非公路车辆气压制动系统模型辨识及制动性能仿真研究

作     者：韦沛理 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄亦其

授予年度：2022年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：气压制动系统 联合仿真 制动性能 系统模型辨识 

摘      要：随着社会经济的发展,为满足各种特殊环境下的运输和施工作业,非公路车辆使用比重越来越大,其中最为典型和广泛使用的一种即是四轮拖拉机。其行驶路况相对于公路面车辆更加复杂,常出现路面附着系数交替变化的特殊路面,严重影响着行车安全。良好的制动性能是行车安全的重要保证,它在很大程度上取决于制动系统。制动系统在形式上可分为气压和液压制动系统,相比之下,气压制动系统具有能源易于获取、清洁环保、抗冲击负载影响、工作可靠等众多优点,在未来势必会得到进一步发展与推广。本文对四轮拖拉机气压制动系统进行研究,分析其制动性能,为制动安全性能的研究提供理论参考。本文首先对所研究气压制动系统的结构组成和工作原理进行分析,并在此基础上推导了其数学模型,基于Simulink以后轴左制动气室为例结合试验数据对模型精度进行分析,结果显示,仿真曲线与试验曲线变化趋势一致,最大差值约为0.035MPa,误差保持在15%以内,难以满足工程中常用的10%误差允许范围的要求。接着,为采用系统辨识方法得到更高精度的气压制动系统模型以及对不同工况下气压制动系统压力响应特性进行分析,对所需数据采集系统进行了设计,实现对踏板力输入和各制动气室压力响应的数据采集。通过在气动管路上串联节流阀的方式,对原气压制动系统进行结构改造,使其可以实现四轮制动与两轮制动模式的切换。利用数据采集系统,结合本实验室的气压制动试验台,对试验进行设计后进行了相应试验。试验结果表明,对于最为常见的四轮紧急制动工况,最大制动踏板力约为375N,制动响应延迟约为0.15s,各制动气室稳态压力在0.45～0.47MPa间,最大偏差在4.5%以内;其他工况相对于该工况,最大制动踏板力有不同程度的变化,但都在220～400N内,各制动气室稳态压力在0.38～0.49MPa间,响应延迟在0.2s内。此外,为方便对试验数据地观察和分析,基于MATLAB App Designer设计了气压制动系统试验数据处理分析App,操作简便且结果可视化。最后,利用MATLAB系统辨识工具箱,基于所采集的试验数据通过系统辨识方法得到精度更高的气压制动系统模型,在此基础上在Simulink环境中搭建了考虑驾驶员操作行为在内的气压制动系统四轮拖拉机的Car Sim-Simulink制动性能联合仿真模型,对实际制动中的典型工况进行制动性能仿真分析。仿真结果表明,在最为常见的低附着系数田间路面以20km/h初速度进行紧急制动时,采用四轮制动制动距离约为6.2m,制动过程约为1.8s,最大偏移约为0.035m;采用两轮制动制动距离约为11m,较前者增加了77%,制动时间约为3.4s,较前者增加了89%,最大偏移约为0.44m,相比之下四轮制动制动效能及方向稳定性更优;对于其他工况,在其他条件相同时,高初速度制动相对于低初速度制动更容易出现不稳定工况;四轮制动的制动效能和方向稳定性整体上优于两轮制动;在交错路面进行制动相对于其他路面更危险,容易发生跑偏和侧滑。本文的研究过程和内容可为车辆制动安全性能的研究提供思路和分析方法,具有重要意义。