第十八章车辆动力学集成控制及应用CarSim的实例分析 □第一节 概 述□第二节 集成控制结构□第三节 集成控制策略□第四节 一种基于轮胎力最优分配的集成控制方法□第五节一个应用CarSim软件的仿真分析实例 自20世纪70年代末,防抱死制动系统(ABS)开始在市场上得到应用,可以认为是车辆动力学控制系统发展历程上的一个成功的起点接下来,各种电子控制系统相继应用于车辆,以帮助驾驶人应付复杂多变的行驶工况,提高车辆的行驶安全性和舒适性根据各种控制系统的作用方式不同,可按X、Y、Z三个方向将车辆运动控制系统分别归类于纵向(制动/驱动)、侧向(转向)和垂向(悬架)三大类子控制系统车辆动力学集成控制要解决的两个关键问题是:①如何避免子系统间的互相冲突和干扰;②如何通过系统间的通信和动作协调,尽量挖掘各子系统功能潜力从而实现性能最优第一节 概 述 图18-1 车辆动力学控制系统的发展历程 一、分散式控制结构个子系统在一定程度上依旧独立,只是必要时可通过车载网络来彼此合作完成某一功能这分散式控制结构可由图18-2来说明第二节 集成控制结构图18-2 分散式控制结构 二、集中式控制结构集中式控制结构如图18-3所示,它是由一个所谓的“全局控制器”向所有子系统发出控制输入指令。
与分散式结构不同的是,集中式结构控制器是由整车厂与各供应商协作共同开发图18-3 集中式控制结构 三、分层-监督式结构虑到软件和硬件方面的综合优势,目前较好的结构方案是介于分散式和集中式结构之间的一种折中方式,即所谓的“分层-监督”式结构,如图18-4所示图18-4 分层-监督式结构 一、纵向和侧向系统集成在XOY平面,制动/驱动和转向是车辆纵向、侧向动力学控制的主要系统在制动/驱动和转向系统的集成控制中,可以对ABS、ESC以及AFS/4WS等子系统间进行集成纵向和侧向控制系统在控制效能和平滑性方面各有优缺点具体表现为:①在有效作用域内,当轮胎处于小侧向加速度、小侧偏角的线性域时,转向控制系统(如4WS、AFS等)在操稳性上可以取得较好效果;但在紧急工况下(大侧向加速度、大侧偏角时,即轮胎进入非线性域时),转向控制通常不能取得满意效果,而直接横摆力矩控制则能显著地提高操纵稳定性;第三节 集成控制策略 ②在控制系统实施干预的平滑性方面,基于制动的稳定性控制系统会导致纵向加速度突然变化,在一定程度上会影响驾驶舒适性能而基于驱动力分配的直接横摆力矩控制系统只是重新分配左右车轮驱动力,从而保证纵向动力学不受干扰,因而干预相对平滑。
在侧向加速度较低工况下,主动转向能够在驾驶人不察觉的情况下实施横摆力矩干预 二、悬架系统的集成悬架控制可以显著影响轮胎动载荷和车身姿态从纵向、侧向和垂向三个方向上来看,包括悬架控制系统的集成控制主要可分为:①通过悬架控制轮胎垂向载荷,保证抓地性以充分利用附着;②在主动制动干预的基础上,通过悬架(主动悬架、连续阻尼可控系统CDC和主动抗侧倾稳定杆ActiveAnti-RollBar)来调节轮胎垂向载荷,间接产生辅助的稳定横摆力矩,以此来尽可能减少主动制动的干预,避免突然制动带来较大的纵向速度变化 一、基于轮胎力最优分配的车辆动力学集成控制结构对于有多个主动控制系统的车辆,主动控制执行器输入的数目一般大于其要控制的车辆状态的数目,称为“执行器冗余”(over-actuation)现象在存在执行器冗余的情况下,有两个问题至关重要:①如何选择最有效的执行器来完成目标功能;②在给出合理的轮胎执行器输入时,如何考虑轮胎的饱和非线性以及诸如路面附着状况等各种实际约束条件第四节 一种基于轮胎力最优分配的集成控制方法 “主环-伺服环”分层控制结构,如图18-5所示图18-5 基于轮胎力最优分配的“主环-伺服环”分层控制结构 由图可知,首先由主环控制器给出车体运动控制所需的力和力矩,例如车辆在XOY平面内的纵向力、侧向合力和横摆力矩,即Fud=[Fxd Fyd Mzd]T。
然后,在伺服环中,将轮胎作为复杂且特殊的“执行器”,通过优化分配将Fud分配到各个轮胎执行器的控制输入这样一个结构框架的好处是:不仅可以直接考虑车辆纵向、侧向、横摆运动的非线性耦合,还可以在控制器中直接考虑非线性轮胎模型,从而方便地实现车辆稳定控制力/力矩的优化分配 采用“主环-伺服环”分层控制结构的主要优点可总结为两个方面其一,主环设计时不考虑轮胎,而将车辆水平合力看成是车辆动力学系统的控制输入,因而降低了控制器设计的难度其二,较难处理的轮胎非线性特性可在伺服环轮胎力最优分配中加以考虑,而且包括轮胎-地面附着和执行器状态在内的各种限制条件也可以在轮胎力分配中得到考虑 二、主环控制器设计1.车辆运动参考模型参考模型将依据驾驶人的操纵动作(包括转向盘、制动踏板和加速踏板)来获得理想的车辆运动状态期望的纵向速度ud可由驾驶人加速或减速操纵求得车辆期望质心侧偏角取为零,零质心侧偏角(即侧向速度为零)下期望的横摆角速度rd可由车辆的纵向速度与前轮转角求得,同时其还受地面附着系数的限制,即:其中,u0为初始车速;L为轮距;κ为不足转向参数;μpeak为路面峰值附着系数;ζ为小于1的系数 2.基于滑模控制的主环设计包含纵向速度、侧向速度和横摆角速度三个自由度的车辆动力学模型可表述如下:这里,定义状态向量X=[u v r]T,理想的整车控制力Fud=[Fxd Fyd Mzd]T作为主环控制器的控制输入,将由轮胎作用力在伺服环中得到具体实现。
若对三个状态变量单独设计滑模控制算法,则上述多输入多输出系统可分别写为三个单输入单输出系统,即: 由于系统的期望动态品质将由滑动曲面s(x,t)=0体现,因而在滑模控制器的设计中切换函数的选择很重要对于此处的纵向、侧向速度和横摆角速度跟踪问题而言,切换函数中可以包括速度误差ei、速度误差的积分项ξi=∫ei(τ)dτ和速度误差的微分项其中ei为系统状态和参考值间的误差,即ei=Xi-Xid,而ξi是误差的积分在此,选择切换函数为:Si=ei+Λiξi式中,系数Λi为正那么,滑模控制律可表示为:式中,k1i与k2i分别为控制参数；分别为fi与gi的标称值;sgn(·)为符号函数 为了避免控制输入的振荡,可采用如下的饱和函数代替上式的符号函数sgn(·),即:式中,Φi为正的边界层厚度因此,主环控制器中所得到的期望广义车辆运动控制力Fud可最终表示为: 3.悬架的集成在XOY平面内,车辆的动力学控制主要依靠转向和制动/驱动系统虽然包括主动横向稳定杆、可变阻尼系统及主动悬架等悬架控制系统的主要功能是改善车辆的垂向动力学性能,但由悬架控制系统影响的轮胎法向力对轮胎侧偏特性的影响也很大,因此将悬架控制集成也考虑进去。
以主动侧倾力矩Txa为输入的车辆侧倾运动方程,即: 为抑制车身侧倾,取理想侧倾角与侧倾角速度均为零,即: 选择切换函数为:从而可得如下滑模控制律:因而最终的控制输入为: 三、伺服环设计1.轮胎力优化分配由主环反馈控制器计算得出的车辆稳定控制力和力矩Fud需分配到每个轮胎这里,定义第i个轮胎的侧向分力和纵向分力分别为Fyi和Fxi对第i个轮胎而言,其侧向分力Fyi由其主动施加的转向角通过实时改变其轮胎侧偏角得以实现,而其纵向分力Fxi则由其制动轮缸压力调整制动力矩,从而调整其车轮纵向滑移率来实现可以将轮胎力的最优分配表述为一个无约束优化问题,考虑执行器变化率、幅值与车辆运动控制力跟踪误差,建立如下目标函数: 其中,车身控制力的跟踪误差E即为目标力和实际力的差WE、和分别是力跟踪误差、控制增量和控制幅值对应的权重矩阵uc是控制输入,即四轮纵向力滑移率和前后轴车轮的侧偏角,而Δuc则是控制输入增量,即:则最优的控制输入可以令 ,利用上式求得如下:最后,利用滑移率控制器与主动转向调节器,求得的最优四轮滑移率和前后轴侧偏角可以进一步通过轮胎驱动/制动力矩控制与主动转向控制来实现。
2.侧倾力矩分配定义λf为前轴侧倾刚度占总侧倾刚度的比例,即λf=Kϕf/(Kϕf+Kϕr),则采用跟踪期望横摆角速度的侧倾刚度分配PI控制器如下:式中,kPR与kIR分别为比例增益与积分增益,λ0为初始侧倾刚度分配比除机械结构限制外,为避免ARC和4WS/DYC之间互相干涉的可能性,应确保λf不得过大或过小前后轴主动侧倾力矩可表示为: 一、仿真平台介绍MSCCarSim是由美国机械仿真公司(MechanicalSimulationCorporation,MSC)开发的用于分析车辆系统动力学的专业软件,主要用于针对轿车、赛车、轻型货车、轻型多用途运输车及SUV等四轮及三轮车的动态特性仿真该软件具有开发完整的车辆参数及较高的仿真精度此外,因其使用简单、运算迅速、扩展性较好、价格低廉等特点,该软件现已被国内外许多汽车企业及研究机构采用第五节 一个应用CarSim软件的仿真分析实例 1.工作界面CarSim典型的工作界面如图18-6所示,主要包括三大部分[6]:①模型与输入设置(包括车辆模型设置、试验工况、道路环境等设置);②仿真运行控制;③试验结果后处理(包括3D动画与结果图表生成)。
图18-6 CarSim典型的工作界面 2.车辆-驾驶人-环境模型图18-7给出了CarSim环境下的整车模型结构与基于结构实体建模的机械仿真软件(如MSCADAMS)相比,CarSim是一款面向特性的参数化建模的车辆动力学仿真软件用户可以不需根据测量的车辆系统结构参数进行实体建模,而是先通过试验获得一些重要的功能性参数(不只是位置参数),然后输入到CarSim中这种处理方法可在一定程度上避免实体建模的误差,其系统的特性更接近真实的特性,此外,CarSim对道路、空气动力等环境状况和包括转向盘、加速踏板、制动踏板等在内的驾驶人控制输入的设置也很方便 图18-7 CarSim环境下的整车模型结构 二、仿真结果和分析首先,利用MATLAB/Simulink分别对四种不同控制情况的车辆与无任何控制的车辆在该软件环境下进行了实现对四种不同情况的车辆分别标号为车辆①:仅装有4WS;车辆②:仅装有DYC;车辆③:4WS与DYC两个子系统集成;车辆④:4WS与DYC再与ARC三者集成,详细的车辆编号参见表18-1对四种情况进行了仿真,并与无控制的基准车辆进行了结果对比,验证所设计的集成控制器的潜在控制效果。
1.开环转向盘阶跃输入仿真结果仿真工况为开环角阶跃输入工况,车辆初始前进速度为120km/h,路面为干沥青路面下面,根据开环转向盘阶跃输入下的仿真结果,对不同情况的车辆响应进行对比,时域响应结果如图18-8~图18-10所示具有四种不同情况(即仅装有4WS的车辆①、仅装有DYC的车辆②、4WS与DYC两子系统集成的车辆③、4WS与DYC再与ARC三者集成的车辆④)的结果对比总结见表18-1 图18-8 转向盘角阶跃输入横摆角速度对比图18-9 转向盘角阶跃输入质心侧偏角比对 图18-10 转向盘角阶跃输入车身侧倾角对比图18-11 转向盘角阶跃输入主动侧倾控制力矩及其分配比例 编号控制方式横摆角速度误差/(°/s)质心侧偏角/(°)车辆①仅有4WS1.11580.1883车辆②仅有DYC1.05743.0848车辆③4WS+DYC集成1.00600.1248车辆④4WS+DYC+ARC集成1.00270.1315表18-1 横摆角速度跟踪误差均值与质心侧偏角均值 由图18-8可见,从第1s开始,前轮受到一个最大幅值为2°的角阶跃输入,由于轮胎进入了饱和区域,未加任何控制的基准车辆无法提供足够的侧向力来完成转向动作。
它的稳定横摆角速度只有12°/s,而侧偏角和车身侧倾角分别为2.6°和2.7°由图18-9可见,仅有四轮转向的车辆①可以有效地将质心侧偏角抑制至0.5°之内由于4WS仅仅能够调节轮胎的侧向力,而它的纵向速度逐渐由120km/h减少到93km/h,而它的理想横摆角速度也由13.6°/s逐渐增加到17°/s 如图18-10所示,通过添加主动抗侧倾(ARC)系统,车身的侧倾角得到了有效地抑制与车辆③的侧倾角峰值(3.2°)相比,车辆④的侧倾角峰值降到2.6°此外,由于主动横向稳定杆可以辅助控制横摆角速度,4WS+DYC+ARC车辆的横摆角速度跟踪误差方均根值明显小于车辆③的情况由图18-11可见,在横摆角速度逐渐增加的过程中,由于车辆呈不足转向趋势,通过将前轴侧倾刚度比λf迅速降到λfmin,将更多的主动侧倾力矩分配到后轴,相当于增加后轴的等效侧倾刚度值,减少了不足转向趋势,更好地跟踪理想横摆角速度当横摆角速度达到稳态值后,λf又恢复到初始值λf0 2.闭环双移线仿真试验具有四种不同控制方式的车辆与基准车辆进行了仿真试验结果对比车辆模型仍采用CarSim整车模型,为了保证各控制方式控制效果的公平性,对四种车辆采用相同的CarSim软件默认驾驶人模型进行闭环双移线试验,时域结果对比如图18-12~图18-14所示。
图18-12 双移线工况质心轨迹对比 图18-13 双移线工况驾驶人转向盘转角输入图18-14 双移线工况侧倾角对比 可以看出,采用DYC控制的车辆②和基准车辆都出现了较大的侧向偏移,但车辆②最终稳定地跟踪了目标路径结合横摆角速度仿真结果,也可以容易看到无控制的车辆对驾驶人来说相对更难控制同时还可以看出,与基准车辆和车辆②相比,结合了主动转向控制的车辆①、③和④均表现出了更好的路径跟踪性能特别是车辆③和④,取得了非常小的路径跟踪误差和较小的驾驶人转向盘转角输入峰值对于集成了侧倾控制的车辆④,其车身侧倾角相对于车辆③降低了0.5°,说明集成控制在保证车辆稳定的同时,还能减轻驾驶人的驾驶负担 三、小结基于自上而下的策略和主环-伺服环形式的分层结构,采用非线性滑模控制方法和无约束优化方法对转向、制动和驱动系统进行集成控制,并在此基础上进一步集成主动横向稳定杆,相比于以上各子系统的单独控制,所设计的集成控制器可显著提高车辆的操纵稳定性和侧倾稳定性利用MSCCarSim进行的仿真试验结果表明,通过对四轮转向(4WS)和基于纵向滑移率控制的DYC进行集成,可以在两者间实现功能互补和优势综合相比于其单独控制的车辆①和②,集成控制的车辆③性能显著提高。
若再加入主动横向稳定杆的主动侧倾控制(ARC)(如车辆④),则可大幅改善车辆的侧倾稳定性,通过横向稳定杆对侧倾力矩前后分配比进行主动调节,可适当改变轮胎的垂直载荷,从而进一步改善车辆的操纵稳定性 本章完本章完 谢谢！ 。