汽车急转向稳定性控制策略探讨

王翠?叶智彪?吴炳理

摘 要：本文对汽车转向行驶状态进行分析，提出相关的控制策略，来防止汽车急转向时产生横摆侧滑现象，保持车辆的横向稳定性，减少道路交通事故的发生。

关键字：汽车急转向；横向稳定性；控制策略

1 引言

随着高速公路的发展和汽车技术的进步，汽车的车速在不断提高，随之而来的交通安全问题成为一个社会性的问题。根据有关部门调查显示，在这各种各样的交通事故中，影响道路交通事故发生的因素众多，特别是车辆在高速下失去稳定性也成为了引起的事故发生的主要影响因素之一。当车辆在高速转弯行驶过程中，轮胎必须提供足够的纵向力和侧向力来保证和实现预定的转弯轨迹。在实际驾驶操作中，当车辆处于高附着、低速等比较稳定的行驶状态时，驾驶员一般主要是通过感知车辆的状态变量，通过对方向盘的调整，使车辆维持在稳定行驶状态。但当车辆在高速转弯等危险工况下行驶时，驾驶员很难根据所感知的车辆状态变量来进行正确的转向调整。而如果在转弯过程中施加制动，车轮容易抱死，车辆极易失去稳定性。基于以上的情况有必要对汽车高速弯道横向稳定性动力学控制进行研究。

2 国内外现状

随着汽车工业的高速发展，国内外有部分学者对于车辆动力学稳定性控制进行了初步的研究。在国外，从ABS到TCS，从TCS到后来的ASR、DSC，再到VSC，这些都是研究人员为满足人们的需求而做的一系列改进。BOSCH的DSC，丰田的VSC，BMW的DSC，通用的ESC，本田的VSA，现代的VSM，保时捷的PSM等系统，这些系统可以在驱动车轮转动时防止车轮滑转，提高车轮的驱动能力，保持车辆的操纵性和稳定性，但是，这种系统只改善了车辆普通工况下的车辆性能，对于极限工况下的车辆的控制则效果不佳。在国内，最近先进制造领域863课题“汽车电子稳定程序（ESP）微传感器及系统”项目宣布取得成果，研发出了具有自主知识产权的汽车用ESP仪器系统。这个系统只是刚刚研发出来的阶段，其性能与可靠性还有待得到实车实验验证。而对于车辆在极限工况下的汽车横向稳定性的研究目前还不多，特别是对于不同路面附着系数下的车辆在高速弯道上的行驶。

3 控制策略的探讨

由于汽车动力学稳定性控制系统是一个复杂的系统，车辆的横向稳定性受车辆结构参数、行驶速度、路面附着系数和转向盘输入转角等众多因素影响，是一个非线性问题，致使运用经典控制和现代控制理论来控制显得十分复杂，而且很难达到预期效果。

目前，车辆稳定性控制方法有逻辑门限控制、PID控制、模糊控制、神经网络控制和模糊PID控制等。逻辑门限控制、PID控制本质上属于线性控制，对于汽车动力学这个具有很强非线性的对象来说，控制效果具有先天的不足，一旦参数确定，控制逻辑就会被固定下来，就不能对汽车这种强烈的非线性系统进行实时控制。模糊控制、神经网络控制虽然其本质上是非线性的，且具有一定的智能性，但是其以模仿人在不确定性环境下的决策行为，从经验中自动产生规则，对数学模型的依赖性弱。

实际的汽车模型是很复杂的，是不能单用数学模型表达的。以往的研究一般将汽车动力学模型线性化为二自由度模型，以横摆角速度和侧偏角为控制变量对系统进行控制，在理论上可以取得良好的控制效果，但是，这种理想化的汽车模型是不存在的。为了获得汽车模型中所需要的相关控制参数及状态变量，需要对模型本身进行精确的了解，需要准确地对模型本身的参数进行确定。

4 控制策略的提出

通过对现有的汽车稳定性控制系统进行分析，得出目前汽车市场上的稳定性控制系统在高速、低附着系数等极限工况下存在的不足出发，提出下列策略：

在对车辆进行动力学分析的基础上，考虑到实际车辆的横向稳定性系统控制有很强的非线性，建立相应汽车动力学模型；再根据车辆输入的信号判定驾驶员对车辆的驾驶意图，计算出车辆在理想状态下的运行工况参数；接着根据车辆实际运行状态与车辆理想运行状态的误差反馈，设计一种可以对车轮施加制动力来实现对汽车横摆运动的调节的横摆力矩控制器；最后，利用计算机仿真，针对这些特殊工况，将仅安装ABS系统的汽车与在ABS系统基础上加装稳定性控制器的系统，进行仿真对比分析，从而得出本控制方法在目前市场的存在的优势。

本策略的主要研究工作和内容有：

（1）分析汽车动力学特性，建立汽车动力学模型，其中包括整车模型、轮胎模型、制动系统模型、驱动系统模型等。为本策略的研究提供了正确的汽车动力学系统模型。

（2）分析汽车在高速转弯工况下的变化规律，判断汽车失稳的原因，建立理想状态下的车辆参考模型，对影响车辆稳定性行驶的参数变量进行分析和研究，为整个汽车横向稳定性控制系统打下了理论基础。

（3）设计参数自适应模糊PID控制的模糊PID控制器，将参考的名义横摆角速度与实际横摆角速度之间的差值和差值的变化率作为控制器的输入变量，附加的横摆力偶矩作为输出变量。

（4）结合所建立的汽车动力学模型，将模糊PID控制器仿真模型加入其中，并把此系统模型在不同路面系数、不同转向角输入工况下进行仿真研究。

5 结语

分析目前研究中的不足，提出了汽车高速急转向稳定性控制策略，防止汽车急转向时产生横摆侧滑现象，使我国汽车横向稳定性的控制得到提高，形成自主知识产权的汽车电子控制技术，使目前的汽车向智能型车辆发展，减少道路交通事故的发生，并通过此控制策略的研究，对汽车的其他性能控制起到借鉴作用。

参考文献

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