電子穩定系統控制下的車輛仿真研究

熊艷飛，梁烔墻

（江西應用科技學院智能制造工程學院，江西 南昌 330100）

在車輛中增加車身穩定控制系統，可提升行車的安全穩定性。ESP系統能防止汽車操縱失控，主要是根據路面狀態以及汽車運動的狀態來進行判斷，從而控制車輛的行駛安全。ESP 系統目的是保持車輛穩定，一旦發生緊急情況，能有效確保車輛的安全。為驗證ESP 技術作為車輛的某個特征變化效率，在需要測試的車輛上，安裝ESP系統。一般是在汽車負載條件不同的情況下，使安裝了電子穩定控制系統的智能汽車模型在穩定的范圍內變化，并能夠根據控制器增益及汽車模型的變化而變化。本文主要討論寬度裂分的中心和重力高度兩個方面，同時比較安裝了ESP 和沒有安裝ESP的車輛在安全行駛方面的效果。

1 汽車仿真

在 MATLAB 仿真下[1-3],主要利用平搖動力和滾動動力進行4 自由度模型進行仿真。縱搖動力能夠忽略不計的原因是縱向加速度比較小。

1.1 汽車ESP系統的結構

為得到ESP控制系統，需要具備牽引力控制、電子制動力分配、電子制動防抱死制動系統以及有效控制車身穩定的系統和設備。電子控制單元ECU、傳感器和執行器是具有ESP系統的汽車必須具備的組成部分。

電機、回程泵、儲能器、進出口閥、隔離閥和后啟動閥是液壓調節器總成的主要組成部分。ESP 系統結構圖[4]如圖1所示。ECU的執行者為液壓調節器，控制車身穩定的策略由ECU 下達，各方面的性能也是由ECU 調節的，在達到最迅速的制動情況下，保證安全。液壓控制單元的4個通道彼此獨立，一個通道發生故障，并不會影響制動效果。ECU需要動作時，液壓調節器總成在調節液壓力的推動下來控制每個車輪的車速，協調完成車身穩定。

圖1 ESP 系統結構圖

1.2 汽車ESP系統的工作原理

ABS、ESD 和TCS 等所具有的功能，汽車車身穩定控制系統都有，為提升車身的穩定性能，還添加了各種傳感器，能夠自動維持穩定和平衡，因此在ESP系統控制下的，汽車行駛安全得到提高，而相應的交通事故發生概率變小[5]。

在ESP 系統控制下，車輛的實時狀態能夠被準確地監測，ECU 通過接收橫向偏擺率傳感器、方向盤轉角傳感器和前后輪速度傳感器采集的信號，并分析這些信號，比較與預先存儲的參考信號之間的差別，通過對不同環境下車身的偏離情況進行判斷，將調整好的策略傳遞給液壓調節器。要實現對車輪的控制，還需要液壓調節器調節液壓力，為保證車身不側翻而使車輛立即停止。在比較緊急的情況下，為降低人為失誤，裝置了ESP系統的汽車能夠自動反應。

ESP 系統具有實時監控和具有主動干預的功能，通過判斷當前汽車的實時狀態，一旦汽車出現危險，系統會及時做出制動策略，使得汽車安全停止。ESP 系統主要通過控制汽車的制動力和驅動力，調節車身的平衡，維持穩定。具有事先提醒的功能：面對行車過程中的突發危險，若不是特別緊急，ESP系統能夠事先發出警報，提醒車主。車主在收到警報信息后，立刻減速，調整汽車的穩定性，預防事故的發生。

1.3 在ADAMS/Car中建立汽車整車模型

利用ADAMS/Car 模塊[6-7]建立國產型商用車的整車模型，其中每一個子系統模型都需要建立。車架和車輪之間所出現的傳力連接裝置就是懸掛系統，主要是通過傳遞兩者之間的力，使得因路面不平給車身帶來的沖擊力得到緩解。想要保持或改變汽車行駛方向的裝置，就需要轉向系統根據駕駛員的想法來控制汽車如何行駛。制動系統是能夠對汽車進行一定程度的強制制動的裝置，通過路面對車輪施加一定的力，可以使行駛的車輛有效地進行減速或停車，也可以使靜止的車輛平衡地停在不同路面狀況下。通過發動機對外輸出動力，它作為汽車的能量轉換機構。

1.4 汽車ESP控制系統分析

根據汽車數學模型能夠得到理想值，而汽車中的傳感器能收集到實際行駛值，通過比較，ESP系統能夠判斷出汽車的行駛狀態，一旦出現不穩定的狀況，能及時控制汽車行駛軌跡。橫擺角速度和質心側偏角的實際值與理想值之間，會因為側向力的實際值與理想值出現偏差而存在偏差，如果偏差值在允許范圍內，汽車行駛可近似看作為穩定的；一旦超過允許范圍，應及時采取措施，以控制汽車的行駛。汽車是否處于理想軌跡，ESP系統是通過橫擺角速度參數來進行判斷的，而汽車行駛狀態是否處于穩定，ESP系統是通過質心側偏角參數來進行判斷的。

汽車行駛過程中可能會出現轉向不足或轉向過度的情況。如果汽車轉向不足，通過ESP系統來下達控制命令，在彎道內側，對后輪施加瞬時制動力的目的是為了降低汽車車輪的側向力，并使得縱向制動力增大，根據橫擺力矩方向的一致性使汽車從轉向不足到轉向中性進行變化，從而使汽車穩定行駛。如果汽車過度轉向，通過ESP 系統來下達控制命令，在彎道外側，對車輪施加瞬時制動力的目的是使行駛速度及車輪的側向力降低，通過反向的橫擺力矩來使汽車穩定行駛。

1.5 ESP仿真模塊的建立

作為4自由度的系統，通過4個獨立變量來確定系統狀態。其中橫擺角速度和質心側偏角是汽車車輛穩定性的最重要的參數，故作為變量。汽車的理想橫擺角速度和理想質心側偏角，是根據汽車4自由度數學模型的運動方程來進行計算。在ADAMS/Car 模塊中，建立車輛的整車模型，車輛整車模型如圖2所示。

圖2 車輛整車模型

根據整車模型得到實際的橫擺角速度和質心側偏角。控制系統的輸入是通過對實際值和理想值作比較而得到的偏差值。如果以前輪轉角作為輸入，則可認為汽車的車廂只作平行于地面的平面運動，認為側向力與其相應的側偏角成線性關系，對汽車的運動方程進行拉普拉斯變換，建立車輛的數學模型。ESP仿真模塊的建立主要分為以下五個步驟：

1）將建立的國產商用車子系統模型和整車模型導入到ADAMS環境中，并加載ADAMS/Controls模塊。

2）確定輸入變量和輸出變量。

3）導出整車模型。ADAMS/Controls保存輸入信息和輸出信息在carmodel.m文件中，生成在carmodel.cmd命令文件和 carmodel.adm數據文件。

4）將文件導入到MATLAB 指定的工作目錄下，在MATLAB軟件中調取ADAMS/Car子系統模型文件。在命令窗口下輸入carmodel 文件名，MATLAB 會自動讀取ADAMS所設置的輸入與輸出變量。在MATLAB 軟件系統中會顯示ADAMS軟件所定義的所有輸入變量和輸出變量。

5）建立控制系統模型。仿真控制系統模型如圖3所示。設置好仿真參數之后，在MATLAB 中調用仿真控制系統模型，并聯合adams_sys控制模塊對該型商用車整體模型進行仿真。

圖3 仿真控制系統模型

2 結論

ESP 系統在汽車行駛穩定性上具有至關重要的作用，帶有ESP系統的汽車，特別是在人為失誤情況下，出現轉向過度或轉向不足時，更能有效體現它的價值，能降低汽車甩尾或側滑的概率，從而使汽車的行駛安全及行駛的穩定得到充分的保證。通過虛擬仿真，沒有ESP系統控制的汽車，一旦出現汽車行駛不穩定情況時，難以及時得到改善；而含有ESP系統控制的汽車能夠近似認為在理想軌跡下行駛，保證汽車行駛穩定的同時保證安全。