張鋒

摘 要：隨著我國汽車底盤綜合控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，對其進(jìn)行綜合控制的研究已成為當(dāng)務(wù)之急。為了讓汽車底盤系統(tǒng)分層式協(xié)同控制設(shè)計(jì)更加合理，從而提升汽車底盤系統(tǒng)的控制能力，本文將著重對底盤各系統(tǒng)之間的關(guān)系進(jìn)行了討論，之后對汽車底盤系統(tǒng)分層式協(xié)同控制展開了較為詳盡的論述，以期為汽車底盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要參考。

關(guān)鍵詞：汽車 底盤系統(tǒng) 分層式協(xié)調(diào)控制

1 引言

車輛底盤是一個多子系統(tǒng)的組合，其結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。目前，車輛懸掛技術(shù)已經(jīng)不能很好地適應(yīng)車輛的乘坐舒適性。而在此背景下，多個部件運(yùn)行間存在著強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，這就使得多部件運(yùn)行必須以分布式方式進(jìn)行，而非單純依靠局域變量。這類問題通常會造成控制效果降低，進(jìn)而影響到控制的穩(wěn)定性，給控制的實(shí)用化帶來很大的難度。為此，有必要從懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)三個方面入手，分別對涉及車輛運(yùn)行和平順的懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)進(jìn)行分點(diǎn)研究，也就是對整個車輛底盤系統(tǒng)進(jìn)行分層式協(xié)同控制。

2 底盤各系統(tǒng)之間的動力耦合關(guān)系

底盤各系統(tǒng)在分別針對懸掛系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)時，不僅要考慮到系統(tǒng)的可靠性，而且要考慮到模型誤差、部件老化、環(huán)境變化等因素。該方法無需考慮其與 EPS、剎車系統(tǒng)的交互作用，在前期的研究中，不但可以在懸架系統(tǒng)的控制階段，還可以對系統(tǒng)中的元件進(jìn)行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)的可靠性。對模型和控制器進(jìn)行了某種程度的降階；由于EPS獨(dú)立的控制策略沒有考慮 EPS與懸掛、剎車等多個環(huán)節(jié)的交互作用，使得 EPS獨(dú)立控制策略的設(shè)計(jì)變得更加簡單。在此基礎(chǔ)上，對控制器進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對控制器的穩(wěn)態(tài)控制。該控制系統(tǒng)具有自身的魯棒特性，即使在系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化時，也能維持良好的狀態(tài)。

汽車底盤系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)是相互制約和影響的，在此基礎(chǔ)上，通過對汽車底盤系統(tǒng)的力學(xué)分析，能夠明確系統(tǒng)中的各個要素對系統(tǒng)的作用，進(jìn)而判斷出各個要素的相對重要程度，為進(jìn)一步開展汽車底盤系統(tǒng)的分層協(xié)同控制提供依據(jù)。

2.1 汽車懸架系統(tǒng)

當(dāng)車輛在行駛過程中存在側(cè)向的加速時，車輛自身會向側(cè)上方傾斜，不論是縱向加速度還是橫向加速度，都會引起車輛車輪在垂直方向上的偏差，進(jìn)而影響車輛的轉(zhuǎn)向和制動。但是，如果結(jié)構(gòu)的阻尼超過一定的限度，則會使結(jié)構(gòu)變成剛性，從而無法達(dá)到減震的目的。因而，在選用阻尼體系時，必須充分考慮其正常承載能力、位移需求、屈服強(qiáng)度、制動變形、耗能及變形后的恢復(fù)能力等因素。

2.2 汽車制動系統(tǒng)

汽車在利用兩種制動方式后，使車輛在兩種制動方式的共同作用下，并由線性馬達(dá)驅(qū)動。車速和剎車減速改變行車軌跡。在剎車過程中，由于起步時的慣性作用，使車輛產(chǎn)生了“下墜”現(xiàn)象，從而使整車的重心更低，側(cè)向動力學(xué)更強(qiáng)。由于剎車減速的存在，使得汽車在路面上承受了一種豎向荷載，使得汽車的前輪和后輪都受到了不同程度的應(yīng)力，進(jìn)而影響了汽車的懸掛控制性能。研究了變間距傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性，分析了變間距傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性，提出了變間距傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性。另外，在剎車裝置開啟后，由于剎車裝置的制動力過大，剎車裝置的摩擦系數(shù)會增大，使剎車裝置的橫向受力減弱，剎車裝置的反力減弱，剎車裝置的穩(wěn)定性受到很大的影響。只有減震效果好，才能降低車輛的側(cè)滑、轉(zhuǎn)向、晃蕩等，隨著汽車自重的降低，汽車的慣性和制動距離減小，汽車的安全性能提高。在某些情況下，降低風(fēng)阻，可以提高車輛的整體性能，提高車輛的油耗和噪聲。

2.3 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為車輛的一個重要組成部分，在車輛行駛中發(fā)揮著舉足輕重的作用。而作為車輛最基本的部件，它可不僅僅是一塊鋼鐵那么簡單，它還包含了動力、行駛、轉(zhuǎn)向、制動等多個部件，其復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的認(rèn)知。當(dāng)車輛在行駛中，可以轉(zhuǎn)動方向盤，改變輸入的力矩，從而使車輪和地面之間的側(cè)向力發(fā)生變化，這樣，在側(cè)向力的影響下，車輛就會出現(xiàn)側(cè)向加速度，當(dāng)側(cè)向力達(dá)到一定的值后，車輛就會越轉(zhuǎn)越快、越轉(zhuǎn)越省力。然而，由于車身慣性、懸掛質(zhì)量和非懸掛質(zhì)量的耦合關(guān)系為非剛體，當(dāng)受到側(cè)向加速時，車身會產(chǎn)生側(cè)向移動，從而對車輛的懸架控制產(chǎn)生影響。但當(dāng)轉(zhuǎn)向量較大時，則會使輪胎的側(cè)偏角增加，使輪胎的軸向、軸向作用力發(fā)生變化，進(jìn)而對制動系統(tǒng)造成不利的影響。

可見，在車輛行駛過程中，在研究過程中，應(yīng)注意到多個車輛分層系統(tǒng)間的相互關(guān)系，而不應(yīng)單獨(dú)研究某一車輛分層系統(tǒng)間的相互關(guān)系，而忽視其他車輛分層系統(tǒng)間的相互關(guān)系。由于這四大子系統(tǒng)是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，沒有一個系統(tǒng)是獨(dú)立運(yùn)作的，因此，無法對其進(jìn)行單獨(dú)的分析和解釋[1]。

3 汽車底盤系統(tǒng)分層式協(xié)調(diào)控制

在本文，采用了三個控制系統(tǒng)：剎車、半主動懸架和 EPS。三款 EPS系統(tǒng)各有區(qū)別，最大的區(qū)別在于助推器的定位，越是接近最終作用力的地方，對于零部件的精確性、工藝上的需求就越是強(qiáng)烈，而對于操縱器的操控性能就越是出色。汽車在運(yùn)行過程中，往往會出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、制動等故障現(xiàn)象。本次研究的關(guān)鍵是對車輛的制動狀態(tài)、轉(zhuǎn)動狀態(tài)、汽車的各項(xiàng)指標(biāo)等給予特定的控制指令，并將調(diào)節(jié)的角度輸出到三個汽車底盤的分層系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制。當(dāng)進(jìn)行滑動時，將由輪子產(chǎn)生的位移率的必要誤差設(shè)置為0.18，當(dāng)進(jìn)行響應(yīng)時，將產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角速度的變化設(shè)置為當(dāng)前車輛行駛的速度的增加。它不會和原來的汽車控制器連接，而是和引擎控制器、防抱、防盜、車體控制器等獨(dú)立運(yùn)行。配合其他動力控制系統(tǒng)，使汽車的轉(zhuǎn)向輪反應(yīng)迅速，過彎表現(xiàn)優(yōu)異，并能確保汽車在高速行駛中的穩(wěn)定[2]。

3.1 系統(tǒng)狀態(tài)分析

因?yàn)樵谝话愕钠囘\(yùn)行中，轉(zhuǎn)彎和制動是最常見的情況，所以對于速度、角度和重量等參數(shù)，都會有比較詳盡的描述，所以，對這一環(huán)節(jié)的控制是整個控制系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用車輛控制系統(tǒng)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)所有的需求。各個指標(biāo)是對汽車狀態(tài)進(jìn)行控制和顯示的重要因素，所以，本文從制動狀態(tài)、轉(zhuǎn)彎狀態(tài)和各個指標(biāo)的角度，對汽車底盤系統(tǒng)分層式協(xié)調(diào)控制的相關(guān)內(nèi)容展開了分析。綜合控制器在車輛底盤的層次化控制中占有舉足輕重的地位，其控制中，無論采用直接扭矩控制或矢量控制，均需要較高的初始轉(zhuǎn)子位置。具體地說，只要車子進(jìn)入了自動校準(zhǔn)范圍，刻度臺就會啟動，而在此過程中，系統(tǒng)也會根據(jù)需要，自動對各種傳感器進(jìn)行校正，保證儀器的精度。它對汽車半主動懸架系統(tǒng)等系統(tǒng)的控制，主要是利用對輪胎在打滑的過程中所產(chǎn)生的橫擺角速度與位移在響應(yīng)時所產(chǎn)生的角速度增益與俯仰角的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將調(diào)節(jié)后的值傳輸?shù)降妆P系統(tǒng)相應(yīng)的各分層系統(tǒng)中，以達(dá)到對汽車的協(xié)同控制的目的。而在此背景下，多個部件運(yùn)行間存在著強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，這就使得多部件運(yùn)行必須以分布式方式進(jìn)行，配合其他動力控制系統(tǒng)，可確保轉(zhuǎn)向輪反應(yīng)迅速，并有優(yōu)異的過彎表現(xiàn)，并可確保汽車在高速時的穩(wěn)定。此系統(tǒng)可根據(jù)車輛的側(cè)偏角，利用牽引控制及變速器轉(zhuǎn)矩分布，實(shí)現(xiàn)車輛在轉(zhuǎn)彎時的最大轉(zhuǎn)矩分布，以保證車輛在轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定性及抓地力，而非單純依靠局域變量。

3.2 各系統(tǒng)分層式協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在此基礎(chǔ)上，針對各個系統(tǒng)的功能和效果，分別進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。在制動系統(tǒng)中，汽車的滑移率是一個重要因素，考慮到滑移率與輪胎的側(cè)偏角有一定的聯(lián)系，側(cè)偏角越大，滑移率也就越大，因此，應(yīng)該建立滑移率與側(cè)偏角的關(guān)系函數(shù)，這樣才能達(dá)到最小的汽車制動距離。但是，因?yàn)橛锌v向力，所以會使側(cè)向力降低，當(dāng)側(cè)向力降低時，輪胎的側(cè)偏角就會降低，同時還會對車輛的橫向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向響應(yīng)產(chǎn)生不良的影響。所以，在建立滑移速率與側(cè)偏角的關(guān)系函數(shù)時，應(yīng)該對路面狀態(tài)和車輛的行駛狀態(tài)進(jìn)行充分的考慮，同時還要對車輛的制動速度進(jìn)行充分的考慮，根據(jù)路況情況、狀態(tài)變化和制動速度，合理地選擇加速度、行駛速率等相關(guān)變量。在系統(tǒng)總體目標(biāo)的配合下，有條件地對各子系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與調(diào)整，使其在結(jié)構(gòu)與功能上不斷地改進(jìn)，從而使整體系統(tǒng)逐漸地實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的配合。

該控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性，即使在系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化時，也能維持良好的狀態(tài)。然而，當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生較大的變化時，其魯棒性將會變得有限，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的一些性能損失，乃至失穩(wěn)。所以，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時，必須對其快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行控制。

在懸掛系統(tǒng)中，阻尼器的阻尼量是影響懸掛系統(tǒng)性能的一個重要因素。在汽車底盤系統(tǒng)中，懸掛系統(tǒng)的最大功能就是讓汽車的車身動力學(xué)隨車輛運(yùn)行時的載荷的變化而發(fā)生改變，也就是根據(jù)載荷的變化來對車身動力學(xué)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輪胎和地面總是有一定的摩擦。通過調(diào)節(jié)減振器的阻尼量來調(diào)節(jié)車輛的動力學(xué)特性，使得車輛能夠在路面上得到適當(dāng)?shù)闹苿樱瑥亩ＷC車輛能夠在路面上平穩(wěn)運(yùn)行。目前，關(guān)于半主動懸掛系統(tǒng)的控制方法已在國際上得到了廣泛的關(guān)注，并已被廣泛應(yīng)用于各種控制理論，如天花板阻尼控制， PID控制，最優(yōu)控制，自適應(yīng)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，滑?？刂疲：刂频?。目前已有的各種控制理論與技術(shù)在半主動懸架中得到廣泛應(yīng)用，但各有其優(yōu)勢與不足，未來半主動懸架的發(fā)展趨勢將是綜合利用各種控制技術(shù)。

在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面，要充分考慮到它與剎車系統(tǒng)的約束作用，避免車輛發(fā)生側(cè)翻，改善車輛的操縱性能，針對汽車懸掛系統(tǒng)存在的問題，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車懸掛控制方法。從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)的關(guān)系式可以看出：

式中，為性能指標(biāo)，值設(shè)定為0.65，J2值設(shè)定為0.35，為橫擺角速度增益，即響應(yīng)方差，為滑移速率方差。當(dāng)J值大于0時，受制動影響地面對汽車的側(cè)向附著力減小，汽車轉(zhuǎn)向響應(yīng)也減??；當(dāng)值小于0時，受縱向垂直荷載影響，輪胎側(cè)偏角減小，汽車產(chǎn)生轉(zhuǎn)向趨勢，但汽車轉(zhuǎn)向力與地面?zhèn)认蚋街Χ际钦５?，?J>0時，車輛在剎車作用下的橫向附著減小，使車輛的轉(zhuǎn)向響應(yīng)隨之減小。增加的制動力是由車輛剎車管路中的壓力變化而產(chǎn)生的，在 J<0時，地面附著力的側(cè)向力是正常的，而車輛的轉(zhuǎn)向力也是正常的，但因?yàn)榭v向垂直載荷對輪胎側(cè)偏角的影響，車輛將有轉(zhuǎn)向傾向。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型的汽車轉(zhuǎn)向控制方法?？刂频年P(guān)系是：車速越快，在單位時間內(nèi)，輪胎的轉(zhuǎn)速就越高，這時，地面的摩擦和溫度上升的速度要大于單位輪胎的速度，同時，輪胎外的向心力也更大。經(jīng)這樣設(shè)計(jì)后，汽車底盤系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)分層式協(xié)調(diào)控制。

在此基礎(chǔ)上，論文采用了三個主要的控制策略：防抱死剎車、半主動懸掛和 EPS。汽車在運(yùn)行過程中，往往會出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、制動等故障現(xiàn)象。本項(xiàng)目擬通過對汽車制動狀態(tài)、轉(zhuǎn)向狀態(tài)、汽車各項(xiàng)性能等的分析，當(dāng)進(jìn)行滑動時，將由車輪產(chǎn)生的位移率的期望的誤差設(shè)置為0.18，而當(dāng)此響應(yīng)時，將產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角速度的變化設(shè)置為當(dāng)前汽車行駛的速度下的角速度的增益。針對上述問題，本課題將 LQ （Liquid-quadratic， LQ）控制理論與 LQ線性二次型控制理論相結(jié)合，以 LQ控制理論與 LQ線性二次型控制理論為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)車輛懸架的最優(yōu)控制。將 LQ （Liquid-Quadratic）控制方法引入到汽車懸架系統(tǒng)中，利用 LQ （Liquid-Quadratic）控制方法對汽車懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并將 LQ （Liquid-Quadratic）控制方法引入到汽車懸架系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)車輛的優(yōu)化控制[3]。

3.2.2 車輛底盤體系層次結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)

對于剎車系統(tǒng)來說，本文的研究重點(diǎn)是對剎車系統(tǒng)的最優(yōu)滑移的選取。滑移率與輪胎的側(cè)偏角有關(guān)，隨著輪胎的側(cè)偏角增大，滑移率也隨之增大，因此，在控制時，要建立滑移率與側(cè)偏角的關(guān)系，并建立相應(yīng)的函數(shù)曲線，才能保證汽車在運(yùn)行時，能夠得到最短的制動距離。但是，由于有縱向力，會影響到側(cè)向力，使其降低，同時，也會降低輪胎的側(cè)偏角，從而在確保剎車性能的同時，降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向響應(yīng)，降低了系統(tǒng)的橫向穩(wěn)定性?；扑俾逝c側(cè)傾角之間的關(guān)系為：當(dāng)所有參數(shù)為α?xí)r，滑移速率都有一個峰值，峰值隨α的降低而增加。通過這種方式，汽車的側(cè)向滑動將會減少，操縱更好，抖動更小，平衡和穩(wěn)定也會減少。在汽車的傳動系中，變速器上的擋數(shù)愈多，則引擎愈趨符合最佳運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，也就愈能達(dá)到最佳的燃料利用率。在同等條件下，隨著汽車質(zhì)量的減輕，汽車的慣性減小，制動距離縮短，從而提高了汽車的安全性能[4]。

在兩個條件下，“和”的取值應(yīng)根據(jù)路面狀況和行車狀況的變化來確定。它是根據(jù)汽車制動時的車速來計(jì)算的。因此，如何準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，就成了整車控制系統(tǒng)的重要組成部分。

在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，考慮了剎車系統(tǒng)的作用，使得被控系統(tǒng)的輸出能夠滿足要求，例如超調(diào)量，調(diào)整時間，峰值時間等。綜合分析了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與制動系統(tǒng)的影響，并協(xié)調(diào)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制指令，調(diào)整了轉(zhuǎn)向的助力和制動力矩，從而實(shí)現(xiàn)了整體汽車的性能優(yōu)化。對于速度，角度，重量等參數(shù)的精確設(shè)定，使其成為整個汽車控制系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是，在車輛轉(zhuǎn)彎時，因車輛本身的慣性會使車輛的重心向前傾斜，從而導(dǎo)致車輛在轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)向不足。通過這種方法，可以對車輛進(jìn)行橫向轉(zhuǎn)向，從而達(dá)到對車輛橫向轉(zhuǎn)向的目的。

對于懸架系統(tǒng)而言，它的作用就是讓汽車的車身動力能夠隨著汽車載荷的變化而變化，還可以通過改變行駛模式來調(diào)節(jié)車輛的高度，進(jìn)而提升車輛的通過性，或者降低重心。確保輪胎和地面有足夠的摩擦。通常，通過對懸掛系統(tǒng)中的減振器的阻尼力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使車輛在路面上可以得到比較穩(wěn)定的制動，從而幫助車輛的底盤系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在汽車的傳動系中，變速器上的擋數(shù)愈多，則引擎愈趨符合最佳運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，也就愈能達(dá)到最佳的燃料利用率[5]。

4 結(jié)語

總結(jié)來說，以汽車底盤系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的關(guān)系為基礎(chǔ)，對底盤系統(tǒng)展開分層式協(xié)調(diào)控制，從而使汽車擁有一流的綜合性能，在轉(zhuǎn)彎時的響應(yīng)變得更加精準(zhǔn)，在高速行駛和惡劣天氣下變得更加穩(wěn)定。能夠有效地改善汽車制動、轉(zhuǎn)動之間的矛盾，提高汽車的行駛平順性、控制協(xié)調(diào)性與轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性，提升汽車的整體綜合性能，增加汽車的行駛安全性，提高汽車的操控性，從而確保汽車在行駛過程中的舒適性和安全性。

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