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文档简介

集2015中国汽车工程学会年集

2015CG

车辆稳定性控制系统设计与分ꎬ于海兴2ꎬꎬꎬ1东风汽车公司技术中2航天技术特种车辆技术中【】设计了V车辆的稳定性控制系统ꎬ利用m进行了动力学的动态仿真分析ꎮ首先建立了考虑车辆倾的稳定性参考模型ꎬ然后基于滑模控制理论设计了上层控制器以得到维持车辆稳定所需的横摆力偶矩ꎮ的分配策略ꎬ与S下层控制器、执行器共同组成车辆稳定性控制系统ꎬ最后利用m和Mb/k行了联合仿真试验验证与分析ꎬ并与其他某类型C系统和无C系统情况下的行驶状态进行了对比ꎮ鱼钩转向开环试验结果表明ꎬ该控制系统横向稳定性和侧倾稳定性优异ꎻ双移线闭环试验结果表明ꎬ车辆目标路径良好ꎬ即能够有效响驾驶人的意图ꎮ该控制系统满足MS6通过性要求ꎬ方案可行ꎬ能够有效加强车辆主动安全ꎮ【】车辆ꎬ动力学ꎬ稳定性ꎬ侧翻ꎬ滑模控DesignandAnalysisofStabilityControlSystemforPeiJinShun1ꎬYuHaixing2ꎬWangKun1ꎬOuYanghai1ꎬZhang1DongFengMotorCorporationTechnical2HubeiSpaceTechnologyAcademySpecialVehicleTechnologyt:newstabilitycontrolsystemisdesignedforsꎬandarSimisusedtopreciselyanddynamicallysimulatethemaneuverdynaicirstlythestabilityreferencemodeltakingrollstabilityintoconsiderationisestablishedꎬthenanuppercontrollerbasedonslidingmodecontrolisdesignedtocalculatetheyawmomentneededinkeepingdrivingstableꎬthebrakingforceallocationstrategyisfurtherstudiedꎬandalowercontrollerforlongitudeslipratioandanactuatormodelarealsoincludedintheproposedsysteFinallyꎬbyusingcosimulationmethodbetweenCarSimandMatlabSimulinktoverifyandanalyzethesystemeffectivenessꎬthevehiclestateresponsesduringsimulationtestsarecomparedwithothercaseslikethevehiclewithanothersystemandwithoutsysteThefishhooksteeringtestshowsthesystemisexcellentinkeepingbothlateralstabilityandrollstabilitThedoublelanechangetestshowsvehiclewiththesystemperformswellintrackingthetargetpathandrespondingthedrivesintentioTheproposedstabilitycontrolsystemKeywords:vehiclesꎬmaneuverdynamicsꎬstabilityꎬrolloverꎬslidingmode 近年来ꎬ正碰侧碰和侧翻等交通事故给人们生命财产带来严重损失这主要在于高速换道行驶或躲避时驾驶人虽然转动转向盘对车辆及时干预ꎬ但车辆由于转向不足或转向过多仍然发生驶离道路或侧滑失稳的特别对于侧翻来说ꎬ数理统计结果表明ꎬ事故主要集中于重型货车客车SUV等高质心车辆ꎬ具有低发生率却高伤亡率的特点其类型主要包括绊倒型侧翻驶离道路跌落侧翻和操稳型侧翻等1 路肩等发生瞬时侧面撞击产生ꎬ跌落侧翻是由于车辆 偏差难以有效响应驾驶人的操作意图ꎬ从而导致驶离道路ꎻ操稳型侧翻发生概率较低ꎬ主要是车辆在高附着路面上高速行驶时驾驶人转向过急使得侧向加速度较大引起的即车辆目前ꎬ车辆稳定性控制系统ESPTCSESC等能够显著改善车辆的性能和提高主动安全据NHTSA估计ꎬ的应用能够使乘用车和车辆单车碰撞事故分别减少34%ꎬ使其侧翻事故发生率得到更明显

减少3因此ꎬ2007年6月ꎬ推出第一部ESC实验法规ꎬ并已于2009年9月正式实施ꎬ规定市场上销售的载荷低于4536kg的车辆必须装ESC另外ꎬ在车辆碰撞等安全试验中对于配备ESC等系统的车辆也会给予额外的技术加分这都使车辆稳定性控制系统研究现有的ESC系统稳定性模型主要基于二自由度自行车模型ꎬ因而其控制对象也仅限于横向稳定性笔者发现其在鱼钩转向恶劣工况下虽能一定程度避免侧翻发生ꎬ但依然出现一定程度的侧滑失稳本文以某SUV车辆为对象ꎬ首先建立了考虑侧倾的三自由度模型ꎬ基于该模型研究了车辆的横向稳定性和侧倾稳定性ꎻ然后基于滑模控制理论设计了考虑侧倾的车辆稳定性控制系统ꎬ研究了生成修正横摆力矩的制动力分配策略ꎻ最后进行了开环和闭环仿真试验以验证控制系统的有效性ꎬ并依据FMVSS126进行了ESC通过性试验1车辆稳定性参考模11三自由线性模型图1为了对车辆侧倾稳定性进行控制与分析ꎬ建立线性 大可达8μm/ 这里a最大值取为 =8μm 2质心的侧偏角β应有一定限制ꎬ否则会增加驾驶人对车辆行驶方向的判断难度 β应随车速V变化ꎬ一β β ββ

= 7°×V2/(s)ꎬ故而β的参考值为

ref

ꎬ即当β在最大容许极限内ꎬ有 βrefΔx1=3标定横摆角速度参考值r是横向稳定控制的 图1车辆受力分析简

关键令X=0ꎬ由状态空间方程X=AX+BU得横摆角速度对车轮转角的稳态增益为rs/δs=n 另外ꎬ当辆过度转向时ꎬ最大的横摆角速度受最大侧向加速度的由度模型 考虑到该SUV车辆的基本构造ꎬ假设侧倾

制因而r的参考值为

=nn∗

/(β轴近似水平位于车轴高度位置ꎬ取车身质心铅垂线与侧倾轴交点为原点ꎬ以汽车前进方向为x轴正方向ꎬ按照右手原则建立参考坐标系ꎬ忽略车轮纵向力的作用ꎬ得车辆运动微分方程 βhp

rr=Δx20时ꎬ车辆转向过多ꎻ当rr=Δx2时ꎬ车辆转向不1 车辆侧倾稳定若车辆横向稳定ꎬ则其侧滑甩尾引起的绊倒型侧翻Ir+Ip= bF+

离道路引起的跌落侧翻可以得到很大程度的避免即车 I βhp

向稳定性控制也有助于车辆的侧倾稳定性这里将进一 =Dϕf+DϕrpKϕf+Kϕr+Cϕf+Cϕrmshϕ(1其中m为整车质量ꎬms为车身质量ꎬV为车身质心速度ꎬIII分别为车身对相应轴的惯性积ꎬr为汽车横摆角速度ꎬβ为车身质心侧偏角ꎬp为车身侧倾角速度ꎬϕ为车身侧倾角ꎬFyfFyr分别为前轴和后轴的侧偏力ꎬM为附加横摆力偶矩ꎬh为车身质心至侧倾轴的高度ꎬab分别为前轴距和后轴距ꎬDϕfDϕr为前后轴减振器等效侧倾阻尼系数ꎬKϕf和Kϕr为前后轴悬架弹簧等效侧倾角刚度ꎬCϕfCϕr分别前后轴横向稳定杆侧倾角刚由线性轮胎模型和几何关系 kf

讨操稳型侧翻的侧倾稳定性问 操稳型侧翻多是在侧向加速度变化很快的情况下发生的对于转向盘角阶跃输入的车辆系统来说ꎬ其侧倾角在初次达到稳态之后会有一个超调量ꎬ车辆会在比准静态侧翻条件更小的侧向加速度时ꎬ内侧车轮就可能离开地面即准静态侧翻假设在侧向加速度变化较慢时才合理ꎬ因而操稳型侧翻主要是一种瞬态侧翻侧倾角超调量的大小与侧倾阻尼和输入频率有关因而提高车辆侧倾稳定性的思路为:①控制系统能够使车辆侧倾角尽快达到稳态ꎬ即相当于增大侧倾阻尼ꎻ②控制系统能够降低驾驶人的频率ꎬ从而远离侧倾频率

kr

同理ꎬX=由状态空间方程X=AXBU得ꎬα=β+arEϕ

倾角对车轮转角的稳态增益为ϕs/δs)=nꎬ

=n

故而可得侧倾角的参考值α= brEϕ

ϕ ϕ≤

ϕref=ϕ

stableꎬ偏角刚度ꎬEfEr分别为前后轴的侧倾转向系数将式

即若侧倾角ϕ一直在稳态侧倾角容许极限内ꎬ故而ϕ=Δx4=否则ꎬ控制系统认为侧倾角响应值偏大[运动微分方程可以表示FX=QUꎬ=[M·进一步化简为状态空间的形式可得X=AX+BUꎬ其中A·FGꎬB=F

车辆有侧倾失稳 车辆稳定性控制系设由传感器直接测量或间接估计所得到车辆的实际状态1

车辆横向稳定

]T车辆横向稳定ꎬ即车辆转向行驶过程中无侧滑甩尾发生并能有效地响应驾驶人的行驶意图其中ꎬ侧滑甩尾主要是由于车辆受地面附着条件限制以致不能得到维持其稳定行驶的侧向附着力引起的ꎬ而驾驶人对转向盘转角的输入主要来源于与车辆稳态增益有关的驾驶经验因而横向稳定性参考模型主要由地面附着条件和车辆稳态增益决定1侧向加速度ay受侧向附着系数μs的限制理论上

设计了如下考虑侧倾的车辆稳定性控制系统ꎬ这里简称(lyl)ꎬ其工作原理如图2所示驾驶人根据道路交通状况进行转向盘的输入ꎬC进行实车状态响应和稳定性参考模型状态响应比较ꎬ上层滑模控制器根据两者的差值计算维持车辆稳定所需的横摆力矩ꎬ然后根据制动力分配策略进行车轮前后制动力和左右侧制动力的分配为防止车轮抱死和有效利用地面附着力ꎬS控制器控制制动轮缸压力变化使车轮滑移率保持在合理的范围之内ꎬ从而集中国汽车工程学会年会集

2015CG

Mbi=μbAbRb 其中μbAbRb为与制动器结构和类型有关的制动压力例因子11ꎬi分别flꎬfrꎬrlꎬ设直线行驶时前后轴制动力的分配比λꎬ若前轴车轮制动轮缸与制动主缸压力相同ꎬ均为P由式(6)式(7)得后轴车轮制动轮缸压力为λP0对车辆受力分析ꎬ当横摆力矩为正时ꎬ左侧车轮制动图2车辆稳定性控制系统结构

M=T2

+T2

cosδ

当横摆力矩为负时ꎬ右侧车轮制动ꎬ同理可2 滑模变结构控制器设

M T2

T2

cosδ

由于滑模变结构控制相比于其他控制策略具有快速应对参数变化和扰动不灵敏的优点9ꎬ适合于车辆稳定性控制ꎬ从而保证控制算法的时效性

由式(6~式(9得主动主缸压力ꎬ 2rꎬμAR(λT+Tcosδ2P=bb

(00根据三自由线性模型ꎬ以横摆力矩M为系统输入uꎬ以车轮转角δ为干扰输入ꎬ在车辆系统状态空间方程中提取0偏角横摆角速度和侧倾角的微分方程进一步整理成如下

2r μbAbRb(λT 2 ABS控制器与执行

根据轮胎模型可得ꎬ当轮胎前轴两轮的滑移率s s定义滑模面切换函数为s=C( s

ꎬ根据滑模变

0~0后轴两轮的滑移率s在范围0~0时ꎬ以获得较大的制动力系数和侧向力系数ABS控制器根据构原理ꎬ滑模可达性条件仅能保证状态空间任意位置运在有限时间内达到切换面的要求ꎬ而对于趋近运动的具体轨迹未作任何限制ꎬ显然并不利于车辆的稳定性控制ꎬ这里采用指数趋近律法则的方法改善运动的动态品质令s εn ksꎬ其中ε>0ꎬk>0ꎬ显然有ss<成立ꎬ即满足滑模可达性条s/ηꎬs≤在保证快速趋近的同时ꎬ为了消除抖振ꎬ采用边界层法ꎬ即引入饱和函数以替代符号函数s/ηꎬs≤

算所得的各车轮滑移率情况ꎬ与滑移率参考值判断比较后输出控制模式信号ꎬ对电磁阀进行控制:即当滑移率低于下限值时输出模式为1ꎬ对制动轮缸加压ꎻ当滑移率高于上限值时输出为0ꎬ对制动轮缸进行减压ꎻ当滑移率在上限值和下限值之间时ꎬ原有的输出模式不变ꎬ仿真制动轮缸保压作用另设管路压力传递迟滞均为6sꎬ从而建立了S控制器与执行器模型整理可

tsn(sꎬs

典型工3 am非线性整车动力学模CC

εtssss

考虑到车辆行驶的实际情况ꎬ如轮胎特性附着条即由滑膜控制器得到所需的横摆力偶2 制动力分配策在 MS6中要求C能够独立地调整各轮的制动力矩从而产生所需的横摆力矩因而C配备的S一般为四通道四传感器结构布置形式诸多研究中生成横摆力偶矩多采用单个车轮制动ꎬ如前外轮或后内轮制动的方式0ꎬ这种制动力分配方式所需的制动轮缸压力较大这里采取了更为简单有效的制动力分配策略其主要特点为:①根据滑模控制器所得横摆力矩的方向和大小ꎬ依靠单侧车轮制动生成横摆力矩ꎬ从而减小制动轮缸的压力ꎻ②充分利用前后轴制动力分配的结构参数和车轮转角的大小计算和调节所需的制动主缸压力ꎬ从而在测试方面只需一个制动主缸压力传感器即可由单个车轮力矩平衡方程得ꎬ制动力i近似F=Mbi/r 又单个车轮制动力矩和制动轮缸压力近似满

制动对转向的非线性影响ꎬ出于实车状态参数仿真精度证侧翻与控制效果的需要ꎬ必须建立接近车辆实际行驶情况的整车模型12 以面向特性的参数化建模方法ꎬ将SUV车辆适宜简化ꎬ定义和设置了其车体轮胎转向系悬架制动系传动系各部分具体参数ꎬ忽略空气动力学的影响ꎬ建立了具有较真精度的CarSim非线性整车动力学模型ꎬ作为研究车辆稳定性问题的实车仿真模型利用CarSim与Matlab/Simulink进行开环和闭环仿真试验ꎬ对比分析上述RSC和另外一种ESC的控制效果3 鱼钩转向开环仿真试鱼钩转向试验被9Rt53确立为用以评估车辆防侧翻安全能力的动态试验之一该试验模拟车辆一侧行驶到路肩上后驾驶人在惊慌失措的情况下ꎬ迅速转动转向盘尽力使车辆回到正常形式轨道ꎬ但驾驶人往往使车辆过多校正ꎬ从而发生侧翻的情况试验广场路面系数为85ꎬ试验车辆初始以80m/h的车速直线行驶ꎬ在某时刻换至空档后立即输入相同的鱼钩转向转角图3ꎬ车辆在驾驶人的转向控制输入下自由行驶ꎬ试验过程中均无驾驶人图3鱼钩转向转向盘转角输车身侧倾角和车身质心侧偏角试验结果分别如图4和图5所示无稳定性控制系统的车辆发生侧翻ꎬ而C和C均能提高车辆的防侧翻能力ꎬ即所提C控制算法和制动力分配策略有效C虽没有考虑侧倾问题ꎬ但其对不足转向和过多转向的控制调节对车辆侧倾稳定性间接有效即车辆的侧倾稳定性与横向稳定性具有十分紧密的联系图4车身侧倾角图5车身质心侧偏在面对鱼钩转向这种恶劣转向输入下ꎬ车身侧偏角在~6s时间段显著增大ꎬ有一定程度侧滑甩尾ꎬ无疑会增大驾驶人对车辆的控制难度ꎬ而所提RSC基本能够33双移线闭环仿真试为了能更验证控制系统对车辆稳定性的影响ꎬ进行了双移线仿真试验ꎬ以检验车辆回避性能和闭环响应能力在CarSim中设置双移线车辆的目标路径并构建道路场景ꎬ试验路面附着系数为085转向驾驶人模型选用MacAdam驾驶人模ꎬ预瞄时间0s车速驾驶人模型自动控制节气门开度和档位变化ꎬ使车辆以50km/h的目标车速行驶某时刻人车路闭环仿真试验场景如图6所示

图6双移线闭环仿真试验场景由图车辆行驶轨迹所示ꎬ该试验条件下ꎬ和所提RSC基本都能所设的目标路径ꎬ与无稳定性控制的车辆相比ꎬ横向稳定性优异从驾驶人的转向盘转角输入图8可见ꎬESC和RSC使驾驶人转向输入更为平稳ꎬRSC也进一步降低了驾驶人的强度ꎬ使输入频率尽可能图7大地坐标系下车辆行驶轨图8驾驶人转向盘转角输3 FMVSS126通过性仿真试 FMVSS126试验方法和评价指标ꎬ利用CarSim和Simulink建立仿真试验流程1ꎬ转向盘转角信号根据车辆状态和试验标准编程计算自动生成ꎬ主要为开环斜坡转向和07Hz正弦转向输入ꎬ如图9a所示对设计的RSC系统进行通过性测试最终结果表明该系统符合要求部分仿真试验数据结果如图9所示ꎬ其中侧偏角横摆角速度侧倾角的实车仿真值基本能快速其稳定性参考值ꎬ即进一步说明将滑模控制算法应用于车辆稳定性的跟随控制方面非常有效为了能够清晰反映ABS控制器对制动轮缸压力的调节作用ꎬ任意选取了70~90s时间段各制动轮缸压力变化曲线ꎬ如图9e所示集2015中国汽车工程学会年会集

2015CG

图9FMVSS126通过性试

1)分析研究了车辆三种典型侧翻形式预防或控制与车辆横向稳定性和侧倾稳定性之间的关系ꎬ并提出以转向输入的稳态侧倾角响应作为侧倾稳定性的控制目标2基于滑模控制理论设计了车辆稳定性上层控制器ꎬ研究了一种新形式的制动力分配策略ꎬ并结合ABS功能共3)对所设计的车辆稳定性控制系统进行了开环和闭环仿真试验ꎬ效果良好且满足MS6通过性试验要求该系统可以显著提高车辆主动安全参考文献A)KIENCKEUꎬNIELSENLAutomotiveControlSystemsNationalAutomotiveSamplingSystem[DB/Lttp:/EngineꎬDrivelineꎬandVehicle[M].2nddnsat.Springerꎬ2005345o刘金琨.滑模变结构控制MATLAB仿真[M].FieldRelevanceofaSuiteofRolloverTeststoRealworldꎬshesandInjures[J].AccidentAnalysis&Prevention200

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