李強(qiáng)，李晗，付景順

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

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主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與防抱死制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

李強(qiáng)，李晗，付景順

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

摘 要：針對(duì)汽車轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況，研究汽車主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（AFS）和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）的協(xié)調(diào)控制；建立七自由度整車模型、前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)模型以及輪胎模型，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器和制動(dòng)系統(tǒng)控制器，以及兩子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制器，并對(duì)提出的控制策略進(jìn)行了仿真分析和對(duì)比驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況下，與獨(dú)立控制系統(tǒng)相比較，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能夠在保持車輛制動(dòng)穩(wěn)定性的同時(shí)縮短制動(dòng)距離，充分發(fā)揮兩子系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步了提高汽車的操縱性和安全性。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；防抱死制動(dòng)系統(tǒng)；協(xié)調(diào)控制

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.039

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-106-03

引言

自汽車問(wèn)世以來(lái)，汽車逐漸成為了重要的交通工具，極大的提高了人們的生活質(zhì)量，然而汽車保有量的增加也伴隨著交通事故的頻頻發(fā)生，據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，三分之一以上的交通事故是由于轉(zhuǎn)向制動(dòng)不良造成[1]。人們?cè)絹?lái)越重視汽車的安全性和穩(wěn)定性，提高制動(dòng)安全性和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性已成為當(dāng)今汽車技術(shù)研究的重要議題。防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用有效地改善了車輪抱死引起的不安全隱患，目前廣泛應(yīng)用的是邏輯門限值控制方法。與此同時(shí)，主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)前輪轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力矩，實(shí)現(xiàn)低速狀態(tài)下轉(zhuǎn)向靈活輕便，高速狀態(tài)下轉(zhuǎn)向穩(wěn)定安全[2]。

在轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況下，方向穩(wěn)定性和制動(dòng)性能是評(píng)價(jià)汽車控制性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。但是兩者是相互制約、相互影響的，短的制動(dòng)距離和方向穩(wěn)定性之間存在著一定的矛盾。因此本文針對(duì)轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況，研究AFS和 ABS的協(xié)調(diào)控制，在方向穩(wěn)定性和制動(dòng)性能之間權(quán)衡找到平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在保證方向穩(wěn)定性的同時(shí)提高制動(dòng)效能。

1、汽車仿真模型

1.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

為了對(duì)車輛制動(dòng)和轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行研究，建立多自由度車輛模型，考慮到減小求解時(shí)間和降低仿真模型的復(fù)雜程度，因此忽略垂向運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向系的間隙，建立7自由度整車模型[3]。如圖1所示，七個(gè)自由度分別為：縱向位移、側(cè)向位移、橫擺角位移和四個(gè)車輪的旋轉(zhuǎn)自由度。

圖1 七自由度整車模型

動(dòng)力學(xué)方程如下：

縱向運(yùn)動(dòng)：

橫向運(yùn)動(dòng)：

橫擺運(yùn)動(dòng)：

式中：

M：車輛總質(zhì)量；

μ、ν、γ：車輛坐標(biāo)系下的縱向、側(cè)向、橫擺角速度；

a、b：前后軸到質(zhì)心的距離；d：輪距；

i：四個(gè)車輪，i=1～4；

Fxi、Fyi ：四個(gè)輪胎分別輸出的縱向力和側(cè)向力；

δ(i)：各個(gè)車輪的側(cè)偏角，即車輪與車輛坐標(biāo)系X軸的夾角。

1.2 輪胎模型

輪胎模型多種多樣，其中GIM模型計(jì)算速度快、不需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合、工況適應(yīng)性強(qiáng)，故本文選用GIM模型[4]。

輪胎側(cè)偏角計(jì)算公式：

輪胎與地面之間的縱向力FX：

輪胎與地面之間的橫向力Fy：

式中：

縱向滑移率：Ss=(vx-vc)vx

橫向滑移率：Sα=|tanα|

綜合滑移率：ssα=Ss2+Sα2

VX、VC：車輪的圓周速度、縱向速度；

：地面附著系數(shù)；：車輪垂向載荷；

：輪胎縱向剛度、側(cè)向剛度。

1.3 主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向器模型

以機(jī)械式疊加主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為研究對(duì)象，如圖2所示，前輪轉(zhuǎn)角有兩部分組成，一部分是駕駛員給定的轉(zhuǎn)向角，另一部分是主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)附加的轉(zhuǎn)向角。傳感器將檢測(cè)測(cè)出的行駛工況信號(hào)包括車速、橫擺角速度和方向盤轉(zhuǎn)角，傳遞給控制器，控制器根據(jù)行駛工況按照預(yù)先設(shè)定好的控制方法輸出附加轉(zhuǎn)角的控制量，再由執(zhí)行器將附加轉(zhuǎn)角疊加到前輪轉(zhuǎn)角上[5]。

疊加后的前輪轉(zhuǎn)角：

圖2 機(jī)械式疊加主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖

1.4 防抱死制動(dòng)器模型

ABS的工作原理是，通過(guò)調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩使得滑移率在理想滑移率附件變化，因?yàn)檩喬ヌ幱诶硐牖坡蕰r(shí)能最大限度的利用地面附著系數(shù)，獲得較大的制動(dòng)力和側(cè)向力，從而縮短制動(dòng)距離，防止車輛側(cè)滑。其中通過(guò)液壓傳動(dòng)單元調(diào)節(jié)輪缸液壓來(lái)控制制動(dòng)力矩，本文將液壓?jiǎn)卧?jiǎn)化為一個(gè)電磁閥單元和一個(gè)積分單元。電磁閥單元的傳遞函數(shù)：

G(s)=KT?s+1?1s=100s(0.01s+1) (7)

2、控制器設(shè)計(jì)

2.1 主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制器設(shè)計(jì)

本文采用橫擺角速度反饋控制，即利用實(shí)際橫擺角度和理想橫擺角速度之差進(jìn)行反饋控制。選擇PID控制作為控制方法[6]，以理想橫擺角速度與實(shí)際角速度之間的偏差e和偏差的變化率ec作為PID控制器的輸入。經(jīng)PID控制器計(jì)算后，輸出附加前輪轉(zhuǎn)角。

PID控制規(guī)律為：

其中理想橫擺角速度由二自由度線性車輛模型得出：

式中：

Cf、Cr：為前后輪側(cè)偏剛度

l=a+b：為軸距

如圖3所示，基于Matlab/Simulink建立AFS系統(tǒng)模型。

圖3 AFS PID控制仿真模型圖

2.2 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

對(duì)于ABS控制系統(tǒng)，本文采用魯棒性好、控制規(guī)律靈活的自適應(yīng)模糊控制方法?？刂破鞯妮斎肓縠為最佳滑移率與實(shí)際滑移率之間的差值，輸入量ec為該差值的變化率，輸出量u為制動(dòng)壓力的控制量。將滑移率誤差E 在論域[-0.2,0.8]上劃分為6檔：NB，NM，ZE，PS，PM，PB；滑移率誤差變化率E C和制動(dòng)壓控制量U在論域均為 [-6, 6] ，且都劃分為7檔：NB，NM，NS ，ZE，PS，PM，PB。相應(yīng)的比例因數(shù)分別為Ke=Kec=1、Ku=1/6 ，具體控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

結(jié)合前文提到的ABS控制器模型和ABS模糊自適應(yīng)控制理論，基于Matlab/Simulink建立ABS系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。

圖4 ABS 模糊控制仿真模型圖

2.3 協(xié)同控制器設(shè)計(jì)

綜合考慮主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與防抱死制動(dòng)系統(tǒng)之間的干涉和耦合[7]。制定了如下協(xié)同控制規(guī)則：當(dāng)橫擺角速度超過(guò)橫擺角速度門限時(shí)，AFS主要控制目標(biāo)是橫擺角速度，ABS前輪單獨(dú)控制后輪低選，來(lái)保證橫向穩(wěn)定性；當(dāng)橫擺角速度小于等于橫擺角速度門限時(shí)，AFS正常控制，ABS四輪獨(dú)立控制，充分利用地面附著系數(shù)。

3、仿真結(jié)果

基于Matlab/Simulink 建立仿真模型，仿真車輛的基本參數(shù)如表2所示。將車輛的初始速度設(shè)為100km/h，為模擬轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況，給方向盤輸入一個(gè)階躍信號(hào)。

表2 車輛基本參數(shù)表

由圖5可知，相對(duì)于單獨(dú)控制，協(xié)調(diào)控制作用下的汽車制動(dòng)距離減少了4.85m，制動(dòng)時(shí)間也明顯縮短了，具有良好的制動(dòng)效能。

圖5 制動(dòng)距離

圖6 質(zhì)心側(cè)偏角

圖7 橫擺角速度

從圖6-7中可以看出，協(xié)調(diào)控制下的汽車質(zhì)心側(cè)偏角超調(diào)量明顯降低，降低了0.017rad，并且很快趨于穩(wěn)定，相較于獨(dú)立控制達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所用的時(shí)間縮短了1.32s；橫擺角速度超調(diào)量也降低了0.016rad/s，更快的趨于穩(wěn)定，提高了汽車的方向穩(wěn)定性。

4、結(jié)論

本文基于Matlab/Simulink建立了前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用對(duì)比分析比較法，驗(yàn)證了在轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況下，與AFS和ABS獨(dú)立控制系統(tǒng)相比較，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能夠在保持車輛制動(dòng)穩(wěn)定性的同時(shí)縮短制動(dòng)距離，充分發(fā)揮兩子系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步了提高車輛的操縱性和安全性。

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Coordination Control of Active Front Steering and ABS

Li Qiang, Li Han, Fu Jingshun
（Shenyang University of Technology, Liaoning Shenyang 110870）

Abstract:A coordination control method is designed for vehicle Active Front Steering (AFS) and Anti-lock Braking System (ABS) on steering braking condition.7-DOF vehicle model, steering system model, braking system model and the tire model are established, andthe AFS controller, ABS controller, coordinated controller of two subsystems are also designed. Simulation analysis and comparison of the proposed control strategy are carried out. The simulation results showed: on the steering braking condition, compared with AFS and ABS independent control, the coordination controlobtain the better vehicle stability and gain the greater braking efficiency; the advantage of two subsystem are fully used, finally enhance the vehicle’s braking performance and directional stability.

Keywords:AFS; ABS; Coordination Control

作者簡(jiǎn)介：李晗，就職于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)。

中圖分類號(hào)：U463.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)02-106-03