汽車急轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性控制策略探討

王翠?葉智彪?吳炳理

摘 要：本文對汽車轉(zhuǎn)向行駛狀態(tài)進行分析，提出相關(guān)的控制策略，來防止汽車急轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生橫擺側(cè)滑現(xiàn)象，保持車輛的橫向穩(wěn)定性，減少道路交通事故的發(fā)生。

關(guān)鍵字：汽車急轉(zhuǎn)向；橫向穩(wěn)定性；控制策略

1 引言

隨著高速公路的發(fā)展和汽車技術(shù)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(jù)有關(guān)部門調(diào)查顯示，在這各種各樣的交通事故中，影響道路交通事故發(fā)生的因素眾多，特別是車輛在高速下失去穩(wěn)定性也成為了引起的事故發(fā)生的主要影響因素之一。當車輛在高速轉(zhuǎn)彎行駛過程中，輪胎必須提供足夠的縱向力和側(cè)向力來保證和實現(xiàn)預(yù)定的轉(zhuǎn)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(wěn)定的行駛狀態(tài)時，駕駛員一般主要是通過感知車輛的狀態(tài)變量，通過對方向盤的調(diào)整，使車輛維持在穩(wěn)定行駛狀態(tài)。但當車輛在高速轉(zhuǎn)彎等危險工況下行駛時，駕駛員很難根據(jù)所感知的車輛狀態(tài)變量來進行正確的轉(zhuǎn)向調(diào)整。而如果在轉(zhuǎn)彎過程中施加制動，車輪容易抱死，車輛極易失去穩(wěn)定性。基于以上的情況有必要對汽車高速彎道橫向穩(wěn)定性動力學控制進行研究。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，國內(nèi)外有部分學者對于車輛動力學穩(wěn)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(xiàn)代的VSM，保時捷的PSM等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以在驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動時防止車輪滑轉(zhuǎn)，提高車輪的驅(qū)動能力，保持車輛的操縱性和穩(wěn)定性，但是，這種系統(tǒng)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(nèi)，最近先進制造領(lǐng)域863課題“汽車電子穩(wěn)定程序（ESP）微傳感器及系統(tǒng)”項目宣布取得成果，研發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車用ESP儀器系統(tǒng)。這個系統(tǒng)只是剛剛研發(fā)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(wěn)定性的研究目前還不多，特別是對于不同路面附著系數(shù)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(wěn)定性控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，車輛的橫向穩(wěn)定性受車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)、行駛速度、路面附著系數(shù)和轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)角等眾多因素影響，是一個非線性問題，致使運用經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論來控制顯得十分復(fù)雜，而且很難達到預(yù)期效果。

目前，車輛穩(wěn)定性控制方法有邏輯門限控制、PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊PID控制等。邏輯門限控制、PID控制本質(zhì)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(shù)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(tǒng)進行實時控制。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制雖然其本質(zhì)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(huán)境下的決策行為，從經(jīng)驗中自動產(chǎn)生規(guī)則，對數(shù)學模型的依賴性弱。

實際的汽車模型是很復(fù)雜的，是不能單用數(shù)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(cè)偏角為控制變量對系統(tǒng)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(guān)控制參數(shù)及狀態(tài)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(shù)進行確定。

4 控制策略的提出

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

在對車輛進行動力學分析的基礎(chǔ)上，考慮到實際車輛的橫向穩(wěn)定性系統(tǒng)控制有很強的非線性，建立相應(yīng)汽車動力學模型；再根據(jù)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(tài)下的運行工況參數(shù)；接著根據(jù)車輛實際運行狀態(tài)與車輛理想運行狀態(tài)的誤差反饋，設(shè)計一種可以對車輪施加制動力來實現(xiàn)對汽車橫擺運動的調(diào)節(jié)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(tǒng)的汽車與在ABS系統(tǒng)基礎(chǔ)上加裝穩(wěn)定性控制器的系統(tǒng)，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(yōu)勢。

本策略的主要研究工作和內(nèi)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(tǒng)模型、驅(qū)動系統(tǒng)模型等。為本策略的研究提供了正確的汽車動力學系統(tǒng)模型。

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

（3）設(shè)計參數(shù)自適應(yīng)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(jié)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(tǒng)模型在不同路面系數(shù)、不同轉(zhuǎn)向角輸入工況下進行仿真研究。

5 結(jié)語

分析目前研究中的不足，提出了汽車高速急轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性控制策略，防止汽車急轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生橫擺側(cè)滑現(xiàn)象，使我國汽車橫向穩(wěn)定性的控制得到提高，形成自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車電子控制技術(shù)，使目前的汽車向智能型車輛發(fā)展，減少道路交通事故的發(fā)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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