研究模糊控制下車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性仿真分析

王偉麗

摘 要：近年來，國內(nèi)的技術(shù)得到飛速發(fā)展，越來越多的人使用車輛，車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性受到社會各界的高度關(guān)注。一般來說，高速行駛或者在低附著系數(shù)道路上行駛的汽車，會受駕駛員的轉(zhuǎn)向作用或外界因素影響，導(dǎo)致側(cè)向附著力不斷上升，影響到車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性，引起交通事故。因此，采取科學(xué)、有效的措施，增強(qiáng)車輛運(yùn)行的側(cè)傾穩(wěn)定性是確保車輛行駛安全的關(guān)鍵。本文在ADAMS/Car 模塊下構(gòu)建整車系統(tǒng)動力學(xué)模型，通過MATLAB構(gòu)建出現(xiàn)模糊控器模型，并將控制器和整車模型進(jìn)行了有效的結(jié)合，對車輛的橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行了控制仿真分析。

關(guān)鍵詞：模糊控制;車輛;側(cè)傾穩(wěn)定性;動力學(xué)模型;仿真

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【文章編號】1008-1216（2016）11C-0070-02

隨著各類車輛的速度提升與駕駛員非職業(yè)化現(xiàn)象的普遍，人們對于車輛的穩(wěn)定性與安全性也有了更高的要求。車輛的轉(zhuǎn)彎制動是一種常見但是十分復(fù)雜的程序，車輛的轉(zhuǎn)彎制動過程中，車輛的動載荷會出現(xiàn)轉(zhuǎn)移或者大側(cè)向滑動的現(xiàn)象，對車輛運(yùn)行的安全性造成影響。當(dāng)前，國內(nèi)外大部分企業(yè)對車輛的防抱死系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要針對的是車輛直線行駛時的控制計(jì)算設(shè)計(jì)，少部分學(xué)者則對車輛轉(zhuǎn)彎制動過程中防抱死系統(tǒng)的控制進(jìn)行了一系列仿真分析與研究，但基本都是針對車輛制動性能的仿真研究，卻忽略了在加強(qiáng)車輛制動性能的基礎(chǔ)上，對不同行駛速度中只有ABS控制情況下對車輛側(cè)傾穩(wěn)定性進(jìn)行仿真研究。

一、車輛系統(tǒng)的動力學(xué)模型

（一）整車模型的構(gòu)建

現(xiàn)以某越野車為試驗(yàn)對象，該車屬于后置、后驅(qū)動式，前懸架選用螺旋彈簧的非獨(dú)立懸架，后懸架選用縱置類鋼板彈簧非獨(dú)立式架構(gòu)，（整車模型如圖所示）。該模型的組成主要包括以下幾個方面：（1）前懸架：由上、下橫臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、主銷軸、減震器以及螺旋彈簧構(gòu)成。（2）后懸架：組成部分包括：縱置性單片鋼板彈簧、整體橋以及減震器。（3）車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)： 采用拉桿式轉(zhuǎn)向器。（4）車輛的橫向穩(wěn)定桿： 采用2根直軸斷開，中間使用轉(zhuǎn)動相連接，并在轉(zhuǎn)動的鉸鏈上，加入適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)力，將建模簡化。（5）車輛輪胎： 所有輪胎采用Fiala模型輪胎，把輪輞轉(zhuǎn)化成剛性圓板，胎體由圓板上的彈簧呈現(xiàn)，胎冠以圓環(huán)梁表示，支承功能由彈簧承擔(dān)。（6）總成動力：發(fā)動機(jī)使用后置型，將發(fā)動機(jī)、變速器及離合器結(jié)合為一體，采用函數(shù)模擬法達(dá)到各構(gòu)功能。

整車模型

（二）模型驗(yàn)證

試驗(yàn)共分為雙移線和蛇形試驗(yàn)兩種，兩次試驗(yàn)必須在專業(yè)的試驗(yàn)場內(nèi)進(jìn)行，具體的試驗(yàn)方法如下：（1）蛇形試驗(yàn)須嚴(yán)格依據(jù)國家頒布的《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法蛇形試驗(yàn)》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，車輛運(yùn)行的初始速度為50 km/h，共設(shè)置10個樁，L=30m。（2）雙移線試驗(yàn)時，車輛行駛的初始速度設(shè)備為60 km/h，由相關(guān)的工作人員，將試驗(yàn)過程中的各類數(shù)據(jù)與試驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的記錄。通過測試和相應(yīng)的條件后比較仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，車輛軋輥穩(wěn)定偏航角速度的兩個變量，橫向加速度測試結(jié)果和仿真值的一致性很高，它驗(yàn)證了整車虛擬模型的正確性。

二、模糊控制器的設(shè)計(jì)

（一）控制器的設(shè)計(jì)以車輛橫擺角的速度作為控制變量

橫擺角的速度控制，使二維模糊控制器，輸入變量是實(shí)際車輛的橫擺角速度r和理想的橫擺角速度rd兩者的偏差e（r）以及偏差改變的速度ec（r），輸出的變量表示橫擺力矩MZ（R）。變量誤差以e（r）表示、誤差變化速度以ec（r）表示，控制量以u表示，模糊集如下：

e（r）模糊集為： {NB，NM，NS，PO，PS，PM，PB}

式中：NB代表負(fù)大、NM代表負(fù)中、NS代表負(fù)小、PO代表正0、PS代表正小、PM代表正中、PB則代表正大。

控制力矩的選取原理為：變化量誤差較大時，控制力矩作用為誤差消除，在誤差較小的情況，控制力矩的功能是防止超調(diào)，兩者的出發(fā)點(diǎn)都是整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制變量在控制器中的輸入、輸出關(guān)系則由橫擺角的速度進(jìn)行控制。

（二）控制器的設(shè)計(jì)以質(zhì)心側(cè)偏角為控制變量

對質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行控制時，還是采用基于二維模糊控制器，輸入的變量是實(shí)際質(zhì)心側(cè)的偏角β與目標(biāo)橫擺角的速度βb兩者的偏差ec（β）及偏差改變的速度ec（β），輸出的變量u為橫擺力矩MZ（β），幾個數(shù)值的定義范圍與橫擺角速度控制方式大致相同，差別在于模糊控制的規(guī)則設(shè)置。

（三）控制器的設(shè)計(jì)以橫擺角的速度與質(zhì)心側(cè)偏角作為控制變量

對橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角同時控制時，輸入的變量是橫擺角運(yùn)行的速度誤差e（r）和質(zhì)心側(cè)偏角的誤差e（β），輸出的變量是橫擺力矩MZ，兩組數(shù)值聯(lián)合之后反饋控制的輸出變量，需再通過加權(quán)后，得出總橫擺力矩，計(jì)算公式如下：

MZ=WYMZ（r）+WβMZ（β）

在該公式中，控制器的總輸出量橫擺力矩以Mz，橫擺角速度控制器的輸出與加權(quán)因子分別以MZ（r）和Wr表示，質(zhì)心側(cè)偏角控制器輸出量與加權(quán)因子分別以MZ（β）與Wβ表示。

三、模糊控制下車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的仿真結(jié)果分析

（一）聯(lián)合仿真模型的構(gòu)建

（1）進(jìn)行仿真前，由專家模塊定義輸入、輸出變量，并對ADAMS與控制程進(jìn)行閉環(huán)操作，在ADAMS中輸入四輪制動的變量力矩，輸出的變量為車輛側(cè)傾加速度、車輛的縱向車速、車輛的質(zhì)心側(cè)偏角、車輛的橫向車速、車輛的橫擺角度以及車輛的行駛速度。（2）新建操縱穩(wěn)定性仿真文件，嚴(yán)格按照車輛試驗(yàn)時的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)輸入，保障仿真的有效性。（3）建立車輛操縱的側(cè)傾穩(wěn)定性自由度模型，且采用單輪制動系統(tǒng)獲得的附加橫擺力矩，對車輛在極限狀態(tài)中橫擺角的速度與質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行控制。（4）進(jìn)行仿真前，將py、decod.m、adams_server.e以及adams_plant.Dll，3個文件都放進(jìn)ADAMS目錄，以防仿真時MATLAB與ADAMS不能連接。在Controls中的Plant Export下，將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入對話框中，生成新文件（.m）。在ADAMS/Car目錄下Simulate文件子目錄下的 File Drive Events 文件內(nèi)輸入對應(yīng)的路面和控制文件名，構(gòu)建出ADAMSSolver 數(shù)據(jù)文件，格式為（.adm）、控制文件Solver ，格式為.acf及關(guān)于駕駛員的控制文件，格式為（.dcf）。對（.m）文件進(jìn)行修改，確保其與控制文件對應(yīng)。（5）將MATLAB文件打開，調(diào)整工作路徑，讓其和ADAMS工作路徑相同，再將相關(guān)的命令輸入，打開先前建立好的 （.m）文件，再輸入文件名adams_sys，調(diào)出adams_sub文件，然后把文件與MATLAB橫擺角速度的控制系統(tǒng)模型連接起來。（6）將原先導(dǎo)入的整車模型MATLAB與質(zhì)心側(cè)偏角控制器連接起來，在質(zhì)心側(cè)偏角的反饋控制下建立出聯(lián)合仿真圖像，將兩者進(jìn)行有效聯(lián)合，建立出橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角相結(jié)合的反饋控制仿真系統(tǒng)。

（二）分析仿真和仿真結(jié)果

1.采用單正弦方式輸入仿真與分析。

單正弦中的轉(zhuǎn)向行駛主要是指汽車不同路徑下的行駛情況，單正弦輸入是仿真的條件中車輛前輪轉(zhuǎn)向角，車輛的最初速度應(yīng)為110 km/h，路面附著系數(shù)應(yīng)為1，也就是讓車輛在高速行駛情況下，對其極限工況進(jìn)行仿真，頻率大約0.5 Hz，幅值則為100°，大約為1.75 rad。

2.仿真與分析的角階躍輸入。

讓駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤階躍輸入，正常來說，使用轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入時，輸入后車輛的瞬態(tài)響應(yīng)就是車輛操作的穩(wěn)定性。主要的仿真條件如下：以角階跳躍的輸入方式輸入車輛的前輪轉(zhuǎn)向情況，車輛最初的行駛速度應(yīng)為50 km/h，地面附著系數(shù)是0.2，也就是車輛在附著濕滑道路上以圓周狀態(tài)行駛的極限工況，最大輸解為100°。以上兩個實(shí)驗(yàn)中的橫擺角速度響應(yīng)情況和質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)情況對比表明，在無控制的狀態(tài)下，車輛的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角都優(yōu)于理想狀態(tài)。

四、結(jié)束語

綜上所述，本文以構(gòu)建整車模型的方式，先進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的正確性，再根據(jù)模糊控制中與車輛穩(wěn)定性有關(guān)的理論，設(shè)計(jì)了車輛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及兩者聯(lián)合的反饋模糊控制器，分別對轉(zhuǎn)向盤單正弦輸入與轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入兩個方面的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析，并對三種控制方法進(jìn)行了對比。結(jié)果顯示，三種控制方法都能對車輛的橫擺角速度進(jìn)行有效的控制，大幅度提高了車輛高速行駛狀態(tài)下的側(cè)傾穩(wěn)定性，也證明同時選用兩個變量構(gòu)建的反饋控制方式，控制效果高于采用單一變量構(gòu)建的反饋控制方式的控制效果。

參考文獻(xiàn)：

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