（载运工具运用工程专业论文）基于模糊pid控制的汽车横向稳定性控制研究与仿真.pdf

摘要 汽车的横向稳定性是影响汽车高速安全行驶的一项重要性能，同时，汽车横 向稳定性控制系统可以防止汽车急转的发生，提高极限工况下汽车的操纵稳定 性。当汽车在高速转弯行驶过程中，汽车在很大的离心力作用下产生横摆运动， 轮胎必须提供足够的纵向力和侧向力来保证实现汽车预定的转弯轨迹。本文根据 国内外对汽车稳定性控制的研究现状，运用模糊p i d 控制理论对汽车横向稳定 性控制进行了仿真研究，为以后实际系统的开发提供了更好的控制策略。 本文首先建立了八自由度的整车车辆模型，其中包括车辆系统模型、轮胎模 型、制动系统模型、驱动系统模型，并对模型进行了仿真分析与验证，为汽车横 向稳定性控制的研究提供了正确的汽车模型；其次，对汽车横向稳定性进行了分 析，建立了理想状态下的汽车转向参考模型，研究了汽车高速转弯行驶工况下的 变化规律，提出了通过改变汽车横摆力矩的方法来改善汽车在高速转弯等极限工 况下的稳定性控制策略；然后，综合考虑到车辆系统模型的强烈非线性和汽车高 速转弯时车辆运动参数变化较大的特点，采用控制鲁棒性较强的模糊p i d 控制 方法设计了模糊p i d 控制器，利用该方法设计了汽车高速转弯横向稳定性控制 系统，并进行了仿真分析。仿真结果表明，施加模糊p i d 控制的汽车比仅a b s 控制的汽车具有更好的鲁棒性和自适应能力，更能有效地将汽车控制在稳定的运 动状态；该控制方法是合理的、有效的，是能改善汽车横向稳定性控制性能的一 种好方法。 关键词：汽车横向稳定性控制；动力学模型；模糊p i d 控制；横摆力矩；横摆 加速度；侧偏角 a bs t r a c t v e h i c l el a t e r a ls t a b i l i t yc o n t r o li sa ni m p o r t a n tp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e sa t h i g hs p e e d a tt h es a m et i m e ，v e h i c l el a t e r a ls t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mc a np r e v e n tt h e s u d d e nt u r no c c u r r e n c eo fv e h i c l e sw h i c hi m p r 0 v e st h eo p e r a t i o n a ls t a b i l i t y0 ft h e m u n d e rl i m i tw o r k i n gc o n d i t i o n s w h e nah i g hs p e e dv e h i c l ei sr u n n i n ga c r o s sar o a d ， w i t ht h eg r e a tc e n t r i f u g a lf o r c e ，i tw i l lg e n e r a t el a t e f a l0 s c a t i o n t h u s ，t h et i r e s m u s tp f o v i d ea d e q u a t ev e r t i c a la n dl a t e r a lf b r c et oe n s u r et h ev e h i c l e sa c h i e v et h e s c h e d u l e dt u r n i n gt r a c k b a s e do nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g np r e s e n ts t u d yo ft h e s t a b i l i t yc o n t r o l ， t h i s p a p e ru t i l i z e sf u z z yp i dc o n t r o lt h e o r y t 0r e s e a r c ht h e s i m u l a t i o no ft h ev e h i c l el a t e r a ls t a b i l i t yc o n t f 0 1 i ti sag o o dt a c t i c st ot h ef u t u r e d e v e l o p m e n to ft h ea c t u a ls y s t e m i nt h i sp a p e r ，i th a se s t a b l i s h e dae i g h t d e g r e ef r e e d o mv e h i c l em o d e l ，i n c l u d i n g v e h i c l es y s t e mm o d e l ，t i r em o d e l ，b r a k es y s t e mm o d e l ，d r i v i n gs y s t e mm o d e la n dh a s t h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dv e r j f j c a t i o no ft h em o d e l s ，t h u si tc a np r o v i d eac o r r e c t v e h i c l em o d e lt ot h es t u d yo ft h ev e h i c l el a t e r a ls t a b i l i t yc o n t r 0 1 s e c o n d l y ， i t a n a l y s i st h el a t e r a ls t a b i l i t yo fv e h i c l e sa n d e s t a b l i s h e st h ev e h i c l et u r n i n gr e f e r e n c e m o d e lu n d e ri d e a ls t a t e ，m e a n w h i l e ，i ts t u d i e st h el a wo fv e h i c l e su n d e rh i g h s p e e d t u r n i n gc o n d i t i o na n dp u tf o r | a r d t h a tw ec a nc h a n g et h el a t e r a lo s c i l l a t i o n0 f v e h i c l e st oi m p r o v et h ec o n t r o ls t r a t e g yc o n d i t i o no ft h e mu n d e rt r a v e l i n gl i m i t w o r k i n gc o n d i t i o n a f t e r w a r d s ，b ya n a l y z i n gt h es t r o n gn o n - l i n e a rp e r f o r m a n c eo f t h ev e h i c l em o d e l s ，a sw e ua st h el a r g ec h a n g eo ft h ev e h i c l em o t i o np a r a m e t e r s w h e nt h e ya r eu n d e rh i g h s p e e dt u r n i n gc o n d i t i o n ，i ta d o p tt h ef u z z yp i dc o n t r o l m e t h o dt od e s i g nt h ep a r a m e t e rs e l f a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l l e rw h i c hh a sa s t r o n g e rr o b u s t n e s s b a s eo nt h i s ，i td e s i g n st h el a t e r a ls t a b i l i t yc o n t f o ls y s t e mo f v e h i c l e su n d e rh i g hs p e e dc o n d i t i o na n dh a ss i m u i a t e dt h ew o r k i n gc o n d i t i o n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tv e h i c l ew i t hf u z z yp i dc o n t r o lh a sb e t t e r r o b u s t n e s sa n d a d a p t i v ea b i l i t yt ot h e0 n e so n l yw i t ha b sc o n t r 0 1 s oi t c a n e f f i c i e n t l yc o n t r o lt h e v e h i c l ei nm o r es t a b l es t a t e ；f i n a l l y ，t h i sm e t h o di sr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v ei nt h e c o n t r o lo fv e h i c l el a t e r a ls t a b i l i t yp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：v e h i c l el a t e r a is t a b i i i t y y a wm o m e n t ；y a wr a t e ； c o n t r o i ；d y n a m i c sm o d e l ；f u z z y p i dc o n t r o l ； s i d e s l i pa n g i e i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立迸行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：日期：矿勺年厂月v 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 作者签名： 导师签名： ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：p 坼年厂月沙日 日期：沙7 年， 月汕日 第一章绪论 近几十年，全球汽车工业得到了大规模的发展，汽车保有量也大幅度上升， 道路交通压力日益加大，交通事故频繁发生，使得交通安全问题已经成为一个社 会性的问题，这引起了人们对汽车安全性的高度重视，尤其是对主动安全性的重 视。汽车安全性主要根据在交通事故发生前后作用时间的不同，分为被动安全和 主动安全。其中，汽车主动安全是以预防为核心的安全系统，它通过事先预防， 有效的保护驾驶员和道路环境中行人的安全。这已成为本世纪汽车安全性研究的 重点n - 。经研究发现，汽车操纵稳定性是影响汽车高速安全行驶的一项重要性能， 以提高汽车主动安全性为目的的稳定性控制系统的研究已经成为汽车动力学研 究的重点。 汽车动力学稳定性控制心，是对汽车动力学的各个方面进行控制的一种主动 安全技术，应当包含汽车的纵向动力学、横向动力学以及垂向动力学的控制；是 继防抱制动系统和牵引力控制系统之后，又一通过调节车轮纵向制动力大小及匹 配来改善汽车稳定性和操纵性能的新型主动安全系统；也是一种使汽车在各种路 面和各种工况下都能获得良好的操纵稳定性和方向性的新型主动安全控制技术。 随着高速公路的发展和汽车技术的进步，汽车的车速在不断提高。现代轿车的设 计最高时速一般都大于2 0 0 k m h ，汽车在高速公路上的行驶速度通常也都在 1 0 0 k m h 以上。另外，驾驶员的非职业化发展趋势，也要求汽车具有更好的可操 控性和更高的安全性。因此，汽车的安全性，特别是主动安全性日益受到人们的 重视，也成为各大汽车公司技术开发的重点和热点。 1 1 论文研究目的和意义 2 0 世纪7 0 年代末，从飞机设计技术中引入的防抱死制动系统a b sf a n t i 1 0 c k b r a k i n gs y s t e m ) 通过限制制动压力来保证在制动时防止抱死，从而获得最有效的 制动效率和制动操纵稳定性。然而，现有的a b s 系统通常只考虑如何防止车轮 的抱死以及提高车辆的制动效率，没有考虑在复杂工况下车辆制动时的稳定性问 题。随后，通过限制发动机输出转矩防止车轮滑转的驱动力控制系统t c s ( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ) 在2 0 世纪8 0 年代中期得到应用。虽然t c s 在汽车防滑 转技术上得到了发挥，但是在汽车操纵稳定性方面的改善仅局限于非极限工况。 到2 0 世纪8 0 年代末，在a b s 和t c s 的基础上，又成功地开发的了防滑转控制 a s r ( a c c e l e r a t i o ns p i nr e g u l a t i o n ) 装置，这种装置在车辆急剧变速时，可改善车 辆与地面的附着力，避免车辆产生侧向滑动的危险。但是，在极限转向工况下， 由于侧向外力已经超出了轮胎于地面的侧向附着极限，使得汽车因过度或不足转 向丧失操纵稳定性。e s p ( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ) 通过分析传感器信号来 判断车辆的行驶状态，并相应地施加控制来保持车辆的稳定行驶。虽然e s p 对 车辆过度转向或不足转向特别敏感，但是当车速过高或危险工况时，也不能保证 车辆的稳定性。2 0 世纪9 0 年代初，研究人员提出了在高速行驶中通过驱动力控 制来保证车辆稳定性的动态稳定性控制d s c ( d y n a m i cs t a b i l i t yc o n t r 0 1 ) ，它对车 辆高速时制动特别有效阳，。在此基础上，近年来又提出了车辆动力学控制v d c ( v e h i c l ed y n a m i c sc o n t r 0 1 ) 把车辆的侧偏角限制在一定范围内，从而来达到把车 辆控制在稳定性行驶状态。一直以来，用户对车辆稳定性的需求，尤其是对在极 限工况下车辆的安全行驶的要求是车辆动力学稳定性控制发展的动力。然而，据 有关数字统计：1 9 9 1 年1 9 9 8 期间，德国汽车事故死亡人数从7 0 0 0 人左右降 至4 7 0 0 人左右，这主要是由于汽车大量装备a b s 和t c s 等电子装置提高了汽 车的安全性所致，但是事故总数始终维持在3 0 万3 5 万上。这一现象表明：一 方面是驾驶员过分相信安装在汽车上辅助系统的作用导致驾驶失误；另一方面是 现有的汽车辅助驾驶系统还存在局限性，不能在极限等危险工况下发挥较大的作 用，特别是在低附着路面、换道和躲避突然出现在前方的障碍物时等急转向工况 下，致使汽车失去稳定性，失去控制。因此，以提高极限工况下汽车的稳定性控 制系统也将成为车辆稳定性控制研究的热点，同时也成为本文研究的关键。 车辆的急转向等危险工况是影响车辆动力学稳定性控制的重要因素，它将使 车辆失去稳定性导致严重的交通事故的发生。汽车在高速行驶经过弯道或汽车高 速行驶变更车道时，车辆在很大离心力的作用下产生较大的侧向力，弹性轮胎受 侧向力作用滚动产生侧偏角，引起车辆产生横摆运动。当路面较滑时，侧向力达 到附着极限，迅速导致车辆侧滑，汽车与路面的横向作用力迅速减小，汽车迅速 失去稳定性，同时也迅速失去控制，从而导致更严重的安全事故发生。a u d i 公 司的调查研究表明，随着车速的提高因车辆失去稳定性而引发的交通事故也在 急剧增长。车速在8 0 k m h 和1 0 0 k m h 之间行驶的车辆发生的交通事故中，大约 有4 0 的事故与车辆失去稳定性有关；当车速超过1 6 0 k m h 时，几乎所有的事 故都是由车辆失稳引起的。另外，驾驶员的非职业化发展趋势，也使得驾驶员在 危险工况下失去对车辆的控制能力，从而也将导致交通事故的发生。假如有一种 系统能在车辆将要进入极限工况时自动地介入，使驾驶员保持对车辆的控制，使 车辆运行在稳定性区域内，这将会大大减少事故的发生和造成人员伤亡的几率， 这种系统我们称为汽车稳定性控制系统。 汽车稳定性控制是影响汽车高速安全行驶的一项重要性能，同时，汽车稳定 性控制系统可以防止汽车急转的发生，提高极限工况下汽车的操纵稳定性h ，。当 车辆在高速转弯行驶过程中，轮胎必须提供足够的纵向力和侧向力来保证实现预 2 定的转弯轨迹。在实际驾驶操作中，当车辆处于高附着、低速等比较稳定的行驶 状态时，驾驶员一般主要是通过感知车辆的状态变量，通过对方向盘的调整，使 车辆维持在稳定行驶状态。但当车辆在高速转弯等危险工况下行驶时，驾驶员很 难根据所感知的车辆状态变量来进行正确的转向调整。而如果在转弯过程中施加 制动，车轮容易抱死，车辆极易失去稳定性。国内外有部分学者对于车辆a b s 控制系统的稳定性进行了初步的研究；另外也有部分学者对四轮转向和直接横摆 角速度控制进行了相关的研究。人们在研究汽车稳定性的同时，也开始对车辆的 横向稳定性进行了控制研究，最常见的是汽车动力学稳定性控制的研究，然而对 于极限工况下的车辆横向稳定性的研究不多，特别是对于不同路面附着系数下的 车辆在高速弯道上的行驶。 基于以上的情况有必要对汽车高速弯道横向稳定性动力学控制进行研究。其 中，横摆角速度和侧偏角是描述汽车动力学最基本的两个状态变量，能反映汽车 的行驶状态，所以，研究汽车高速弯道上如何控制车辆的横摆角速度和侧偏角是 研究如何控制汽车横向稳定性的关键。目前，车辆稳定性控制方法有逻辑门限控 制、p i d 控制、模糊控制、神经网络控制和模糊p i d 控制等。由于车辆的横向稳 定性受车辆结构参数、行驶速度、路面附着系数和转向盘输入转角等众多因素影 响，是一个非线性问题，致使运用经典控制和现代控制理论来控制显得十分复杂， 而且很难达到预期效果。逻辑门限控制、p i d 控制本质上属于线性控制，对于具 有很强非线性的对象来说，控制效果具有先天的不足。模糊控制、神经网络控制 虽然其本质上是非线性的，且具有一定的智能性，但是其对数学模型的依赖性弱。 因此，基于对车辆横向稳定性控制这么复杂的一个系统，如果将二者有机的结合 起来，就可以使线性控制系统具有非线性系统的非线性和智能性等特点，同时使 非线性控制系统有了线性系统的确定结构，发挥二者的长处，这样可以使车辆横 向稳定性控制系统得到令人满意的控制效果。于是，本文提出了基于a b s 的汽 车横向稳定性控制系统的模糊p i d 控制方法，选择车辆轮胎侧偏角、横摆角速 度、侧向加速度和质心侧偏角等作为稳定性控制参数，通过车辆制动、驱动等调 整来产生横摆力矩，使汽车的稳定性得到了改善。这为汽车高速弯道行驶的横向 稳定性控制系统的研究提供理论依据，并通过仿真对比，得出汽车横向稳定性的 控制研究对改善汽车在高速弯道等工况下行驶的稳定性操作具有理论价值和实 际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外汽车横向稳定性研究现状 汽车动力学是近代发展起来的一门新兴学科。在1 9 0 0 年以前，汽车动力学 鲜有研究。从2 0 世纪7 0 年代末a b s 引入汽车底盘以来，汽车动力学的发展可 3 谓是突飞猛进，从a b s 到t c s ，从t c s 到后来的a s r 、d s c ，再到v d c ，这 些都是研究人员为满足人们的需求而做的一系列改进。汽车动力学发展的同时伴 随着汽车稳定性控制的发展，汽车稳定性控制是在a b s 和a s r 的基础上，对其 加以算法的改进，使之能解决汽车的稳定性问题。上世纪8 0 年代末和9 0 年代初， 美国和德国开始在部分汽车上使用a b s 。b m w 公司与b o s c h 公司合作于在 a b s a s r 基础上开发出d s c ，该系统安装在b m w 8 5 0 c i 轿车上，这种系统只 是在原有的a b s a s r 基础上增加了方向盘转角传感器，通过两内外非驱动轮的 轮速差来间接估算的，在极限工况下，这种估算是不准确的。1 9 9 5 年，b o s c h 公司成功推出e s c ，并投入批量生产 卜n 纠。一开始，它还只是作为高级轿车的一 个选配件，而现在在德国它已经成为大部分新车的标准配置，甚至在微型车上也 开始装备，如宝马公司d s c 3 系统、奔驰公司e s p 系统。2 0 0 1 年，稳重而保守 的t o y o t a 认为a b s 技术已经成熟并已被市场接受，参股成立了a d v i c s 公司开始 带0 造a b s e s c ，。 在这一阶段，国内外开始大量出现基于这种组成结构的汽车稳定性控制算 法，其中最典型的控制方法为b o s c h 的e s c 控制方法，e s c 采用汽车实际运 行状态与汽车理想运行状态的误差反馈来决策汽车的横摆力矩，并通过差动制动 或对发动机的控制实现对汽车横摆运动的调节，这控制方法也是目前汽车稳定 控制中比较常用的控制方法。由于在e s c 中所需要的汽车运行状态并不能完全 由传感器直接测量得到，因此如何通过测量的车辆状态推测不易测量的车辆状态 是近几年汽车稳定控制的研究热点，汽车横向稳定性控制正成为国际汽车电子工 程师研究的新热点，为此有大量的状态估计方法出现，从而大大改善了控制系统 的可靠性。 汽车稳定性控制开发的核心在于控制策略和算法的开发。s h o j ii n a g a k i 【1 4 ，采 用了基于车身侧偏角和车身侧偏角的变化率的相平面方法分析和描述了汽车在 紧急转向下的稳定性，并采用了相应的控制方法来进行控制。采用横摆角速度、 侧偏角、侧向加速度等作为反馈信号的p i d 控制和最优控制控制理论多局限于 线性系统的控制，由于汽车动力学系统的非线性特性，难以用线性控制方法达到 理想的控制目的，致使为了达到理想的控制效果，引入了非线性控制方法。由 a r i m o t o 1 等提出的迭代学习控制是种自适应控制方法，由h e m i c k ，s w a r o op 【1 6 1 等学者引入的滑模变结构控制( s m c ) 是一种非线性控制方法，通过把直接横 摆力矩控制引入到汽车的稳定性控制中来，以达到提高汽车的操纵稳定性。汽车 稳定性控制系统与主动转向系统联合控制 n ”，在控制汽车正常工况和极限工况 下的操纵稳定性的基础上，还可以通过对轮胎载荷的分配来进一步改善汽车的操 纵稳定性。从上个世纪9 0 年代初，西方发达国家一些学者将现代控制理论和智 能控制引入到汽车稳定性控制系统当中，如以模糊理论、神经网络、遗传算法和 4 专家系统为代表的人工智能技术”，这在汽车稳定性控制的控制领域中已经取得 了很好的应用效果，并且越来越受到关注。 1 2 2 国内汽车横向稳定性研究现状 在国内，由于目前还没有自己实际开发稳定性控制系统的能力，只有在少许 中外合资企业汽车上安装了汽车动力学稳定性控制系统，如奥迪a 6 、新帕萨特 等，汽车动力学稳定性控制的研究大多数还只是停在理论研究阶段。袁红军心们 介绍了汽车动态稳定控制系统在汽车高速转弯出现失控时的控制，利用前后轮制 动方法来对汽车的转向不足或转向过度进行控制，有效地增加了汽车的稳定性。 王德平、郭孔辉n 1 2 2 ，针对车辆动力学稳定性控制的基本原理进行了理论研究，用 逻辑门限值控制理论对其驾驶员模拟器进行了虚拟驾驶验证，并对汽车动力学稳 定性进行了仿真研究。同时，盖玉先钉根据利用相平面法判断车辆的稳定状态， 用奇点分岔法对车辆进行稳定性分析，得出转向角和车速对侧偏和横摆有影响。 董华林在a d a m s c a r 中建立整车虚拟样机模型，对e s p 进行了仿真研究， 采用质心侧偏角估计期望横摆角速度的边界，此控制方法有效地改善了车辆动力 学稳定性。蒋伟荣心副介绍了车辆稳定性控制系统的工作原理，从总体上描述了以 m c 6 8 3 7 6 为核心控制器的电控单元( e c u ) 的组成结构，设计出的e c u 能有效 改善汽车在极限工况下的操纵稳定性。冯金芝、喻凡等人心们利用混合仿真这一先 进技术，建立了8 自由度车辆动力学系统模型，然后利用前馈补偿和模糊控制策 略，设计了车辆横向稳定性控制器，最后对车辆横向稳定性控制系统进行了实时 混合仿真研究。朱德军在比例四轮转向汽车模型的基础上，通过改变汽车两侧 轮胎的纵向力形成直接横摆力矩控制，然后在基于h o o 控制理论的基础上对汽车 在不同车速下的阶跃响应做了仿真，得出这控制方法比普通四轮转向控制方法更 能提高汽车的操纵稳定性。吴义虎n ”提出一种基于横摆力矩和主动前轮转向相结 合的车辆横向稳定性控制方法，利用前馈补偿和模糊控制产生横摆力矩和附加的 前轮转角来控制车辆的横摆角速度和侧偏角，并分别对前轮转角阶跃输入和正弦 输入两种工况进行了仿真研究。刘彩志心们引重点讨论了轮胎的非线性和车辆动力 性试验的控制策略，即把轮胎的非线性和汽车动力性都考虑在内的直接横摆力矩 底盘控制，该控制策略大大地提高了汽车大侧偏角和高侧向加速度下的操纵稳定 性和主动安全性。赵治国阳”、罗俊2 1 探讨了汽车转弯行驶在极限运动工况下，依 靠对各车轮施加不同纵向制动力从而产生辅助横摆力矩来提高汽车动力学稳定 性的基本原理，提出了汽车动力学稳定性变结构控制策略及设计了滑模控制器， 并通过仿真验证了该方案的可行性。曹登庆3 ，考虑含有不确定独立参数摄动和非 线性不确定性的车辆动力学模型，应用l y a p u n o v 稳定性理论和矩阵代数技巧导 出系统的横向稳定性准则，对承受不确定悬挂的车辆的横向稳定性进行了鲁棒性 分析。赵树恩、李以农，等人针对车辆在极限运动工况下转弯或变道行驶时的横 向稳定性控制问题，设计了基于车辆动力学模型及运动学关系相结合的质心侧偏 角估计器，运用滑模控制理论，以车轮纵向制动力矩和方向盘转角为控制目标， 建立了联合滑模控制系统，有效地改善了车辆在极限工况下的横向稳定性。 1 3 本文研究的主要内容 本文的研究目的是在对汽车进行动力学分析的基础上，考虑到实际车辆的横 向稳定性控制系统具有很强的非线性，首先，建立相应汽车动力学模型；其次， 根据车辆输入的信号判定驾驶员对车辆的驾驶意图，计算出车辆在理想状态下的 运行工况参数；再次，根据车辆实际运行状态与车辆理想运行状态的误差反馈， 设计一种可以对车轮施加制动力来实现对汽车横摆运动的调节横摆力矩控制器； 最后，利用计算机仿真，对在高速弯道上的汽车横向稳定性控制系统进行自动控 制的仿真研究。 本文的主要研究工作和内容有： ( 1 ) 分析汽车动力学特性，建立汽车动力学模型，其中包括整车模型、轮 胎模型、制动系统模型、驱动系统模型等。运用m a t l a b s i m u l i n k 把汽车动 力学数学模型转换为仿真模型，并对模型进行仿真验证，为后面的控制系统的仿 真研究提供了正确的汽车动力学系统模型。 ( 2 ) 通过进行汽车横向稳定性分析，分析汽车运行在高速转弯工况下的变 化规律，判断汽车失稳的原因，建立理想状态下的汽车参考模型，对影响汽车横 向稳定性行驶的参数变量进行分析和研究，为整个汽车横向稳定性控制系统打下 了理论基础。 ( 3 ) 通过对汽车失稳的判定，设计了参数自适应模糊p i d 控制的模糊p i d 控制器，将参考的名义横摆角速度与实际横摆角速度之间的差值和差值的变化率 作为控制器的输入变量，附加的横摆力矩作为输出变量。 ( 4 ) 汽车横向稳定性控制系统的建模：结合所建立的汽车动力学模型，将 模糊p i d 控制器加入其中，并将此系统模型在不同路面、不同转向角输入工况 下进行仿真研究。 1 4 本章小结 本章通过对汽车横向稳定性控制研究现状的简要阐述，介绍了研究汽车横向 稳定性控制系统的重要性，同时说明了本论文选题的目的和意义，并对本文的研 究工作进行了大概的介绍，从而对本文有个整体的了解，为后续的章节奠定了初 步的基础。 6 第二章汽车动力学模型的建立 为了从理论上分析汽车转向过程的运动规律，本章建立了能满足要求的汽车 横向稳定性控制的动力学模型，并运用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱，对高速弯 道上汽车横向稳定性的控制进行了建模和仿真研究。 2 1 汽车动力学模型的建立 汽车动力学模型由两部分组组成，一部分为整车的动力学系统模型，包括轮 胎模型、制动系统、转向系统、整车系统、车轮系统模型；另一部分为动力驱动 模型，包括发动机模型、离合器模型、变速器模型。图2 1 为这一系统模型的框 图。 图2 1 汽车动力学模型框图 m ：轮胎回正力矩e 、e 、t ：轮胎z 、y 、z 方向的力 国，：车轮角速度 ，、“：车辆整车横向和纵向速度 屯：车轮转角m 。、m 。：发动机和离合器输出力矩 缈：车辆横摆角速度 瓦、乃：车轮上的制动和驱动力矩 7 ：车辆侧倾角 2 1 1 整车车辆模型 本文根据牛顿力学定律建立整车模型各个刚体的运动学方程，采用的模型m ， 为四轮车辆模型。它包括了车辆的纵向、横向运动、横摆运动、车轮的转角、四 个车轮的转动共8 个自由度。这一模型不考虑悬架的垂直运动，可以有效地模拟 7 车辆的转弯、制动等动力学特性，同时进行了车辆驱动系统( 包括发动机、变速 器) 的建模，可以有效地模拟车辆的驱动特性。 该模型忽略了车辆侧倾的影响，将簧上质量和簧下质量合为车辆整车质量， 忽略轮胎的滚动阻力、车辆风阻。考虑纵向、横向和绕车辆惯性轴的转动，由此 可以建立一个具体的四轮整车车辆模型( 如图2 2 ) ，且简化的整车运动方程如下： 图2 2 四轮车辆系统模型 ( 1 ) 纵向自由度动力学方程： 4 ，z 一v 缈) = ( 已c o s 4 一以s i n 4 ) 扛i ( 2 ) 横向自由度动力学方程： 4 m + ”缈) = ( ls i n 4 + 厶c o s 暝) ( 3 ) 横摆自由度动力学方程： l 西= ( 只：一c 。) 詈+ ( c 4 一只，) 詈+ ( c ：+ c 。) 彳一( o 。+ o ，) 召 ( 4 ) 质心侧偏角方程为： ：兰 。 “ ( 5 ) 车轮的侧偏角为： 前轮：口1 2 = ( v + 么功) “ 后轮：口3 4 = ( 1 ，一占国) “ ( 6 ) 各车轮对地面的法向反力： i l = m ( b g 2 一曲 2 l + 1 编2 c ) i 2 = m ( b g 2 三一攻 2 三一1 砌2 c ) i 3 = m ( 么。g 2 + 砌2 l + 锄2 c ) 1 7 、，j = m ( 么g 2 + 如五2 三一讪2 c ) 8 f x l f x 2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中：聊一一整车质量，k g ； ，一一汽车绕z 轴的转动惯量，k g m 2 ； y 一一汽车质心速度，m s ； “一一y 在z 轴上的速度分量，即车辆纵向运动速度，m s ； ，一一y 在y 轴上的速度分量，即车辆横向运动速度，m s ； 瓦、e ；一一车辆的纵向力、横向力，n ； 6 一一前轮转角，r a d ； 6 ；一一车轮与x 轴的夹角，r a d ； 一一汽车横摆角速度，1 s ； 彳、b 一一前、后轴到车辆质心的距离，m ； 一一汽车轴距，m ； c 一一前后轮距，m 。 车轮转动方程由制动器制动力矩、车轮地面间的摩擦力矩以及驱动力矩组 成，现仅考虑两轮驱动的情况。 ( 7 ) 各车轮动力学方程： 也= m 哪聊2 一m 6 1 一只l r l 日l 吐= m 吣聊2 一m 6 2 一只2 尺2 一e 2 2 ( 2 8 ) 也= 一m 。，一只，马 面4 = 一mb 4 一f 5 4 r 4 式中：m 面一一变速器输出力矩，n m ； m m 一一车轮制动力矩，n m ； 只，一一车轮圆周摩擦力，n ； ，；一一车轮转动惯量；k g m 2 血一一车轮角加速度，1 s z ； 尺觑一一驱动桥主减速比； 足一一车轮滚动半径，m ； e 一一滚动引起的轴法向反力前移距，m 。 这一模型重点描述了车辆运动特性，可以应用在制动、操纵以及动力学控制 的模拟研究。 ( 8 ) 车辆风动阻力按汽车理论： f 产型 ( 2 9 ) 式中：l 一一车辆风动阻力，n ； c d 一一空气阻力系数，对典型轿车阻力系数为0 4 0 6 ； 4 一迎风面积，m 2 ，即汽车行驶方向的投影面积，一般轿车可取 9 为2 m 2 。 ( 9 ) 车轮滚动阻力按汽车理论其计算公式为： f ；e ( 2 1 0 ) 式中：e 一一滚动阻力引起的轴法向反力前移距，m ； 一一轴荷，n 。 假定车轮行驶在良好沥青或混凝土路面上，其滚动阻力系数一般取为 0 0 1 0 0 0 1 8 ，对轿车可取为0 0 1 5 。 2 1 2 车辆轮胎模型 汽车运动依赖于轮胎所受的力，如纵向制动和驱动力、侧偏力、侧倾力、回 正力矩及翻转力矩等。所有这些都是滑转率、侧偏角、侧倾角、垂直载荷、道路 摩擦系数和汽车运动速度的函数。因而有必要采用较精确的轮胎模型来描述汽车 的运动状态。 轮胎模型的构造一般分为两种，一种是物理模型( 理论模型) ，即通过对轮胎 结构和形变机制的数学描述，建立剪切力和回正力矩与相应参数的函数关系。与 理论模型相对应的是经验公式或半经验公式，它是通过对大量的轮胎力特性的实 验数据进行回归分析，将轮胎力特性通过含有拟合参数的公式有效地表达出来。 在此，本文采用g i m 理论模型引n ”，其侧向力和纵向力可直接由滑移率计算 得到。这一模型中主要描述单独纵向力、横向力，以及它们之间的联合作用力， 纵向力和横向力又分为制动和驱动两种形式，它们的纵向滑移率定义为： s ，；尘兰 0 ，制动隋况 “ s ，。坚 0 ，驱动情况 v ( 2 1 1 ) 式中：k 一一轮胎的圆周速度，m s ； “一一车辆纵向速度，m s 。 定义横向滑移率为： a2 0 a n 冀l ，制动情况 ( 2 1 2 ) 1s 。= ( 1 一ls ，1 ) lt a n 口l ，驱动情况 式中：口一一车轮侧偏角，定义为a ：口，c 留( 兰) ： “ ，一一车辆横向速度，m s 。 ( 1 ) 车轮轮胎纵向力 下面推导纯纵向力的计算。路面轮胎间的摩擦系数可以近似线性地表达为： 心。，叩一彳跛 ( 2 1 3 ) l 彳= ( 1 一肛。o ) s ， 1 0 式中：一一滑动速度为零时的摩擦系数； 彳一一参数，可由两点的摩擦系数( 0 ，心) 、( 墨，地) 求得。 车轮的法向力： 只zc ：6 ， ( 2 1 4 ) 式中：c 一一轮胎径向刚度，n m ； 6 ，一一轮胎的径向变形，m 。 假定在附着区域纵向应力仅与轮胎的纵向刚度和纵向的弹性变形有关，在滑 移区域纵向应力接触压力和轮胎的摩擦系数有关( 或称为附着系数) ，见图2 3 ， o 图2 3 由轮胎滑移率引起的轮胎纵向力 纵向应力可以表示为： 丁口；2 t 。宇= 七，s s 亭， os 宇s 7 n ( 2 1 5 ) i 亭= ，p ，ts 亭s z 式中：仃。一一轮胎胎面的纵向应力，n ； 阪一一轮胎与路面间纵向摩擦系数； 卜一一轮胎接触长度，m ； p 一一轮胎与地面间接触压力，n ； 七。一一轮胎纵向刚度，n m ； s 一一纵向滑移率的绝对值； 亭一一轮胎的纵向位移变形，m ； z 。一一轮胎附着区域长度，m 。 定义无量纲轮胎接触长度：l z 。z ，s 。= s ，s 。，乙一1 一s 。 对轮胎纵向接触应力沿纵向方向积分： f 名一c ，5 ，2 ：+ 。t ( 1 3 2 ：+ 2 砰) ，s ， s 。 i 乓= 以t ， s ，s 。 ( 2 1 6 ) s 。堑墨 f = c 。s 。z ：+ ，c ( 1 3 f ：+ 复：) ，s 。 s 。 l = ，t ， s 。乏s 。 s ；三丛 ：z a2 r a s a ( 一圭+ ；乙) + 吾肛，fz s ： z 譬委：三要： l m 。= o ， 。 肛；肛o ( 1 一彳s ，。) 彳= ( 1 一弘1 肛o ) s 1 s 矿蹶 式中：肛。一一轮胎与路面的静态摩擦系数； 彳一一特征系数，可由轮胎特性的某点肛，s 求得； s ，。一一滑移率的联合参数。 车轮纵向附着系数为：心一心，s 。= c o s 卢 车轮横向附着系数为：j l ，一心。s 。；s i n 卢 车轮综合附着系数：= ；+ ； 接触区滚动滑动临界点： 跏壶瓜丽 槲晦腻；等 侧偏临界点：和善属了 定义：f 。= 1 一s 。； c ，一一轮胎纵向刚度，n m ； ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) c 。一一轮胎横向刚度，n m 。 轮胎与路面间的纵向力为： 肛。c ；s ，巧+ 心只( 1 一孵+ 斫) ，s s s ”( 2 2 8 ) 1 只芝，t ， s ，苫s 砧 轮胎与路面间的横向力为： f 2 c 。s a 譬+ y e ( 1 一群+ 斫) ，s a n 伸时升档 n ( nn _ 时，降档 n 门l 即为升档或降档的门限值，每一种节气门开度下都有一组n 胁值，n 呻 值的确定要根据实践总结出的规律来确定。 2 2 汽车动力学模型的s i m u l i n k 建模 根据车辆数学模型，运用m a l r l a b s i m ul i n k 工具箱”1 ，可建立计算机模 拟系统。 2 2 1 车辆系统模块 下面介绍如何采用m a t l a b ，s i m ul i n k 来实现车辆模型，车辆模块由车辆 系统、制动系统和驱动系统三大模块组成。车辆模型如图2 5 所示。 把! 生堕生一 图25 车辆动力学模型 车辆系统包括车轮模型、轮胎模型和车辆整车模型，都采用s i m ul i n k 的 s 函数来定义的。其中车辆系统m y v e h i c l e 的s 模块程序如下： f u n c t i o n 【s y s ，x 0 ，s t r ，t s 】= v e h i c l e ( t ，x ，u ，f l a g ) s w i t c hf l a g ， c a s e0 ， 【s y s ，x 0 ，s t r ，t s 】= m d l i n i t i a l i z e s i z e s ； c a s e1 ， s y s = z e r o s ( 2 9 ，1 ) ； c a s e2 ， s y s = m d l u p d a t e ( t ，x ，u ) ； c a s e3 ， s y s = m d l o u t p u t s ( t ，x ，u ) ； c a s e 4 ，9 】- s y s = 【】； 0 t h e r w i s e e r r o r ( 【u n h a n d l e dn a g = ，n u m 2 s t r ( f l a g ) 】) ； e n d f u n c t i o n 【s y s ，x 0 ，s t r ，t s 】= m d l i n i t i a l i z e s i z e s ( ) s i z e s = s i m s i z e s ； s i z e s n u m c 0 n t s t a t e s = 0 ； s i z e s n u m d i s c s t a t e s = 2 9 ； s i z e s n u m o u t p u t s = 2 0 ； s i z e s n u m i n p u t s = 7 ； s i z e s d i r f e e d t h r o u g h = 0 ； s i z e s n u m s a m p l e t i m e s = 1 ； s y s = s i m s i z e s ( s i z e s ) ； s t r = 【】； t s = 【00 】； d y n a m i c a l l ys i z e d d y n a m i c a l l ys i z e d h a sd i r e c tf e e d t h r o u g h i n h e r i t e ds a m p l et i m e p a r a m e t e r ； 【d l t ，v y ，v x ，v k ，ww ，z z ，b b ，d i o ，o o ，p k ，w z ，n t = c a r i n i ( 1 2 0 ) ； f o ri = 1 ：4 x 0 ( i ) = w w ( i ) ； x 0 ( i + 4 ) = v k x ( i ) ； x 0 ( i + 8 )