（车辆工程专业论文）基于虚拟样机的主动前轮转向控制研究.pdf

摘要 汽车转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性，是保证汽车高速行驶安 全的一个重要性能。传统的转向系统无法满足低速时灵活性和高速时稳定性的要 求。主动前轮转向可以根据汽车行驶状态实现理想转向传动比，能同时满足低速 时的灵活性与高速时的稳定性要求。主动前轮转向系统中保留有机械连接装置， 驾驶员可以直接感受到真实“路感”。因此，从驾驶汽车的灵活性、舒适性、稳定 性和安全性方面考虑，主动前轮转向是当今转向系统研究开发的一个重要方向。 本文在a d m a s c a r 平台上，建立了适合主动前轮转向研究的整车模型。通 过正弦扫描转向试验仿真，验证了建立的整车模型的正确性。在低附着系数和高 附着系数路面下分别进行蛇行试验仿真，仿真试验结果表明：在极限工况下，汽 车的横摆角速度和质心侧偏角响应不能随方向盘转角变化，汽车容易失去稳定 性。 本文采用了鲁棒性强的非线性模糊p i d 控制技术对整车模型稳定性控制， 以具有理想转向特性的二自由度模型作为参考模型。设计的模糊p i d 控制器以 横摆角速度和质心侧偏角作为控制目标，以整车模型的横摆角速度与理想横摆角 速度之差作为控制变量。采用公差带方法对汽车的稳定进行判断，运用 a d a m s c a r 和m a t l a b j ，s i m u l i n k 两个软件进行联合仿真。仿真结果表明：主 动前轮转向控制能够扩大汽车稳定区域，防止汽车提前进入非线性区域和饱和 区，特别在过多转向工况下，控制效果比较明显。 由于在极限工况下轮胎侧偏力容易饱和，主动前轮转向控制系统对改善汽车 稳定性作用有限，所以本文提出了主动前轮转向和可变力矩分配联合控制的必要 性。设计了主动前轮转向和可变力矩分配联合控制的模糊控制器。控制器以整车 模型的横摆角速度与理想横摆角速度之差和整车模型的质心侧偏角作为输入变 量，以前轮叠加转角和附加横摆力矩作为输出变量。采用公差带和相平面方法判 断汽车是否失稳。在低附着路面对联合控制系统进行了双移线仿真试验，仿真结 果表明：联合控制能够很好保持汽车的稳定性，其效果要优于单独的主动前轮转 向控制，质心侧偏角和横摆角速度响应都控制在比较理想的范围。 关键词：主动前轮转向；模糊p i d 控制；可变力矩分配；联合仿真 a b s t r a c t a u t o m o t i v es t e e r i n gs y s t e md i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo fv e h i c l eh a n d l i n g a n ds t a b i l i t y ，w h i c hi st oe n s u r ea ni m p o r t a n tp e r f o r m a n c eo fc a rs a f e t ya th i g hs p e e d t r a d i t i o n a ls t e e r i n gs y s t e mc a nn o tm e e tt h ef l e x i b i l i t ya tl o ws p e e da n ds t a b i l i t ya t h i g hs p e e d a c c o r d i n gt ov e h i c l ed r i v i n gc o n d i t i o n sa c t i v ef r o n ts t e e r i n gc a na c h i e v e t h ed e s i r e ds t e e r i n gr a t i o ，w h i c hm e e t st h ef l e x i b i l i t ya tl o ws p e e da n ds t a b i l i t ya th i g h s p e e d w h i l et h es y s t e ms t i l lc o n n e c t i o n sm a c h i n e r y ，s ot h ed r i v e rc a n a c c e s st ot h e t r u e “s e n s eo fr o a d t a k e nt h ef l e x i b i l i t y ，c o m f o r t ，s t a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fd r i v i n gc a r a sc o n s i d e r a t i o n s ，n o w a d a y sa c t i v ef r o n ts t e e r i n gi sa l li m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o no f t h es t e e r i n gs y s t e m i nt h i sp a p e rt h ev e h i c l em o d e li sb u i l tf o ra c t i v ef r o n ts t e e r i n gr e s e a r c hi n a d m a s c a r t h r o u g h t h e s w e p t - s i n e s t e e rs i m u l a t i o n ，t e s tr e s u l t s v e r i f y t h e c o r r e c t n e s so ft h ev e h i c l em o d e l i nt h el o wa n dh i g hf r i c t i o nc o e f f i c i e n tr o a df i s h h o o kt e s t sa r es i m u l a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：i ne x t r e m ec o n d i t i o n s ，t h e v e h i c l ey a wr a t ea n ds i d e s l i pa n g l er e s p o n s ec a nn o tb ec h a n g e dw i t ht h es t e e r i n g w h e e la n g l e ，t h ev e h i c l ei se a s yt ol o s es t a b i l i t y ar o b u s tn o n l i n e a rf u z z y - p i dc o n t r o l l e ri sa d o p t e dt oc o n t r o lt h es t a b i l i t yo ft h e v e h i c l em o d e li nt h i sp a p e r , t a k e nt h et w od e g r e e sf r e e d o mm o d e lw h i c hh a si d e a l s t e e r i n gp e r f o r m a n c ea sr e f e r e n c em o d e l y a wr a t ea n ds i d e s l i pa n g l ea r et h ec o n t r o l o b j e c t i v e sa n dt h e d i f f e r e n c eo ft h ey a w r a t eo fa c t u a lv e h i c l em o d e la n dt h ei d e a ly a w r a t ei st h ec o n t r o lv a r i a b l ei nt h ef u z z y p i dc o n t r o l l e r t o l e r a n c ez o n em e t h o di su s e d t oj u d g et h es t a b i l i t yo ft h ec a r , t h ec o - s i m u l a t i o nu s et w os o f t w a r e so fa d a m s c a r a n dm a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：a f sc o n t r o l l e rc a ne x p a n d s t a b i l i t ya r e at op r e v e n tt h ec a ra h e a do f t i m ei n t ot h en o n l i n e a ra n ds a t u r a t i o nr e g i o n ， p a r t i c u l a r l yi nt h eo v e r - s t e e r i n gc o n d i t i o n ，t h er e s u l t sr e l a t i v e l ye f f e c t i v e i ne x t r e m ec o n d i t i o n st h es l i pf o r c e so ft h et i r ei se a s i l yf i l l e d ，i ti sv e r yl i m i t e d t oi m p r o v ev e h i c l es t a b i l i t yu s i n ga f sc o n t r o l l e r i ti sp r o p o s e dt h a ta f sa n dv t d c o n t r o l l e ri sn e c e s s i t yt om a i n t a i nv e h i c l es t a b i l i t y af u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d w h i c hh a sam u l t i v a r i a b l ei n p u t sa n do u t p u t s t h ed i f f e r e n c eo ft h ey a wr a t eo f v e h i c l em o d e la n dt h ei d e a ly a wr a t ea n dv e h i c l em o d e ls i d e s l i pa n g l ea r et h ei n p u t v a r i a b l e sa n dt h es u p e r p o s i t i o na n g l ea n da d d i t i o n a ly a wt o r q u ea n g l ea st h eo u t p u t v a r i a b l e si nt h ec o n t r o l l e r i ti su s i n gt h em e t h o d so ft o l e r a n c ez o n ea n dp h a s ep l a n et o d e t e r m i n ew h e t h e ra u t o m o b i l ei si n s t a b i l i t y i nt h el o wf r i c t i o nc o e f f i c i e n tr o a dt h e i l d o u b l el a n ec h a n g ei ss i m u l a t e du s i n gi n t e g r a t e dc o n t r o l l e r , s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a ti n t e g r a t e dc o n t r o l l e rc a nm a i n t a i nt h ec a rs t a b i l i t y , w h i c hi ss u p e r i o rt ot h es i n g l e a f sc o n t r o l l e r , s i d e s l i pa n g l ea n dy a wr a t er e s p o n s e sa lec o n t r o l l e di na l li d e a lr a n g e k e yw o r d s ：a c t i v ef r o n ts t e e r i n g ；f u z z y - p i dc o n t r o l ；v a r i a b l et o r q u ed i s t r i b u t i o n ； c o s i m u l a t i o n i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 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。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经 武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：举 导师( 签名) ：日期卅篡生甜 武汉理工人学硕卜学位论文 1 1 课题提出 第一章绪论 改革开放3 0 年，我国经济发展取得了巨大成就，汽车已作为普通商品走进 千家万户。随着汽车保有量的增长，交通事故成为我国的社会问题。我国是交通 事故发生率最高的国家之一。如何最大限度地保证乘员的安全已经成为当今世界 汽车安全的一大研究主题。汽车转向性能是汽车的主要性能之一，转向系统的性 能直接影响到汽车的操纵稳定性，汽车操纵稳定性是汽车系统极其重要的特性， 它通常包含操纵性和稳定性互相联系的两方面。汽车的操纵稳定性不仅影响到汽 车驾驶的操纵轻便性，更重要的是保证汽车高速行驶安全的一个重要性能。因此 研究转向性能是汽车安全性的一个重要方向。 现代汽车转向系统发展至今大致可以划分为五个阶段，即液压助力转向系统 ( h p s h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 、电控液压助力转向系统( e c h p s e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e dh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 、电动助力转向( e p s e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) 、 主动转向和线控转向( s b w - s t e e rb yw i r e ) 。在传统转向系统中，转向盘到前轮的 转向传动比是严格固定的。前三种转向系统是传统的转向系统，转向比是个固定 值，转向传动比为定值设计的缺陷主要表现为：低速或停车工况下驾驶员需要大 角度地转动转向盘，而高速时又不能满足低转向灵敏度的要求，否则汽车的稳定 性和安全性会随之下降。因此，同时满足转向系统在低速时的灵活性要求与高速 时的安全稳定性要求是当今汽车转向系统设计的核心问题之一。主动转向是运用 到汽车上又一主动安全技术，它可以根据汽车行驶实时状态实现理想传动比，可 以同时满足低速时的灵活性要求与高速时的稳定性要求，因此主动转向是当今转 向系统开发研究的热点问题。 1 2 汽车动力转向系统概况 1 2 1 液压助力转向系统 液压助力转向是最早的助力转向系统，从2 0 世纪5 0 年代发展以来，其技术 己十分成熟，至2 0 0 0 年，液压助力转向采用率已到8 5 。该转向系统通过转向 时带动扭杆直接改变液压系统油路的通道面积来提供可变的助力，助力的大小只 与转向角度有关，跟车速的高低没有关系。转向盘转角越大，系统提供的助力也 武汉理工大学硕l ：学位论文 越大；反之越小。 液压助力转向系统使转向轻便灵活，减轻了劳动强度，提高了行驶安全性。 但是它也存在一些自身无法消除的缺陷1 ： ( 1 ) 液压助力转向系统最大的缺陷是转向助力特性不可调，低速和高速时助力特 性一样。选定参数完成设计后，助力特性就确定了，不能进行调节和控制。 ( 2 ) 液压助力转向系统因其固有的转向噪声使得转向舒适性大大下降。 ( 3 ) 发动机持续驱动转向油泵，没有转向时也要消耗能量。 ( 4 ) 在低温工作时液压助力转向系统性能差。 ( 5 ) 存在液压油泄漏问题，污染环境。 1 2 2 电控液压助力转向系统 电液助力式转向系统是在传统液压助力式转向系统基础上发展起来的，它是 把执行元件和电子控制增加到液压助力转向系统，把车速引入到电子控制系统 中，实现车速感应型助力特性液压助力转向。电控液压助力转向系统由电控装置 来控制液压油流量，其大小根据方向盘转角及转动速度、车速和车轮侧滑量来确 定，再由压力油控制执行机构进行转向动作，这样助力转向系统压力油的流量可 以精确控制。电控液压助力转向系统与液压助力转向系统相比具有如下优点1 2 1 ： ( 1 ) 高速时，随着车速增大自动减小助力，增大路感，提高汽车行驶稳定性；低 速转向效果不变。 ( 2 ) 具有失效保护系统，电器元件失灵后或者出现故障后，转向系统仍可以安全 工作。 ( 3 ) 采用电动机驱动油泵，可以节省能量。但是该系统结构更复杂、价格更昂贵， 而且无法克服传统液压助力式转向系统的一些大的缺点，如效率低、耗能大等 问题。 1 2 3 电动助力转向系统 随着控制技术的发展，人们又开发了一种以电机直接提供助力的助力转向系 统，称为电动助力转向系统。电机提供的转向力矩由e c e 实时调节控制。汽车 在低速行驶时，电机提供的辅助力大，使方向盘转向轻便；在高速行驶时，电机 提供的辅助力小，使方向盘转向沉稳，增强汽车高速行驶的安全性。电动助力转 向系统除了解决汽车操纵的轻便性和灵敏性的矛盾外，还有如下主要优点p ： ( 1 ) 质量轻：电动助力转向系统结构紧凑、质量较轻，一般它比液压助力转向系 统质量轻2 0 左右。 ( 2 ) 转向回正特性好：电动助力转向系统结构简单，转向回j 下性好，能够获得佳 2 武汉理工人学硕士学位论文 的转向回正特性，改善汽车的操纵稳定性。 ( 3 ) 工作可靠性好，维修方便：电动助力转向系统零部件少，不存在液压助力转 向系统液压油泄漏问题，故其故障率低，维修方便。 由于e p s 有以上优点，得到各大汽车公司的青睐，已逐步配备在各类车型 上。由于目前电源和电机的一些原因，限制了它在大型汽车上的应用，同时它也 存在一定的缺点： ( 1 ) 电动助力式转向系统不能改变转向系统的角传动比特性。 ( 2 ) 目前关于e p s 设计的理论还不成熟，不合理的设计将会影响汽车的安全性。 ( 3 ) 控制系统性能的关键因素时由电动机的性能决定的，它与电动助力式转向系 统的匹配，将影响到转向路感、转向系统力矩特性等问题。 1 2 4 线控转向系统 线控转向系统是汽车转向系统发展的重大革新。该转向系统取消了传统转向 系统的方向盘与转向轮之间的机械连接机构，通过控制信号把驾驶员的转向指令 与转向轮连接起来，控制器根据驾驶员指令、汽车行驶状态等信息确定合理的转 角，这样可以实时提供最佳转向传动比。线控转向系统摆脱了传统转向系统的局 限性，可以自由设计汽车转向的力传递特性和角传递特性。线控转向主要优点如 下h 1 ： ( 1 ) 改善驾驶特性，提高汽车的操纵性 线控转向可以根据车速、横摆角速度等其它相关参数，提供不断变化转向传 动比。低速行驶时，转向传动比低，可以减少转向盘转动的角度，减轻驾驶员的 驾驶负担；高速行驶时，转向传动比变大，能够保持汽车在高速时直线行驶的能 力。 ( 2 ) 提高汽车的被动安全性 撞车事故中，传统转向系统的机械转向柱是造成驾驶员死亡的重要因素之 一。线控转向系统没有转向柱等机械连接部分，避免了撞车事故中转向柱对驾驶 员的伤害。 ( 3 ) 提高汽车操纵稳定性 在极限工况下，线控转向系统可以通过前轮转向的主动控制，可以改善汽车 的稳定性。 ( 4 ) 实现汽车智能化 汽车智能化一直是人们追求的目标，线控转向系统的控制器可以通过传感器 信号判断汽车的行驶状态，当出现非预见性干扰时，线控转向系统就能够在驾驶 员做出反应之前，采取相应的动作以避意外事故的发生。线控转向系统可以配合 此& 理t 人学颇i 埠位论女 识别系统和导航系统，就可以宴现自动驾驶 1 2 5 主动前轮转向系统 宝马汽车公司是第一家真f 开发出了汽车主动转向技术并将其成功应用在 了量产上市车型上的公司。通过数年的研发努力宝马公司丌发出了革命性的主动 前轮转向系统，首先应用到宝马新5 系车型上。在任何速度下，主动6 口轮转向系 统都可以提供理想的转向操控，同时可以顾及驾驶乐趣、灵活性及安全性，把直 道稳定性和弯道灵活性集成在同一车上。 主动前轮转向系统主要由齿轮齿条动力转向系统、变传动比执行系统和电控 系统这三大子系统组成，其结构图如图1 - 1 所示。主动前轮转向系统的核心机构 是一套集成在转向杜上的双排行星齿轮机构。该机构包括左右两副行星齿轮机 构，其动力由共用的一个行星架传递。左侧的太阳轮与方向盘连接在一起，太阳 轮把输给方向盘的转角由行星架传递给右侧的行星齿轮副。右侧的行星齿轮副具 有两个方向的输入自由度，一个是由方向盘传递给行星架的转角，另外一个是自 锁式蜗轮蜗杆驱动的齿圈输入，它是由伺服电机驱动的。输出轴为右侧太阳轮， 由方向盘转向角度与伺服电机转向角度共同叠加的转角作为转向系统实际输入 转角” j l 二； 1 转向脚( 伺服机g j ) 2 电融锁j f 装置3 蚶杆4 伺服电机 5 齿条6 小齿轮7 行厦齿轮机构 图1 - 1 动前轮转向系统结构 1 3 主动前轮转系统研究开发的重要性 上节介绍的液压助力转向系统、电控液压助力转向系统、电动助力转向系统 它们的方向盘与转向轮之问通过机械连接，其转向系统的传动比是一个周定值 武汉理t 大学硕上学位论文 设计者在进行转向系统设计时，转向传动比只能根据车型选择一个合理的值，当 汽车失去稳定性时，转向系统只能通过驾驶员的操纵，对汽车不稳定进行被动控 制，从这个方面而言，上述三种转向系统都是被动式转向系统。主动前轮转向系 统和线控转向系统，可以根据汽车行驶状态，对汽车转向功能进行主动干预，主 动提高汽车的路径跟踪和行驶稳定性。主动前轮转向系统和线控转向系统属于主 动式转向系统。 在故障处理方面是线控转向系统与主动前轮转向系统最大的区别，线控转 向系统必须通过系统主要零件的冗余设计来确保汽车的安全性，而主动前轮转向 系统仍能通过方向盘与转向轮间的机械连接保证其转向性能。在2 0 0 1 美国通用 汽车公司年首次推出了具有线控驾驶后轮转向的汽车，但是线控技术还远没有成 熟，其中一个重要因素在于驾驶员转向指令传到控制器后，其稳定性和安全性还 不能得到充分的保证。由于主动前转向系统中仍然是机械转伺结构，这样在转向 过程中可以得到真实的“路感”，这也是线控转向所不具备的。因此，从转向系统安 全性和路感的方面考察，主动前转向系统是当前转向系统发展的一个重要方向。 1 4 主动前轮转向系统原理与功能 主动前轮转向系统工作原理，如图1 2 所示。它通过一个行星齿轮机构增加 转向系统的一个自由度，根据驾驶员的意图，利用伺服电机对转向系统施加一个 不依赖驾驶员转向盘输入的叠加转角6 。，从而达到对驾驶员转向角度的主动干 预，小齿轮总转角6 ，是方向盘转角6 。和伺服电机转角之和6 ，。 图1 。2 主动前轮转向系统工作原理 低速时，伺服电驱动的行星架转动方向与方向盘转动方向相同，通过两个方 向的转角叠加后，汽车的实际的转向角增加了，这样可以减少转向力的需求。高 速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与方向盘转动方向相反，通过两个方向的 转角叠加后，汽车的实际的转向角减少，提高了汽车的稳定性和安全性。 5 武汉理工大学硕士学位论文 主动前轮转向系统的功能分类如图1 3 所示，主要包括驾驶员辅助功能和汽 车稳定性控制功能。驾驶员辅助功能包括转向灵活功能和可变转向比功能，汽车 稳定性控制功能包括横摆角速度控制和横摆力矩补偿。 图1 3 主动前转向系统功能分类 ( 1 ) 驾驶员辅助功能 转向灵活性指的是汽车对驾驶员输入的跟随特性，可以加入诸如比例、微分 等环节，能够使转向系统的动态特性得到改善，尽量使侧向加速度和横摆角速度相 对于方向盘转角输入的相位滞后减小，达到转向灵活的目的。 期望横摆角速度增益定义为横摆角速度相对于方向盘转角的比值，它是评价 转向系统性能的重要指标之一。如果期望横摆角速度增益太小，则表明汽车的响 应相对于方向盘输入过于迟缓；反之则过快。 转 向 传 动 比 8 0 车速( k m h ) 图1 4 可变转向传动比 研究表明具有理想转向特性的汽车必须满足以下条件：期望横摆角速度增益 应随车速的增加而降低，且其大小应在在一定的合理范围内；汽车等速转向时， 期望横摆角速度增益必须保持为恒定值。传统的转向系统的传动比转向为一定 值，显然无法满足上述要求，但主动前轮转向系统通过叠加转向机构完全能够实 6 武汉理工大学硕一仁学位论文 现上述条件。主动前轮转向系统能实现的理想转向传动比与汽车行驶车速的关系 曲线如图1 4 所示，低速情况下，同向输入方向盘转角与双排行星齿轮机构伺服电 机的调整角，使得转向系统的传动比较小，这样实际上是增大了驾驶员的转向角 输入，从而获得较大的期望横摆角速度增益，使得转向轻便；在中、高速情况下， 反向输入方向盘转角伺服和电机的调整角，使得转向传动比较大，这样实际上是 减小驾驶员的转向角输入，期望横摆角速度增益随着车速的增加而减小。 ( 2 ) 汽车稳定性控制功能 汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵轻便性，更重要的是保证汽车 高速行驶安全的一个重要性能。 主动前轮转向系统预先判断转向后出现的情况，控制器通过私服电机自动修 正转向角度，主动干预驾驶员方向盘转角，尽量使汽车响应与理想的响应特性一 致，降低偏航情况的发生。通过有效的利用轮胎特性，对于不可预测的侧向运动， 主动前轮转向可以抵御对开路面、侧向风、低附着路面等特殊工况下所产生的横 摆及侧倾干扰，自动产生补偿力矩，帮助驾驶员校正不稳定状态，提高汽车的操 纵稳定性。因此，主动前轮转向可以提高紧急情况下的驾驶安全性和汽车的稳定 性。 1 5 主动前轮控制技术研究现状 经过2 0 多年的发展，汽车稳定性控制已形成了汽车研究的一个重要方向。 为改善汽车的操纵稳定性和安全性，近年来出现了一系列的主动控制系统，经历 了四轮转向控制、直接横摆力矩控制，到最近研究的主动前轮转向控制。主动转 向控制技术是汽车主动转向系统研发的核心技术，其研究的主要内容是主动转向 对改善汽车操纵稳定性的影响。 控制策略和算法的开发是汽车稳定性控制开发的核心工作，主动前轮转向的 汽车稳定性控制研究中，国内外专家学者尝试了很多不同的控制算法。 滑模控制具有控制动作简单可靠、对外界干扰的鲁棒性较强等优点，而且控 制算法形式简单，并能处理系统的非线性情况，在主动转向的控制策略研究经常 采用。费贤松啊1 利用滑模控制理论对主动转向进行相关研究工作，作者在轮胎线 性范围内，运用滑模控制理论，设计了主动前轮转向控制器，改善了横摆角速度 响应。滑模控制具有对外界干扰的鲁棒性较强，但是其应用也有一定的局限性。 当汽车在极限工况行驶时，如低附着路面、转弯制动、分离路面，此时轮胎侧向 力处于非线性区或者饱和区，滑模控制算法可能无法进行计算。 m a m m a r 等p 1 运用何* 鲁棒理论对车辆稳定性进行了研究。作者在相平面内 考察了车速、前轮转角以及路面系数等对车辆横摆域的影响，提出了主动前轮转 7 武汉理t 大学硕十学位论文 向控制系统的结构和目标，设计了前馈控制器和横摆角速度日。反馈控制并进行 联合。并通过仿真试验，验证了日* 算法具有很强鲁棒性，可以使系统具有很好 的干扰抑制效果，满足汽车操纵稳定性和驾驶轻便性的要求。 r k a r b a l a e i 等”町运用模糊控制理论，设计了主动前轮转向和直接横摆力矩 联合控制器，并通过试验仿真，对比了采用单独a f s 或者d y c 的控制效果。模 糊控制通过模糊条件语句，依靠专家的知识和经验来实现控制的。相对p i d 控 制，模糊控制策略的系统响应更快。而且模糊控制器对数学模型的精确度不是很 依赖，具有很强的控制稳定性和鲁棒性。由于模糊推理系统依赖专家经验，它需 要大量的试验数据或者比较真实模型的仿真结果，才能够获得满意的控制效果。 宝马的主动转向系统运用的是横摆角速度反馈控制的方法，其控制器为p i 控 制，主动轮转通过p l 控制器对伺服电机进行控制。在工业过程控制中，由于p i d 控制器结构简单且易于实现，所以应用十分广泛。p i d 控制只适用于能够建立精 确模型的线性系统，而汽车系统本身具有很强的非线性，在行驶过程中具有时变 不确定性，很难建立精确的数学模型。因为传统p i d 调节器不能进行在线整定 参数，所以在不同工况下，传统p i d 不能满足系统对参数的自整定要求，因而 会影响其控制效果的提高，尽管有上述缺点，p i d 控制器是仍然是最简单的，有 时却是最好的控制器。然而模糊控制对象模型依赖性不高，可以根据系统的模糊 控制规则和动态信息进行推理，从而获得适当的控制输出量，系统具有较强的鲁 棒性，但是控制精度较低。将p i d 控制和模糊控制两种控制方法结合起来，实 现参数自整定的模糊p i d 控制，这样能够发挥两种控制方法的优点，得到得满 意的控制结果n 2 。赵伟n ”采用鲁棒性强的非线性模糊p i d 控制技术进行汽车稳 定性控制，设计了模糊p i d 控制器，利用汽车理想模型的质心侧偏角和横摆角 速度作为控制系统跟踪对象，控制输出变量为车轮制动力和前轮叠加转角，以轮 胎最优滑移率控制方法进行横摆力矩稳定性控制，以前轮附加转向进行主动转向 控制，按照两种控制模式各自的控制策略分别进行了仿真实验，验证了模糊p i d 控制系统能使汽车具有良好的操纵稳定性。 1 6 本文主要研究内容 本文主要进行以下的具体研究工作： 1 在a d a m s c a r 平台上，建立可用于主动前轮转向研究的整车模型，并对 模型的正确性进行仿真试验，为控制系统的研究提供正确的整车动力学系统模 型。 2 研究汽车在转向工况下运动状态的变化规律，分析总结汽车失稳的原因， 建立具有理想转向特性的二自由度模型，推导出质心侧偏角和横摆角速度的理想 8 武汉理t 大学硕上学位论文 值。分析质心侧偏角和横摆角速度两个参数与汽车稳定性的关系，并研究如何用 两个参数对汽车何种情况失稳进行判定。 3 对主动前轮转向控制研究中选择了鲁棒性强的非线性模糊p i d 控制技术 进汽车稳定性控制。设计的模糊p i d 控制器，采用整车模型的横摆角速度与理想 横摆角速度之差作为控制变量，以横摆角速度和质心侧偏角作为控制目标，控制 器输出量化的前轮叠加转角对前轮转角进行主动修正，使整车模型的横摆角速度 和质心侧偏角很好的跟踪理想模型。 4 研究采用主动前轮转向和可变力矩分配联合控制来改善汽车稳定性的方 法，利用模糊控制技术，设计多变量输入输出的汽车稳定性控制模糊控制器，并 在极限工况下，对联合控制系统进行了仿真试验。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第二章汽车整车动力学模型的建立 建立汽车动力学模型是研究由汽车的各个总成的一种有效工具，只有建立适 合动力学模型，才能对控制策略和控制算法进行有效的试验和研究。建立模型的 型式一般可分为：结构模型、数学模型、物理建模。结构模型采用约定符号，用 图形表示汽车系统功率传递中参素与变量数据的结构关系，该方法是建立汽车系 统数学模型的有效手段。数学模型运用表达式，采用数学形式把汽车系统中的能 量或信息传递规律描述出来的，该方法是车描述汽车系统本质的最简洁明了的方 法。物理模型着眼于建立跟实际汽车对象的动力学行为、工作规律相似的等价模 型，该模型在物理性能上相同或十分接近于实际汽车系统，但是相对于实际汽车 系统，该模型更简单且易于进行分析研究，所以物理模型是解决工程实际的一个 有效手段m i 。a d m a s 是建立汽车物理模型的最常用工具之一，本章将运用多刚 体动力学软件a d a m s 中的c a r 模块进行汽车各子系统的建模，并最后进行整 车装配。 2 1 汽车动力学建模方法 汽车动力学模型仿真研究大致包括两个方面：一是建立描述汽车动力学的微 分方程组，即建模；另一方面是采用数值方法解微分方程组，即计算。汽车建模 采用的方法主要有：手工建模、图形建模、多刚体动力学软件模拟”“1 。 手工建模是最传统的方法，它通过对汽车的力学分析，建立汽车运动的微分 方程组，采用数值积分方法，并用计算机语言编写计算机程序，然后解微分方程 组。由于汽车系统各部件的联接比较复杂，以前人们常用的是经典力学的方法， 分析和建立汽车系统的微分方程组，再用隔离法对汽车各部件进行受力分析并建 立非惯性系下的运动方程组，在分析各部件之间的相互作用时很困难，这就是经 典力学问题所在。运用分析力学理论中的b o l t m a m a m e l 方法，推导出 的汽车准坐标系下的整车运动方程，各部件之间非做功力和非保守力的作用不需 要考虑，只需要把汽车各刚体部件所受的外力和系统能量的变化考虑进去，这样 大大简化了分析过程。 图形建模建模方法与前面所述相同，计算采用专用软件如m a t l a b 及 m a t r i x 等。在m a t l a b 发展过程中，最重要的一个体系是引入了s i m u l i n k 。 s i m u l i n k 是m a t l a b 仿真平台下一种图形仿真工具，可以和m a t l a b 通过求 解器进行无缝连接。s i m u l i n k 是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成 1 0 武汉理工大学硕上学位论文 软件包，其图框化得设计方式和良好的交互性，对工程人员本身的计算机操作与 编程的熟练程度要求降到了最低”。 多刚体动力学软件建模和计算完全由计算机软件完成，如著名a d a m s 软 件。a d a m s 采用多刚体力学图形化建模方法，可以建立三维模型，把系统分为 多个刚体，能够反映出每一个构件的形状、质量、受力、约束和连接情况，这样 能够比较真实地反映汽车动力学特性，模拟结果也比较精确。多刚体动力学软件 建模最大的优点在于不需要建立汽车的运动学方程，只需要使建立的模型尽量能 反映汽车真实的运动状态，该方法更易了解汽车系统动力学特性。基于上述优点， a d a m s 软件已经成为众多汽车公司的主要分析软件，但是a d m a s 控制系统不 太丰富，比较复杂的控制系统不容易实现”一1 。 从上面介绍中，三种建模方法均有优缺点，在主动前轮转向控制的研究中， 一方面要求对汽车的动力学性能进行模拟，另一方面要求有控制系统。这时人工 建模的方法比较复杂，因而本文不采用此方法。m a t l a b s i m u l i n k 中有多种线 性和非线性模块，该模块能够用于动力学系统，也可用于控制系统，其中还有控 制软件工具箱，如模糊工具箱、g a 工具箱等，比较适合于汽车动力学控制方面 的研究。a d a m s 可以建立比较精确的汽车动力学模型，而且能够与 m a t i a b s i m u l i n k 进行联合仿真。所以，本文利用a d a m s 的建立动力学模型 的长处和m a s i m u l i n k 控制方面的长处，将联合m a t l a b s i m u l i n k 和 a d a m s 两个软件进行仿真。 2 2 a d a m s c a r 建模步骤 a d a m s 很多模块，其中v i e w 和c a r 模块在汽车分析中是常用模块。 a d a m s v i e w 模块是a d a m s 软件的一个核心模块，具有很强的通用性，并且 该模块具有很强的开放性，能够方便进行二次开发。但是如果在a d a m s v i e w 中建立整车模型，工作量将会非常大且容易出错。然而a d a m s c a r 模块是分析 悬架和整车的专业模块，利用该模块分析整车的动力学性能尤为便捷一。本文将 在a d a m s c a r 模块中，建立满足仿真需要整车模型，然后做相应的的汽车性能 仿真分析。 a d a m s c a r 是m d i 公司与a u d i 、b m w 、f o r d ，r e n a u l t 和v o l v o 等公司合 作开发的整车设计仿真专业模块，集成了它们在汽车设计、开发等方面的经验， 用a d a m s c a r 建立模型虚拟样机能够跟物理样机一样进行分析。运用a d a m s c a r 模块，工程师可以快速建立高精度的整车模型，进行各种工况下的仿真，能 够用动画的形式直观地显示在各种试验工况下的整车动力学响应，而且可以输出 反映制动性、操纵稳定性、安全性和乘坐舒适性的特征参数，仿真时间比物理样 武汉理工大学硕十学位论文 机试验的时间大大缩短，从而减少对物理样机的依赖”。 在a d a m s c a r 里模型由3 级组成：模板( t e m p l a t e ) 、子系统( s u b s y s t e m ) 和总成( a s s e m b l y l ”。 ( 1 ) 模板是a d a m s c a r 的一个主要特点。模板定义了汽车模型的拓扑机构。它包 含模型的刚体数目，刚体之间的连接方式以及其它总成交换信息方式。 a d a m s c a r 的共享数据库里提供了各种动力总成、悬架、转向系统、制动系 统、轮胎及车身的模板。因此，用户在建立整车模型时，无需从零开始，而是 从现有模板出发开始建模工作，用户只需修改模版中零部件的位置和特征参 数，获得符合用户需求的模型。 ( 2 ) 子系统是基于模板创建的，可以认为是特殊的模板，它对模板的某些特性做 了调整。在子系统的级别上，可以对已建的零部件进行部分数据的修改。 ( 3 ) 总成是一系列子系统再a n 上试验台( t e s tr i g ) 就构成了整车或者悬架总成；t e s t r i g 的作用是给模型施加激励。 在a d a m s c a r 中建立一个整车系统动力学模型，一般可以分为以下几个步 骤忙1 矧： ( 1 ) 根据研究的目的，分解整车的各个子系统，以及把汽车系统动力学和运动学抽 象，构建各子系统的拓扑结构图。 ( 2 ) a d a m s c a r 提供了两种运行模式“标准( s t a n d a r d ) ”和“模板( t e m p l a t e b u i l d e r ) 两种模式。在标准模式下，用户可以根据汽车的结构来选择合适的 模版；如果没有合适的模板，可以使用模板模式，根据汽车具体的构造，建立 自己所需的模板。 ( 3 ) 获取各子系统的几何尺寸参数、质量特性参数、力学特性参数与外界参数。 ( 4 ) 在标准模式下，由前面建立的模板文件生成子系统文件( s u b s y s t e m ) ，并带入 子系统参数特征。 ( 5 ) 在标准模式下建立整车文件( a s s e m b l y ) ，将上一步骤中建立的子系统组装成整 车。 ( 6 ) 根据分解整车不同的性能，填写不同工况的仿真文件并进行整车仿真。 ( 7 ) 使用后处理模块，对分析的结果可进行可视化分析，画出对应的变化曲线， 得到系统的性能测试指标。 以悬架为例，介绍a d a m s c a r 建模过程。一个悬架组合至少包括悬架和 试验台子系统，转系子系统和其它子系统是可选的。建模过程流程如图2 1 所 示。 1 2 武汉理工人学硕上学位论文 贸最 图2 - 1a d a m s c a r 建模过程 2 3 建模假设、简化 汽车构造非常复杂，如果按照汽车实际构造进行建模，工作量非常大，所以 根据研究目的，在建模时，在保证模型的准确度和精度前提下，对汽车的结构进 行适当的抽象、简化是必要的，这样才能保证分析可行性和结果的正确性。本文 对建立的整车动力学模型的模型作了如下的假设和简化： ( 1 ) 簧载质量看作一个刚体，具有六个自由度。 ( 橡胶元件、阻尼元件、轮胎等由特性文件描述其力学特性，其它构件认为是 刚体，在仿真过程中不考虑它们的变形。 ( 3 ) f h 于考察的是操纵稳定性，所以假使汽车行驶于平坦路面，使用2 d 路面文件。 ( 4 ) 对于刚体之间的连接柔性作适当的简化，用线性或者非线性弹性橡胶村套 ( b u s h i n g ) 来模拟仿真实际工况下的动力学特性。 ( 5 ) 各运动副之间的摩擦及内部间隙忽略不计。 2 4 主动前轮转向系统模型 2 4 1 主动前轮转向叠加原理 a f s 中双排行星齿轮机构心 如图2 - 2 所示，设定上排行星齿轮齿圈与太阳 轮之比为口，下排行星齿轮齿圈与太阳轮之比为口z 。齿圈2 、行星齿轮3 、太阳 轮4 上的力矩分别为丁z 、r s 、r 。，根据能量守恒定律，三个构件上输入输出功 1 3 武汉理工大学硕十学位论文 率的代数和为0 ，则 t 2 w 2 + t 3 w 3 + 丁4 4 = 0 ( 2 - 1 ) 式中：、s 、分别是齿圈2 、行星齿轮3 、太阳轮4 的角速度。 刘卜i 尸 6 hk 叫除 1 电机涡轮2 齿圈3 行星齿轮4 太阳轮输入5 太阳轮输出6 行星齿轮 图2 2 行星齿轮转角叠加原理 由行