汽車急轉向穩定性控制策略探討

王翠?葉智彪?吳炳理

摘 要：本文對汽車轉向行駛狀態進行分析，提出相關的控制策略，來防止汽車急轉向時產生橫擺側滑現象，保持車輛的橫向穩定性，減少道路交通事故的發生。

關鍵字：汽車急轉向；橫向穩定性；控制策略

1 引言

隨著高速公路的發展和汽車技術的進步，汽車的車速在不斷提高，隨之而來的交通安全問題成為一個社會性的問題。根據有關部門調查顯示，在這各種各樣的交通事故中，影響道路交通事故發生的因素眾多，特別是車輛在高速下失去穩定性也成為了引起的事故發生的主要影響因素之一。當車輛在高速轉彎行駛過程中，輪胎必須提供足夠的縱向力和側向力來保證和實現預定的轉彎軌跡。在實際駕駛操作中，當車輛處于高附著、低速等比較穩定的行駛狀態時，駕駛員一般主要是通過感知車輛的狀態變量，通過對方向盤的調整，使車輛維持在穩定行駛狀態。但當車輛在高速轉彎等危險工況下行駛時，駕駛員很難根據所感知的車輛狀態變量來進行正確的轉向調整。而如果在轉彎過程中施加制動，車輪容易抱死，車輛極易失去穩定性。基于以上的情況有必要對汽車高速彎道橫向穩定性動力學控制進行研究。

2 國內外現狀

隨著汽車工業的高速發展，國內外有部分學者對于車輛動力學穩定性控制進行了初步的研究。在國外，從ABS到TCS，從TCS到后來的ASR、DSC，再到VSC，這些都是研究人員為滿足人們的需求而做的一系列改進。BOSCH的DSC，豐田的VSC，BMW的DSC，通用的ESC，本田的VSA，現代的VSM，保時捷的PSM等系統，這些系統可以在驅動車輪轉動時防止車輪滑轉，提高車輪的驅動能力，保持車輛的操縱性和穩定性，但是，這種系統只改善了車輛普通工況下的車輛性能，對于極限工況下的車輛的控制則效果不佳。在國內，最近先進制造領域863課題“汽車電子穩定程序（ESP）微傳感器及系統”項目宣布取得成果，研發出了具有自主知識產權的汽車用ESP儀器系統。這個系統只是剛剛研發出來的階段，其性能與可靠性還有待得到實車實驗驗證。而對于車輛在極限工況下的汽車橫向穩定性的研究目前還不多，特別是對于不同路面附著系數下的車輛在高速彎道上的行駛。

3 控制策略的探討

由于汽車動力學穩定性控制系統是一個復雜的系統，車輛的橫向穩定性受車輛結構參數、行駛速度、路面附著系數和轉向盤輸入轉角等眾多因素影響，是一個非線性問題，致使運用經典控制和現代控制理論來控制顯得十分復雜，而且很難達到預期效果。

目前，車輛穩定性控制方法有邏輯門限控制、PID控制、模糊控制、神經網絡控制和模糊PID控制等。邏輯門限控制、PID控制本質上屬于線性控制，對于汽車動力學這個具有很強非線性的對象來說，控制效果具有先天的不足，一旦參數確定，控制邏輯就會被固定下來，就不能對汽車這種強烈的非線性系統進行實時控制。模糊控制、神經網絡控制雖然其本質上是非線性的，且具有一定的智能性，但是其以模仿人在不確定性環境下的決策行為，從經驗中自動產生規則，對數學模型的依賴性弱。

實際的汽車模型是很復雜的，是不能單用數學模型表達的。以往的研究一般將汽車動力學模型線性化為二自由度模型，以橫擺角速度和側偏角為控制變量對系統進行控制，在理論上可以取得良好的控制效果，但是，這種理想化的汽車模型是不存在的。為了獲得汽車模型中所需要的相關控制參數及狀態變量，需要對模型本身進行精確的了解，需要準確地對模型本身的參數進行確定。

4 控制策略的提出

通過對現有的汽車穩定性控制系統進行分析，得出目前汽車市場上的穩定性控制系統在高速、低附著系數等極限工況下存在的不足出發，提出下列策略：

在對車輛進行動力學分析的基礎上，考慮到實際車輛的橫向穩定性系統控制有很強的非線性，建立相應汽車動力學模型；再根據車輛輸入的信號判定駕駛員對車輛的駕駛意圖，計算出車輛在理想狀態下的運行工況參數；接著根據車輛實際運行狀態與車輛理想運行狀態的誤差反饋，設計一種可以對車輪施加制動力來實現對汽車橫擺運動的調節的橫擺力矩控制器；最后，利用計算機仿真，針對這些特殊工況，將僅安裝ABS系統的汽車與在ABS系統基礎上加裝穩定性控制器的系統，進行仿真對比分析，從而得出本控制方法在目前市場的存在的優勢。

本策略的主要研究工作和內容有：

（1）分析汽車動力學特性，建立汽車動力學模型，其中包括整車模型、輪胎模型、制動系統模型、驅動系統模型等。為本策略的研究提供了正確的汽車動力學系統模型。

（2）分析汽車在高速轉彎工況下的變化規律，判斷汽車失穩的原因，建立理想狀態下的車輛參考模型，對影響車輛穩定性行駛的參數變量進行分析和研究，為整個汽車橫向穩定性控制系統打下了理論基礎。

（3）設計參數自適應模糊PID控制的模糊PID控制器，將參考的名義橫擺角速度與實際橫擺角速度之間的差值和差值的變化率作為控制器的輸入變量，附加的橫擺力偶矩作為輸出變量。

（4）結合所建立的汽車動力學模型，將模糊PID控制器仿真模型加入其中，并把此系統模型在不同路面系數、不同轉向角輸入工況下進行仿真研究。

5 結語

分析目前研究中的不足，提出了汽車高速急轉向穩定性控制策略，防止汽車急轉向時產生橫擺側滑現象，使我國汽車橫向穩定性的控制得到提高，形成自主知識產權的汽車電子控制技術，使目前的汽車向智能型車輛發展，減少道路交通事故的發生，并通過此控制策略的研究，對汽車的其他性能控制起到借鑒作用。

參考文獻

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