汽车ESP系统控制策略的仿真研究

2014-02-27颜娟娟夏长高

汽车工程 2014年8期

颜娟娟,夏长高

(江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013)

前言

电子稳定程序(ESP)是行驶车辆的一种主动安全系统，在ABS和TCS的基础上增加了主动横摆控制的功能，使汽车在制动、驱动和转向时的稳定行驶得到了保障[1]。ESP作为先进的主动安全系统，其ECU的软、硬件设计最为关键，其中的控制方法是目前汽车界研究的热点。近几年,国内外学者开始应用现代控制理论进行汽车稳定性控制及其仿真研究,取得了明显的控制效果[2]。

本文中建立了8自由度整车模型，设计了基于模糊控制的横摆角速度和质心侧偏角的联合模糊控制器；对控制器的输出附加横摆力矩的分配，本文中没有采取以往大多数学者研究的差动制动方式，而是研究了转矩主动分配策略，独立设计出控制效果更好的转矩主动分配基本结构；最后对汽车的两种典型工况进行了仿真研究。

1 车辆动力学模型的建立

根据研究的实际需要，本文建立了8自由度(车身横向、纵向、横摆、侧倾和4个车轮旋转)非线性模型[3]，如图1所示。

动力学方程为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Fxi、Fyi(i=1，2，3，4)为各轮胎纵向力和侧向力，以下统称Fx、Fy，可由纯侧偏工况和纵向力工况下的“魔术公式”轮胎模型[4](见式(6)和式(7))，采用滑移率s和侧偏角α对轮胎力修正得到(见式(8))。

(6)

(7)

(8)

各车轮垂直载荷为

(9)

式中l为轴距。

采用Matlab/Simulink根据上述的动力学方程建立各个非线性模型，把数学模型转换成仿真模型。

2 ESP控制系统的设计

2.1 控制变量名义值的确定

采用线性2自由度车辆数学模型[5]作为计算ESP控制器中横摆角速度γd和质心侧偏角βd名义值的依据，见式(10)和式(11)。

(10)

(11)

汽车名义质心侧偏角和名义横摆角速度受到路面附着条件的限制，因此对名义值进行以下修正：

(12)

2.2 联合模糊控制器设计

运用模糊控制理论[6]设计控制器。分别以横摆角速度和质心侧偏角为单一控制变量。以横摆角速度控制为例，输入变量为实际值与名义值的误差e(γ)(e(γ)=γ-γNo)和误差的变化率ec(γ)，输出变量为附加横摆力矩ΔM(γ)。e(γ)、ec(γ)和ΔM(γ)的基本论域分别为[-0.25,0.25]、[-0.25,0.25]和[-0.17,0.17],量化后论域分别为[-6,6]、[-5,5]和[-1,1]。量化因子ke=24，kec=30，比例因子k=5 000,输入和输出语言变量的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。质心侧偏角控制与此相似。

设计出模糊控制器后，将两者输出的横摆力矩进行加权。设计的控制器模型如图2所示。

2.3 附加横摆力矩的转矩主动分配策略

图3为本文所设计的转矩主动分配结构，由普通差速器机构、实现右输出轴转矩增、减的增/减速机构和左右两组可控离合器机构组成。

根据转矩主动分配差速的工作原理[7]，由控制器得出的附加横摆力矩的正负来控制要接合的离合器及其产生内摩擦力矩的大小，左右两轮驱动力矩产生相应的变化，利用M-function程序可实现以下控制规律：

ΔM>0时，

(13)

ΔM<0时，

(14)

式中：TLc、TRc分别为左右轮增扭离合器转矩；ΔM为附加横摆力矩；TI为输入轴转矩；Zi为齿轮齿数；TL、TR分别为左右输出轴转矩；Td1、Td2、Td3、Td4分别为左前轮、右前轮、左后轮和右后轮驱动转矩。

3 仿真与结果分析

为验证本文所设计的控制器和附加横摆力矩模型的合理性和有效性，在易于失稳的湿滑路面上进行角阶跃输入和正弦输入两种典型工况的仿真分析,模型如图4所示。车辆主要参数为：m=1 580kg，lf=1.237m，lr=1.303m，d=1.424m，R=0.317 5m，Jwi=1.1kg·m2，IZ=2 350kg·m2，h=0.552m。