主動脈沖轉(zhuǎn)向的橫擺穩(wěn)定性分析與試驗研究

張寶珍+阿米爾+謝暉+黃晶

摘 要：提出了一種后輪脈沖主動轉(zhuǎn)向控制策略，運(yùn)用脈沖信號作為控制器輸出的后輪主動轉(zhuǎn)向控制方法，對此做了理論分析和試驗研究.首先，設(shè)計了產(chǎn)生脈沖信號的液壓系統(tǒng)，并分析了此系統(tǒng)的運(yùn)行對懸架參數(shù)和車輛穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)的影響；分析不同脈沖參數(shù)（頻率，振幅）對車輛橫擺運(yùn)動的影響并確定最優(yōu)的脈沖參數(shù).其次，綜合跟隨理想橫擺角速度和抑制汽車質(zhì)心側(cè)偏角的方法，提出了控制策略與算法；運(yùn)用基于CarSim 和Simulink的聯(lián)合仿真方法，分析此系統(tǒng)對汽車橫擺穩(wěn)定性能的影響；最后，安裝液壓脈沖發(fā)生器進(jìn)行整車試驗研究，驗證仿真結(jié)果的可信性，并評價后輪脈沖轉(zhuǎn)向的實用性.仿真和試驗結(jié)果表明：后輪脈沖主動轉(zhuǎn)向能夠有效的跟蹤橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角提高車輛的橫擺穩(wěn)定性，同時可以減少質(zhì)心側(cè)傾角和側(cè)向加速度，提高汽車的操縱穩(wěn)定性.

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定性；后輪主動脈沖轉(zhuǎn)向控制；車輛動力學(xué)；橫擺控制；整車試驗

中圖分類號：U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）10-0032-10

Abstract：The analysis and test of a rear wheel pulsed active steering control strategy was proposed. First， the effect of installation and operation of hydraulic pulse actuator on the suspension parameters and the improvement of the vehicle's steady and transient state response due to the control of active pulse were investigated. Second， a full vehicle model of a SUV equipped with the steering actuator was built in Carsim and co-simulated with Simulink as the control module.The structure of control strategy considering yaw rate error and side-slip angle error was designed to improve the stability and path. Finally， a whole test bed was designed and assembled for a SUV to carry out road experiments with different maneuvers to validate the results obtained from the simulations and to assess the applicability of the pulsed active steering system. Simulation and test results have indicated that considerable improvement in the yaw stability control can be achieved. Meanwhile， the rear wheel pulse active controller can reduce the lateral acceleration and the roll angle.

Key words： stability； rear wheel pulse active steering； vehicle dynamics； yaw stability control； full vehicle test

隨著汽車擁有量的逐漸增加和行駛速度的不斷提高，道路交通安全已經(jīng)成為當(dāng)今世界一個嚴(yán)重的社會問題.如何通過先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及有效地控制技術(shù)來提高車輛動力學(xué)特性，從而改善其轉(zhuǎn)向過程的動態(tài)響應(yīng)特性，路徑跟蹤性能以及對不同道路條件的適應(yīng)性，最終獲得良好的車輛操控性和行駛穩(wěn)定性便成為目前車輛動力學(xué)及控制領(lǐng)域研究的重要方向.目前主動控制技術(shù)主要有：主動/半主動懸架控制，直接橫擺力矩控制（DYC），主動轉(zhuǎn)向控制，聯(lián)合控制等.主動/半主動懸架通過調(diào)整懸架阻尼特性，可以一定程度的提高汽車的行駛穩(wěn)定性[1-2]，但是，主動懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，對舒適性有一定的影響，限制了其使用.DYC是利用分配不等的制動力給各個車輪，由此產(chǎn)生橫擺力矩來控制車輛穩(wěn)定性的方法[3]，B.C.Chen等利用ABS實現(xiàn)了差動制動系統(tǒng)防側(cè)翻控制[4]，然而，直接橫擺力矩控制有一定的局限性，在輪胎兩側(cè)路面的附著系數(shù)不一樣的情況下，效果受到了很大的限制[5].主動轉(zhuǎn)向技術(shù)是一種可以有效控制汽車橫擺運(yùn)動和側(cè)傾運(yùn)動的方法，包括主動前輪轉(zhuǎn)向控制和四輪轉(zhuǎn)向控制[6-7].但是由于轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度的變化，同時改變了駕駛員的駕駛意圖，從而改變了汽車的理想軌跡.為了滿足不同行駛路況的要求，可以聯(lián)合多種控制措施進(jìn)行綜合控制[8]，這樣就可以充分利用各種措施的優(yōu)點，彌補(bǔ)每種控制的不足.但以上幾種主動控制技術(shù)都有自己的缺陷與特定適應(yīng)條件，基于以上不足，提出了一種新的主動轉(zhuǎn)向技術(shù)來改善車輛的橫擺運(yùn)動：后輪脈沖主動轉(zhuǎn)向.Kuo[9]和Abdel-Rahman[10]把脈沖轉(zhuǎn)向技術(shù)運(yùn)用到前輪主動控制，分析了脈沖信號對汽車橫擺和側(cè)傾的影響，取得了不錯的效果，但也產(chǎn)生了對汽車制動和駕駛員的干擾.

本文以SUV車輛為研究對象，設(shè)計了液壓脈沖轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，建立了車輛橫擺和側(cè)傾模型，分析后輪主動脈沖轉(zhuǎn)向?qū)囕v橫擺穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的影響；設(shè)計了后輪主動脈沖轉(zhuǎn)向（RWAPS）控制策略與算法，分析脈沖幅值和頻率對車輛橫擺性能的影響，并確定其最優(yōu)值；運(yùn)用Simulink和CarSim進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗證RWAPS的有效性與可信性；設(shè)計制造了液壓脈沖發(fā)生裝置并安裝在SUV試驗車進(jìn)行了試驗研究，驗證RWAPS方法的有效性與適用性.

1 車輛與脈沖發(fā)生器模型的建立

1.1 車輛橫擺和側(cè)傾模型

車輛行駛狀態(tài)下的動力學(xué)模型是研究車輛橫擺控制的基礎(chǔ).根據(jù)車輛坐標(biāo)系，對SUV車輛建立三自由度車輛動力學(xué)模型[11]，此模型具有較好的精度，描述了汽車的橫向運(yùn)動和側(cè)傾運(yùn)動，以汽車的前輪和后輪轉(zhuǎn)角為輸入.汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)及受力運(yùn)動定義如圖1所示，其微分方程如下：

1.2 SUV多連桿后懸架ADAMS模型

為了分析液壓脈沖發(fā)生裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動對懸架參數(shù)的影響，建立了基于試驗的SUV樣車的多連桿后懸架ADA MS模型，所測得的懸架硬點參數(shù)如表1所示，由此建立的ADAMS后懸架模型如圖2所示.

1.3 液壓脈沖發(fā)生器設(shè)計與建模

液壓脈沖發(fā)生系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在多連桿懸架的連桿上用來產(chǎn)生后輪脈沖轉(zhuǎn)向，如圖2中點13.本小節(jié)介紹的液壓系統(tǒng)的設(shè)計和建模，可為后續(xù)的仿真和試驗做準(zhǔn)備.在此系統(tǒng)中，液壓油被輸送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)中推動后輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，其油量的大小和運(yùn)動方向由驅(qū)動電機(jī)控制的液壓閥的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向決定，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動由控制單元的控制算法決定，如圖3所示.此液壓機(jī)械脈沖轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以看成由液壓傳遞部分和液壓缸執(zhí)行部分組成.

從圖4和圖5可以看出，活塞位移的變化可以明顯改變車輛的穩(wěn)態(tài)橫擺速度增益和車輛側(cè)傾角增益，提高車輛的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向性能.本文運(yùn)用此方法來控制實際車輛來跟隨理想的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，同時減少車輛的側(cè)傾角提高車輛的操縱穩(wěn)定性.

2.2 車輛瞬態(tài)特性分析

對方程（9）進(jìn)行拉氏變換，可得到橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角對活塞位移的傳遞函數(shù)，如方程（11）所示：

頻率響應(yīng)分析衡量了系統(tǒng)輸出與輸入的一種動態(tài)特性關(guān)系，此文中用來衡量活塞運(yùn)動頻率對車輛橫擺參數(shù)的影響，如圖6中的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的頻率響應(yīng)，運(yùn)用此種方法來選擇最優(yōu)的活塞運(yùn)動頻率，進(jìn)而選擇最優(yōu)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，提高車輛的橫擺運(yùn)動的控制水平.

3 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計

3.1 后輪脈沖轉(zhuǎn)向控制的策略

后輪脈沖轉(zhuǎn)向控制策略（Rear Wheel Pulse Active Steering， RWPAS），運(yùn)用脈沖轉(zhuǎn)向信號來調(diào)整車輛的運(yùn)動狀態(tài)，通過后輪主動脈沖轉(zhuǎn)向來達(dá)到控制汽車穩(wěn)定性的目的，系統(tǒng)控制器根據(jù)系統(tǒng)的誤差來確定其是否激活控制信號，其轉(zhuǎn)向控制信號是脈沖式的，類似于ABS中的制動力控制，如圖7所示.

駕駛員控制汽車的轉(zhuǎn)向角度和車速，把這兩個參數(shù)輸入到被控車輛和理想?yún)⒖寄Ｐ椭?，計算出橫擺角速度，質(zhì)心側(cè)偏角，側(cè)傾角度等參數(shù)，然后輸入到誤差評估器，計算此時的誤差，通過誤差的大小由控制器來控制脈沖發(fā)生器的啟閉.

3.2 橫擺控制目標(biāo)選擇

車輛的質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度是車橫擺控制的兩個重要參數(shù).文獻(xiàn)[12]闡述橫擺控制主要有3種方式：質(zhì)心側(cè)偏角控制，橫擺角速度控制，綜合控制.此文選取質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度為控制目標(biāo)來跟蹤理想的參考值，來提高車輛的側(cè)向穩(wěn)定性和操縱性能，其理想的參考值如方程（12）所示：

3.3 控制器的控制算法

后輪脈沖轉(zhuǎn)向控制算法如圖8所示，通過計算實際車輛參數(shù)與理想?yún)?shù)誤差的大小，來決定脈沖發(fā)生器的啟閉.如果誤差在設(shè)計的閥值安全范圍之內(nèi)，那么算法就會輸出“0”即脈沖發(fā)生器不被激活；如果誤差超過了設(shè)定的閥值，那么算法就會根據(jù)誤差大小來激活一個預(yù)訂的幅值和頻率的脈沖，激活脈沖發(fā)生器使后輪產(chǎn)生一個脈沖主動轉(zhuǎn)向角，來控制車輛的運(yùn)動，如果誤差仍然超出閥值，那么就產(chǎn)生一系列的脈沖信號來控制后輪進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)向，直到誤差控制在理想的范圍之內(nèi).值得一提的是，一旦脈沖發(fā)生器啟動，那么至少要產(chǎn)生一個完整的脈沖信號周期或者一系列的脈沖轉(zhuǎn)向周期，這樣讓后輪停止主動轉(zhuǎn)向時回到正常的初始位置，即轉(zhuǎn)角為零的位置.

4 脈沖參數(shù)的分析與設(shè)計

脈沖信號的信息主要包括脈沖形式，幅值，頻率3個基本的參數(shù)，其不同的脈沖參數(shù)會對系統(tǒng)的控制有不同的影響，本節(jié)分析不同脈沖參數(shù)的影響，并確定其最優(yōu)值.

4.1 轉(zhuǎn)向脈沖形式的選擇

為了設(shè)計一定形式的后輪脈沖轉(zhuǎn)向信號，脈沖信號的表達(dá)形式必須在仿真和試驗運(yùn)用過程中都是合理的而且其幅值和頻率是容易調(diào)節(jié)的，在本文的研究中，其脈沖信號選用標(biāo)準(zhǔn)正弦脈沖信號，其幅值和頻率可以方便的通過控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)，其方程表達(dá)式如下：

4.2 轉(zhuǎn)向脈沖頻率分析與優(yōu)選

選用正弦脈沖信號并固定脈沖幅值，在階躍轉(zhuǎn)向工況條件下，車輛每次仿真中的脈沖頻率分別為1 Hz， 2 Hz， 3 Hz， 4 Hz和5 Hz，通過此仿真分析不同脈沖頻率對車輛橫擺性能的影響，仿真結(jié)果如圖9所示.

從仿真結(jié)果圖9可以看出，不同的頻率對橫擺參數(shù)有不同的影響，隨著頻率的不斷增大，其對控制指標(biāo)的影響隨之增大，但頻率到達(dá)一定值時，其影響會隨之減少.最優(yōu)頻率可以根據(jù)2.2節(jié)中的頻率響應(yīng)分析確定，最優(yōu)的脈沖頻率為幅值增益最大時，所對應(yīng)的角頻率的值，選定為3 Hz.

4.3 轉(zhuǎn)向脈沖幅值分析與優(yōu)選

固定正弦脈沖信號的頻率為4 Hz，車輛在階躍轉(zhuǎn)向工況仿真中，其幅值分別為1.0 deg， 2.0 deg， 2.5 deg和3.0 deg， 通過此仿真分析不同脈沖頻率對車輛橫擺性能的影響，仿真結(jié)果如圖10所示.

從仿真結(jié)果圖10可以看出，隨之幅值的增大，其橫擺速度和質(zhì)心側(cè)偏角的減少量會隨之增加，及幅值越大對橫擺參數(shù)的影響也就越大，但本文中用驅(qū)動電機(jī)來產(chǎn)生脈沖轉(zhuǎn)向，當(dāng)轉(zhuǎn)向脈沖幅值增大時，需要更大的驅(qū)動力來驅(qū)動轉(zhuǎn)向，就需要更大功率的電機(jī)，所需的轉(zhuǎn)向機(jī)械功率如下：

式中：Mz為轉(zhuǎn)向后輪繞Z方向的力矩，δrt為設(shè)計的轉(zhuǎn)向后輪的脈沖信號.考慮實際試驗中電機(jī)安裝空間和尺寸的限制以及輪胎側(cè)向力的非線性特性，本文選定最優(yōu)的脈沖幅值為2.0度.