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1、汽车主动前轮转向与防抱死制动系统集成控制研究?设计?计算?研究?汽车主动前轮转向与防抱死制动系统集成控制研究郭建华李静李幼德(吉林大学)【摘要】以车辆动力学软件Carsim和Matlab/Simulink为平台,分别建立了基于滑模变结构控制的主动前轮转向(AFS)和滑移率门限控制的防抱死制动系统(ABS)控制器模型,并将2种控制系统进行了集成,建立了联合仿真模型.仿真结果表明,在分离路面紧急制动工况下,通过将AFS与ABS进行集成控制,能够进一步提高ABS的制动效能,在保持车辆制动稳定性的同时缩短了制动距离.主题词:主动前轮转向防抱死制动系统集成控制中图分类号:U461.3文献标识码:A文章编
2、号:10003703(2007)11000405ResearchonIntegratedControlofActiveFrontSteeringandAnti-LockBrakingSystemGuoJianhua,LiJing,LiYoude(JilinUniversity)【AbstractAsimulationmodeloftheintegrateddynamiccontrolsystemofactivefrontsteering(AFS)andantilockbrakingsystem(ABS)issetupusingcarsimandmatlab/simulink.Simulatio
3、nhasbeendoneinregardtotheAFSwiththesliding-modelcontrolandtheABSwiththeslipratethresholdcontro1.ThesimulationresultsindicatethattheintegratedcontrolschemeCanimproveABSperformancewhenthevehicleisurgentlybrakingoni-splitroad,theintegratedcontrolsystemCankeepthevehiclestableandshortenthebrakingdistance
4、simultaneously.Keywords:Activefrontsteering,ABS,Integratedcontrol1前言票嚣要汽车在道路上行驶时常会出现驾驶员不能预轮胎胎压偏低,或爆胎等,都会导致车辆突然横摆基金项目:中国博士后科学基金(2004036396):-豢(e)车身一阶扭转(f)车身Z向一阶弯曲一,0(g)转向柱垂向一阶弯曲(h)转向柱Y向一阶弯曲图7分析振型6结束语在低频范围内修正后的模型分析结果与试验模态分析相比,误差小于15%,说明该模型具有很高4的分析精度,验证了车身各子系统复杂连接关系的力学模拟简化方法的正确性.参考文献lHeylenW,eta1.模态分析理
5、论与试验.北京:北京理工大学出版社,2001.2靳晓雄,张立军.汽车噪声的预测与控制.上海:同济大学出版社,20o4.3DascotteELinkingFeawithTest.Belgium:DynamicDesignSolution.NV.Leuven.20o44ZanariniA,eta1.AConnectionStiffnessOptimizationProceduretoUpdateFiniteElementModelsofAssembledStructures.Pr-oceedingsofIsma2002-VolumeIII_(责任编辑学林)修改稿收到日期为2007年7月2日.汽车技
6、术?设计?计算?研究?并且失控.根据资料统计,车辆因丧失方向稳定性引起的交通事故占总数的38%以上l】J.为了提高汽车的行驶安全性,各种汽车主动安全控制系统不断出现,如可以通过电子稳定控制程序来改善车辆在极限工况下的稳定性.同样,主动转向2.3也可以达到同样的目的,并且由于主动转向可以更直接,更迅速地对车辆运动进行干预和控制,有工作能量小,轮胎磨损小等优点.将多种主动安全控制系统集成起来进行底盘综合控制是汽车学科重要的研究领域之一.本文以车辆动力学仿真软件Carsim和Matlab/Simulink为平台,分别建立了基于滑模变结构控制的主动前轮转向(AFS)和基于滑移率门限的防抱死控制系统(A
7、BS)的控制器,并将这两种控制系统进行了集成.在分离路面上紧急制动工况下,通过将AFS与ABS进行联合控制,进一步提高ABS的制动效能,在保持车辆制动稳定性的同时缩短了制动距离,提高了车辆的操纵性能.2主动前轮转向原理与仿真平台简介2.1主动前轮转向原理本文以一种机械式的叠加主动转向系统为研究对象,其原理如图1所示.传统的车辆转向系统有一个固定的转向传动比,而采用主动式叠加转向的车辆,可以在驾驶员给定的转向角之外,再额外给定一个较小的叠加转向角A6.其工作原理是:车辆控制器根据传感器信号(车速,横摆角速度y和转向盘转角m),按照预先编制的控制逻辑设定A6r的目标值,并通过执行器将A6叠加到前轮
8、转向角上.即主动前轮转向系统能够根据车辆的运行状态和驾驶员意图,通过对前轮转向角进行适当修正以达到提高车辆行驶稳定性的目的.图1机械式叠加主动转向原理示意2.2车辆仿真平台简介采用车辆动力学软件Carsim(试用版)作为车辆系统仿真平台,并使用Matlab/Simulink软件建立2007年第11期控制器模型,进行联合仿真.Carsim软件是MSC公司开发的专门为轿车,轻型货车和多功能车辆的仿真分析而设计的软件.用户可在图形操作界面中进行车辆系统参数和仿真参数的设置.Carsim软件具有良好的可扩展性,它通过S函数实现了与Matlab/Simulink软件的无缝连接.用户可以在Simulink
9、中建立控制器模型,控制Carsim的车辆模型进行联合仿真,其仿真实时性好,车辆模型精确,得到的仿真结果更真实有效.3控制系统设计3.1主动前轮转向控制器设计本文设计的主动前轮转向控制器是一种基于模型参考自适应的滑模变结构控制器.该控制器将2自由度模型作为参考模型计算出车辆理想的横摆角速度y,然后根据车辆实际横摆角速度与理想值之间的差值e作为滑模变结构控制器的输入,控制器的输出为AFS调节的转向角.当车辆在小车轮转角状态下以恒定速度行驶时,轮胎处于线形区,2自由度模型可由下式表示:Jy=n】y+nl2+6】(1)l=(Vy+c+62f其中,=:bl=一(G:Cr)6:式中,分别为车辆质心的纵向速
10、度和横向速度;V为车辆质心的横向加速度;其它参数意义及数值见表1所列.如果令【J=0,可以解得稳态横摆角速度y与前轮转角之间的关系,即a磊V,lCfCrr(2)式中,y为理想横摆角速度;Z为轴距,l=lr+lf.由于路面状况和车辆参数的不断变化,为了提?设计?计算?研究?高系统稳定性,本文采用滑模变结构控制进行AFS控制器设计.滑模变结构控制的基本思想是在状态空间选择适当的滑模面,并通过反馈控制使系统误差达到并稳定在滑模面上.滑模变结构控制对外界扰动和系统非线性具有很好的适应性.表1主要仿真参数参数1数值横摆转动惯量/kgm3O65质心距前轴距离If/m1.0l4质心距后轴距离Z/m1.676
11、前轮侧偏刚度Cf/N?rad62521后轮侧偏刚度G/N.rad一-39081转向盘传动比16轮胎半径R/m0.3最佳滑移率低门限A.0.1最佳滑移率高门限A.0.15选取控制误差量为实际横摆角速度与理想值之差,即ed对上式求导得=一a控制目标是找到控制规律使得实际横摆角速度7在理想横摆角速度a附近变化,选取滑模面3e=0,在滑动模态下其控制方程为:=一As或y-yd=-A(y-yd)(3)式中,A为正常数.将式(3)代人式(1)的第2个状态方程,得滑动模态下连续控制规律为:0,21VY+a22y+b2f一d=一A(d)即滑动超平面”i为:“=r=一1Vy一+dA(d)】(4)当系统状态在滑动
12、超平面之外时,需要加入监督控制以保证系统状态能够达到滑动超平面,即“=“i,一ksgn(s)(5)式中,k为控制常数,该常数决定了状态变量到达滑模面的速度,该常数必须足够大以满足滑模条件:1ds2:s一田lsl(6)每一田llLo)式中,为正常数.得最终控制率为:f=1一Vy-oy+dA(d)一ksgn(s)6(7)为了防止滑模控制系统抖振,用sat函数代替sgn函数,即:1f=1=_一!一.+dA(d)】一ksat0/8)(8)其中,fff1()I()II>1sgn【LlI>式中,为边界层厚度.最终,AFS控制器的输出应为f=t5f一fd.3.2防抱死控制系统控制器设计ABS的工
13、作原理是,在车辆制动时,通过控制制动力矩调节车轮转速,使车轮滑移率A保持在最佳滑移率A.附近.此时,车轮与地面间的附着系数较大,车辆在制动时获得的地面制动力也较大,从而缩短了制动距离.同时,车轮不抱死还可以使车辆不丧失转向能力,使车辆在紧急制动时能够躲避障碍物.目前,大多采用基于门限值控制的防抱死控制算法.为了简便,本文采用简单的基于滑移率门限值的控制方法.在制动工况下,定义滑移率为:A:v-/to(9)各车轮控制规律为:f增压0AA0LPb=保压A0I.<A<A0H(10)【减压A0HA1式中,Pb为制动压力;为车轮中心速度.3.3集成控制原理与控制算法ABS按控制通道可分为4通
14、道(各轮独立控制),3通道(前轮独立,后轮低选控制)以及双通道系统等.对于4通道系统,由于各轮单独控制,充分利用了各轮的地面制动力,因此制动距离最短;但采用这种控制方式在分离路面上制动时,会产生突然的横摆力矩使车辆失稳.因此,传统的ABS一般采用3通道或双通道系统,很少采用4通道系统1.AFS+ABS联合控制系统原理如图2所示4,图中,COG为汽车质心位置,R和分别为前,后车轮的纵向力,为前车轮侧向力.当车辆加入AFS后,可以借助主动转向系统使前轮向低附着一侧转向,从而高附着一侧的前轮赢得侧向力(方向指向低附着一侧),这样车辆便可以获得额外的转向力矩以平衡制动产生的横摆力矩帆.因此,对于采用汽
15、车技术?设计?计算?研究?AFS的车辆,其ABS可采用各轮独立控制的4通道系统,这样不仅充分利用地面制动力缩短r制动距离,还可防止车辆出现突然的横摆失稳.图2AFS+ABS联合控制系统原理不意在分离路面直线制动工况下,本文采用基于逻辑门限值的集成控制算法,简述如下:a.根据制动踏板信号判断车辆是否进行制动,在非制动状态下仅AFS系统工作,辅助驾驶员稳定车辆.b.在制动工况下,如果一个前轮的轮速分离明显高于另一轮,表明左,右两侧路面附着系数不等,即处于分离路面.此时,采用AFS+ABS集成控制模式,对车辆进行控制.c.集成控制器判断车辆横摆角速度是否超过门限值并判断AFS叠加转向角r是否超过门限
16、值(AFS最大控制角).当h且fh时,采用AFS+ABS各轮独立控制模式;当Y>Yh且fh时,采用AFS+ABS前轮独立,后轮低选控制模式;当f>t8h时,AFS退出控制,仅采用ABS前轮独立,后轮低选控制模式.4联合系统仿真分析本文采用Matlab/Simulink软件建立的AFS和ABS数学模型,分别建立了AFS和ABS的控制器,然后在Simulink中调用Carsim提供的车辆动力学仿真模块(S函数形式)进行联合仿真,仿真模型如图3所示.仿真工况为分离路面车辆直线紧急制动;路面选为分离路面,左,右两侧的附着系数分别为0.2和0.5;驾驶员模型为,车辆行驶路线为直线,驾驶员反应
17、时间为0.5s;初始车速为90km/h.分别选择了4种典型配置的车辆进行仿真:AFS+ABS各轮独立控制;AFS+ABS前轮独立,后轮低选控制;无AFS+ABS前轮独立,后轮低选控制;无AFS+ABS各轮独立控制.使用Carsim软件中三维动画回放工具进行的4种不同配置车辆的视景仿真结果如图4所示.从2007年第11期图中可以看出,没有采用AFS的4通道ABS车辆,在分离路面紧急制动工况下,车辆冲出了车道,完全失去_r稳定性,尽管制动距离较短,但在这种工况下,由于车辆会在瞬问发生横摆失稳,驾驶员没有时间反应,车辆就冲出了车道,很容易酿成交通事故;同样,无AFS的3通道ABS车辆虽然没有冲出车道
18、,但仍然发生了很大的横摆失稳,这是由于前轮采用了独立控制,仍然会产生很大的横摆力矩,而在分离路面高速制动工况下,驾驶员也可能来不及对车辆进行控制,仍然很容易发生交通事故;而采用AFS时,无论是采用3通道的ABS还是采用4通道的ABS,车辆都基本沿着直线行驶(图5),其中,采用4通道ABS的车辆(制动距离为105Il1)比采用3通道ABS的车辆(制动距离为120Hi)制动距离缩短了12.5%.由此表明,本文所设计的AFS与4通道ABS联合控制系统能够在保持车辆制动稳定性的前提下,提高ABS的制动效能,大幅缩短制动距离.AFS子系统模型图3ABS与AFS系统仿真模型无AFS+ABS.各轮独立控制A
19、FSABS前轮独后轮低选控制AFS+ABS各轮独立控AFs+ABS轮独立后低选控制图44种典型配置车辆的视景仿真结果纵向位移/m暑潍_叵图5车辆行驶轨迹1O罐m博加?设计?计算?研究?AFS和4通道ABS联合控制的车辆前轮转角曲线如图6所示.从图中可以看出,AFS可根据车辆行驶状态和驾驶员意图自动调节前轮转角,保持车辆的稳定性.;5_0时间/图6AFS+ABS各轮独立控制的车辆前轮转角上述工况下车速和轮速变化曲线如图7所示.从图中可以看出,所有车轮都没有抱死,没有抱死的前轮能够提供足够的侧向力,使AFS能够发挥作用.器101t51005z0杂_05器一l01?52.02?53.0一左前轮地面制
20、动力:.-左后轮地面制动力:?右前轮地面制动力:._右后轮地面制动力:左前轮地面制动力:.-左后轮地面制动力:“右前轮地面制动力:?右后轮地面制动力:轮选速控制轮选速控制轮选速控制轮选速控制图8第1种配置和第2种配置车辆的地面制动力5结束语a.设计了一种滑模变结构控制的主动前轮转向系统,并与ABS进行了联合控制,建立了Carsim与Matlab/Simulink联合仿真模型,进行了车辆系统动力学仿真.一8一表2不同配置车辆的地面平均制动力N平均地面制动力车轮AFS+ABS前轮独立,AFS+ABS各轮后轮低选控制独立控制左前888.3890.5右前2371_82309.6左后489.5494.3
21、右后547.31266.6合计4296.94961.0b.在分离路面紧急制动工况下,采用AFS与4通道ABS的车辆不仅保持了制动时的稳定性,而且制动距离更短,体现了本文设计的集成控制系统的优越性.参考文献1司利增.汽车防滑控制系统一ABS与ASR.北京:人民交通大学出版社,1995.2KlierW,ReineltW.ActiveFrontSteering(Part1):Maemat.icalmodelingandParameterEstimation.SAEPaper,2004.3ReinehW,KlierW.ActiveFrontSteering(Part2):SafetyandFuncti
22、onality.SAEPaper,2004.4雷晓峰.主动转向系统在提升汽车性能方面的创新.上海汽车,2005(8).5HeJJ,CrollaDA.IntegrateActiveSefingandVariableTorqueDistributionControlforImprovingVehicleHandlingandSta-bility.SAEPaper,2004.6喻凡,林逸.汽车系统动力学.北京:机械工业出版社,2005.7蒋励,余卓平,高晓杰.宝马主动转向技术概述.汽车技术,2006(4).(责任编辑学林)修改稿收到日期为2007年6月16日.汽车技术后后后后立立立立制制制制独独独独控控控控轮轮轮轮立立立立前前前前独独独独