（车辆工程专业论文）四轮转向汽车操纵稳定性分析与模糊控制的研究.pdf

j 哮 ， 、，。 扩 ；b，j ad i s s e r t a t i o ni n4 w sv e h i c l ea n df u z z yc o n t r o l l i t ll li iii i ll li i ll illl y 18 4 2161 h a n d l i n g a n d s t a b i l i t yp e r f o r m a n c ea n a l y z e a n df u z z yc o n t r o lr e s e a r c ho f4 w sv e h i c l e b y y a ns i p m g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 j 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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 明并表示谢意。 一一1 学位论文作者签名：多馄悔7 年 日 期：加扩、f f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北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、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东j 匕大学硕士学位论文摘要 四轮转向汽车操纵稳定性分析与模糊控制的研究 摘要 汽车四轮转向技术的优越性：通过汽车前后轮的同向偏转，改善汽车的瞬态响应， 增强汽车高速行驶时操纵稳定性，提高高速转弯时的安全性能；通过前后轮反向偏转， 减少低速转弯时的转弯半径，提高汽车操纵灵活性。 首先，本文阐明了4 w s 汽车转向原理与转向特性，参考经典4 w s 汽车两自由度数 学模型以及三自由度数学模型，推导两自由度4 w s 汽车横摆角速度、质心侧偏角响应； 进一步对比分析前后轮比例控制四轮转向汽车与二轮转向汽车在时域和频域内的转向特 性，验证了四轮转向汽车高速稳定、低速灵活的特性。 其次，通过对a d a m s c a r 内部模块以及根据已知四轮转向汽车结构参数进行修 改，建立了后轮转向系统与前轮转向系统以及横摆角速度的函数控制关系，从而建立 4 w s 汽车整车虚拟样机模型；在虚拟样机模型基础上，仿真分析了4 w s 汽车的瞬态特 性、稳态特性、轮胎侧偏刚度对转向性能的影响。 再次，利用m a t l a b 的f u z z yl o g i ct o o l b o x 工具箱建立后轮转角模糊控制器；通 过a d a m s c o n t r o l 把m a t l a b s i m u l i n k 中控制模型与a d a m s c a r 中虚拟样机模型进行 联合仿真，并对比分析2 w s 虚拟样机、比例控制4 w s 数学模型、横摆角速度反馈控制 4 w s 汽车虚拟样机与模糊控制4 w s 汽车虚拟样机的转向特性，结果表明，模糊控制下 4 w s 虚拟样机具有较好的鲁棒性和操纵稳定性。 最后，对四轮转向技术( 4 w s ) 与车辆动态控制技术d c ) 的集成进行研究，结果表明， 4 w s 技术与制动转向技术相结合，可以减小四轮转向汽车高速转弯时的转弯半径，增强 高速转弯时的灵活性，提高4 w s 汽车的整体综合性能；并指出了4 w s 与现在先进汽车 电子技术相结合是4 w s 技术未来新的发展方向，具有很大的发展空间和工程实用价值。 关键词：四轮转向；模糊控制；动态控制；操纵稳定性；虚拟样机； i i p 1 毛 r “ 矗一 - 飞 r 、 ， ，、 t 、 厂 ， 东北大学硕士学位论文 h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c e a n a n d f u z z y c o n t r o lr e s e a r c ho f4 w sv e h i c l e a bs t r a c t f i r s to fa l l ，i nt h i sp a p e r sb o t ht u r n i n gt h e o r i e sa n dt u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c so f4 w s a u t o m o b i l ew e r ei l l u m i n a t e d ；t h et w od e g r e e so ff r e e d o ma n dt h r e ed e g r e e so ff r e e d o m m a t h e m a t i c a lm o d e lo f4 w sa u t o m o b i l ew e r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h er e s p o n s ec h a r a c t e ro fy a w v e l o c i t ya n ds l i ps i d ea n g l eo ft w od e g r e e so ff r e e d o m4 w sa u t o m o b i l ew e r ed e d u c e d a tt h i s b a s e ，t h es t e e rc h a r a c t e r i s t i co ff r o n ta n dr e a rw h e e lp r o p o r t i o n a lc o n t r o l4 w sa n d2 w s a u t o m o b i l eo nt i m ed o m a i nt o g e t h e rw i t hf r e q u e n c yd o m a i nw e r ec o m p a r a t i v ea n a l y z e d ，a n d t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hs p e e ds t a b i l i z ea n dl o ws p e e df l e x i b l eo f4 w sa u t o m o b i l ew e r e d e m o n s t r a t e d i nt h en e x tp l a c e ，r e a rw h e e ls t e e r i n gs y s t e ma sw e l la sf r o n ta n dr e a rw h e e lt u r n i n g c o n t r o lr e l a t i o nw e r ee s t a b l i s h e dt h r o u g hi n t e r n a lm o d u l ea sw e l la sr e l e v a n tp a r a m e t e r m o d i f i e db a s eo na d a m s c a rm o d e lb l o c k , t h u s4 w sa u t o m o b i l ew h o l ev i r t u a lp r o t o t y p e m o d ew a sc r e a t e d ；t h et r a n s i e n tr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es t e a d ys t a t ec h a r a c t e r i s t i c s a n dt h ei n f l u e n c eo fw h e e lt i r el a t e r a ld e v i a t i o ns t i f f n e s st ot u r na b i l i t y o n c em o r e ，f r o n ta n dr e a rw h e e lt u r n i n gf u z z yc o n t r o l l e rw a sc r e a t e du s i n gm a t l a b f u z z yl o g i ct o o l b o x ，t h ec o n t r o lm o d e la n dv i r t u a lp r o t o t y p em o d e lw e r ec o s i m u l a t e d t h r o u g ht h em e d i u mo fa d a m s c o n t r o l ，a n dt h e nt h es t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i co f4 w sv i r t u a l p r o t o t y p ew e r ec o m p a r a t i v ea n a l y z e db o t hy a wv e l o c i t yf e e d b a c kc o n t r o la n df u z z yc o n t r o l ，a s ar e s u l t ，f u z z yc o n t r o lt a k eo nb o t hb e s tr o b u s t n e s sa n dm a n i p u l a t es t a b i l i t y l a s t l y , t h ei n t e g r a t i o no f4 w st e c h n o l o g ya n dv d ct e c h n o l o g yw e r ep r e l i m i n a r y r e s e a r c h e d ，a sar e s u l t ，t h et u r nr a d i u sw a sr e d u c e da n dt u r n i n gf l e x i b i l i t yw a se n h a n c e di n 1 1 i g hs p e e dt h o u g h tt h ec o n j u n c t i o no f4 w st e c h n o l o g ya n db r a k et u r n i n gt e c h n o l o g y , 4 w s a u t o m o t i v eo v e r a l lp e r f o r m a n c ew e r ea d v a n c e d t h ec o n j t m c t i o no f4 w sa n dc u r r e n t l y a d v a n c e da u t o m o t i v ee l e c t r o n i c t e c h n o l o g yh a v eb o t hp r o d i g i o u sd e v e l o ps p a c ea n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c a lw o r t h , a s4 w st e c h n o l o g yf u t u r et r e n dw e r ep o i n t e d o u t k e yw o r d s ：f o u rw h e e ls t e e r i n g ；f u z z yc o n t r o l ；d y n a m i cc o n t r o l ；m a n i p u l a t es t a b i l i t y ； v i r t u a lp r o t o t y p e ； i l i 弋 ， 。一 ， 【 、 、 、 1 i 卜 _ r ， 、 、 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创性声明。i 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论1 1 1 研究四轮转向的目的和意义1 1 2 四轮转向及控制技术的研究状沉2 1 2 1 四轮转向国外研究情况2 1 2 2 四轮转向国内研究情况4 1 2 3 目前国内夕 新兴起的四轮转向控制技术5 1 3 虚拟样机技术与车辆系统仿真技术的发展6 1 3 1 虚拟样机技术的发展6 1 3 2 车辆系统仿真技术的发展7 1 4 a d a m s 多体动力学理论简介9 1 4 1a d a m s 软件简介9 1 4 2a d a m s 动力学建模与求解过程11 1 5 论文研究的整体思路与技术路线1 2 1 5 1 本论文的研究思路。1 2 1 5 2 本论文研究的技术路线1 3 1 6 本章小结1 4 第2 章4 w s 汽车特l 生分析及数学模型建立1 5 2 1 四轮转向汽车的转向特性分析。1 5 2 1 1 阿克曼定理基本原理1 5 2 1 2 四轮转向汽车低速时的转向特i 生1 6 2 1 3 四轮转向汽车中高速时的转向特性1 6 2 1 4 四轮转向驱动力式1 7 2 1 5 四轮转向汽车与传绩：轮转向汽再主砖弯比较1 8 2 2 汽车数学模型的建立与动力学分析。19 2 2 1 二自由度二轮转向汽车数学模型建立2 0 i v 东北大学硕士学位论文 目 录 2 2 2 二自由度四轮转向汽车数学模型建立2 1 2 2 3 三自由度四轮转向汽车数学模型2 4 2 3 四轮转向汽车响应特性分析2 6 2 3 1 横摆角速度响胚蔓特陛2 6 2 3 2 质心侧偏角响压暨特性2 7 2 4 四轮转向汽车时域与频域特性仿真分析2 9 2 a 1 二轮转向与四轮转向汽车s i m u l i n k 模型的建立3 0 2 a 2 时域响应特性仿真分析_ 3 2 2 a 3 频域响应特性仿真分析3 4 2 5 本章小结3 5 第3 章4 w s 汽车虚拟样机模型建立3 7 3 1a d a m s c a r 环境变量的设置3 7 3 2 后悬架与后转向系统模型的建立3 7 3 2 1 后悬架模型的建立3 7 3 2 2 后转向系统的建立3 8 3 3 轮胎模型与路面模型的建立3 9 3 3 1 轮胎模型的建立3 9 3 3 2 路面模型的建立。4 l 3 5 车身模型建立。4 3 3 6 整车侈疆些毖配4 4 3 7 本章小结4 4 第4 章4 w s 汽车虚拟样机操纵稳定l 生分析4 5 4 1 汽车稳定性评价方法及研究的理论基础4 5 4 1 1 汽车稳定性评价方法4 5 4 1 2 汽车稳定性研究的测试方法4 6 4 2 四轮转向汽车稳定性仿真试验4 7 4 2 1 四轮转向汽车瞬态特性仿真分析4 7 4 2 3 四轮转向汽本稳态回转试验。5 1 4 2 a 四轮转向汽车轮胎侧偏刚度对转向特性的影响。5 3 4 5 四轮转向汽车侧风干扰下理论分析5 5 4 5 1 汽车侧风力描述。5 5 n 1 ， 9 。 p 、 h 、- ， 、 - 、 广 第5 章模糊控制下4 w s 虚拟样机的特胜研究6 3 5 1a d a m s c , l g 与m 觚a b s m i d 张耦合仿真环境6 3 5 3 四轮转向系统模糊控制器的设计6 5 5 3 1 模糊控制器结构的选择6 7 5 3 2 模糊控制参数的设置6 7 5 3 3 模糊规则的选择与模糊推理6 8 5 3 4 模糊控制器模糊化和反模糊4 9 ；b - n 7 1 5 3 5 模糊控制算法程序的编写。7 l 5 4 模糊控制下4 w s 车辆仿真分析7 2 5 4 1 模糊控制下4 w s 联合仿真模型的建立7 2 5 4 2 模型控制与横摆角速度反馈控制下4 w s 特性对比分析7 3 5 5 本章小结7 6 第6 章4 w s 技术与动态控制技术集成研究7 7 6 1 动态控哺0 理论分析7 7 6 2 二轮转向动态控制系统分析。7 9 6 3 四轮转向系统与动态控制的集成。8 1 6 4 本章小结：。8 4 第7 章结论与展望8 5 7 1 全文总结8 5 7 2 未来展望8 6 参考文献8 7 致谢9 l 硕士期间发表论文。9 3 v i 。聋 二 1 r 。 番 “ ) 、， 、 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究四轮转向的目的和意义 随着汽车工业的飞速发展，人们对于汽车的要求也逐渐提高，汽车的操纵稳定性日 益受到广泛的关注，二轮转向的汽车已经不能满足大众的需求，取而代之的是四轮转向 系统的崛起，后者也已在理论上得到了广泛而深入的研究。 普通的两轮转向汽车在转向运动的初期，只有前轮在自转的同时又以转向主销为轴 心相对于车身发生偏转( 公转) ，而后轮只自转而不偏转( 公转) ，不起主动转向作用。当前 轮偏转后，前轮先改变了前进的方向，地面就有一个侧向力通过前轮作用于车身，使车 身横摆，车身在改变原来运动方向的同时产生离心力，离心力同时传给后轮和前轮，传 给前轮的离心力平衡地面作用在前轮上的侧向力，而传给后轮的离心力使后轮轮胎产生 侧偏并改变后轮行进的方向，这时后轮才参与汽车的转向运动，显然，两轮转向的汽车 在转向时，从转动方向盘到后轮参与转向之间存在一定时间的滞后，使汽车转向的随动 性( 灵敏度) 变差，并使汽车转向半径增大，而且二轮转向的后轮是由于轮胎的侧偏特性 而产生转向，这对轮胎的磨损大，缩短了轮胎的使用寿命。而顾名思义，四轮转向汽车 就是四个轮子都参与转向的汽车，在主动安全技术越来越重视的今天，四轮转向技术将 成为未来汽车转向技术的主流【l - 3 】。为了提高汽车在二轮转向时不足的性能，在低速时， 前后轮进行逆相位转向，减小转弯半径，从而提高汽车的机动灵活性；高速时，前后轮 进行同相位转向，使汽车由于行使方向改变而产生的横摆角速度和侧向加速度很快达到 稳态响应，改善了高速时汽车的操纵稳定性。进一步的实践也证明了四轮转向系统能在 很大程度上提高了汽车高速情况下的操纵稳定性。四轮转向技术改善了高速情况下的操 纵稳定性，实现了现在汽车所追求的主动安全性。 四轮转向技术目前主要在前后轮控制理论的研究与汽车最新技术的融合上，现代控 制理论、模糊控制理论的融入，计算机仿真技术在汽车操纵稳定性分析领域的应用使四 轮转向技术更加成熟。从国内情况看，由于我国汽车工业起步较晚，对四轮转向技术的 研究和开发还不是很充分，但是目前采用四轮转向已经成为趋势；所以国内许多大学里 已经掀起了研究四轮转向技术的高潮。本文参考四轮转向系统经典线性两自由度与三自 由度模型，对其特性进行了分析，为研究四轮转向技术提供了理论依据；同时，汽车四 轮转向虚拟样机模型的建立与对模糊控制的研究，为四轮转向技术智能化提供了一种可 行性途径，有利于加速四轮转向智能化控制技术在实际生产中的应用。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 四轮转向及控制技术的研究状况 自1 9 世纪发明汽车以来，前轮转向一直是汽车转向的主要方式，这种源自四轮马车 的转向系统，被作为理所当然的转向形式，但是，传统的前轮转向汽车具有低速时转向 响应慢，回转半径大，转向不灵活；高速时方向稳定性差等缺点。为改善汽车转向特性， 改善汽车转向可操纵性和行驶稳定性，使转向时车身摇摆减小，从而增加舒适性和安全 性。因此，国内外对转向系统的研究开始向四轮转向技术方向发展。 1 2 1 四轮转向国外研究情况 国外从7 0 年代末，开始研究开发了四轮转向系统( 4 w s ) ，即在前轮转向的基础上， 通过动力装置控制后轮的转向角，以便提高高速时的操纵稳定性，改善低速时的操纵灵 活性，提供小半径回转等优良特性m 】。 y o u ng h c h o 和m 文章中讨论了4 w s 的最优设计，并把在4 w s 基础上提出 了两种新的4 w s 系统的设计方案，并比较了最优化的4 w s 系统和现存的4 w s 系统， 所设计的第一个系统以最大稳定性为目的，第二个系统用来仿效最优的4 w s 系统的响 应。 h i no ue 和f s u g a s 删3 1 文章中提出了一种综合前馈和反馈控制的系统，使 其能够跟随计算得出偏移速率，选择最优的控制系统常量，把对转向输入响应的控制和 对抗外部干扰的稳定性控制分离开，前者用前馈控制，后者用反馈控制，且两种功能的 设定可以相互独立。 l a s zl o palk o v i c s i a l 文章中对现存的主动4 w s 系统，即：前轮和后轮的转 向可由反馈补偿自动控制，提高汽车高速时的转向性能和在侧风干扰下的转向性能；提 出在汽车参数变化下系统的响应问题，分析了后轮胎压低于正常情况下，汽车的过度转 向以及控制系统如何稳定汽车的运动。 m a 和r n a g a i n 文章中探讨了拖车在高速时的稳定性问题，用后轮转 客车运动行为类似于加挂拖车后的客车的运动行为，这是一个用线性运 制问题，采用状态变量反馈的控制系统。解决了高速直线运动的稳定性 出拖车系统稳定性的解决方向。 ，国外对4 w s 的研究，一般均把汽车模型看作线性二自由度“自行车 心加速度和绕汽车纵轴的旋转。控制形式主要有以下两种： 型 ：当车速小于某一数值时( 一般为4 5 5 5 k m h ) 时，前后轮转向相反； 数值时，前后轮转向相同。 型 ：当转角小于某一角度( 如“本田 4 w s 为2 4 0 度) 时，前后轮转向相 度时，转向相反。 2 ： 丧 ， t t t ，q 9 j 、。 扁 、 t j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在理论研究的基础上，早期一些公司研制了4 w s 样车 1 1 - 1 4 i ，主要有： ( 1 ) 本田的4 w s 前轮的转向角通过旋转轴的旋转被传递到后轮转向系，经过适当的减速装置转向后 轮，前轮转向和后轮转向通过机械连接为其特点。为此，优点是可靠性高和价格低，但 后轮转向角仅由前轮转向角按固定的规律控制，不能实现复杂而巧妙的控制律是其缺点。 从理论上讲，4 w s 的控制律也应包括车速这一因素，机械连接的4 w s 没有包括车速参 数的余地，但是，通常高速时转向角小，低速时转向角大。因此，在转向角小的范围内 实现同相转向，在转向角大的范围内实现逆相转向的机理，似乎能将车速参数嵌入控制 律中。在h o n d a 的4 w s 中，该机理是通过组合偏心轴和行星齿轮这两个偏心运动实现 的。 ( 2 ) 马自达的4 w s m a z d a 是日本的汽车厂家中最早从事4 w s 研究的，但对于商品化持谨慎的态度。 发展了在各种概念车安装的4 w s 系统，但每次都有改进。一开始就没有采用机械方式， 前后轮的转向系是独立的。通过检测前轮转向角和车速构成后轮控制律，利用液压执行 机构实现后轮转向。以后又采用了机械连杆机构和液压装置的组合，以提高可靠性。 ( 3 ) 尼桑的4 w s 最初的4 w s 是利用功率转向的滑阀通过油压检测前轮的回正力矩，同车速一起控制 后轮转向角。转向后轮是通过安装在后轮悬架上的横臂液压缸进行的一般称为 h i c a s ( h l g h c a p a c i t y a c t i v e l y - c o n t r o l l e d s u s p e n s i o n ) 。这种h i c a s 只能进行高速时的同相 转向，而不能进行低速时的逆相转向。以后，又开发了s u p e r h i c a s ，在结构上安装了逆 相动作的液压转向系统。一般在高速急转向的场合，后轮同相转向时，横摆角速度和侧 向加速度的增益下降，相位滞后增大。对驾驶员来讲，感觉车辆响应比较迟缓，于是， 为了解决该问题，s u p e rh i c a s 采用在高速急转向时，后轮瞬间逆相转向，然后迅速变 为同相转向的控制方式。 ( 4 ) 丰田的4 w s 研究了各种4 w s ，实用化的是取出前轮转向角，并通过旋转轴传到后轮转向系，同 时检测车速，根据转向角和车速通过液压系统控制后轮同相或逆相转向。同n i s s a n 的 4 w s 相比，具有更简单的硬件结构，又开发了横摆角速度反馈4 w s 系统，以降低侧风 等外部扰动的影响。 ( 5 ) 大众的4 w s 在欧洲方面，进入2 0 世纪后期后，四轮转向技术也得到了飞速的发展，1 9 8 5 年在 法兰克福的国际车展上，大众公司参展的i t v w 4 f u t u r a 车型出现了轿车上的四轮转向系 统，标志着欧洲的轿车也开始进入了四轮时代。 由于对四轮转向的许多问题还研究得不够深入，因此，为了安全起见，这些车型基 本采用机械装置或简单的电器装置，而且以上这些研究都只是针对转向角一旦确定就不 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 再改变的情形。同时对于汽车模型，均假设为线性二自由度简化模型进行，并未考虑动 态驾驶中汽车的动力学特性。现阶段国外的4 w s 系统设计，力图达到以下目的【”】： ( a ) 对沿行驶路线行驶的汽车车身姿势进行控制，减小汽车的质心侧偏角， 尽量控制汽车的质一1 1 , 侧偏角经常保持为零； ( b ) 减少车辆横摆角速度与侧向加速度之间的相位差以及各自相位； ( c ) 增强汽车行驶的稳定性； ( d ) 低速行驶时具有良好的机动性，改善低速范围汽车的操纵性； ( e ) 改善汽车的转向响应性能； ( f ) 抵制由汽车自身参数变化因素对汽车转向响应特性的影响，保持所期望的汽车转 向响应特性； ( g ) 增加对外界环境变化的抗干扰能力； 0 1 ) 改善轮胎附着力极限附近的响应。 这些控制目标不是孤立的，它们之间紧密地联系着，为了达到这些控制目标，需要 有合理的控制策略和算法。 1 2 2 四轮转向国内研究情况 我国汽车工业起步较晚，对四轮转向技术的研究和开发还不是很充分，但是目前采 用四轮转向已经成为趋势，所以国内许多大学和研究机构已经掀起了这一研究的高潮。 吉林大学郭孔辉院士对四轮转向有很深的研究，发表了很多相关方面的论文，主要 集中在四轮转向动力学分析部分的研究，并且建立了轮胎非线性模型的数学表达式【1 7 】。 天津大学的王洪礼教授与博士生和研究生一起在四轮转向动力学特性与混杂控制研究方 面进行了比较深入的研究，也涉及到神经网络在四轮转向方面的一些研究，但是主要集 中在两自由度线性模型的范围内进行，离实际的应用还有很大的距离【1 【1 8 1 。东南大学的 陈南教授和他的助手们也在进行汽车四轮转向方面的研究，他们利用四轮转向实验样车 进行了数据实测，结果与实际比较真樊1 3 1 【2 0 1 。但是，由于其控制算法仍基于线性模型， 所以还存在一定的缺陷。目前，还有北京理工大学、上海交通大学等许多的学者正在研 究四轮转向技术在实际中的应用和一些先进的控制算法f 1 5 j 【1 9 1 。 一股四轮转向研究的热潮在我国悄然兴起。前不久，我国第一辆环保四轮转向车辆 在香港投入使用，正式标志我国四轮转向技术开始走向发展高潮。四轮转向作为一项新 转向技术以其特有的转向特性代表汽车转向技术的发展的方向，而车辆智能化是未来车 辆发展的必由之路。在主动安全技术飞速发展的今天，智能化转向技术成为汽车技术重 要的研究方向。4 w s 的研究主要集中在动力学特性分析与控制算法的研究，目前，4 w s 技术的研究，开始与汽车最先进技术( a a s 、a s r 、v d c 等技术) 相结合的进行研究，以 提高汽车整体综合性能。 4 气 、 卜 0 帝 ，一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 3 目前国内外新兴起的四轮转向控制技术 对四轮转向系统的控制以前主要由简单的比例控制和反馈控制构成，因为横摆角速 度比例反馈既能提高汽车转向的固有特性，又能改善汽车转向的频率响应特性。另外， 采用横摆角速度比例反馈控制的汽车在汽车受到侧向风等外力作用时，由于后轮的主动 控制，使汽车有一定的自律机制。将两种控制分式组合起来使用能极大提高汽车的转向 特性，而且实现比较简单。这是目前四轮转向汽车最实惠的控制方式，也称为后轮主动 控制。本论文后面将运用这种控制方法与模糊控制进行了比较分析。 这些控制方法无法满足非线性条件下特性，和实际工程问题相差比较远。由于现在 控制理论飞速发展，目前许多先进的控制技术渐渐运用到四轮转向系统中，很好地解决 了四轮转向系统控制中遇到的一系列难题，目前常用的主要有以下几种控制方法【2 抛5 】： ( 1 ) p i d 控制 这种控制方法需要了解被控对象的数学模型，只需要根据经验对调节器进行在线调 整，但只适用于线性系统，而对被控对象的参数变化比较敏感。 ( 2 ) 最优控制 最优控制方法就是利用极值原理、最优滤波或动态规划等最优化方法来求解系统最 优控制输入的一种设计方法。由于最优控制规律是建立在系统理想数学模型基础之上的， 而实际的控制中往往采用降阶模型且存在多种约束条件，因此基于最优控制规律设计的 控制器作用于实际的受控系统时，大都只能实现次最优控制。在汽车中，采用使二次型 指标最优来控制规律的最优控制法。 ( 3 ) 自适应控制 自适应控制主要应用于结构及参数具有严重小确定性的振动系统，大致可分为自适 应前馈控制、自校正控制和模型参考自适应控制三类。其控制作用能随被控对象的数学 模型参数的变化而相应变化，使系统在模型参数改变时仍具令人满意的结果，鲁棒性高。 ( 4 ) 鲁棒控制 虽然自适应控制可用于小确定性振动系统，但自适应控制本身并不具有强的鲁棒性。 鲁棒控制设计选择线性反馈律，使得闭环系统的稳定性对于扰动具有一定的抗干扰能力。 以控制是设计控制器在保证闭环系统各回路稳定的条件下使相对于外界干扰的输出取 极小的一种优化控制法。它将鲁棒性直接反映在控制性能指标上，设计出的控制律具有 其他方法无可比拟的稳定鲁棒性。 ( 5 ) 智能控制 神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术系 统，具有自组织、自学习功能，对于非线性具有很强的逼近能力。模糊控制作为智能控 制的重要分支，不仅能提供系统的客观信息，而且可将人类的主观经验和直觉纳入控制 系统，为解决不易或无法建模的复杂系统控制问题提供了有力的手段。由于模糊控制的 s 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 优越性和高鲁棒性，本文采用模糊控制方法进行了研究。 4 w s 控制系统的研究经过多年的努力，已取得了很多成果，几乎所有最新的现代控 制理论均应用到了4 w s 的控制研究中，4 w s 系统能有效地提高低速时的机动性和高速 时的操纵稳定性，从心理和体力上减轻驾驶员的负担。4 w s 对小侧偏角时的控制非常有 效，随着侧向加速度的上升，轮胎特性进入非线性状态，给控制系统的设计带来很大困 难，这就要求对更先进的控制理论进行进一步的研究。 1 3 虚拟样机技术与车辆系统仿真技术的发展 1 3 1 虚拟样机技术的发展 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术( 指在某 单一系统中零部件的c a d 和f e a 技术) 柔和在一起，在计算机上建造出产品的整体，并 针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产 品设计，提高产品性能的一种新技术1 3 们。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。在 设计完成后，为试验设计方案，通常要制造样机进行试验，有时这样实验甚至是破坏性 的，当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计方案并再用样机验证。只有通过周而复 始的设计一实验一设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于 结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了，样机的单机制造 增加了成本，在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使 产品在上市时更有先天不足的毛病。在竞争激烈的市场背景下，基于物理样机的验证过 程严重制约了产品质量的提高、成本的降低和对市场的占用。 虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设 计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中，工程设计人员可以直接利用c a d 系统所 提供的各零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件的连接关系并对机械 系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机。利用系统仿真软件在各种虚拟环境 中模型系统的真实运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并 试验各组成部件的相互运动情况，同时也可以进行对物理样机而言难以进行或根本无法 进行的试验。还可以在计算机上对不同的设计方案进行仿真试验，对整个系统进行不断 的改进，直至获得最优设计方案以后，再生产出物理样机。在概念设计和方案论证中， 利用虚拟样机技术，设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机内的虚拟样机里，让 想象力和创造力充分发挥。当用虚拟样机来代替物理样机验证设计时，不但可以缩短开 发周期，而且设计质量和效率也得到了提耐3 1 1 。 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 2 车辆系统仿真技术的发展 汽车是一个包含惯性、弹性、阻尼等动力学特征的复杂非线性系统，其特点是运动 零件多、受力复杂。由于组成汽车各机械系统( 如转向、悬架、传动机构) 之间的组合作 用，使汽车的动态特性非常复杂。车辆的运动工况也是多种多样的，在实际行驶过程中， 会有各种各样的外在激励及内在控制，不同的工况下车辆各个零件的空间位置及受力情 况均有变化，这些都给运动学与动力学的分析带来很大的困难。以前用简化条件下的图 解法等方式分析车辆这样复杂的空间机构是非常困难的，不仅误差较大，而且费时费力。 在研究汽车诸多的行驶性能时，汽车动力学研究对象的建模、分析与求解始终是个关键 性问题。由于理论方法和计算手段的限制，该学科一度发展的较为缓慢。主要障碍之一 在于无法有效处理复杂受力条件下多自由度分析模型的建立和求解问题，许多情况下， 不得不把模型简化，以便使用古典力学的人工求解，从而导致汽车的许多重要特性无法 得到精确的定量分析。计算机技术的迅猛发展，使我们在处理上述复杂问题方面产生了 质的飞跃。有限元技术、模态分析技术以及随后出现的多体动力学正是在这种情况下发 展起来的【3 2 3 3 1 。这些理论方法出现以后很快应用在汽车领域。 国外汽车动力学的研究经历了由试验研究到理论研究，由开环研究到闭环研究的发 展过程。力学模型逐渐由线性模型发展到非线性多体系统模型：模型的自由度由两个自由 度发展到数十个自由度，模拟计算也由稳态响应特性的模拟发展到瞬态响应特性和转弯 制动特性的模拟研究；到8 0 年代初，不仅有许多通用软件可以对汽车系统进行分析计算， 而且还有各种针对汽车某一类问题的专用分析软件，研究的范围从局部结构到整车系统， 涉及汽车系统动力学的方方面面；8 0 年代中期是多体系统动力学在汽车过程上应用发展 最快的时期。国外各主要汽车厂家和研究机构在其c a d 系统中安装了多体系统动力学 软件，并与有限元、模态分析、优化设计等软件一起构成了一个有机的整体，在汽车设 计中发挥了重要的作用p 6 1 。 在国内汽车动力学的研究中，采用多刚体系统动力学进行分析和计算的工作起步较 晚。七十年代初，长春汽车研究所和清华大学同时发展了汽车动力学的研究，研究工作 集中在平顺性、操纵稳定性能指标的评价方法、试验方法及操纵稳定性力学模型的建立、 模型的计算方法、性能的预测方法和优化设计方法等；力学模型从七十年代研究汽车侧 偏和横摆运动的二自由度线性模型，发展到包括侧倾和转向系在内的三至五自由度乃至 十三自由度的非线性模型，其功能也从对汽车操纵稳定性的稳态响应和瞬态响应的分析， 发展到汽车转向制动性能的分析；此外，还有对于汽车悬置以上机构弹性体的一阶扭转 振动对摆振性能的影响；1 9 8 6 年，吉林工业大学的温吾凡等人利用多刚体系统动力学方 法，对二维刚体系统进行运动学分析，并编制了一个人机对话型的分析程序；1 9 8 9 年， 吉林工业大学的林逸利用r - w 方法，建立了对汽车独立悬架中的单横臂及摆柱式悬架进 行空间运动分析的通用计算程序；1 9 9 1 年，第二汽车制造厂的上官文斌等人，采用自然 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 坐标的概念，利用虚功原理建立汽车转向系统和悬架运动学分析方法；北京农业工程大 学的周一鸣教授等研制了广义机构计算机辅助设计软件g m c a d s ，用于分析平面和空 间机构的运动学及动力学性能；1 9 9 2 年，清华大学的张还岑采用多刚体动力学中的 n e w t o n e u l e r 方法，建立了汽车列车的七十四自由度的非线性数学模型，其中包括多种 轮胎模型、悬架系统模型、转向系统模型及带有比例阀、防抱死装置及考虑制动热衰退 的制动系统模型，深入研究了汽车列车操纵稳定性和制动性；1 9 9 4 年，清华大学的刘红 军在管迪华教授的指导下用虚拟刚体结构法和弹性子结构法把弹性问题纳入整车多体系 统动力学的分析中，对汽车的摆振系统进行了建模和计算；吉林工业大学的陈欣在博士 论文中，着重研究了汽车在悬架中的柔性体对悬架性能的影响；1 9 9 7 年，清华大学的张 今越采用多体系统动力学方法，应用机械系统分析软件a d a m s ，进行了汽车前后悬架 系统和整车动力学性能仿真及优化研究，分析了汽车中柔性元素( 橡胶减振元件) 对动力 学性能的影响【1 4 1 。 总之，由于虚拟样机技术和仿真技术的飞速发展，传统的机械系统