（车辆工程专业论文）车辆操纵稳定性控制系统的仿真研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 汽车操纵稳定性控制是根据路面状况及汽车运动状态控制车辆 的运动，防止汽车操纵失控，从而更加有效的提高汽车稳定性和行驶 安全性，它属于汽车主动安全的研究领域，也是当今研究热点。本文 从国内外汽车操纵稳定性控制的研究现状出发，运用模糊控制理论对 汽车操纵稳定性进行研究。 首先在a d a m s i 巳蛾中建立车辆虚拟样机模型，并通过试验验 证模型的正确性，为控制系统研究提供合理的模型。根据汽车动力学 稳定系统的基本原理，采用单轮制动产生附加横摆力矩来改善汽车在 极限情况下的操纵稳定性。针对汽车操纵稳定性控制系统非线性、时 变性的特点，选用鲁棒性强、实用价值高、操作方便的模糊控制方法 进行研究，设计了横摆角速度反馈控制器和质心侧偏角反馈模糊控制 器，以及横摆角速度与质心侧偏角联合反馈控制的模糊控制器，最后 通过a d a m s c a r 与m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真对这三种控制器 进行研究。仿真结果表明：三种控制器均实现了对车辆稳定性的较好 控制，其中横摆角速度与质心侧偏角联合反馈模糊控制器的控制效果 要优于对单个变量实施控制的模糊控制器，该结果对汽车电子稳定性 控制系统的硬件开发具有一定的参考意义。 关键词：操纵稳定性，a d a m s c a r ，s i m u l i n k ，联合仿真，模糊控制 江苏大学硕士学位论文 v e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yc o n t r o lc o u l dp r e v e n tt h ev e h i c l eo u t o fc o n t r o lb ya d j u s t i n gt h ea u t o m o b i l e st ot h er o a dc o n d i t i o n sa n dm o v i n g s t a t u s ，a n di te f f e c t i v e l yp r e v e n t st h eo c c u r l e n c eo fr u n a w a yo p e r m i o n , s o t h a tv e h i c l es t a b i l i t ya n dd r i v i n gs a f e t yw i l lb ei m p r o v e d t h i sr e s e a r c h b e l o n g e st oa u t o m o t i v ea c t i v es a f e t ya r e a s ，w h i c hi st o d a y sr e s e a r c h f o c u s t h i sp a p e rd r a w so nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lv e h i c l e h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yc o n t r o ls t a t u so fr e s e a r c h ，a n df u z z yc o n t r o lt h e o r y i se m p l o i e dt oi m p r o v ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y a tf w s t ，av i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo ft h ev e h i c l ei se s t a b l i s h e di nt h e a d a m s c a r ，a n dt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e li sv e r i f i e dt op r o v i d ea r e a s o n a b l ec o n t r o lo ft h ec o r r e c tm o d e l a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e o fv e h i c l ed y n a m i c sa n ds t a b i l i t ys y s t e m , y a wm o m e n tg e n e r a t e db yt h e s i n g l e w h e e lb r a k i n gi su s e dt oi m p r o v et h ev e h i c l ed y n a m i cs t a b i l i t yi n e x t r e m e l yc a s e s f o rt h ev e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mi sn o n - l i n e a ra n d t i m e - v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，f u z z yc o n t r o lm e t h o do fr o b u s t ，p r a c t i c a l ， e a s yo p e r a t i o ni sc h o o s e df o rv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y c o n t r o l r e s e a r c h f u z z yc o n t r o lt h e o r yi su s e dt od e s i g nb o t hy a w r a t ef e e d b a c k c o n t r o l l e ra n dt h es i d es i l pa n g l ef e e d b a c kf u z z yc o n t r o l l e r , a sw e l la st h e y a w r a t ea n ds i d es i l pa n g l ej o i n tf e e d b a c kc o n t r o lo ff u z z yc o n t r o l l e r f i n a l l y , t h e s et h r e e k i n d so fc o n t r o l l e rs i m u l a t i o na r es i m u l a t e db y 江苏大学硕士学位论文 a d a m sa n ds i m u l i n kc o s i m u l a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta l l t h e s et h r e ek i n d so fc o n t r o l l e r sc o u l di m p r o v ev e h i c l es t a b i l i t y , h o w e v e r , t h ee f f e c to fy a wr a t ea n ds i d es l i pa n g l ej o i n tf e e d b a c kf u z z yc o n t r o l l e ri s s u p e r i o rt ot h ec o n t r o lo fas i n g l ev a r i a b l ef u z z yc o n t r o ld e v i c e k e y w o r d s ：h a n d g n ga n ds t a b i l i t y , a d a m s c a r , s i m l l l i n lc o - s i m u l a t i o n , f u z z yc o n t r o l m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密匦 学位论文作者签名：翻娟 砷年占月日 艇 ，海瑁 名 月 签 d p j - 捌 年 导 d 乜日 ， 菲 力 2 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者躲狮1 j f 甬 矽p 年6 月3 - 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1汽车操纵稳定性研究的目的及意义 汽车操纵稳定性的研究，是与汽车车速的不断提高分不开的。早期的低速汽 车，还谈不上操纵稳定性问题，最早提出操纵稳定性问题，是在具有较高车速的 赛车上。后来，随着车速的不断提高，在轿车、大客车和载货汽车上也都不同程 度地出现了类似的问题。操纵稳定性不好的汽车，通常有如下的表现1 1 】： ( 1 ) “飘 。有时驾驶员并未发出转向指令，而汽车自己却不断改变行驶的 方向，使人感到漂浮。 ( 2 ) “贼”。就是汽车不听驾驶员的操纵，突然地忽东忽西。 ( 3 ) “反应迟钝 。驾驶员转向指令虽已发出一段时间，但汽车还没有转向 反应，或转向过程完成缓慢。 ( 4 ) “晃 。驾驶员给出稳定的转向指令，但汽车却左右摇摆，行驶方向难 于稳定。这样汽车在受到不平或突然阵风的扰动时，也会出现这种摇摆。 ( 5 ) “丧失路感。正常汽车的转弯程度，会通过转向盘在驾驶员手上产生 相应的感觉。有些操纵稳定性不好的汽车，特别是在车速较高时或转向较剧烈时 会丧失这种感觉。这会增加驾驶员操纵困难或影响驾驶员作出正确的判断。 ( 6 ) “失去控制。某些汽车在车速超过一个临界值之后或向，t 1 , j n 速度超过 一定值之后，驾驶员已经完全不能控制其行驶方向。 随着高速公路的发展和汽车技术的进步，公路交通呈现出行驶高速化、车流 密集化的趋势。现代轿车的设计最高时速一般都大于2 0 0 k m h ，有的运动型轿车 甚至超过3 0 0 k m h 。汽车在高速公路上的行驶速度通常也都在l o o k m h ，其次驾 驶员的非职业化发展趋势，使得车辆在高速行驶时出现了各种各样的稳定性问 题。要求汽车具有更好的可控性和更高的行驶安全性。因此，汽车的操纵稳定性 日益受到重视，成为现代汽车研究的热点。 汽车操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，能遵循驾驶 者通过转向系及转向轮给定的方向行驶，且当遭遇到外界干扰时，汽车能抵抗干 扰保持稳定行驶的能力【2 l 。汽车操控稳定性不仅影响到汽车驾驶操纵方便程度， 而且也决定高速行驶时的安全性，所以人们称之为“高速公路的生命线”。 1 江苏大学硕士学位论文 综上所述，随着汽车动力性能的提高，汽车数量的增加，汽车的安全性和操 纵稳定性显得尤为重要，而汽车在高速或在低附着系数的路面上行驶时，由于受 到外界干扰或驾驶员转向作用，侧向附着力常常达到附着极限，容易丧失操纵稳 定性和方向稳定性，造成交通事故的发生。因此，怎样保证高速和在低附着系数 路面上的安全稳定驾车是一个非常有价值的研究课题。 过去一直只限于改进轮胎，悬架，转向与传动系来( 被动地) 提高汽车固有 操纵稳定性。2 0 世纪8 0 年代中叶以来，随着支持控制系统的计算机、传感器、 执行机构的迅速发展，各汽车公司陆续开发、生产了多种显著改善操纵稳定性的 电子控制系统【2 j 。汽车电子稳定程序控制系统，英文缩写为e s p ( e l e c t r o n i c s t a b i l i t yp r o g r a m ) 。虽然不同的车型，往往赋予其不同的名称，如b m w 称其为 d s c ，丰田、雷克萨斯称其为v s c ，而v o l v o 汽车称其为d s t c ，但其原理和 作用基本相同。不断开发价格更低廉、性能更优良的电子控制系统，已是当前提 高操纵稳定性的一条重要途径【2 】。 本文研究的主要内容是汽车电子稳定控制系统的重要组成部分，涉及汽车主 动安全性的关键技术，主要使汽车在高速或在低附着系数路面上行驶时，具有快 速、准确的稳态响应性能。采用模糊逻辑控制策略，建立模糊逻辑的横摆力矩控 制器来控制车辆操纵稳定性的状态参量，使得汽车运行的状态与理想的状态相一 致，实现简单、低成本的汽车操作稳定性控制的目的。 1 2 汽车操纵稳定性控制研究的历史和现状 1 2 1 国外研究现状 随着人们对汽车安全意识的提高，以及a b s 和a s r 系统的发展成熟和传感 器的应用，自上世纪9 0 年代开始重视汽车操纵稳定性控制系统的研究。在2 0 世纪9 0 年代初，通过对车辆操纵稳定性的理论分析，提出了直接对汽车横摆运 动进行控制的概念( 如d y c ：d i r e c ty a wc o n t r 0 1 ) ，它通过采集方向盘转角的信 息来判断驾驶员的转向意图，并通过制动力或驱动力在车轮上的分配来调节汽车 的横摆运动，直接保障汽车的操纵稳定性，这标志汽车稳定性控制概念的出现【3 】。 但考虑到系统的成本，最早出现的稳定性控制所用的传感器很少，汽车的横摆角 速度大多是通过内外轮的轮速差间接估计得到的，因此一些汽车在复杂工况下行 2 江苏大学硕士学位论文 驶时很难保证汽车的稳定性。 从1 9 9 2 年，b m w 公司与b o s c h 合作，开始致力于汽车电子稳定程序的开 发，并在当年推出了第一代系( d s c ) 1 4 1 嘲问系统，该系统安装在b m w 8 5 0 c i 上，它只是通过监测横摆角速度来调整发动机的输出扭矩来阻止汽车进入非稳定 性的工况。1 9 9 5 年，b o s c h 公司提出的e s p 7 1 - 1 1 1 的概念，该系统集成了a b s t c s 以及汽车的侧向稳定性，它能独立于驾驶者对车辆行驶特性进行控制，该系统采 用多个传感器，如横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、转向盘转角传感器和 压力传感器等，可直接测得汽车行驶中的横摆角速度和侧向加速度的信号，同时 采用更复杂的控制算法和逻辑对汽车进行控制，能够综合的控制汽车纵向和侧向 稳定性，此时确认了提高汽车操纵稳定性控制系统的基本形式。两年后，他们又 推出第三代产品，从开始的只对横摆角速度控制，增加到也对侧偏角进行控制， 从而使汽车操纵稳定性控制更加完美。 福特汽车公司通过仿真，于1 9 9 5 年提出了其b s s ( b r a k es t e e rs y s t e m ) 的 基本构想，用横摆角速度作为反馈控制来实现自行转向的制动力矩控制。丰田汽 车公司开发出了动态稳定性控制系统v s c ，该系统通过主动差动控制来改善汽 车在转向极限时操纵稳定性和方向稳定性。此后，奔驰公司推出了e s p ，卡迪拉 克推出了其s t a b i l i t r a ks y s t e m 产品，成为北美第一个关于v d s c 系统的制造商。 此外，尼桑公司及三菱公司等也都在开发自己的提高操纵稳定性的动力学稳定性 控制系统1 1 2 1 。 目前全球共有德国博世、日本电装、德国大陆t e v e s 、美国德尔福、日本爱 信精工和美国天合( t r w ) 这六家大的汽车零部件公司生产集成型汽车电子稳 定性控制主动安全系统。博世公司到2 0 0 2 年底，已为全球提供了8 0 0 万套汽车 电子稳定性控制系统，从2 0 0 6 天津国际汽车零部件展览会上获悉，博世集团去 年开始在苏州生产的博世e s p 全球销量已超过2 0 0 0 万套1 1 3 1 。 k n o r r - b r e m s e 在2 0 0 2 年生产出第一个具有电子稳定性控制系统功能的 e b s 2 3 ，2 0 0 3 年推出的e b s s 也具有电子稳定性控制系统的功能。天合集团通 过系统集成进一步优化电子稳定性控制系统( e s c ) ，满足市场对更小巧、更轻 便、性能更出色、更具燃油经济性的安全系统的要求。为顺应混合动力的发展趋 势，为再生能源型的制动系统提供稳定性控制，t r w 前不久推出了防滑控制助 3 江苏大学硕士学位论文 力系统s c b ( s l i p c o n t r o lb o o s t ) ，既提高了安全性，又更节省燃油【1 3 1 。 在国外，特别是欧洲【1 4 1 ，越来越多的车型已将电子稳定性控制系统作为其 标准配置，国内一些中高档车型也逐渐将其作为标准配置，2 0 0 5 年大约4 0 的 新注册车辆配备了e s p ，在高档车上，e s p 已经成为了标准配置，中档车上的装 配率也迅速提高，在紧凑型车上装配率稍低。北美和日本的e s p 装配率上升也 很快。 1 2 2 国内研究现状 国外厂商为了开拓国内市场，在中国建立了多家独资或合资公司来开发研究 提高汽车操纵稳定性的电子控制系统，为国内的整车产品匹配。国内对汽车操纵 稳定性控制的研究起步较晚，目前仍然处于研究开发的初期，没有具备自主知识 产权的产品。电子稳定性控制系统的装配率还比较低，以往通常只在高档车上才 装配e s p ，2 0 0 6 年上市的东风雪铁龙的凯旋、一汽大众的速腾和上海通用的君 越都配有e s p 1 4 1 ，但是装备的都是国外公司的产品，国内还没有自己的实际开发 系统的能力，大多数学者只是基于理论的研究。 贺岩松【1 5 1 等人根据汽车动力学稳定性控制的基本原理，以线性二自由度汽 车操纵稳定性模型为基础，针对汽车行驶过程中的过多转向、不足转向或中性转 向情况，利用运动微分方程和汽车几何参数，推导出汽车稳定性控制系统工作所 需的制动器制动力。程军【1 6 1 用模拟的方法研究了车辆动力学控制系统，采用闭 环的横摆角速度及汽车侧偏角控制，用它们之间的相平面分析确定控制策略，控 制集成了基于滑移率控制系统的a b s 系统。王德平【1 7 1 1 8 】等人探讨了汽车动力学 稳定性控制的基本原理，提出了简单的稳定性判断准测，采用逻辑门限值控制算 法，在此基础上，对汽车动力学稳定性进行了仿真分析，并在汽车驾驶模拟器所 提供的虚拟环境下进行了试验验证。张成宝【1 9 1 从理论上对汽车动力学稳定性控 制策略进行了分析，分别采用单一变量和多变量为控制参数进行了控制，并且分 别以横摆角速度、横摆加速度、左右轮速差为单控制变量，采用了传统的p i d 控制算法，多变量控制采用了以转向角和横摆角速度的反馈控制方法和以横摆角 速度和整车侧偏角为控制参数的最优控制方法。郭孔辉，丁海涛鳓以纵滑侧偏 联合工况的稳态轮胎模型为基础，分析了汽车极限转向条件下制动力作用于不同 车轮时对汽车横摆力矩的影响，并通过整车动力学仿真进行了验证。赵治国对汽 4 江苏大学硕士学位论文 车动力学稳定性控制的基本原理进行了分析，推导出两自由度汽车横向动力学方 程，视实际汽车前后轮胎侧偏刚度为有界不确定参数，为跟踪线性两自由度理想 车辆模型的稳态输出响应，并设计了汽车动力学稳定性变结构控制策略。田佳卿 【2 1 】等人在汽车二自由度分析模型的基础上，设计了以横摆角速度为控制变量， 并基于单神经元控制器的自适应控制系统，通过固定方向盘转角仿真，自适应控 制有更好的控制性能，但是没有考虑算法的稳定性以及制动力的具体分配问题。 刘彩志阉讨论了基于轮胎和汽车动力性试验的控制策略，把轮胎的非线性和汽 车动力性考虑在内的直接横摆力矩底盘控制，提高了汽车大侧偏角和高侧向加速 度的操纵稳定性和主动安全性。余卓平瞄l 等人设计了基于最优控制理论的横摆 力矩控制策略和适用于复杂工况的制动力分配策略，设计基于模糊控制理论的滑 移率分配算法并提出使横摆力矩和滑移率协同工作的方法。宗长富渊等人建立 人车闭环系统动力学模型，提出了保证质心侧偏角为零的前馈和单神经元两种 d y c 控制策略。 1 3 汽车操纵稳定性控制策略的介绍 从国内外有关汽车操纵稳定性控制的大量文献来看【7 】1 1 1 】 1 2 1 - 2 4 1 ，多数限于 理论模拟，有些己在汽车上得到应用。汽车操纵稳定性控制系统是一个复杂的系 统，目前主要控制方法有逻辑门限值控制、普通p i d 控制以及数学模型状态控制 或最优控制。 由于逻辑门限值控制的控制原理简单，实现方便，在汽车动力学稳定性控制 中得到了应用。但是一旦控制参数确定，控制器的控制逻辑就被确定下来，只能 对某些常见的工况得到适宜的控制，当条件改变时，就不能得到合适的控制，对 于操纵稳定性控制这个复杂的系统，控制不够平稳，控制系统中的各种门限值， 都是经过反复试验得出的经验数据，还没有充分的理论依据。而且用逻辑门限值 方式完成的汽车操纵稳定性控制系统对各类车型的互换性不佳。当用这种控制方 式为某一车型开发新的装置时，需要较长的时间和大量的试验来确定和调整控制 逻辑与控制参数，以达到最佳的控制效果。 普通p i d 也在操纵稳定性控制系统中得到了应用，虽然从原理上讲，只要p 、 i 、d 三参数选择合理，就能保证控制效果，但对于汽车动力学这个非线性、时 5 江苏大学硕士学位论文 变系统是很难确定合适的参数，并且参数一旦确定，控制逻辑就被固定下来，不 能适应汽车这种强烈的非线性时变系统的控制。 基于数学模型的状态控制和最优控制在理论上很成熟瞄1 1 2 6 1 ，它一般将汽车 动力学模型局部线性化为二自由度模型，以横摆角速度，侧偏角为控制变量对系 统进行控制，在理论上可以取得良好的控制效果。然而，它们都是现代控制理论 中的控制方法，其应用得成功与否，关键在于数学模型是否准确，而实际上，这 种动力学模型复杂，其模型本身参数的识别精度不够准确，至关重要的车载分布 在实际操纵中也是随意的，为了获得数学模型中所需要的相关控制参数及状态变 量，需要准确实时地确定大量参数，就目前来看这是比较困难的，并且计算量大， 鲁棒性差，在动力学稳定性控制中，实际应用较少。 从以上分析可知，传统的控制方法很难对复杂的汽车系统进行很好的控制， 必须寻找新的控制方法，并开发具有抗干扰能力较强、可靠性高的实时控制系统。 作为稳定性控制的对象，汽车动力学系统是一个时变的高度非线性系统，这是因 为轮胎模型，即各种路面条件下轮胎滑移率和摩擦系数的关系是非线性的，而且 车辆系统本身也是一个变参数的非线性系统，再加之转向、制动、驱动系统存在 严重滞后、时变、强非线性等特点，所以用精确的模型描述显得十分困难，所以 基于模型的现代线性控制理论很难在操纵稳定性控制系统中得到实施。对于这类 复杂系统，比较好的处理方法是结合控制理论与经验形成一种鲁棒性强的控制方 法，即将人的知识与经验引入控制系统的智能控制。 由于模糊控制是不需要建立精确的数学模型，只需要根据实际的运行经验， 对系统进行实时控制，实际上是一种非线性智能控制，具有鲁棒性强、对干扰和 参数变化不敏感，适合于非线性、时变的操纵稳定性控制系统，并且实施比较简 单，具有很强的实用价值。另外，在建立较为接近实际的汽车动力学模型的基础 上，进一步探讨一些具有强鲁棒性的控制理论在操纵稳定性控制系统的应用，可 以达到较好的控制效果，而且对于这些先进的控制理论自身的应用和发展有推动 作用。所以本文运用模糊控制理论对汽车动力学稳定性控制器进行研究。 1 4 本文研究的主要内容 本文结合a d m a s 与m a a b 两种软件对车辆稳定性控制进行仿真研究。 6 江苏大学硕士学位论文 a d a m s 软件能够建立复杂的机械系统模型，但其控制工具箱功能比较弱，只能 解决一些简单的控制问题，对于较为复杂的控制策略只能借助于其它的控制软 件。而m a f l a b s i m u l i n k 可以实现复杂的控制功能，但其建模能力相对较差，_ 旦系统自由度增多，框图结构变得复杂而难以控制。所以本文采用 m a t l a b s i m u l i n k 实现控制，再和a d m a s 一起进行联合仿真。选用 a d a m s c o n t r o l 模块，同时应用a d a m s 和m a t l a b 对车辆进行整车动力学仿 真分析。在a d a m s 中建立整车系统多体动力学模型，在m a t l a b 中建立稳定性 控制系统，这两个软件通过相互之间的通讯和数据传递，来解决整车多体动力学 模型自由度过多和控制系统控制运算法则过于复杂等问题。a d a m s c o n t r o l 模 块能够实现a d a m s 和m a a b 的数据交换并提供仿真环境，这两种软件的求解 器并行工作，分别求解各自的微分方程，然后在同一仿真时刻交换结果，再进行 下一时间步长的计算，采用离散的模式进行工作，这种方法有效结合了两种软件 的优点，使得仿真精度大大提高。 汽车稳定性控制系统是一个复杂的控制系统，本文采用了能够反映系统运 动特性的多刚体动力学软件a d a m s 进行建模。传统的控制方法的一般特点是 以数学公式描述控制过程，往往还需要被控系统有精确的数学模型，而汽车操纵 稳定性控制系统它具有很强的非线性，而且是一个时变系统，本文采用的是具有 很强的鲁棒性，实施也比较简单，而且有很强的实用价值的模糊控制方法实现对 车辆稳定性的控制，并对不同运行工况进行了仿真研究，验证所设计控制器。为 实际系统的开发提供了很好的控制策略。 本文研究主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 从汽车操纵稳定性的基本理论出发，得出影响车辆操纵稳定性的主要 参变量：汽车横摆角速度和质心侧偏角。同时为了提供汽车操纵稳定性控制依据， 建立理想二自由度线性车辆模型，进一步得出理想的横摆角速度和质心侧偏角。 ( 2 ) 基于a d a m s 脚建立整车动力学模型，进行蛇形和双移线试验，来 验证模型的正确性。 ( 3 ) 根据汽车动力学稳定控制的特点，选择能够反映车辆运动状态的两个 参数( 横摆角速度和质心侧偏角) 作为控制的输入变量，并基于模糊控制理论设 计横摆角速度反馈模糊控制器、质心侧偏角反馈模糊控制器以及这两个变量联合 7 江苏大学硕士学位论文 反馈的模糊控制器。比较横摆角速度和质心侧偏角的与理想量的差值，当差值超 过一定范围时( 即车辆处于临界稳态) ，通过横摆力矩控制对车轮施加制动力， 使车辆实际状态与理想状态相接近，进而提高车辆的操纵稳定性。 ( 4 ) 以整车为研究对象，建立a d a m s m a n a b 联合仿真模型。在a d a m s 中建立机械系统，将其转化成m a a b 中的a d a m ss u b 模块，再与控制器相连接。 联合仿真模型建立后，进行高速行驶时的转向盘单正弦输入和低附着系数路面上 的操纵稳定性仿真，比较分析了横摆角速度反馈控制器、质心侧偏角反馈控制器， 以及联合反馈控制器的控制效果。结果表明，三种控制方法都可以较好的控制汽 车的横摆角速度，使汽车有很好的轨迹保持能力，提高汽车行驶时的稳定性，其 中采用两个变量联合反馈控制的控制效果优于单个变量的反馈控制。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章车辆操纵稳定性控制的基本原理及分析 2 1汽车操纵稳定性的定义 汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵 循驾驶者通过转向系及转向轮给定的方向行驶，且当遭遇到外界干扰时，汽车能 抵抗干扰保持稳定行驶的能力闭。汽车操纵稳定性包括操纵性和稳定性。操纵性 是指汽车能够确切地响应驾驶员转向指令；稳定性是指汽车在行驶过程中，具有 抵抗改变其行驶方向的各种干扰，并保持稳定行驶而不致失去控制甚至翻车或侧 滑的能力。实际上两者很难截然分开，稳定性的好坏直接影响操纵性，因此通常 称为汽车的操纵稳定性【1 】o 汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也决定高速汽 车安全行驶的一个主要性能，还与运输生产率和驾驶者的劳动强度有关。随着汽 车保有量的增加和车速的提高，汽车的操纵稳定性显得越来越重要，被人们称为 “高速车辆的生命线。 2 2 影响汽车操纵稳定性的主要参变量 由汽车操纵稳定性的定义，汽车可以按照给定的路径行驶，即轨迹的保持， 这个是由汽车的质心侧偏角来描述。稳定性是由汽车的横摆角速度来描述。再者， 车辆在高速转向、低附着路面转向或是转向制动时，其转向角与横摆角速度、侧 向加速度以及质心侧偏角将表现出很大的非线性，这说明车辆的这三个状态变量 在一定程度上反映了车辆的行驶稳定性。 车辆的横摆角速度和质心侧偏角与车辆稳定性有着密切的关系。当车辆质心 侧偏角比较小时，车辆的横摆角速度可以用来表征车辆的转向特性，并反映驾驶 员的驾驶意图；而当车辆质心侧偏角较大时，车辆横摆角速度不再反映车辆的行 驶轨迹，随着车辆质心侧偏角的增加，通过方向盘改变车辆横摆力矩的能力将降 低，驾驶员对车辆侧向运动的控制能力也将降低。由轮胎的侧偏特性可以了解到 路面附着系数越低，车辆质心侧偏角对车辆的稳定性的影响越敏感，因此所允许 的最大车辆质心侧偏角越小。故横摆角速度和质心侧偏角是描述车辆操纵稳定性 9 江苏大学硕士学位论文 的两个主要参变量。 2 3 理想状态下的线性二自由度模型 汽车的操纵稳定性控制系统是通过检测汽车的实际状态变量与期望值比较， 来判断汽车失稳的程度，阻止汽车进入失稳状态。驾驶员期望汽车的理想横摆角 速度在某一车速下应该与方向盘转角成正比关系，且随着汽车车速的增加，横摆 角速度和方向盘转角的增益应适当减小，以免在高速时方向盘过于灵敏。研究发 现阁，在轮胎的线性区内具有适当不足转向特性的车辆具有良好的操纵稳定性 能。 因此，将具有适当不足转向特性的二自由度车辆的转向特性作为汽车理想的 转向特性。汽车的理想的横摆角速度和质心侧偏角的可以由理想状态下的线性二 自由度模型分析得到。 汽车的运动是借固结于运动着的汽车上的动坐标系汽车坐标系来描述 的i 凋。聊处于左右对称的平面内。当汽车在水平路面上处于静止状态下，x 轴 平行于地面指向前方，z 轴通过质心指向上方，y 轴指向驾驶员的左侧，坐标系 的原点0 通常可令其与质心重合。 为了便于掌握操纵稳定性的基本特性【2 j ，建立模型时，忽略转向系统的影响， 直接以前轮转角作为输入；忽略悬架的作用，认为汽车车厢作平行于地面的平面 运动，即汽车沿2 轴的位移，绕y 轴的俯仰角与绕x 轴的侧倾角均为零。认为汽 车沿x 轴的速度u 不变，只有沿y 轴的侧向运动和绕z 轴的横摆运动两个自由度。 此外，汽车的侧向加速度限定在0 铅以下，轮胎的侧偏特性处于线性范围。还 假设驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的作 用。忽略左、右车轮轮胎由于载荷变化而引起轮胎特性的变化，以及轮胎回正力 矩的作用。这样实际车辆简化成一个侧向和横摆运动的两轮二自由度汽车模型， 如图2 1 所示。 1 0 江苏大学硕士学位论文 _ 一 图2 1 理想状态下二自由度汽车模型 f i g u r e2 1i d e a l l yt w od e g r e e so ff r e e d o m v e h i c l em o d e l 根据运动学分析可推出汽车质心绝对加速度在汽车坐标系锻轴上的分量 =塑一，一doa ：| i v r ( 2 1 ) x = d t 一 ，d t 2 h 一订 l z 。上， 汽车质心绝对加速度沿横轴哕上的分量为 口y=i,+ur(2-2) 由图可知，二自由度汽车受到的外力沿y 轴方向的合力与绕质心的力矩和为 j e = e c o s 万+ 耳2 ( 2 - 3 ) 【m z = 啦。c o s 万一峨2 考虑到万角较小，故上式可写成 j e = c ，q 乜( 2 - 4 ) 【m z - a c ，q 一虹吃 汽车前、后轴中点的速度为岣、跖2 ，侧偏角为q 、吃，质心的侧偏角为， = v u 。孝是鸭与x 轴的夹角，其值为 善= 一v + a r = i j “+ 竺 亡= = + 一 以“ 根据坐标系规定，前后轮侧偏角为 ( 2 5 ) 江苏大学硕士学位论文 iq = 一( 万一d = + 竺一万 iq = v - b r = 一一b r 由此，可列出外力、外力矩与汽车运动参数的关系式为 z f , = c t ( p + a “r - d 州一争 ( 2 - 7 ) 【, m z = a c t ( f l + i a r 一回一b c , ( p 一与u 所以，二自由度汽车的运动微分方程式为 卜+ 詈哪砌一争叫圳泣8 ， |口c，(p4旦一回一bcr(p一与uu = 乞j ； l 。 整理后得二自由度汽车运动微分方程式为 ”枷+ 扣一吣一c 胪班m 像9 ) 【( a c r - b c ，) f l + l 珏( a 2 c t + b 2 c , ) r - a c t 6 = 厶户 式中，a 、6 分别代表质心距前轴、后轴的距离；c i 、c 分别代表前轮的总 侧偏刚度、后轮总侧偏刚度；为车辆的质心侧偏角；，为车辆绕z 轴的横摆角 速度；万为前轮的转向角；乞为车辆绕z 轴的转动惯量；u 为汽车的纵向车速； v 为汽车的侧向车速。 汽车等速行驶时，在前轮角阶跃输入下进入的稳态响应就是等速圆周行驶。 稳杰时横摆角速度为定值，此时矽：0 ，产= 0 ，代入匕式，得 + l ( a c i - 虹) ，- c ，万= 腕w ( 2 1 。) v - - - + l h ( a 2 c ，t + 6 2 c ，) 卜口c ，万= o 将式( 2 - 1 0 ) 中两式联立并消去v ，便可求得稳态横摆角速度和质心侧偏角 为 兰“ 0 、- 、 m 一r ， ， c c 口 ，j、【 江苏大学硕士学位论文 ，= f = 6 u l6 u l 6 u 1 + 等c 昙一 = 一= ：，一 1 + 肼m 毒 ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 热k = 詈( 昙专。 k 称为稳定性因素，其单位为s 2 m 2 。是表征汽车稳态响应的一个重要参 数。中性转向时( k = 0 ) ，r = 万u l 即车速一定时，横摆角速度与车轮转角 成线性关系，这时驾驶员可以正确容易的操纵汽车，这个也是汽车动力学控制的 主要目标。 另外，还必须考虑轮胎与地面的最大附着系数的条件限制， 川g 又 q 百v e = 式中，r 为转向半径， 得 r | 蚓 ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 在极限工况f ，由轮胎附着系数极限所确定最大名义横摆角速度和质心侧偏 角可表示为 屹一= g u ( 2 - 1 6 ) 尾一爷g 哆+ 像1 7 ) 在低附着系数路面，一般屹一、历眦要小于吃、尾，而在低速高附着系 数路面情况下屹、尾要小于屹一、以m 勰，为满足不同的路面附着条件，把其 中的最小绝对值作为名义值，当实际值与名义值绝对值差大于某一极限度时，就 要加以控制。 江苏大学硕士学位论文 2 4 汽车稳定性控制系统的基本原理 2 4 1 汽车操纵稳定性控制系统的基本思想 汽车电子稳定控制的基本思想是通过对临界稳态工况的控制，来阻止汽车进 入不可控的非稳态，此时汽车的质心侧偏角往往较大，车轮的侧向力已接近轮胎 与路面的附着极限，此时方向盘转角控制对车辆稳定性的改善并不明显，所以一 般不使用方向盘转角控制，可以采用通过纵向力匹配来产生横摆力矩的控制方法 来改善车辆稳定性【2 7 1 1 2 8 1 。本文采用横摆力矩控制来保证车辆稳定性，使车辆的 实际运动状态与期望状态一致。 首先由传感器检测出汽车运行状态如横摆角速度、整车侧偏角、侧向加速度以 及左右轮速差等实际值，然后根据理想状态模型计算出汽车运动状态的名义横摆角 速度和质心侧偏角的值，当实际变量值与名义变量值之差超过某一极限时通过一定 的控制逻辑和算法计算出所需要控制的横摆力矩，这里所采用的控制逻辑和算法是 具有较强鲁棒性的模糊逻辑控制器，通过控制汽车的横摆力矩来达到改善汽车操纵 稳定性的目的。图2 2 是根据控制的系统的基本思想确定的汽车操纵稳定性控制的 框图。 图2 2 汽车稳定性系统控制框图 f i g u r e2 2b l o c kd i a g r a mo fv e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e m 2 4 2 附加横摆力矩产生的机理 车辆稳定性控制系统主要是以车辆横摆角速度和质心侧偏角等作为控制指 标，以保持车辆的侧向稳定性，但实际中车辆纵向动力学和侧向动力学响应是同 时存在且相互耦合的，其控制效果主要由车轮纵向力控制所产生的横摆力矩控制 1 4 江苏大学硕士学位论文 来实现。车辆的纵向和横向动力学特性关系主要是由轮胎的纵向和横向动力学特 性来决定【2 9 1 。 汽车在低速、轮胎侧偏角较小等稳定行驶状态时，车辆的横摆角速度、质心 侧偏角和侧向加速度等变量与转向盘转角基本呈线性关系，这时驾驶员可以通过 转向盘的线性调整来控制车辆使其稳定行驶；在较大侧向加速度时，轮胎侧向力 特性曲线进入非线性区，侧向力不再与侧偏角成线性变化，这时很难通过方向盘 的转动调整来保持车辆稳定行驶。一般是通过对车轮的制动或驱动力的调整，来 改变车轮的侧向力，从而对车辆进行稳定性控制。车轮侧向力和纵向力的关系见 图2 3 所示的附着椭圆【2 】。 曩动力，秘 葫力，n 图2 3 车轮侧向力与纵向力的关系 f i g u r e2 3t h er e l a t i o nb e t w e e nl a t e r a lf o r c ea n dl o n g i t u d i n a lf o r c eo fw h e e l 图2 3 表明了轮胎的侧向力与纵向力的变化关系，横坐标左边表示轮胎的驱 动力，右边表示轮胎的制动力，纵坐标表示轮胎的侧向力。由图可见，在一定侧 偏角下，轮胎的侧向力随着纵向力( 驱动力或制动力) 减小而增大。轮胎的该特 性表明，可以通过改变车辆的纵向力来改变车辆的侧向力，从而产生侧向力矩对 车辆稳定性进行控制。 2 4 3 附加横摆力矩的实现 附加横摆力矩的产生通常有下面三种实现方法【3 0 1 ：一是通过限滑差速器进 行控制得到补偿的横摆力矩；二是通过驱动轮的驱动力进行控制得到补偿横摆力 矩；三是通过对车轮进行主动制动( 差动制动) 得到补偿的横摆力矩。由于方法 一和方法二需要对汽车进行较大的改动，因此这两种方法只适用于个别的车辆， 而方法三可以配合目前广泛使用的a b s 对车辆进行制动控制，无需对车辆进行 江苏大学硕士学位论文 较大的改动就能得到比较好的控制效果，因此目前大多数汽车上的对车辆操纵稳 定性控制系统都是采用第三种方法。 本文利用方法三，通过对车轮施j j n 匍j 动力产生横摆力矩，来保持汽车的稳定性 和路径的跟踪性。但是汽车各个车轮单个进行制动时所产生的横摆力矩是不同的p 1 1 。 在外前轮和内后轮上施j j 啼j j 动力对整车横摆力矩最为敏感。因为在极限转弯 时轮胎侧向力已经趋于饱和，随着制动力的增加，受轮胎摩擦圆限制，侧向力必 然降低。外前轮由纵向力引起的附加横摆力矩和由侧向力降低引起的横摆力矩方 向相同，均与转弯方向相反，一旦出现过度转向，控制系统将自动对前外轮施加 瞬时制动，制动力产生一个横摆力矩，同时导致该车轮受到的侧向力迅速减少， 于是产生一个与横摆方向相反的横摆力矩，由于对单个前轮制动，车速也会降低， 从而获得一个附带产生的有利于稳定性的因素。一旦判断汽车具有较大的不足转 向倾向，控制系统会自动对位于弯道内侧的前轮实施瞬时制动，以产生预定的滑 移率，导致该车轮受到的侧向力迅速减少而纵向制动力迅速增大，于是产生一个 与横摆方向相同的横摆力矩，来纠正汽车的不足转向；同样的道理，在内后轮上 施加制动对于纠正不足转向最有效。在其他两轮上施加制动，由于由纵向力引起 的附加横摆力矩和由侧向力降低引起的附加横摆力矩相互抵消掉一部分，效果不 明显。因此采用单独制动来实现汽车动力学稳定性控制时，应该优先考虑制动外 前轮和内后轮，其能产生较大的附加横摆力矩。 综上所述，本文在汽车操纵稳定性控制中，失稳工况时采用单独制动外前轮 或内后轮，产生合力的控制横摆力矩，来改善车辆的车辆操纵稳定性。 2 5 本章小结 本章首先对汽车操纵稳定性的基本概念做了基本介绍，进而得出影响车辆操 纵稳定性的主要参变量：汽车横摆角速度和质心侧偏角，同时为了提供汽车操纵 稳定性控制标准，建立了理想二自由度线性车辆模型，进一步得出理想的横摆角 速度和质心侧偏角。比较横摆角速度和质心侧偏角的与理想量的差值，当差值超 过一定范围时( 即车辆处于临界稳态) ，通过横摆力矩控制对车轮施加制动力， 使车辆的实际状态与理想状态接近，进而提高车辆的操纵稳定性。 1 6 江苏大学硕士学位论文 第三章车辆动力学模型的建立及验证 建立控制对象的模型是控制系统研究的基础，汽车操纵稳定性控制的对象是 整个汽车，故必须要建立满足条件的车辆整车模型。由于操纵稳定性控制系统是 在车辆处于比较复杂和危险的工况下起作用，此时的轮胎往往处于附着的极限， 而且，汽车操纵稳定性的控制本身就是通过对车轮实施制动实现的。故建立一个 能描述复杂极限工况下的车辆整车模型是非常重要的。本文对三种建模方法的比 较，选择了利用多刚体动力学软件a d a m s 对整车进行建模，并对建立的虚拟 样机模型进行了试验验证。 3 1多刚体动力学系统的简介 多刚体动力学是在经典力学的基础上发展起来的，它是古典的刚体力学、分 析力学和计算机相结合的力学分支。主要关心的问题有三类：一是系统的运动学 分析，二是系统的静力学分析；三是动力学问题。主要的任务剐3 2 1 ： ( 1 ) 建立复杂系统的机械运动学和动力学方程式化得数学模型，开发实现这 个数学模型的软件系统。 ( 2 ) 开发和实现有效的数学模型计算方法和数值积分方法，自动得到运动学 规律和运动响应。 ( 3 )