淺談汽車底盤系統(tǒng)分層式協(xié)調(diào)控制

陳卿杰

摘 要：汽車底盤系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有非線性的特點(diǎn)。在汽車的行駛過程中，這些子系統(tǒng)之間既存在一定的聯(lián)系，又在功能上起著相互制約的作用。針對(duì)單獨(dú)的系統(tǒng)進(jìn)行研究，不能夠有效的提高系統(tǒng)的整個(gè)性能要求，因此本文就針對(duì)與汽車行駛與平順有關(guān)的懸架系統(tǒng)、與汽車的操作穩(wěn)定性有關(guān)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和與汽車行駛安全性有關(guān)的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出對(duì)汽車底盤系統(tǒng)的分層式協(xié)調(diào)控制。

【關(guān)鍵詞】汽車底盤 分層式 協(xié)調(diào)控制

1 底盤各系統(tǒng)之間的動(dòng)力耦合關(guān)系

底盤各控制系統(tǒng)之間既存在相互影響的關(guān)系，又存在這相互制約的關(guān)系，研究底盤系統(tǒng)的分層式協(xié)調(diào)控制就需要對(duì)分析底盤系統(tǒng)與車輛力學(xué)之間的關(guān)系。

對(duì)于汽車的懸架系統(tǒng)來說，在路面的作用下，會(huì)引起汽車在垂直方向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)汽車在行駛的過程中存在縱向加速度時(shí)，汽車會(huì)沿著前方運(yùn)動(dòng)的方向，形成縱向俯沖的趨勢(shì)。假如說當(dāng)汽車在行駛的過程中存在側(cè)向的加速時(shí)，汽車自身就會(huì)向側(cè)向上傾斜，不管是縱向加速度還是側(cè)向加速度，都會(huì)引起汽車車輪在垂直方向上產(chǎn)生位移，這樣就會(huì)影響汽車在轉(zhuǎn)向和在制動(dòng)上的效果。

對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)來說，地面制動(dòng)和制動(dòng)器的制動(dòng)力同時(shí)對(duì)汽車產(chǎn)生制動(dòng)，汽車在這兩種制動(dòng)力的作用下，車速、制動(dòng)減速度的大小會(huì)不斷地發(fā)生變化。當(dāng)汽車在制動(dòng)的過程中，由于開始汽車運(yùn)行的慣性的作用，汽車會(huì)產(chǎn)生俯沖運(yùn)動(dòng)，在制動(dòng)減速度的作用下，汽車會(huì)對(duì)地面產(chǎn)生垂直的荷載，使汽車的前后輪胎改變受力作用，從而影響到懸架系統(tǒng)的控制。而且當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力較大，輪胎的摩擦力就會(huì)接近一個(gè)極限值，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的側(cè)向力變小，地面的回正力矩也會(huì)隨之變小，這樣就制約著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來說，汽車在行駛的過程中通過控制方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，改變輸入的轉(zhuǎn)矩，從而改變輪胎與地面之間的側(cè)向力，這樣汽車在側(cè)向力的作用下就會(huì)產(chǎn)生側(cè)向加速度，但是車身慣性、懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量之間的連接屬于非剛性的，就會(huì)在側(cè)向加速度的作用下，發(fā)生側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，從而影響到懸架系統(tǒng)的控制。同時(shí)方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)如果太大，輪胎的側(cè)偏角也會(huì)隨之變大，這樣輪胎的縱向力和側(cè)向力都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這樣就會(huì)影響制動(dòng)系統(tǒng)的控制。

由此可知，在汽車的行駛過程中，垂直荷載、制動(dòng)減速度、俯沖角、側(cè)傾角、車身慣性等這些在汽車中經(jīng)常遇見的問題，會(huì)在三個(gè)系統(tǒng)中起到相互作用、相互制約的影響。因此在對(duì)汽車進(jìn)行分層式協(xié)調(diào)控制時(shí)，要將這三個(gè)系統(tǒng)集成在一起進(jìn)行有效的控制。

2 汽車底盤系統(tǒng)分層式協(xié)調(diào)控制

在本次的研究中采用的三個(gè)系統(tǒng)為：防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、半主動(dòng)懸架系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。汽車在行駛的過程中進(jìn)行轉(zhuǎn)彎或者是制動(dòng)都是汽車正常運(yùn)行條件下的一種常見工況。本次研究主要就是對(duì)車輛的制動(dòng)狀態(tài)、轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)、汽車的各項(xiàng)指標(biāo)等給出具體的控制指令，其中集成控制器主要是根據(jù)車輪在進(jìn)行滑動(dòng)的過程中產(chǎn)生的位移、橫擺角速度的在響應(yīng)過程中產(chǎn)生的方差和車身在俯沖運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的俯仰角的大小進(jìn)行調(diào)整，讓后將調(diào)整的角度輸出給三個(gè)汽車底盤的分層系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制。其中車輪在進(jìn)行滑動(dòng)的過程中產(chǎn)生的位移率的期望誤差選擇為0.18，橫擺角速度的在響應(yīng)過程中產(chǎn)生的方差就是在當(dāng)前汽車行駛的車速下角速度的增益。

對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)來說，主要是對(duì)汽車的滑動(dòng)位移的速率進(jìn)行最優(yōu)選取。滑移速率與輪胎的側(cè)偏角之間存在著一定的關(guān)系，輪胎的側(cè)偏角增大，滑移速率就會(huì)增大，因此在控制的過程中需要對(duì)滑移速率與側(cè)偏角之間的關(guān)系建立相應(yīng)的函數(shù)曲線，這樣就可以保證汽車在行駛的過程中能夠具有最短的制動(dòng)距離。但是由于縱向力的存在，側(cè)向力就會(huì)受到影響，變小，輪胎的側(cè)偏角也會(huì)變小，這樣雖然保證了熊的制動(dòng)性能，但是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向響應(yīng)和系統(tǒng)的橫向穩(wěn)定性就會(huì)變差。滑移速率與側(cè)偏角之間的關(guān)系為：

其中，和的選取，主要是根據(jù)路面狀況和汽車行駛狀態(tài)的變化來決定的。的選取則是根據(jù)制動(dòng)時(shí)汽車的時(shí)速來決定的。

對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來說，要根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的影響，綜合考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)之間的影響，從而協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制指令，調(diào)整轉(zhuǎn)向的助力和制動(dòng)力矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)汽車的性能優(yōu)化。其中兩者之間的關(guān)系為：

其中W1是橫擺角速度在響應(yīng)過程中的方差，W2是滑移速率的方差，一般取在0.18左右。J1取0.65，J2取0.35.這樣就可以計(jì)算出J的大小。

當(dāng)J>0時(shí)，此時(shí)地面對(duì)汽車的側(cè)向附著力由于受到制動(dòng)的影響而變小，這樣汽車的轉(zhuǎn)向響應(yīng)也會(huì)隨著變小。附加的制動(dòng)力主要是通過改變汽車制動(dòng)管路的壓力來實(shí)現(xiàn)的，兩者之間的關(guān)系為：

當(dāng)J<0時(shí)，此時(shí)地面附著力的側(cè)向力正常，且車輛的轉(zhuǎn)向力也正常，但是由于縱向垂直載荷對(duì)輪胎側(cè)偏角的影響，車輛會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制主要是通過改變轉(zhuǎn)向電機(jī)的助力電壓來實(shí)現(xiàn)控制的。控制的關(guān)系為：

對(duì)于懸架系統(tǒng)來說，主要是為了讓汽車的車身動(dòng)態(tài)隨著汽車荷載的變化而變化，保證輪胎與地面之間形成一定的摩擦力。一般在懸架系統(tǒng)中改變減震器的阻尼力，調(diào)整汽車的運(yùn)行狀態(tài)，然后車輛能夠在地面上獲得較為穩(wěn)定的制動(dòng)力，輔助汽車底盤系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

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作者單位

無錫南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省無錫市 214081