（载运工具运用工程专业论文）基于模糊逻辑横摆力矩控制的汽车稳定性研究.pdf

生塞揸要 中文摘要 摘要：汽车高速或在低附着系数路面上转向行驶时，由于受转向或外界干扰的影 响，侧向附着力容易达到附着极限，使汽车丧失稳定性，从而造成交通事故的发 生。本文根据国内外对汽车操作稳定性控制方法的研究现状，针对汽车动力学系 统的高度复杂的非线性特点，提出基于模糊逻辑的横摆力矩控制系统，进行了汽 车操作稳定性控制的仿真研究，具体内容如下： ( 1 ) 将整车模型的八自由度系统建模、二自由度汽车建模与d u g o 蹦 线性轮胎 模型相结合，为汽车稳定性的研究建立了系统动力学模型。 ( 2 ) 建立横摆角速度和质心侧偏角的偏差为输入，横摆力矩为输出的模糊逻辑 控制器，与系统动力学模型所组成的汽车稳定性控制系统，实现横摆角速度控制 和同时具有良好质心侧偏角响应的目的。 ( 3 ) 以具体车型为仿真实例，应用上述控制策略，对建立的仿真模型分别进行 了不同车速，转向角输入与路面下的仿真，得到汽车的横摆角速度与质心侧偏角 的响应曲线。类比了有无控制系统的仿真结果，并与实验数据比对，表明采用模 糊控制器对汽车操作稳定性的控制方法是可行的。 关键词：汽车；操作稳定性；控制系统；模糊逻辑；八自由度；仿真 分类号：u 4 6 1 6 ；t p 2 7 3 + 4 丛旦坠盟 a b s t r a c t a b s t r a c t ： s t e e r i n ga th i g hs p e e do rl o wf r i c t i o n a lc o e f f i c i e n tr o a d ，d u et oi n t e r f e r e n c ef a c t o r so f t h es h i f to rt h eo u t s i d ea c c i d e n te t c ，v e h i c l e 7 sl a t e r a la d h e s i o nf o r c et e n dt ol i m i to f a d h e s i o ne a s i l yt oh a v ev e h i c l es t a b i l i t yl o s s ，t h u st h et r a f f i ca c c i d e n t sh a p p e n e d a c c o r d i n gt oc o n t r o lm e t h o d so ft h en a t i o n a la n di n t e m a t i o n a lv e h i c l eh a n d l i n ga n d s t a b i l i t y , a i m e da tt h eh i g h l yc o m p l e xn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l ed y n a m i c s s y s t e m ，y a wm o m e n tc o n t r o ls y s t e mb a s e do l lf u z z yl o g i ci sp r o p o s e d ；t h ev e h i c l e h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yc o n t r o la l em o d e l e d a sf o l l o w s ： f i r s t l y , c o m b i n i n g8 d o f ( d e g r e eo f f r e e d o m ) m o d e lo f v e h i c l e i2 d o f o f v e h i c l e w i t hn o n l i n e a rt i r em o d e l ，s y s t e md y n a m i cm o d e li sg o t t e nf o rt h es t u d yo fv e h i c l e s t a b i l i 够 s e e o n d l gv e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mc o n s i s to ff u z z y - l o g i cc o n t r o l l e rw i t h i n p u t sa sd e v i a t i o n so fy a w r a t ea n ds i d e s l i pa n g l e ，o u t p u ta sy a wm o m e n t ，a n ds y s t e m d y n a m i cm o d e l ，i sp r o p o s e d ，a c h i e v i n gb o t hg o o dr e s p o n s e so fy a w r a t ea n ds i d e s l i p a n g l e f i n a l l y , t a k i n gs p e c i f i cv e h i c l ef o rs i m u l a t i o ne x a m p l e ，a p p l y i n gt h ea b o v ec o n t r o l s t r a t e g y , s i m u l a t e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fv e l o c i t y , s t e e r i n ga n g l ea n dr o a d ，b o t h t h er e s p o n s el i n e so fy a wr a t ea n ds i d e s l i pa n g l ea r eg o t t e n c o m p a r i n gs i m u l a t i o n r e s u l t sw i t hn o n - c o n t r o l l e ds y s t e m a n dt e s tr e s u l t ss e p a r a t e l y , 勰r e s u l t , f u z z yc o n t r o l l e r a n a l y s i so f v e h i c l es t a b i l i t yi se f f e c t i v e k e y w o r d s ：v e h i c l e ；h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y ；c o n t r o ls y s t e m ；f u z z y l o g i c ；8 d o f ； s i m u l a t i o n c l a s s n o ：u 4 6 1 6 ：t p 2 7 3 + 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：韶舅 导师签名 睁犰 签字日期：死刃年，2 月7 日签字日期：。o o ) 年r 2 月伊日 蕉刨性童明 独创- 性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：粥 签字日期 卅年f 硎1 日 致谢 本论文的工作是在我的导师徐宇工教授以及齐红元副教授的悉心指导下完成 的，徐宇工老师和齐红元老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮 助和影响。从论文的选题、方案论证、研究内容和方法的确立，直到论文结构编 排的整个过程，都倾注了导师大量的心血。作者跟导师不仅学到了丰富的专业知 识，而且学会了如何思考，如何开展科研工作，如何做人。在此论文收稿之际， 谨向导师表示深深的敬意和衷心的感谢! 杨江天老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向杨老师表示衷心的谢意。在研究生学习和工作期 间，得到了邱成老师、万里冰老师、肖燕彩老师的巨大帮助，在此一并表示衷心 的感谢。 另外还要十分感谢祝红英、孙丽萍、尚迎春、江维、高飞、乔俊玲、高银中、 齐红敏等同学们，以及所有关心我、帮助我的朋友，感谢他们在学习、生活和论 文工作过程中给我的热情帮助和深深友谊，对此我将终生铭记。 多年在外求学，离不开家人的支持和帮助，借此机会向我的父母和我的男友 刘渊表示深深的谢意! 1 1 前言 1 绪论 随着我国国民经济的不断发展，汽车在我国人民生活中占有越来越重要的地 位。汽车作为一种交通工具，己成为人们出行的主要选择，由此而产生的乘坐安 全性、舒适性便成为了世人关注的焦点。如何提高汽车的安全性己经成为摆在汽 车设计者、汽车生产商、交通管理者以及汽车使用者面前的重要问题之一。因此， 与乘坐安全性、舒适性紧密相关联的汽车操纵稳定性能的研究，就显得非常重要。 汽车的操纵稳定性是汽车理论的重要组成部分，是指在驾驶员不感到过分紧 张、疲劳的条件下，汽车能够遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶， 且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。通常认为由相互 联系的两部分组成：一是操纵性，二是稳定性。操纵性是指汽车能够确切地响应 驾驶员转向指令的能力；稳定性是指汽车受到外界扰动( 路面扰动或突然阵风扰 动) 后恢复原来运动状态的能力。两者很难分开，稳定性好坏直接影响操纵性的 好坏，因此通常统称为操纵稳定性【l 】。 汽车在行驶中，外界( 包括驾驶员) 对它的作用包括以下三个方面：驾驶员 通过操纵机构对汽车的操作、路匾通过轮胎施加给汽车的作用力以及空气作用力。 就汽车的操纵稳定性而言，驾驶员对汽车的输入所引起的响应是汽车的操纵性问 题，而路面和空气对汽车的输入所引起的响应是汽车的稳定性问题。汽车的操纵 稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定汽车高速安全行驶的 一个主要性能，所以被称为“高速车辆的生命线”。 随着道路条件的不断改善，特别是高速公路的发展，汽车以1 0 0 k m h 或更高 车速行驶的情况是常见的。因此，汽车的高速操纵稳定性日益受到重视，已成为 现代汽车的重要使用性能之一。 1 2 汽车稳定性控制系统的发展 随着电子技术的发展，利用控制技术提高汽车的行驶安全性一直是汽车领域 的研究热点。早在1 9 3 6 年德国博世( b o s c h ) 公司就第一个获得了用电磁式车轮 转速传感器获取车轮转速的a b s 专利2 1 。直到上世纪6 0 年代未和7 0 年代初，美 国三大汽车公司才分别推出了装有a b s 的高级轿车吼但由于受当时技术条件的 韭巫銮迪厶堂亟堂焦诠窑 限制，a b s 采用了模拟计算机与真空作用的压力调节器，在控制精度和可靠性上 出现了很多问题，美国汽车制造厂家不得不在7 0 年代终止了a b s 轿车的生产1 4 j 。 随着数字计算机和调节器技术的发展，a b s 的性能和抗干扰能力不断增强，a b s 在欧洲又重新兴起。 在上世纪8 0 年代中后期和9 0 年代，a b s 在世界范围内得到了广泛地推广和 应用，成为在汽车上应用最成功的电子控制产品之一，大大改善了汽车在制动时 的性能。在9 0 年代中期以后，主要汽车生产厂家生产的轿车几乎全部配备a b s ， 使得a b s 成为了现代汽车的标准装备。a b s 是通过对车轮制动滑移率的控制提高 侧向附着力来保证汽车制动侧向稳定性的。同样的原理，通过对车轮驱动滑移率 的限制来提高侧向附着力也可以改善汽车驱动时的稳定性。于是各种汽车牵引力 控制系统( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，简称t c s ) 的专利在7 0 年代开始出现胪4 j 。但 直到1 9 8 5 年才由瑞典v o l v o 汽车公司把这项技术转化为产品，开发了一种被称 为e t c 的电子牵引力控制系统并安装在v o l v 0 7 6 0t u r b o 汽车上，该系统仅通过调 节燃油供给量调节发动机的输出力矩来控制驱动轮滑转，但未采用对制动系统的 控制【9 1 。1 9 8 6 年1 2 月，成功推出a b s 的b o s c h 公司第一次将制动防抱死控制技 术与驱动防滑控制技术相结合应用于m e r c e d e ss 级轿车上【10 ，”j ，开始了a b s a s r ( 驱动防滑系统，即a c c e l e r a t i o ns i i pr e g u l a t i o n ) 集成控制的时代，并利用对制动 系统的控制来调节车轮的驱动滑移率。现在的a s r 系统很少单独使用，一般都是 与a b s 一起构成a b s a s r 系统。a b s 和a s r 都只通过对纵向滑移率的控制来间 接保证汽车在制动和驱动时的稳定性，但对汽车在极限转向、制动转向、驱动转 向以及车辆受到外界干扰等引起失稳时的纠正效果并不是十分明显。汽车稳定性 控制突破了a b s a s r 的限制，通过直接监测汽车的实时运行姿态进行控制，直接 保证汽车的稳定性，因此显著提高了控制效果，特别是能显著提高汽车处于附着 极限时的稳定性，因而大大减少了交通事故，特别是减少了严重交通事故的发生。 汽车稳定性的概念在上世纪9 0 年代初开始提出，由于当时的汽车稳定性控制 还处于概念阶段，各个生产厂家根据自己系统的特点提出了各自的方法与名称。 1 9 9 2 年b m w 公司和b o s c h 公司合作，在a b s a s r 的基础上开发了汽车稳定性控 制系统并称之为d s c l ( d y n a m i cs t a b i l i t yc o n t r o l1 ，第一代d s c ) ，应用于 b m w 8 5 0 c i 轿车上【1 2 】。1 9 9 4 年，b m w 公司和b o s c h 公司再次合作，在d s c i 的 基础上进一步发展为d s c 2 ，并引入c a n 总线与发动机管理系统通讯1 1 ”。无论是 第一代还是第二代d s c 都相对比较简单，只是在a b s a s r 的车的横摆角速度是 通过间接估计得到的，这在很多情况下，尤其是在轮胎附着极限情况下是不准确 的。真正意义上的汽车稳定性控制般认为出现在1 9 9 5 年。在1 9 9 5 年，b o s c h 公 司提出了v d c ( v e h i c l ed y n a m i cc o n t r 0 1 ) 的概念【l ”，b e n z 公司提出了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 ) 的概念i l “，丰田公司提出了v s c ( v e h i c l es t a b i l i t y c o n t r 0 1 ) 的概念，它们均采用了能直接测量汽车运行姿态的侧向加速度传感器和 横摆角速度传感器，使得稳定性控制系统的应用范围大大扩展。1 9 9 6 年b m w 公 司和b o s c h 公司再次合作推出的d s c 3 就是此类稳定性控制系统0 1 。1 9 9 7 年v a r i t y k e t s e y - h a y e s 和l u c a sp l c 合并，联手开发v s c l l7 i 。德国的大陆t e v e s 公司也以 m k 6 0 液压调节器为基础进行e s p 的研制与开发。汽车稳定性控制系统在发展过 程中出现了很多名称，主要包括：汽车稳定性控铜j ( v s c ) 、汽车动力学控制( v d c ) 、 动力学稳定性控制( d s c ) 、电子稳定性程序( e s p ) 等等，但其组成与功能大体 一致，为了方便，本文统一称为汽车稳定性控制。从1 9 9 5 年至今，由于性能的不 断改进以及成本的不断降低，汽车稳定性控制获得了很快的发展，并开始作为选 装件装备于一些中、高档轿车上。 从2 0 0 0 年起，德国大众公司开始在其几乎所有轿车车型上配备了e s p 系统作 为选装件。通用、福特和戴姆勒克莱斯勒公司也开始在其新车型中选装汽车稳定 性控制系统。表1 1 体现了汽车稳定性控制与a b s 和a s r 的区别。从表中可以看 出，汽车稳定性控制系统无论是在需要的传感器和执行机构方面，还是在功能方 面都有了更高的要求。 表i - 1a b s ，a s r 和汽车稳定性控制系统的比较 t a b l e 1 - 1c o m p a r i s o na m o n g a b s ，a s r a n d o t h e r v e h i c l es t a b i l i t y c o n t r o ls y s t e m 系统需要的传感器执行机构辅助系统 主要功能 a b s 液压 防止车轮抱死，提高制动稳定 a b s 轮速传感器( 4 个)无 调节器性 a b s 防止车轮过度滑转，提高驱动 a s r发动机管理 轮速传感器( 4 个)a s k 液压能力，提供电子差速锁功能， ( t c s ) 系统( e m s ) 调节器 提高驱动稳定性 轮速传感器( 4 个) 方除了具备a b s a s r 的功能 e s p改进的 向盘转角传感器、侧向外，还实时检测汽车的运行姿 ( v s c ) a b s 发动机管理 加速度传感器、横摆角态，保证汽车在极限转向、制 ( d s c ) a s r 液压系统( e m s ) 速度传感器以及制动动、驱动以及复杂工况下的稳 ( v d c ) 调节器 主缸压力传感器等 定性 lt 3 汽车操纵稳定性研究历史及现状 有关车辆转向的动力学思想始于二十世纪初期，以人们对汽车转向时轮胎侧 e 立銮适厶堂殛堂位途塞 向力及产生侧向力的轮胎侧偏角的认识为标志。通常认为是法国工程师乔治布劳 海特在1 9 2 5 年发现了轮胎侧偏现象。1 9 3 5 年，e v a n s 给出了有关轮胎力学特性较 为深入的结果【1 8 】，包括轮胎侧偏刚度随着侧偏角变化的规律。 在随后的几年里，汽车操纵稳定性理论的一些重要的基本概念，如不足转向、 过度转向、l 临界车速等已为汽车工程师所熟悉。在三十年代后期，比较有效的描 述汽车稳态转向的数学模型在实际中得到应用。在1 9 3 6 年德国博世( b o s c h ) 公 司第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获取车轮转速的a b s 专利。随后，人们 的注意力开始转向汽车的动态特性。大约经过三十年的时间，在汽车瞬态响应的 分析方面才取得了显著的成绩。 在2 0 世纪6 0 年代以前，主要以开环研究为主，取得了许多研究成果。所谓 开环研究就是把汽车作为一个开环控制系统，求出汽车曲线行驶的时域响应和频 率响应特性，对系统进行稳态和瞬态分析，用横摆角速度频率响应特性、转向盘 角阶跃输入下的稳应、转向盘角阶跃输入下的瞬态响应、不足转向特性和过度转 向特性f 1 9 】等来表征汽车的特性，分析了保持汽车的行驶方向稳定性条件是临界车 速必须大于汽车最高车速等。其应用的基础是经典控制理论。按照这种方法研究 汽车操纵稳定性，需要建立精确的汽车动力学模型。1 9 5 6 年，美国康乃尔航空试 验室的w h i t e c o m b ，m i l l i k e n 和s e g e l 发表了“线性二自由度”和“线性三自由度” 汽车转向模型。 七十年代初期，鉴于当时的驾驶员模型仍处于提高闭环跟踪响应的仿真精度 的水平，各国研究人员主要采用系统工程学的方法去探索操纵性的评价方法。依 据大量的试验与理论分析，首先指出了稳态响应特性、瞬态响应特性、回正特性 和侧向滑移特性的安全容许极限，对操纵性进行客观评价【2 0 。七十年代中后期以 后，开始利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯行驶性能和转向轻便性等特性的 感觉，进行主观评价。主观评价方法虽然没有经过理论推导，但是由于考虑了驾 驶员因素和道路环境的特点，在一定程度上体现了闭环设计的思想。1 9 6 5 年s e g e l 提出了“线性四自由度”汽车转向模型。 八十年代以来，到目前为止已有7 自由度、1 4 自由度、1 7 自由度乃至更多自 由度的汽车数学模型口j f 2 2 】。在采用计算机仿真之前，首先要建立汽车的整车动力 学模型。组成汽车动力学系统的元件有轮胎、悬架、转向系统等，它们都明显具 有非线性特性。因此，所建立的模型也应该包括这些元件的非线性特性，整车模 型应该是多自由度动力学模型。同时，驾驶员特性对操作稳定性也有较大的影 响，必需建立一套非常逼近实际的驾驶员模型，将人车路作为一闭环系 统进行研究f 2 3 】i 。基于这种认识一些研究者开始进行驾驶员模型和驾驶员汽 车闭环系统的研究【2 ”。初期，m u r u e r 等人做了不少飞行员飞机闭环控制的研 4 究并推广到汽车上。但是这些工作有一个基本的缺点，就是忽视了驾驶员的前视 作用。而且，系统中不少参数只能靠大量的统计试验来确定。在建立驾驶员模型 时，早期用经典控制理论所建立起来的模型是p i d 补偿模型、交叉模型，以后又 发展了线形预测模型、二阶预测校正模型、最优预瞄控制模型及预瞄最优曲率模 型。r e d d y 和e l l i s 提出了一种模仿驾驶员行为的模型。这种模型的基本原则是： 假设驾驶员在任何时刻都注意前方距汽车的距离为d 处。为确定适宜的转向盘转 角，暂时冻结该瞬时t 下的汽车状态，进行转向盘角度寻查，试算在该转向盘角度 下经过行驶距离d 后，汽车运动轨迹与预期轨道的误差是否在允许的范围内。如 果是，则认为此时的转向盘角度就是冻结时刻t 下的转向盘角度。如果误差不在允 许的误差范围内，则继续寻查到满足允许误差为止。通过这样的逐点冻结寻查， 来模仿驾驶员的控制行为。m a c a d a m 提出了另一种方法来仿真驾驶员的行为，这 种方法的思路与上述的方法类似，但采用了直接优化方法。因此，人们重新开始 深入地研究驾驶员汽车道路闭环系统。在理论方面，充分地考虑到人的 学习性和适应性，建立了许多确定性驾驶员方向控制模型，有效地仿真了驾驶员 汽车道路闭环系统对给定路径的跟随过程【2 6 。1 1 。在试验方面，考虑到驾 驶员模型的进展程度不能满足主动安全性闭环设计的要求，以及安全试验设计方 法只能在样车试制后采用，并受到自然条件限制等缺陷，研制了各种驾驶模拟器 1 3 2 。这些模拟器采用先进的实时仿真、数字成像、液压控制等技术，将真实的驾 驶员与模型化的汽车相结合，通过室内计算祝仿真代替场地试验，缓和了理论研 究的发展程度与汽车主动安全性闭环设计要求之间的矛盾。在仿真评价方面，最 开始从事这方面研究的是日本学者安部正人，他根据预瞄模型，提出了一个理论 上预测操纵性的方法f 3 3 】。日本另一学者原田宏在这方面也作了大量的工作【3 4 j 5 1 ， 建立了以三个单项均方值指标( 轨道误差、转向盘角度、驾驶员操纵负担) 为基 础的综合性能指标，进两对汽车参数进行优化。 国内，汽车专家郭孔辉教授在驾驶员模型、驾驶员汽车道路闭环系 统特性及其闭环综合评价方面作了大量的研究工作1 3 “”。他在考虑了影响汽车操 纵性的诸多因素的基础上，提出了物理意义明确的各个单项总方差评价指标( 轨 道、侧向加速度、转向盘角速度、前后轮侧向力系数) ，并且应用频域统计分析方 法提出了闭环系统主动安全性的综合评价与设计方法，便于工程应用。 近几年来，有一些学者开始尝试用现代控制理论的一些控制方法进行汽车的 稳定性控制，并取得了一些控制效果 4 2 - 4 4 。随着汽车底盘动力学控制的不断发展， 集成控制是今后发展的方向，该系统能协调各控制策略，并共享传感器信号，进 一步提高汽车的稳定性【4 ”。 在国内，汽车的稳定性控制的研究还处在起步阶段，只有少数学者和单位( 吉 e 塞窑垣厶堂亟堂焦迨塞 林大学、清华大学等) 进行了控制方法的仿真研究 4 9 - 5 3 】，而且由于缺少汽车动力 学系统的元件轮胎、悬架、转向系的完备实验条件，限制了汽车稳定性的深入研 究。 近年来，在横摆力矩控制汽车稳定性研究方面国外有很多研究报道。横摆力 矩产生的主要原因是通过汽车的驱动力和制动力在车轮之间的侧向分配。h y e o n t h 】 提出一个基于n 的最优化横摆力矩控制的设计方法，用八自由度线性汽车模型控 制制动力矩，但汽车模型复杂，导致响应时间较慢。f u r u k a w a ”】通过用轮胎模型 估计侧偏角的研究方法，提出d y c ( 直接横摆力矩控制) 算法，此方法需通过大 量实验，获得精确侧偏角数据，虽然系统响应时间快，但实验费用大，同时缺乏 汽车参数建模的理论支持，因此不能提出系统的设计方法。s h i n o 5 6 提出一个基于 最优控制理论的控制方法，通过驱动力或制动力产生的直接横摆力矩来提高电动 汽车的稳定性，但只适用于结构简单的研究对象。基于汽车动力学的动力闭环控 制算法【5 7 j ，实现两个轮之间的牵引分配最优化，并可改善汽车稳定性，但算法研 究主要是牵引力的优化分配，而不是稳定性方面的研究。r m m c ( r o b u s tm o d e l m a t c h i n gc o n t r o l l e r ) 作为一个简单鲁棒伺服控制器被提出，但此法侧重汽车的平 顺性的改善。 综上所述，控制单个参数( 横摆角速度或质心侧偏角) 来改善汽车的稳定性 有大量的研究报导1 5 s , 5 9 ，其实质是将转向盘控制和制动控制结合起来实现汽车高 速稳定性控制的目标，由于分别要设计两个控制器来控制转向盘和制动力，增加 系统复杂性与产品成本。因此仅控制横摆力矩的控制方法，具有成本低，系统简 单的优点。本文寻求建立一个控制器来控制横摆角速度，并同时能够获取较好的 质心侧偏角响应的方法，实现简单低成本的汽车操作稳定性控制的目的。 1 4 轮胎数学建模研究 车辆的充气轮胎具有支承车辆质量、在车辆驶过不平地面时进行缓冲、为驱 动和制动提供足够附着力、提供足够的转向操纵与方向稳定性的作用。除空气的 作用力和重力外，几乎其他影响地面车辆运动的力和力矩皆由轮胎与地面接触而 产生。因此，轮胎动力学特性的研究，对研究车辆性能来说是非常必要的。轮胎 动力学建模方法有理论方法、经验和半经验方法，建立的模型有理论模型、经验 和半经验模型唧】。 1 4 1 理论模型 由于轮胎的结构十分复杂，在侧偏和纵滑时其受力和变形难于确定，另外， 轮胎和路面之间的摩擦耦合特性也具有不稳定的多变性。在目前阶段，很难根据 轮胎的物理特性和真实的边界条件来精确地计算轮胎的偏滑特性。因此，轮胎的 理论模型只能是在对轮胎特性进行合理简化的基础上发展起来的。 早期研究轮胎力学特性的工作是f l j b r a d l e y 和a l l e n 进行的。f r o m n 通过飞机轮 胎的侧向变形解释了稳态侧偏角与侧向力之间的关系。在研究中，把轮胎与地面 的接触区分成两个部份，即附着区和滑移区。这一处理技术是合理的，因而沿用 至今。 首先对轮胎侧偏特性做理论研究的是f i a l a ，他做出了轮胎侧向位移只发生于 接触区内的假设，并对自由滚动的轮胎建立了具有集中侧向力作用和具有弹性支 承的梁模型，得到了侧向力、回正力矩和固定侧偏角之间的关系。其中侧向力理 论值同实验值趋于一致，但回正力矩的理论值同实验值还存在着相当的误差。6 0 年代，p a e e j k a 弓l 入了带有胎冠微元的受拉伸弦模型，b o e h m 对带束轮胎建立了圆 环模型。到目前为止，以上模型的工程应用均受到了较大限制，这是因为，尽管 对垂直载荷和胎体变形规律都做了相当简化的假设，但它们所揭示规律的形式过 于繁杂，以至于很难抽出有指导意义的规律。 b e r g m a n 首先对制动时轮胎的转向特性进行了理论研究，引入了“相互作用弹 簧”的概念，将每个弹簧单元视为径向、纵向和侧向相互作用的三个基础弹簧， 使得制动力成为侧向力的一个参数，制动力的变化可引起侧向力的变化。n o r d e e n 和c o r t e s e 、k r e m p e l p 以及h e n k e r 的研究也表明侧向力和回正力矩同制动力和驱动力 有一定的关系。 f r a n k 等人曾考虑了更为复杂的胎体变形，将胎体简化成弹性支承上的无限长 的粱豹一部份，并且考虑了胎体变形时的受拉以及受分布载荷作用而弯曲的特点， 用数值计算的方法计算了胎体的变形。但因模型过于复杂，很难在车辆操纵稳定 性模拟计算中应用。l i v i n g s t o n 和b r o w n 用图解的方式比较了在均匀、椭圆形和抛 物线形接触压力分布时对轮胎侧偏特性的影响，并计算了纵向和侧向滑移联合工 况下的驱动力和制动力，尤其是考虑了轮胎外倾对轮胎侧偏的影响。 d u g o f 粥轮胎与道路间的摩擦系数表示成轮胎胎面滑移速度为零时的摩擦参 数和摩擦降低因素的函数。n g u y e n 和c a s e 对现有轮胎摩擦模型进行了比较，指出 模型与试验数据的吻合，并强调了摩擦椭圆概念的重要性。7 0 年代末，p a c e j k a 研 究了稳态轮胎侧偏特性的数学模型和表征轮胎、悬架和转向特性联合作用下的有 效轮胎侧偏作用的概念。 7 j e 塞窑适厶堂亟堂位i 金塞 s a k a i 对轮胎力学特性进行了细致的理论和试验研究，在f i a l a 模型的基础上建 立了纯纵滑以及纵滑侧偏联合工况下的理论模型，并进行了试验验证。另外，他 还详细研究了轮胎气压、载荷、温度、速度以及转鼓曲率等对轮胎侧偏特性的影 响，取得了一些有益的结论。b a k k e r 给出了侧偏力、制动力和回正力矩的解析公式， 这些公式只能在纯侧偏或纯制动的稳态条件下使用，但这是研究轮胎制动与侧偏 联合模型的基础。 8 0 年代末，郭孔辉建立了轮胎侧偏特性的一般理论模型。该模型不仅与试验 结果很好地吻合，而且为建立半经验模型提供了可靠的理论依据。该模型将轮胎 接地印迹上的压力分布简化为一般形式。另外，轮胎胎体的变形模式也被简化成 一般形式，而不关心它的变形是像个“弦”还是像个“梁”，这样所得的模型具 有普遍的意义，而且便于分析轮胎结构特性对力学特性的影响。该模型考虑了轮 胎的侧向弯曲变形，论述了胎体的弹性对轮胎侧向力和回正力矩的影响，其数值 仿真结果可解释一些至今尚难理解的重要现象。 g i m 和n i k r a v e s h 分别建立了在纯滑移( 包括纵滑、纯侧偏、纯外倾) 和联合滑 移( 外倾、侧偏和纵滑同时存在) 的情况下的轮胎模型。b e r g m a n l 拘相互作用的弹 簧概念为基础，轮胎被认为是由一系列三维变形微元组成的，这些微元可以在径 向、纵向和侧向传递力。每一轮胎微元用一个弹簧表示，其对称轴相互垂直。该 模型只需要轮胎的几何定位和少量的试验参数，对给定的轮胎定位和相对于地面 的速度，可以用显式公式定量地确定轮胎的径向力、纵向力、侧向力和回正力矩。 此模型应用起来比较方便，但由于模型中应用了过多的简化，因此其结果具有较 大的局限性。 郭孔辉和隋军研究了垂直载荷分布与侧向力模型及纵向力之间的关系，推导 了轮胎载荷分布和侧向力模型之间的关系，并根据实测的斜交胎和子午线胎的载 荷分布建立了各自的侧向力模型。通过试验方法研究了载荷分布特别是载荷分布 的末端斜率随纵向力变化的定性和定量关系，对轮胎的理论模型和半经验模型的 建立有很好的指导意义。该具有理论意义的摩擦系数各向异性时的轮胎统一模型， 为研究联合工况下轮胎切向力和回正力矩合理表达式提供了重要的基础，分析了 纵向力和压力分布对侧偏刚度的影响。该模型也为研究经验和半经验模型奠定了 基础。 1 4 2 经验及半经验建模 到目前为止，大多数的操纵稳定性仿真都主要使用一定条件下取得的试验数 据。这种做法虽有其方便之处，但由于试验条件的限制和路面附着系数的多变性， 不可能用有限的试验曲线来表达轮胎在各种路面和各种垂直载荷下的全面特性。 如若在整车模拟时直接采用纯理论模型，因为其不少参数难以通过试验获得，即 使能够得到，也由于模型不可避免的简化，计算结果容易出现较大的误差。轮胎 的半经验模型较好地解决了纯理论模型工程应用的局限性和试验数据片面性之间 的矛盾，因为半经验模型可以通过试验拟合来弥补某些纯理论模型的不得已简化 而带来的误差。近年来，轮胎的半经验模型有了很大发展，并被广泛地应用在车 辆操纵稳定性的仿真计算中。多种数学函数都被用来描述轮胎的侧偏特性，例如， 反正切函数、指数函数、多项式函数和双曲线函数等。 b e m a r d 等人提出了用于联合侧滑工况的轮胎半经验模型。这一模型可用于表 征带束斜交轮胎、子午线轮胎和斜交轮胎的切向力特性。郭孔辉以f i a l a 的理论为 基础，通过试验建立了侧偏力和回正力矩的半经验模型，并根据新的试验数据进 行了改进。该模型的一个很大优点就是建立了无量纲的侧向力和回正力矩与侧偏 角之间的关系，从而使模型十分简练。文献【6 1 】是考虑了任意压力分布和摩擦各向 异性的轮胎统一模型，对半经验模型的准则和几种流行模型进行了讨论和比较， 并推荐了一个统一的半经验轮胎模型，该模型在车辆动力学仿真中具有较高的精 度，使用方便，得到了一些试验的验证。 1 4 3 轮胎建模新方法人工神经网络法 传统的建立轮胎力学特性模型的方法，其建模过程复杂，研究周期长，模型 精度直接受控于所选的模型形式和基函数的形式，在结合到车辆系统进行整车动 力学仿真时，存在很大局限性。 p a l k o v i e e 和e i - g i n d y i i 开究了用神经网络来表征轮胎输入、输出关系的模型，即 神经轮胎。这种方法是通过调整神经元之间的连接权值，对轮胎的输入、输出数 据迸行训练。训练后的神经网络能够较好地表示所及变量之问的非线性关系，并 在数值上能有效地代替传统的轮胎模型。赵和平等进一步证实了该方法的有效性。 但由于采用的是传统的b p 算法，存在网络收敛速度慢及易陷入局部最小点的缺点。 为了克服所存在的局限性，徐立友等对其算法进行了改进，使训练速度和模型的 精度得到进一步的提高。 1 5 模糊控制的应用 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种计 算机控制方法。是智能控制的主要方法之一。它能够方便地将专家的经验知识和 9 j e 塞銮适厶堂亟堂位迨毫 思想加入到知识模型中，具有较强的人机对话能力。 1 5 1 模糊控制应用概况 模糊控制是模糊集合理论应用的个重要方面。1 9 7 4 年英国伦敦大学的教授 e h m a m d a n i 首先成功地把模糊理论用于锅炉和蒸汽机的控制，这一开拓性的工作 标志着模糊控制工程的诞生。 1 9 7 5 年英国的i u 硒n g 和e h m a m d a n i 将模糊控制系统应用于工业反应过程 的温度控制中。1 9 7 6 年荷兰学者w j m k j c k e r t 和 l r v a n n a u t a 将模糊控制器应用 于热水装置中。英国学者r m t o n g 于1 9 7 6 年用模糊控制对压力容器内部的压力 和液面进行控制。1 9 7 7 年英国的c p p a p p i s 和e h m a m d a n i 对十字路口的交通枢 纽指挥采用了模糊控制。 1 9 7 9 年英国i j p r o e y k 和e h ，m a m d a n i 研究了一种自组织的模糊控制器，它 在控制过程中不断修改和调整控制规则，使系统性能不断完善。自组织模糊控制 器问世，标志着模糊控制器“智能化”程度向高级阶段发展，毫无疑问的证明了 它归属于“智能控制器”范畴【”1 。1 9 8 0 年丹麦f l s m i d t h 公司研制的模糊逻辑计 算机协调控制系统被应用于水泥窑生产过程控制，并且与1 9 8 2 年研制成功的n o 分析器配套使用，使水泥生产过程实现了自动化。1 9 8 3 年日本学者m s u g e n o 和 k ，m u r a k a m 将一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器，应用于汽车速度控制， 并取得成功。 因此，要研制智能化的汽车离不开模糊控制技术。现在，已经出现了许多商 品化的模糊组件，通过装载推理软件或推理芯片来实现各种不同的功能。在汽车 的刹车装置系统、变速控制、车身弹性缓冲系统及巡航控制系统等部件中，已经 广泛地使用模糊技术。例如日本三菱公司研制的模糊跟踪系统，能够检测前转向 轮的转角和车速，求得汽车的转弯速度，可以根据司机所要求的功率对轮胎承受 能力进行控制，还能自调整发动机的功率，从而保证汽车转弯时不会发生偏行。 日本三菱公司在轿车的自动变速器上使用模糊技术，大大减少了过去由“电脑” 控制自动变速器进行精确计算的许多麻烦，使自动变速更具实时性和时效性。而 美国的福特汽车公司应用模糊技术制造出一种新的汽车调节器，不但能够准确地 保持汽车速度，还能够在与别的汽车距离过近时自动刹车。但是，在汽车操作稳 定性的研究中采用模糊逻辑控制技术尚无系统的建模方法，能否将其引入该系统 是目前人们在汽车控制领域的热点课题之一。 o 1i 5 2 模糊控制特点 美国控制理论专家查德( l a z a d e h ) 教授于1 9 6 5 年首先提出了模糊集合的概 念。开刨了模糊数学及其应用的新纪元。他指出：模糊控制方法与通常分析系统 所用的定量方法在本质上是不同的： ( 1 ) 语言变量代替数学变量或两者结合应用； ( 2 ) 用模糊条件语句来刻画变量间的函数关系； ( 3 ) 用模糊算法来刻画复杂关系。 在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂，很难获得被控对 象准确的数学模型，这些系统的自动控制难以实现。对这类系统的控制，模糊控 制的诞生就显得意义重大。因为模糊控制不强求建立数学模型，根据实际系统的 输入输出数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。模糊 控制获得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点； ( 1 ) 模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，其依据 是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的 精确数学模型。 ( 2 ) 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同， 容易导致较大差异。但一个系统的语言控制规则却具有相对独立性，利用这些控 制规律间的模糊连接，容易找到折衷的选择，使控制效果优于常规控制器。 ( 3 ) 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减 弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。所以模糊方法适合于像汽车 这一类部分参数经常变化以及要在不同道路条件下工作的非线性、时变动态系统。 然而模糊控制器也存在一定的缺陷，主要表现在： ( 1 ) 精度不太高。这主要是由于模糊控制表的量化等级有限而造成的，通过 增加量化等级数目虽可提高精度，但查询表将过于庞大，须占用较大空间，使运 算时间增加。实际上，如果模糊控制器不引入积分控制，原则上总是存在误差的。 ( 2 ) 自适应能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的，当对象参数随环 境的变迁而变化时，它不能对自己的控制规则进行有效的调整，从而使其良好的 性能得不到充分的发挥。 ( 3 ) 易产生振荡现象。如果查询表构造不合理，或量化因子和比例因子选择 不当，都会导致系统振荡。 j k 壅銮道厶堂亟堂位途塞 1 6 论文的研究目的和内容 1 6 1 研究目的 为了使高速汽车具有快速、准确的稳定性响应的性能，采用模糊逻辑控制策 略，提出一个基于模糊逻辑的横摆力矩控制器，建立一个逻辑控制器来控制横摆 角速度，并同时能够获取较好的质心侧偏角响应的方法，实现简单低成本的汽车 操作稳定性控制的目的。 1 6 2 研究内容 汽车动力学稳定性控制系统是一个复杂的控制系统，需要考虑的问题很多。 本文主要针对汽车动力学系统的强烈非线性特点，考虑到传统的控制方法不能很 好的满足控制系统的性能要求，采用了模糊控制方法对汽车动力学稳定性控制进 行了研究，具体内容如下： ( 1 ) 建立为分析汽车横摆角速度的整车模型的八自由度系统模型和为分析 汽车质心侧偏角的二自由度汽车模型，将上述模型与d u g o f f - ： 线性轮胎模型相结 合，建立了为汽车稳定性研究的系统动力学模型。 ( 2 ) 建立横摆角速度和质心侧偏角的偏差为输入和横摆力矩为输出的模糊 逻辑控制器，与系统动力模型所组成的汽车稳定性控制系统，实现横摆角速度控 制和同时具有良好质心侧偏角响应的目的。 ( 3 ) 以具体车型为仿真实例，应用上述控制策略，来分析建立的仿真模型 分别进行不同车速，转向角输入与路面下的仿真，得到汽车的横摆角速度与质心 侧偏角的响应曲线，类比有无控制系统的仿真结果，论证采用模糊控制器对汽车 操作稳定性的控制方法是可行的。 2 丛自自廑麴左堂丕筮搓型丝壅窒 2 八自由度动力学系统模型的建立 建立控制对象的模型是控制系统研究的基础。汽车操作稳定性控制的对象是 整个汽车，在进行汽车动力学控制的理论研究时，必须建立能满足要求的汽车动 力学系统模型。地面上运动的汽车，在加上其组件的模型，得到的动力学方程将 是非常复杂的模型，并且是非线性的。如果不适当的进行简化，整个系统将更加 复杂。本章在建立汽车动力学系统模型时对汽车做了一定的假设，完成汽车的八 自由度动力学系统模型的建立。 2 1 汽车的动力性 2 1 1 汽车坐标系与运动分解 研究汽车的运动常常采用图2 1 所示的直角坐标系。该坐标固结于运动中的汽 车之上，当汽车在水平路面匀速行驶时，x 轴平行于路面指向前方，y 轴指向汽车 右侧，z 轴垂直于地面指向上方，常令三轴的原点与汽车的质心重合。 图2 - l 汽车坐标系与汽