基于模糊控制的車輛側(cè)傾穩(wěn)定性聯(lián)合仿真

陳 陽(yáng)，朱茂桃，秦少雋

(1.上海大眾產(chǎn)品工程部，上海201805;2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，車輛的安全性和操縱穩(wěn)定性越來(lái)越受到重視。汽車在高速行駛或在低附著系數(shù)路面上行駛時(shí)，由于受到外界干擾或駕駛員轉(zhuǎn)向作用，側(cè)向附著力常常達(dá)到附著極限，使車輛側(cè)傾穩(wěn)定性變差，容易造成交通事故。因此，提高車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性對(duì)行駛安全意義重大［1］。

筆者選用某型號(hào)的越野車為研究對(duì)象，在ADAMS/Car模塊中建立整車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，利用MATLAB建立模糊控制控制器模型，將控制器與整車模型相結(jié)合對(duì)橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行聯(lián)合控制仿真［2］。

1 整車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1.1 整車模型的建立

研究的越野車為后置后驅(qū)式，前懸架為螺旋彈簧非獨(dú)立懸架，后懸架采用的是縱置鋼板彈簧非獨(dú)立懸架。在ADAMS/Car中建立的整車模型如圖1。

1)前懸架:主要由上下橫臂、主銷軸、轉(zhuǎn)向橫拉桿、螺旋彈簧和減震器等組成。

圖1 整車虛擬樣機(jī)模型Fig.1 Virtual prototype model of vehicle

2)后懸架:主要是由縱置單片鋼板彈簧，整體橋，減振器組成。建模時(shí)，鋼板彈簧簡(jiǎn)化為非線性多義梁(Nonlinear Beam)。

3)轉(zhuǎn)向系統(tǒng):采用拉桿式轉(zhuǎn)向器。

4)橫向穩(wěn)定桿:采用2根斷開(kāi)軸中間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，并在轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈上施加扭轉(zhuǎn)力進(jìn)行簡(jiǎn)化建模。

5)輪胎:前后輪胎均采用Fiala輪胎模型。將輪輞簡(jiǎn)化成剛性圓板，胎體由支撐于圓板上的彈簧表示，胎冠則簡(jiǎn)化圓環(huán)梁并由彈簧支承［3］。

6)動(dòng)力總成:采用后置發(fā)動(dòng)機(jī)，將發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、離合器集合成一體，用函數(shù)模擬實(shí)現(xiàn)各部分的功能。

7)制動(dòng)系統(tǒng):采用4通道盤(pán)式制動(dòng)控制。

1.2 模型的驗(yàn)證

對(duì)比實(shí)車試驗(yàn)和模型仿真來(lái)驗(yàn)證虛擬樣機(jī)模型的正確性。試驗(yàn)為雙移線試驗(yàn)和蛇形試驗(yàn)，均在定遠(yuǎn)專用試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。

1.2.1 蛇形試驗(yàn)

蛇形試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6323.1—94《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法蛇形試驗(yàn)》［4］的要求進(jìn)行。初始車速50 km/h，總共10個(gè)樁，L=30 m。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果如圖2、圖3。

1.2.2 雙移線試驗(yàn)

初始車速60 km/h，試驗(yàn)過(guò)程中采集到的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)如圖4、圖5。

從上述試驗(yàn)及相應(yīng)工況下仿真試驗(yàn)的比較，發(fā)現(xiàn)表征車輛側(cè)向穩(wěn)定性的2個(gè)變量橫擺角速度和側(cè)向加速度的試驗(yàn)值與仿真值均能較好的保持一致，驗(yàn)證了虛擬樣機(jī)模型的正確性，為車輛側(cè)傾穩(wěn)定性控制的研究提供了可靠的理論模型。

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1 以橫擺角速度為控制變量設(shè)計(jì)控制器

對(duì)橫擺角速度進(jìn)行控制時(shí)，采用二維模糊控制器，輸入變量為實(shí)際橫擺角速度r與理想橫擺角速度rd的偏差e(r)，以及偏差變化的快慢ec(r)，輸出變量u為橫擺力矩MZ(r)。

變量誤差e(r)、誤差變化ec(r)及控制量u的模糊集如下:

e(r)的模糊集均為:{NB，NM，NS，PO，PS，PM，PB}

式中:NB為負(fù)大;NM為負(fù)中;NS為負(fù)小;PO為正0;PS為正小;PM為正中;PB為正大。

所取的控制力矩的原則，是當(dāng)誤差大或較大時(shí)，所選的控制橫擺力矩以盡快消除誤差為主;而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制橫擺力矩要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。根據(jù)這種原則列出控制規(guī)則見(jiàn)表1。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rules

以橫擺角速度為控制變量的控制器的輸入輸出關(guān)系，如圖6。

圖6 模糊控制器的輸入、輸出關(guān)系Fig.6 Relations of fuzzy controller’s input and output

2.2 以質(zhì)心側(cè)偏角為控制變量設(shè)計(jì)控制器

對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行控制時(shí)，仍用二維模糊控制器，輸入變量就變成實(shí)際質(zhì)心側(cè)偏角β與理想橫擺角速度βb的偏差 ec(β)，以及偏差變化的快慢 ec(β)，輸出變量u為橫擺力矩MZ(β)。它們的定義范圍和橫擺角速度的控制是一樣的，不同的是模糊控制規(guī)則的設(shè)定?；谫|(zhì)心側(cè)偏角反饋控制的模糊規(guī)則表，如表2。模糊控制器的輸入輸出關(guān)系見(jiàn)圖7。

表2 模糊控制規(guī)則Tab.2 Fuzzy control rules

(續(xù)表2)

2.3 以橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角為控制變量設(shè)計(jì)控制器

橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角聯(lián)合控制時(shí)，輸入變量為橫擺角速度的偏差e(r)和質(zhì)心側(cè)偏角的偏差e(β)，輸出變量為橫擺力矩MZ。

聯(lián)合反饋控制的輸出變量是經(jīng)過(guò)加權(quán)并相加后得到的總的橫擺力矩［5－6］。即:

式中:MZ為控制器輸出的總的橫擺力矩;MZ(r)，wr分別為橫擺角速度控制器輸出及加權(quán)因子;MZ(β)，wβ分別為質(zhì)心側(cè)偏角控制器輸出及加權(quán)因子。

3 聯(lián)合仿真計(jì)算和結(jié)果分析

3.1 建立聯(lián)合仿真模型

進(jìn)行仿真前需要專家模塊定義輸入輸出變量，實(shí)現(xiàn)ADAMS和控制程序之間的閉環(huán)控制。ADAMS的輸入變量是四輪制動(dòng)力矩變量，輸出變量是車身側(cè)向加速度、車身質(zhì)心側(cè)偏角、車身縱向車速、車身橫向車速、車身橫擺角度、汽車行駛車速。然后建立操縱穩(wěn)定性仿真的控制文件，根據(jù)車輛試驗(yàn)時(shí)測(cè)力轉(zhuǎn)向盤(pán)記錄的數(shù)據(jù)輸入，以保證仿真的真實(shí)性。

在MATLAB/Simulink里面建立整車操縱穩(wěn)定性的二自由度模型，并采用單輪制動(dòng)產(chǎn)生附加橫擺力矩來(lái)控制汽車在極限情況下的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角。

聯(lián)合仿真之前應(yīng)該將 adams_server.py、decode.m和adams_plant.dll三個(gè)文件放在ADAMS工作目錄下，否則仿真的時(shí)候MATLAB與ADAMS無(wú)法建立連接。在Controls下的Plant Export中將輸入輸出變量填入到對(duì)話框內(nèi)，點(diǎn)擊后自動(dòng)生成(.m)文件。在ADAMS/Car中Simulate下的File Drive Events輸入路面文件和控制文件，單擊后自動(dòng)生成ADAMS Solver數(shù)據(jù)文件(.adm)、駕駛員控制文件(.dcf)和Solver控制文件(.acf)等。修改(.m)文件，使控制的文件與之對(duì)應(yīng)。打開(kāi)MATLAB，修改工作路徑使之與ADAMS的相同，輸入相應(yīng)的命令打開(kāi)生成的(.m)文件，再輸入 adams_sys，調(diào)出 adams_sub，然后與MATLAB建立的橫擺角速度控制系統(tǒng)模型連接起來(lái)［7－8］。同理，將導(dǎo)入 MATLAB的整車模型與建立的質(zhì)心側(cè)偏角控制器相連接，建立基于質(zhì)心側(cè)偏角反饋控制的聯(lián)合仿真圖。

將兩者結(jié)合起來(lái)，建立橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角聯(lián)合反饋控制的聯(lián)合仿真圖(圖8)。

圖8 聯(lián)合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of co －simulation model

3.2 仿真分析和仿真結(jié)果

3.2.1 單正弦輸入仿真與分析

單正弦轉(zhuǎn)向行駛，即汽車變路徑行駛。仿真條件為前輪轉(zhuǎn)向角為單正弦輸入，汽車的初始車速為110 km/h，地面附著系數(shù)為1，即汽車高速時(shí)轉(zhuǎn)向的極限工況下的仿真。頻率為0.5 Hz，幅值為100°，約1.75 rad。仿真結(jié)果如圖9、圖10。

圖9 不同反饋控制的橫擺角速度響應(yīng)對(duì)比Fig.9 Yaw velocity response of different feedback control

圖10 不同反饋控制的質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)對(duì)比Fig.10 Sideslip angle response of centroid of different feedback control

3.2.2 角階躍輸入仿真與分析

駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)進(jìn)行階躍輸入，常用轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)表征汽車的操縱穩(wěn)定性。仿真條件:前輪轉(zhuǎn)向角階躍輸入，汽車的初始車速為50 km/h，地面附著系數(shù)為0.2，即汽車在地附著濕滑路面上進(jìn)行圓周行駛的極限工況，最大的輸入角為100°。仿真結(jié)果如圖11、圖12。

從2個(gè)實(shí)驗(yàn)中橫擺角速度響應(yīng)和質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)對(duì)比圖中可以明顯看出，無(wú)控制情況下，汽車的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理想情況。

4 結(jié)論

本文基于ADAMS/Car建立整車虛擬樣機(jī)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性?；谀：刂评碚撛O(shè)計(jì)了橫擺角速度反饋模糊控制器、質(zhì)心側(cè)偏角反饋模糊控制器以及這兩個(gè)變量聯(lián)合反饋的模糊控制器。在模糊理論的基礎(chǔ)上建立聯(lián)合仿真模型，進(jìn)行了轉(zhuǎn)向盤(pán)單正弦輸入和在轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍輸入的操縱穩(wěn)定性仿真，比較分析了橫擺角速度反饋控制器、質(zhì)心側(cè)偏角反饋控制器，以及聯(lián)合反饋控制器的控制效果。結(jié)果表明:3種控制方法都可以較好的控制汽車的橫擺角速度，提高了汽車行駛時(shí)的穩(wěn)定性。采用2個(gè)變量聯(lián)合反饋控制的控制效果優(yōu)于單個(gè)變量的反饋控制，并且橫擺角速度反饋控制器優(yōu)于質(zhì)心側(cè)偏角反饋控制器。

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