生輝， 蓋江濤， 李春明， 杜明剛， 帥志斌

(中國北方車輛研究所 車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100072)

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高速電驅(qū)動(dòng)履帶車輛聯(lián)合制動(dòng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制研究

生輝， 蓋江濤， 李春明， 杜明剛， 帥志斌

(中國北方車輛研究所 車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100072)

針對(duì)高速電驅(qū)動(dòng)履帶車輛機(jī)械制動(dòng)器、電機(jī)和電液緩速器3種執(zhí)行部件聯(lián)合制動(dòng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的問題，提出了機(jī)械制動(dòng)器、電機(jī)和電液緩速器動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略?；谥苿?dòng)需求和車速等因素進(jìn)行穩(wěn)態(tài)制動(dòng)力分配，綜合考慮3種執(zhí)行部件動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，建立基于電機(jī)- 電液緩速器二者聯(lián)合制動(dòng)和機(jī)械- 電機(jī)- 電液緩速器三者聯(lián)合制動(dòng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，搭建面向工程應(yīng)用的電驅(qū)動(dòng)履帶車輛傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,利用實(shí)時(shí)仿真工具進(jìn)行策略驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，在整個(gè)制動(dòng)過程中該動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略可提高車輛總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和精度，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 高速; 電驅(qū)動(dòng)履帶車輛； 聯(lián)合制動(dòng)； 動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制； 實(shí)時(shí)仿真

0 引言

與液力機(jī)械綜合傳動(dòng)的履帶車輛相比，采用電驅(qū)動(dòng)的履帶車輛可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，該方法效率高，易于布置，適合采用現(xiàn)代控制技術(shù)，利用電機(jī)制動(dòng)時(shí)還可以回收能量，提高能源利用率。但是隨著履帶車輛的高速化發(fā)展，制動(dòng)負(fù)荷也越來越大，利用單一執(zhí)行部件或機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)往往不能較好地滿足高速緊急制動(dòng)的苛刻要求，利用多種執(zhí)行部件聯(lián)合制動(dòng)成為重型高速履帶車輛制動(dòng)技術(shù)發(fā)展趨勢。

研究采用機(jī)械制動(dòng)器、電機(jī)和電液緩速器3種執(zhí)行部件聯(lián)合制動(dòng)，與以往的研究[1-6]相比，執(zhí)行部件更多，制動(dòng)模式更復(fù)雜。以往的研究只考慮了穩(wěn)態(tài)制動(dòng)力分配，未加入動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制，如果僅僅設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配策略，而不進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制，會(huì)大大降低履帶車輛的穩(wěn)定性和舒適性。國內(nèi)針對(duì)聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制的研究[7-9]相對(duì)較少，主要有以下3種:1)通過對(duì)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行校正，使兩者響應(yīng)速度相同[10]，該策略會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)滯后;2)利用濾波算法，低頻部分由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提供，高頻部分由電機(jī)提供[11]，該策略在某些模式切換時(shí)的控制效果不理想;3)利用前饋- 反饋調(diào)節(jié)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以快速響應(yīng)制動(dòng)需求[12]，但該策略在電機(jī)制動(dòng)力飽和時(shí)效果并不理想。

針對(duì)高速電驅(qū)動(dòng)履帶車輛，分析了機(jī)械制動(dòng)器、電機(jī)和電液緩速器3種制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略。首先通過對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特性的分析，建立機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)和電液緩速器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性傳遞函數(shù)，以及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；其次建立未加入機(jī)械制動(dòng)以前，以電液緩速器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩作為擾動(dòng)，電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)的控制策略，加入機(jī)械制動(dòng)之后，以電機(jī)和電液緩速器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為擾動(dòng)，機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)的協(xié)調(diào)控制策略；最后搭建“駕駛員- 控制器”[13]在環(huán)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶車輛實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，進(jìn)行了控制算法的仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：該策略下的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)精度更高，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更好。

1 制動(dòng)系統(tǒng)分析與建模

1.1 制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高速電驅(qū)動(dòng)履帶車輛制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩施加在減速器之前，電液緩速器和機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩施加在變速器輸出軸上。

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of brake system structure

1.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

電驅(qū)動(dòng)履帶車輛直線行駛制動(dòng)過程動(dòng)力學(xué)模型為

2Fmeic+2Felkjkokbic+2Freic，

(1)

式中：f為地面阻力系數(shù);m為整車質(zhì)量；δ為質(zhì)量增加系數(shù)；g為重力加速度；α為爬坡角度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；v為車輛速度;Fme為折算到主動(dòng)輪處的機(jī)械制動(dòng)力；Fel為折算到主動(dòng)輪處的電機(jī)制動(dòng)力；Fre為折算到主動(dòng)輪處的電液緩速器制動(dòng)力;ic為側(cè)傳動(dòng)比；kj為減速比；ko為耦合機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，ko=1；kb為變速比。

1.3 電機(jī)系統(tǒng)模型

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩及效率圖Fig.2 Motor torque and efficiency

本文是對(duì)電機(jī)系統(tǒng)整體進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，因此不需要考慮電機(jī)內(nèi)部的物理過程，只需要測得電機(jī)的外特性以及效率特性數(shù)據(jù)(見圖2)，再加上1階滯后環(huán)節(jié)來表示電機(jī)的輸入、輸出特性，以此描述出電機(jī)系統(tǒng)的模型。

電動(dòng)時(shí)，

(2)

式中:Tel為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tel_req為電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩；Tel_max 和Tel_min 分別為電機(jī)允許的最大轉(zhuǎn)矩和最小轉(zhuǎn)矩；k1為電機(jī)系統(tǒng)常數(shù)；τ1為時(shí)間常數(shù)；s為拉普拉斯算子。

制動(dòng)時(shí)，

(3)

式中：k2為電機(jī)系統(tǒng)常數(shù)；τ2為時(shí)間常數(shù)。

電機(jī)系統(tǒng)工作區(qū)間為0～1 100 N·m，選取電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩1 100 N·m進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖3所示。

圖3 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性Fig.3 Dynamic response characteristics of motor

1.4 電液緩速器模型

建立電液緩速系統(tǒng)整體模型，只需要考慮電液緩速器輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性，再加上1階滯后環(huán)節(jié)修正，則制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

(4)

式中：Tre為電液緩速器輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Tre_max為電液緩速器允許的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；k3為電液緩速器系統(tǒng)常數(shù)；τ3為時(shí)間常數(shù)。

電液緩速器的工作區(qū)間為0～2 200 N·m,選取電液緩速器2 200 N·m進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖4所示。

圖4 電液緩速器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性Fig.4 Dynamic response characteristics of electro hydraulic retarder

1.5 機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)模型

機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)模型和制動(dòng)器模型。液壓系統(tǒng)壓力由控制器分配的機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩決定，制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)壓力和制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)系。

T′me=Mpb,

(5)

式中：T′me為制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；pb為制動(dòng)壓力；M為制動(dòng)器制動(dòng)效能因數(shù)，M=m1+m2v+m3v2,其中m1、m2、m3由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

考慮系統(tǒng)存在機(jī)械和液壓延遲，用1階滯后環(huán)節(jié)來修正制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，則考慮延遲的制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

(6)

式中：k4為電機(jī)系統(tǒng)常數(shù)；τ4為時(shí)間常數(shù)。

選取液壓系統(tǒng)壓力12 MPa進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖5所示。

圖5 液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性Fig.5 Dynamic response characteristics of hydraulic system

2 制動(dòng)力協(xié)調(diào)分配控制策略

制動(dòng)力協(xié)調(diào)分配控制策略包括：穩(wěn)態(tài)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配和動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略。穩(wěn)態(tài)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配主要解決總需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩在電機(jī)、緩速器和機(jī)械制動(dòng)之間的分配問題。動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略主要是解決多部件聯(lián)合制動(dòng)時(shí)，各部件啟動(dòng)時(shí)響應(yīng)不同步引起的波動(dòng)問題。

2.1 穩(wěn)態(tài)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配

根據(jù)相關(guān)國家履帶車輛電傳動(dòng)聯(lián)合制動(dòng)指標(biāo)，車輛的最大減速度要大于5 m/s2，所以選取-5.5 m/s2為車輛的最大減速度，經(jīng)過換算即為最大總體制動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求。駕駛員的制動(dòng)意圖通過制動(dòng)踏板行程來實(shí)現(xiàn)，制動(dòng)踏板的工作范圍為[5%,95%]。當(dāng)制動(dòng)踏板被踏下走過空行程5%時(shí)，才認(rèn)為接下來的行程是駕駛員有意識(shí)的操作；當(dāng)制動(dòng)踏板角位移超過95%時(shí)，認(rèn)為踏板被踩死，即達(dá)到最大總體制動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求。所以總體需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可表示為

(7)

式中：Treq為總體制動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求；β為制動(dòng)踏板開度；r為主動(dòng)輪半徑。

根據(jù)機(jī)械制動(dòng)器、電機(jī)和電液緩速器3種執(zhí)行部件的制動(dòng)特性，制定穩(wěn)態(tài)制動(dòng)力分配策略：1)車速低于或等于10 km/h時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩完全由機(jī)械制動(dòng)器提供，則需求機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于總體制動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求，其他兩者需求轉(zhuǎn)矩均為0 N·m；2)當(dāng)車速超過10 km/h時(shí)，模糊控制器根據(jù)車速，踏板角度，電池荷電狀態(tài)(SOC)分配電機(jī)需要提供的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一般電機(jī)提供的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩?zé)o法滿足總需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，不足部分由電液緩速器提供，此時(shí)電機(jī)和電液緩速器形成二者聯(lián)合制動(dòng)，因此需要開展二者協(xié)調(diào)控制策略研究；3)若仍無法滿足總體需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，不足部分由機(jī)械制動(dòng)器提供，此時(shí)形成機(jī)械制動(dòng)、電機(jī)和電液緩速器三者聯(lián)合制動(dòng)，因此需要開展三者協(xié)調(diào)控制策略研究。

2.2 動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略制定

制動(dòng)模式切換時(shí)，由于電機(jī)、電液緩速器和機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間各不相同，實(shí)際輸出總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，降低車輛的舒適性和穩(wěn)定性。為了消除制動(dòng)過程中因制動(dòng)模式切換引起的波動(dòng)，建立基于3種完全獨(dú)立的制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，總體框圖如圖6所示。

圖6 動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制總體框圖Fig.6 General block diagram of dynamic coordinated control

綜合考慮兩個(gè)階段系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，本文所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制算法分為未加入機(jī)械制動(dòng)和加入機(jī)械制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制策略。該控制算法是前饋- 反饋動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制。該算法基于現(xiàn)代控制理論中擾動(dòng)的抑制和消除的思想，反饋控制器是為了減小擾動(dòng)量，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性，前饋控制器能夠保證系統(tǒng)的響應(yīng)特性與匹配特性。

2.2.1 電機(jī)- 電液緩速器聯(lián)合制動(dòng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略

制動(dòng)過程中，未加入機(jī)械制動(dòng)，只有電機(jī)和電液緩速器時(shí)，采用電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)電液緩速器?？刂撇呗匀鐖D7所示。

圖7 電機(jī)和電液緩速器聯(lián)合制動(dòng)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制Fig.7 Composite braking torque coordination control of motor-retarder

電驅(qū)動(dòng)履帶車輛制動(dòng)系統(tǒng)折算到主動(dòng)輪處總需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Treq作為控制系統(tǒng)的目標(biāo)輸入；主動(dòng)輪的實(shí)際輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tr作為控制系統(tǒng)的輸出；控制策略所分配的電液緩速器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tre_req作為擾動(dòng)量；將電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)為被控量；目標(biāo)是使主動(dòng)輪實(shí)際制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的偏差為0 N·m. 圖7中Tm為折算到主動(dòng)輪處實(shí)際電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；E為需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與實(shí)際制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的偏差，為控制誤差量；Tre為折算到主動(dòng)輪處實(shí)際電液緩速器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；E為需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與實(shí)際制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的偏差，為控制誤差量；Gfr(s)為電液緩速器前饋補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)；Gm(s)為電機(jī)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；Gv(s)為反饋通道傳遞函數(shù)；Gre(s)為電液緩速器系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

2.2.2 機(jī)械- 電機(jī)- 電液緩速器三者聯(lián)合制動(dòng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略

當(dāng)電機(jī)和電液緩速器無法滿足制動(dòng)需求時(shí)，加入機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)由機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩來動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)由于電機(jī)和電液緩速器動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后造成的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，電機(jī)采用模糊PID控制器主動(dòng)協(xié)調(diào)，從而改善制動(dòng)性能?？傮w控制策略如圖8所示。

圖8 機(jī)械- 電機(jī)- 電液緩速器聯(lián)合制動(dòng)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制Fig.8 Composite braking torque coordinated control of mechanics-motor-retarder

Treq作為控制系統(tǒng)的目標(biāo)輸入；主動(dòng)輪的實(shí)際輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tr作為控制系統(tǒng)的輸出；控制策略預(yù)分配的折算到主動(dòng)輪處電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm_req和電液緩速器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tre_req作為擾動(dòng)量；將機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)為被控量；目標(biāo)是使主動(dòng)輪實(shí)際制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的偏差為0 N·m. 圖8中Gfm(s)為電機(jī)前饋補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)；Gre(s)電液緩速器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；Gp(s)為機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；T′m為模糊PID控制器主動(dòng)協(xié)調(diào)的控制輸出量。

2.3 各模塊傳遞函數(shù)及模糊PID控制算法設(shè)計(jì)

2.3.1 3種制動(dòng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)

表1 各制動(dòng)器特性參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of brake

2.3.2 前饋通道傳遞函數(shù)

假設(shè)控制系統(tǒng)輸入3種制動(dòng)系統(tǒng)總制動(dòng)力需求為0 N，則

(8)

E=Tr_req-Tr,

(9)

Tr=Tp+Tm+Tre.

(10)

由(8)式、(9)式和(10)式求得

(11)

制動(dòng)力動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是E=0，因此需要滿足

E=-Tr=0，

(12)

從而可以求得前饋控制的傳遞函數(shù)為

(13)

(14)

2.3.3 反饋通道傳遞函數(shù)Gv(s)

對(duì)于制動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，由于模型具有誤差，外部具有擾動(dòng)，為了消除這些因素對(duì)控制效果的影響，采用反饋控制器來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。本文采用傳統(tǒng)的PID控制，則反饋通道傳遞函數(shù)為

(15)

式中：kp為比例常數(shù)；ki為積分常數(shù)；kd為微分常數(shù)。

2.3.4 模糊PID控制設(shè)計(jì)

采用模糊PID控制算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行主動(dòng)協(xié)調(diào)控制，模糊控制器的規(guī)則庫根據(jù)不同的e及de/dt對(duì)PID控制器的參數(shù)kp、ki、kd進(jìn)行在線自整定的模糊控制[14]。該算法根據(jù)對(duì)電機(jī)輸出的特性要求和電機(jī)的反饋對(duì)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，如圖9所示。

圖9 模糊PID電機(jī)主動(dòng)協(xié)調(diào)控制Fig.9 Fuzzy PID motor active coordination control

模糊PID控制器的控制輸出量為

(16)

e(k)=Tm_req-Tm,

(17)

Δe(k)=e(k)-e(k-1),

(18)

模糊PID控制器的控制參數(shù)kp、ki、kd如下：

kp=kp0+Δkp,

(19)

ki=ki0+Δki,

(20)

kd=kd0+Δkd,

(21)

式中：kp0、ki0和kd0為模糊PID控制器控制參數(shù)的初始值；Δkp、Δki和Δkd為修正系數(shù)。

模糊PID控制器的輸入為e和de/dt，輸出為修正系數(shù)Δkp、Δki和Δkd，均劃分為7擋，標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間為[-3,3]，變換為標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間y的公式如下：

(22)

式中:x為偏差e(k)、偏差的差分值Δe(k)變換前的區(qū)間；a、b分別為變換前的邊界點(diǎn)。

3 控制算法實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證

為了準(zhǔn)確分析高速電驅(qū)動(dòng)履帶車輛機(jī)械- 電機(jī)- 電液緩速器聯(lián)合制動(dòng)，驗(yàn)證機(jī)械- 電機(jī)- 電液緩速器聯(lián)合制動(dòng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，利用實(shí)時(shí)仿真工具RT-LAB搭建“駕駛員—控制器”在環(huán)的高速電驅(qū)動(dòng)履帶車輛實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證，如圖10所示。

操縱系統(tǒng)(加速踏板和制動(dòng)踏板)、控制器為實(shí)物，建立電機(jī)及其變頻器、耦合機(jī)構(gòu)，機(jī)械制動(dòng)器和電液緩速器等機(jī)械系統(tǒng)以及履帶車輛等動(dòng)態(tài)模型，運(yùn)行在RT-LAB系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真；控制算法通過代碼自動(dòng)生成，下載到實(shí)時(shí)仿真分系統(tǒng)OP5600中占用一個(gè)核。通過操縱系統(tǒng)將駕駛員操作指令轉(zhuǎn)換為輸入信號(hào)輸入綜合控制器，綜合控制器運(yùn)行控制算法求得兩個(gè)機(jī)械制動(dòng)器、電機(jī)和電液緩速器的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩指令，發(fā)送給OP5600另一個(gè)核中運(yùn)行的動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行控制算法的實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證。

圖10 聯(lián)合制動(dòng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)Fig.10 Composite braking real-time simulation system

加速踏板信號(hào)如圖11藍(lán)色線所示，將車輛加速到83.6 km/h開始制動(dòng)，制動(dòng)踏板信號(hào)如圖11紅色線所示，制動(dòng)方式為漸進(jìn)制動(dòng)，此時(shí)需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩如圖12所示，車速變化曲線如圖13所示。

圖11 加速踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)Fig.11 Signals of accelerator pedal and brake pedal

圖12 需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Fig.12 Required braking torque

圖13 車速曲線Fig.13 Speed curve

由圖12和圖13可以看出，當(dāng)車速高于10 km/h時(shí)，控制器根據(jù)踏板行程分配機(jī)械制動(dòng)、電機(jī)和電液緩速器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；當(dāng)車速低于10 km/h時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩完全由機(jī)械制動(dòng)提供。總的需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著制動(dòng)需求的增加整體呈比例增加，基本符合制動(dòng)需求。

當(dāng)制動(dòng)剛開始時(shí)，如圖14所示，即78.3 s時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由電液緩速器和電機(jī)提供，此時(shí)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)電液緩速器。由圖14可知，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間不到1 s，總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩上下波動(dòng)基本穩(wěn)定在±3%內(nèi)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快而且精度高，驗(yàn)證了電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略有效。

圖14 電機(jī)- 電液緩速器聯(lián)合制動(dòng)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制Fig.14 Composite braking torque coordination control of motor-retarder

圖15 機(jī)械- 電機(jī)- 電液緩速器聯(lián)合制動(dòng)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制Fig.15 Composite braking torque coordination control of mechanics-motor-retarder

當(dāng)制動(dòng)需求繼續(xù)增加時(shí)，如圖15所示，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由3種制動(dòng)轉(zhuǎn)矩提供，采用機(jī)械- 電機(jī)- 電液緩速器聯(lián)合制動(dòng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略。由圖15可知，83.5 s時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由電機(jī)、電液緩速器和機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提供，形成聯(lián)合制動(dòng)，此時(shí)機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)電機(jī)和電液緩速器。由圖15可知，總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩上下波動(dòng)基本穩(wěn)定在±5%內(nèi)，經(jīng)過協(xié)調(diào)的總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩很好地跟蹤了需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，驗(yàn)證了機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略有效。

圖16為實(shí)際總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和需求總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，由圖16可知當(dāng)需求總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，實(shí)際總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩很好地跟蹤了需求總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，滿足駕駛員的制動(dòng)需求。而且整個(gè)制動(dòng)過程中，實(shí)際總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩在模式切換時(shí)，由電機(jī)- 電液緩速器聯(lián)合制動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械- 電機(jī)- 電液緩速器聯(lián)合制動(dòng)時(shí)，即83.5 s，由機(jī)械- 電機(jī)- 電液緩速器聯(lián)合制動(dòng)轉(zhuǎn)換為純機(jī)械制動(dòng)，即96.1 s，實(shí)際總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩并未產(chǎn)生大的波動(dòng)，基本穩(wěn)定在±5%內(nèi)，驗(yàn)證了該動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略有效。

圖16 總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Fig.16 Total braking torque

4 結(jié)論

1)提出了多部件聯(lián)合制動(dòng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，該策略從實(shí)際需求出發(fā)，針對(duì)不同制動(dòng)模式制定相應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略，避免了電機(jī)、機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)飽和；可以對(duì)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行主動(dòng)協(xié)調(diào)；減小了擾動(dòng)量；保證了系統(tǒng)的響應(yīng)和匹配特性。

2)仿真結(jié)果表明該策略有效解決了3種執(zhí)行部件動(dòng)態(tài)響應(yīng)不同步問題，使得實(shí)際總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩很好的跟蹤了需求總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而且波動(dòng)小，響應(yīng)快。

3)目前控制算法的驗(yàn)證基于實(shí)時(shí)硬件在環(huán)試驗(yàn)，因此，后續(xù)需要結(jié)合臺(tái)架和實(shí)車試驗(yàn)完善控制策略。

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Coordinated Control of High Speed Electric Drive Tracked Vehicle

SHENG Hui, GAI Jiang-tao, LI Chun-ming, DU Ming-gang, SHUAI Zhi-bin

(Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory, China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072，China)

A dynamic coordinated control strategy of mechanical brake, motor and electro-hydraulic retarder is proposed for the torque response of composite braking of mechanical brake, motor and electro-hydraulic retarder in high speed electric drive tracked vehicle. The steady-state braking torque is assigned based on braking requirement and vehicle speed, and the dynamic response characteristics of three executive components are considered comprehensively. Based on the dynamic coordinated control strategy for the composite braking of motor and electro-hydraulic retarder and the composite braking of mechanical brake, motor and electro hydraulic retarder, a simulation model of electric drive tracked vehicle transmission system is established, making use of real-time simulation tool to verify the strategy. The simulated results show that the dynamic coordinated control strategy can be used to enhance the response speed of total braking torque, and improve the dynamic response characteristics of the vehicle during braking.

ordnance science and technology; high speed; electric drive tracked vehicle; composite braking; dynamic coordinated control; real-time simulation

2016-09-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51505436)

生輝(1989—)，女，碩士研究生。E-mail：shenghui0419@163.com

蓋江濤(1981—)，男，研究員，博士。E-mail：13811181602@163.com

TJ810.3+23

A

1000-1093(2017)05-1027-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.05.024