联合仿真，首先定义半挂运输车辆模型的输出、输入状态变量。在图1的半挂运输车辆模型的牵引车后驱动车桥与半挂车支持车桥中设置横向的力源(横向控制力Fy)，将Fy作为半挂运输车的输入状态变量，ω、α作为输出状态变量。然后通过ADAMS中的Control模块将半挂运输车辆仿真模型从ADAMS中导出，生成3个后缀名分别是.m、.cmd、.adm的目标文件。

将半挂运输车辆模型生成的目标文件调入MATLAB软件中[20-21]，在MATLAB命令窗口输入adams_sys命令生成图6中左侧的半挂运输车辆仿真模型模块，该模块与图5所示的模糊PID控制器连接，ω、α作为模糊PID控制器的输入变量，Fy作为模糊PID控制器的输出变量，建立ADAMS与MATLAB联合仿真平台如图6所示。

图6 联合仿真模型

5 仿真分析

选取单移线工况进行仿真试验。单移线仿真试验工况设置：路面附着系数为1，车辆以80 km/h的速度直线行驶5 s时输入的方向盘转角如图7所示。在仿真试验中模糊PID控制器输出Fy的响应曲线如图8所示。通过横向控制力调节的半挂运输车辆的折叠角速度、折叠角响应曲线与未加横向力控制的折叠角速度、折叠角响应曲线对比如图9～10所示。牵引车及挂车在有无控制的2种情况下，横摆角速度、侧向加速度响应曲线的变化趋势如图11～14所示。

图7 方向盘转角时间响应曲线 图8 车辆横向控制力时间响应曲线

图9 半挂运输车辆折叠角速度时间响应曲线 图10 半挂运输车辆折叠角时间响应曲线

图11 牵引车横摆角速度时间响应曲线 图12 挂车横摆角速度时间响应曲线

图13 牵引车侧向加速度时间响应曲线 图14 挂车侧向加速度时间响应曲线

由图8可以看出，控制器能够根据车辆的运行状况判断所需要输出Fy的大小及方向。由图9～10可以看出：通过控制器的调节，半挂运输车辆的折叠角速度的3个峰值均有不同程度的减小，第3个峰值由10 (°)/s减小至5 (°)/s，在仿真8 s之后，车辆的折叠角速度没有反向的波动，而且曲线的变化较为平缓，从而平稳的恢复至稳定状态，说明车辆的横向摆振得到有效控制；半挂运输车辆的折叠角也有明显的减小，在仿真8 s之后，车辆的折叠角没有反向值，同时曲线的变化较为平缓，说明车辆的横向摆振得到有效控制。

由图11～12可以看出：通过控制器的调节作用，牵引车横摆角速度的2个峰值有不同程度的降低；挂车横摆角速度的2个峰值均有不同程度的降低，第2个峰值由16 (°)/s减小至13 (°)/s，在仿真8 s之后，挂车的横摆角速度没有反向值，说明该控制策略对挂车甩尾具有抑制作用，同时曲线的变化较为平缓，直至稳定状态。

由图13～14可以看出：通过控制器的调节作用，牵引车侧向加速度的2个峰值均有不同程度的减小，第2个峰值由4 m/s2减小至2.5 m/s2，在仿真8 s之后，牵引车侧向加速度曲线的变化较为平缓；通过控制器的调节作用，挂车侧向加速度的2个峰值均有不同程度的减小，第2个峰值由5 m/s2减小至3.75 m/s2，在仿真8 s之后，挂车侧向加速度的变化较为平缓，并且没有反向值，说明该控制策略对挂车甩尾具有抑制作用。

6 结论

1)基于ADAMS建立了半挂运输车辆动力学模型，将模型仿真结果与实车试验结果对比，证明所建模型正确。

2)基于模糊PID控制技术，以折叠角速度和折叠角加速度为控制变量设计模糊PID控制器，建立ADAMS与MATLAB联合仿真平台，进行单移线仿真试验，结果表明：半挂运输车辆的折叠角速度及折叠角以及牵引车与半挂车的横摆角速度、侧向加速度均有不同程度的改善，半挂运输车辆的行驶稳定性得到提高。

[1]中华人民共和国交通运输部.2014年交通运输行业发展统计公报[EB/OL].(2015-04-30)[2015-11-30].http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201504/t20150430_1810598.html.

[2]孟莉.大数据揭开中国高速公路货车真相[N/OL].中国汽车报，(2014-10-15)(1)[2016-03-12].http://www.cnautonews.com/tebd/201410/t20141014-329025.htm.

[3]董金松.半挂汽车列车弯道制动行驶方向稳定性及协调控制策略研究[D].长春：吉林大学，2010. DONG Jinsong.Driving directional stability and brake compatibility control strategy of tractor-semitrailer braking in a turn[D].Changchun：Jilin University，2010.

[4]许洪国，刘宏飞.汽车列车横向稳定性研究[J].公路交通科技，2006，23(2)：141-146. XU Hongguo，LIU Hongfei.Overview of tractor trailer lateral stability study[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2006，23(2)：141-146.

[5]任熙华.基于ADAMS/CAR的重型半挂牵引车性能仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010. REN Xihua.Simulation research on the heavy semitraler towing vehicle based on ADAMS/CAR[D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2010.

[6]杨秀建，杨春曦，张弦.基于主动制动的半挂汽车列车横摆稳定性控制[J].汽车工程，2011，33 (6)：486-492. YANG Xiujian，YANG Chunxi，ZHANG Xian.A study on the handling characteristics and lateral stability of tractor-semitrailer combination[J].Automotive Engineering，2011，33(6)：486-492.

[7]HYUN D.Predictive modeling and active control of rollover in heavy vehicles[D].Texas：Texas A&M University，2001.

[8]SHAHMIRZADI D，LANGARI R，INTELLIGENT V.Sliding mode control in rollover prevention of tractor-semitrailers[J].International Journal of Vehicle Autonomous Systems，2006(1)：68-87.

[9]ELHEMLY M A E，FAYED M A G.Simulation of tractor semitrailer manoeuvre at high speed using MATLAB/Simulink[J].International Journal of Heavy Vehicle Systems，2011，18(40)：341-358．

[10]郭健.汽车稳定性控制系统控制策略与评价方法研究[D].长春：吉林大学，2011. GUO Jian.Research on control algorithm and performance evaluation method of vehicle electronic stability program[D].Changchun：Jilin University，2011.

[11]彭涛.半挂汽车列车非线性稳定性控制[D].长春：吉林大学，2012. PENG Tao.A study on control of nonlinear stability for tractor-semitrailer[D].Changchun：Jilin University，2011.

[12]杨秀建.基于主动制动的半挂汽车列车横摆稳定性控制[J].汽车工程，2011，11(33)：955-961. YANG Xiujian.Yaw stability control for tractor-semitrailer combination based on active braking[J].Automotive Engineering，2011，11(33)：955-961.

[13]喻凡.汽车系统动力学[M].北京：机械工业版社，2005.

[14]陈军.ADAMS技术与工程分析实例[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[15]唐彬.半挂汽车列车横向稳定性仿真分析及综合评价模型研究[D].北京：交通运输部公路科学研究院，2015. TANG Bin.Research on simulation analysis on lateral stability of tractor-semitrailer and comprehensive evaluation model[D].Beijing：Research Institute of Highway Ministry of Transport，2015.

[16]房永.三轴半挂汽车列车稳定性控制算法研究[D].长春：吉林大学，2010. FANG Yong.Research of stability controi algrithm for triaxiai tractor semitrailer[D].Changchun：Jilin University，2010.

[17]李臣，李兴虎.半挂汽车列车转弯制动稳定性模糊控制[J].公路交通科技，2014(11)： 147-152. LI Chen，LI Xinghu.Fuzzy control of tractor-semitrailer cornering braking stability[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2014(11)：147-152.

[18]刘金琨.智能控制[M].北京：电子工业出版社，2014.

[19]殷云华.自适应模糊PID控制器的设计和仿真[J].火力与指挥控制,2008，33(7)：97-99. YIN Yunhua.The design and simulation of adaptive fuzzy PID controller[J].Fire Control and Command Control,2008，33(7)：97-99.

[20]宋宇，陈无畏.基于ADAMS与MATLAB的车辆稳定性控制联合仿真研究[J].机械工程学报，2011，16(47)：86-92. SONG Yu，CHEN Wuwei.Study on co-simulation of vehicle stability control based on ADAMS and MATLAB[J].Journal of Mechanical Engineering，2011，16(47)：86-92.

[21]马如奇，郝双晖.基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究[J].机械设计与制造，2010，4(4)：93-95. MA Ruqi，HAO Shuanghui.Research on coordinated simulation of robot arm based on MATLAB and ADAMS[J].Machinery Design & Manufacture，2010，4(4)：93-95.

(责任编辑：杨秀红)

Lateral Stability Control of Semi-Trailer Transportation Vehicle

QIUXuyun1,LIJianying1,PENGYueming2

(1.SchoolofAutomobileEngieering,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China;2.GuangdongAutomobileInspectionCenterCo.,Ltd.,Foshan528061,China)

The ADAMS, a kind of vehicle system dynamics simulation software, is used to establish a dynamics simulation model of the semi-trailer transport vehicle. Then, the simulation result of the vehicle model is contrasted with the actual driving test to verify the validity of the simulation model. Based on the fuzzy PID control algorithm, the fuzzy PID controller is designed,according to the acceleration and velocity of the semi-trailer transport vehicle as the control variables and the ADAMS and MATLAB collaborative simulation is analyzed by the single lane simulation test. The results show that the yaw rate, lateral acceleration and folding angle of the semi-trailer vehicle are improved to some extent and so is the driving stability of the semi-trailer vehicle.

semi-trailer transport vehicle; lateral stability; vehicle dynamics model; fuzzy PID control; collaborative simulation

2016-09-22

交通运输部项目(2013319817190)；山东省重点研发计划项目(2015GGX105010)

邱绪云(1977—)，男，山东临沂人，教授，工学博士，主要研究方向为车辆系统动力学及仿真, E-mail:qiuxuyun@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.001

U469.5

A

1672-0032(2017)01-0001-06