汽车底盘系统分层式协调控制

张锋

摘 要：随着我国汽车底盘综合控制系统的快速发展，对其进行综合控制的研究已成为当务之急。为了让汽车底盘系统分层式协同控制设计更加合理，从而提升汽车底盘系统的控制能力，本文将着重对底盘各系统之间的关系进行了讨论，之后对汽车底盘系统分层式协同控制展开了较为详尽的论述，以期为汽车底盘系统的设计提供重要参考。

关键词：汽车 底盘系统 分层式协调控制

1 引言

车辆底盘是一个多子系统的组合，其结构是一个复杂的非线性系统。目前，车辆悬挂技术已经不能很好地适应车辆的乘坐舒适性。而在此背景下，多个部件运行间存在着强烈的耦合关系，这就使得多部件运行必须以分布式方式进行，而非单纯依靠局域变量。这类问题通常会造成控制效果降低，进而影响到控制的稳定性，给控制的实用化带来很大的难度。为此，有必要从悬架系统、转向系统和制动系统三个方面入手，分别对涉及车辆运行和平顺的悬架系统、转向系统和制动系统进行分点研究，也就是对整个车辆底盘系统进行分层式协同控制。

2 底盘各系统之间的动力耦合关系

底盘各系统在分别针对悬挂系统的控制器设计时，不仅要考虑到系统的可靠性，而且要考虑到模型误差、部件老化、环境变化等因素。该方法无需考虑其与 EPS、刹车系统的交互作用，在前期的研究中，不但可以在悬架系统的控制阶段，还可以对系统中的元件进行优化，从而提高系统的可靠性。对模型和控制器进行了某种程度的降阶；由于EPS独立的控制策略没有考虑 EPS与悬挂、刹车等多个环节的交互作用，使得 EPS独立控制策略的设计变得更加简单。在此基础上，对控制器进行了优化，实现了对控制器的稳态控制。该控制系统具有自身的鲁棒特性，即使在系统的参数发生变化时，也能维持良好的状态。

汽车底盘系统的各个子系统是相互制约和影响的，在此基础上，通过对汽车底盘系统的力学分析，能够明确系统中的各个要素对系统的作用，进而判断出各个要素的相对重要程度，为进一步开展汽车底盘系统的分层协同控制提供依据。

2.1 汽车悬架系统

当车辆在行驶过程中存在侧向的加速时，车辆自身会向侧上方倾斜，不论是纵向加速度还是横向加速度，都会引起车辆车轮在垂直方向上的偏差，进而影响车辆的转向和制动。但是，如果结构的阻尼超过一定的限度，则会使结构变成刚性，从而无法达到减震的目的。因而，在选用阻尼体系时，必须充分考虑其正常承载能力、位移需求、屈服强度、制动变形、耗能及变形后的恢复能力等因素。

2.2 汽车制动系统

汽车在利用两种制动方式后，使车辆在两种制动方式的共同作用下，并由线性马达驱动。车速和刹车减速改变行车轨迹。在刹车过程中，由于起步时的惯性作用，使车辆产生了“下坠”现象，从而使整车的重心更低，侧向动力学更强。由于刹车减速的存在，使得汽车在路面上承受了一种竖向荷载，使得汽车的前轮和后轮都受到了不同程度的应力，进而影响了汽车的悬挂控制性能。研究了变间距传动系统的动态特性，分析了变间距传动系统的动态特性，提出了变间距传动系统的动态特性。另外，在刹车装置开启后，由于刹车装置的制动力过大，刹车装置的摩擦系数会增大，使刹车装置的横向受力减弱，刹车装置的反力减弱，刹车装置的稳定性受到很大的影响。只有减震效果好，才能降低车辆的侧滑、转向、晃荡等，随着汽车自重的降低，汽车的惯性和制动距离减小，汽车的安全性能提高。在某些情况下，降低风阻，可以提高车辆的整体性能，提高车辆的油耗和噪声。

2.3 汽车转向系统

车辆的转向系统作为车辆的一个重要组成部分，在车辆行驶中发挥着举足轻重的作用。而作为车辆最基本的部件，它可不仅仅是一块钢铁那么简单，它还包含了动力、行驶、转向、制动等多个部件，其复杂性远远超出了我们的认知。当车辆在行驶中，可以转动方向盘，改变输入的力矩，从而使车轮和地面之间的侧向力发生变化，这样，在侧向力的影响下，车辆就会出现侧向加速度，当侧向力达到一定的值后，车辆就会越转越快、越转越省力。然而，由于车身惯性、悬挂质量和非悬挂质量的耦合关系为非刚体，当受到侧向加速时，车身会产生侧向移动，从而对车辆的悬架控制产生影响。但当转向量较大时，则会使轮胎的侧偏角增加，使轮胎的轴向、轴向作用力发生变化，进而对制动系统造成不利的影响。

可见，在车辆行驶过程中，在研究过程中，应注意到多个车辆分层系统间的相互关系，而不应单独研究某一车辆分层系统间的相互关系，而忽视其他车辆分层系统间的相互关系。由于这四大子系统是相互关联、相互影响的，没有一个系统是独立运作的，因此，无法对其进行单独的分析和解释[1]。

3 汽车底盘系统分层式协调控制

在本文，采用了三个控制系统：剎车、半主动悬架和 EPS。三款 EPS系统各有区别，最大的区别在于助推器的定位，越是接近最终作用力的地方，对于零部件的精确性、工艺上的需求就越是强烈，而对于操纵器的操控性能就越是出色。汽车在运行过程中，往往会出现转弯、制动等故障现象。本次研究的关键是对车辆的制动状态、转动状态、汽车的各项指标等给予特定的控制指令，并将调节的角度输出到三个汽车底盘的分层系统中，以实现最优的控制。当进行滑动时，将由轮子产生的位移率的必要误差设置为0.18，当进行响应时，将产生的偏转角速度的变化设置为当前车辆行驶的速度的增加。它不会和原来的汽车控制器连接，而是和引擎控制器、防抱、防盗、车体控制器等独立运行。配合其他动力控制系统，使汽车的转向轮反应迅速，过弯表现优异，并能确保汽车在高速行驶中的稳定[2]。

3.1 系统状态分析

因为在一般的汽车运行中，转弯和制动是最常见的情况，所以对于速度、角度和重量等参数，都会有比较详尽的描述，所以，对这一环节的控制是整个控制系统中的一个关键环节，利用车辆控制系统，能够很好地实现所有的需求。各个指标是对汽车状态进行控制和显示的重要因素，所以，本文从制动状态、转弯状态和各个指标的角度，对汽车底盘系统分层式协调控制的相关内容展开了分析。综合控制器在车辆底盘的层次化控制中占有举足轻重的地位，其控制中，无论采用直接扭矩控制或矢量控制，均需要较高的初始转子位置。具体地说，只要车子进入了自动校准范围，刻度台就会启动，而在此过程中，系统也会根据需要，自动对各种传感器进行校正，保证仪器的精度。它对汽车半主动悬架系统等系统的控制，主要是利用对轮胎在打滑的过程中所产生的横摆角速度与位移在响应时所产生的角速度增益与俯仰角的大小进行调节，并将调节后的值传输到底盘系统相应的各分层系统中，以达到对汽车的协同控制的目的。而在此背景下，多个部件运行间存在着强烈的耦合关系，这就使得多部件运行必须以分布式方式进行，配合其他动力控制系统，可确保转向轮反应迅速，并有优异的过弯表现，并可确保汽车在高速时的稳定。此系统可根据车辆的侧偏角，利用牵引控制及变速器转矩分布，实现车辆在转弯时的最大转矩分布，以保证车辆在转弯时的稳定性及抓地力，而非单纯依靠局域变量。

3.2 各系统分层式协调控制设计

3.2.1 系统设计

在此基础上，针对各个系统的功能和效果，分别进行了相应的设计。在制动系统中，汽车的滑移率是一个重要因素，考虑到滑移率与轮胎的侧偏角有一定的联系，侧偏角越大，滑移率也就越大，因此，应该建立滑移率与侧偏角的关系函数，这样才能达到最小的汽车制动距离。但是，因为有纵向力，所以会使侧向力降低，当侧向力降低时，轮胎的侧偏角就会降低，同时还会对车辆的横向稳定性和转向响应产生不良的影响。所以，在建立滑移速率与侧偏角的关系函数时，应该对路面状态和车辆的行驶状态进行充分的考虑，同时还要对车辆的制动速度进行充分的考虑，根据路况情况、状态变化和制动速度，合理地选择加速度、行驶速率等相关变量。在系统总体目标的配合下，有条件地对各子系统进行转换与调整，使其在结构与功能上不断地改进，从而使整体系统逐渐地实现最优的配合。

该控制系统具有很强的鲁棒性，即使在系统的参数发生变化时，也能维持良好的状态。然而，当系统的参数发生较大的变化时，其鲁棒性将会变得有限，进而导致系统的一些性能损失，乃至失稳。所以，在设计控制系统时，必须对其快速、准确地进行控制。

在悬挂系统中，阻尼器的阻尼量是影响悬挂系统性能的一个重要因素。在汽车底盘系统中，悬挂系统的最大功能就是让汽车的车身动力学随车辆运行时的载荷的变化而发生改变，也就是根据载荷的变化来对车身动力学进行调节，使轮胎和地面总是有一定的摩擦。通过调节减振器的阻尼量来调节车辆的动力学特性，使得车辆能够在路面上得到适当的制动，从而保证车辆能够在路面上平稳运行。目前，关于半主动悬挂系统的控制方法已在国际上得到了广泛的关注，并已被广泛应用于各种控制理论，如天花板阻尼控制， PID控制，最优控制，自适应控制，神经网络控制，滑模控制，模糊控制等。目前已有的各种控制理论与技术在半主动悬架中得到广泛应用，但各有其优势与不足，未来半主动悬架的发展趋势将是综合利用各种控制技术。

在转向系统方面，要充分考虑到它与刹车系统的约束作用，避免车辆发生侧翻，改善车辆的操纵性能，针对汽车悬挂系统存在的问题，提出了一种基于神经网络的汽车悬挂控制方法。从转向系统和刹车系统的关系式可以看出：

式中，为性能指标，值设定为0.65，J2值设定为0.35，为横摆角速度增益，即响应方差，为滑移速率方差。当J值大于0时，受制动影响地面对汽车的侧向附着力减小，汽车转向响应也减小；当值小于0时，受纵向垂直荷载影响，轮胎侧偏角减小，汽车产生转向趋势，但汽车转向力与地面侧向附着力都是正常的，在 J>0时，车辆在刹车作用下的横向附着减小，使车辆的转向响应随之减小。增加的制动力是由车辆刹车管路中的压力变化而产生的，在 J<0时，地面附着力的侧向力是正常的，而车辆的转向力也是正常的，但因为纵向垂直载荷对轮胎侧偏角的影响，车辆将有转向倾向。在此基础上，提出了一种新型的汽车转向控制方法。控制的关系是：车速越快，在单位时间内，轮胎的转速就越高，这时，地面的摩擦和温度上升的速度要大于单位轮胎的速度，同时，轮胎外的向心力也更大。经这样设计后，汽车底盘系统就可以实现分层式协调控制。

在此基础上，论文采用了三个主要的控制策略：防抱死刹车、半主动悬挂和 EPS。汽车在运行过程中，往往会出现转弯、制动等故障现象。本项目拟通过对汽车制动状态、转向状态、汽车各项性能等的分析，当进行滑动时，将由车轮产生的位移率的期望的误差设置为0.18，而当此响应时，将产生的偏转角速度的变化设置为当前汽车行驶的速度下的角速度的增益。针对上述问题，本课题将 LQ （Liquid-quadratic， LQ）控制理论与 LQ线性二次型控制理论相结合，以 LQ控制理论与 LQ线性二次型控制理论为基础，实现车辆悬架的最优控制。将 LQ （Liquid-Quadratic）控制方法引入到汽车悬架系统中，利用 LQ （Liquid-Quadratic）控制方法对汽车悬架系统进行优化，并将 LQ （Liquid-Quadratic）控制方法引入到汽车悬架系统中，实现车辆的优化控制[3]。

3.2.2 车辆底盘体系层次结构的最优设计

对于刹车系统来说，本文的研究重点是对刹车系统的最优滑移的选取。滑移率与轮胎的侧偏角有关，随着轮胎的侧偏角增大，滑移率也随之增大，因此，在控制时，要建立滑移率与侧偏角的关系，并建立相应的函数曲线，才能保证汽车在运行时，能够得到最短的制动距离。但是，由于有纵向力，会影响到侧向力，使其降低，同时，也会降低轮胎的侧偏角，从而在确保刹车性能的同时，降低了系统的转向响应，降低了系统的横向稳定性。滑移速率与侧倾角之间的关系为：当所有参数为α时，滑移速率都有一个峰值，峰值随α的降低而增加。通过这种方式，汽车的侧向滑动将会减少，操纵更好，抖动更小，平衡和稳定也会减少。在汽车的传动系中，变速器上的挡数愈多，则引擎愈趋符合最佳运转状态，也就愈能达到最佳的燃料利用率。在同等条件下，随着汽车质量的减轻，汽车的惯性减小，制动距离缩短，从而提高了汽车的安全性能[4]。

在两个条件下，“和”的取值应根据路面狀况和行车状况的变化来确定。它是根据汽车制动时的车速来计算的。因此，如何准确地确定转速、转角、转矩、转矩等参数，就成了整车控制系统的重要组成部分。

在转向系统中，考虑了刹车系统的作用，使得被控系统的输出能够满足要求，例如超调量，调整时间，峰值时间等。综合分析了转向系统与制动系统的影响，并协调了转向系统的控制指令，调整了转向的助力和制动力矩，从而实现了整体汽车的性能优化。对于速度，角度，重量等参数的精确设定，使其成为整个汽车控制系统中的一个关键环节。但是，在车辆转弯时，因车辆本身的惯性会使车辆的重心向前倾斜，从而导致车辆在转弯时的转向不足。通过这种方法，可以对车辆进行横向转向，从而达到对车辆横向转向的目的。

对于悬架系统而言，它的作用就是让汽车的车身动力能够随着汽车载荷的变化而变化，还可以通过改变行驶模式来调节车辆的高度，进而提升车辆的通过性，或者降低重心。确保轮胎和地面有足够的摩擦。通常，通过对悬挂系统中的减振器的阻尼力进行调节，使车辆在路面上可以得到比较稳定的制动，从而帮助车辆的底盘系统的正常运转。在汽车的传动系中，变速器上的挡数愈多，则引擎愈趋符合最佳运转状态，也就愈能达到最佳的燃料利用率[5]。

4 结语

总结来说，以汽车底盘系统各子系统之间的关系为基础，对底盘系统展开分层式协调控制，从而使汽车拥有一流的综合性能，在转弯时的响应变得更加精准，在高速行驶和恶劣天气下变得更加稳定。能够有效地改善汽车制动、转动之间的矛盾，提高汽车的行驶平顺性、控制协调性与转动稳定性，提升汽车的整体综合性能，增加汽车的行驶安全性，提高汽车的操控性，从而确保汽车在行驶过程中的舒适性和安全性。

参考文献：

[1]萧军. 汽车底盘系统的控制技术简介[J]. 机电安全， 2022（001）：000.

[2]王鹏. 关于汽车底盘电控系统集成控制策略[J]. 内燃机与配件， 2021.

[3]初长宝. 汽车底盘系统分层式协调控制研究[D]. 合肥工业大学.

[4]陈卿杰. 浅谈汽车底盘系统分层式协调控制[J]. 电子技术与软件工程， 2016（8）：1.

[5]王爱国， 秦炜华， 王云霞，等. 基于多体模型的汽车底盘多系统协调控制研究[J]. 佳木斯大学学报：自然科学版， 2019， 37（3）：4.