車輛SAS 與EPS 集成控制研究現(xiàn)狀

謝黎明，張麗萍

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

1 集成控制介紹

1.1 半主動(dòng)懸架

半主動(dòng)懸架是由D.A.Crosby 和D.C.Karnopp 在1973 年所提出來(lái)的新概念，并且一經(jīng)提出就被廣泛的接受并用于汽車上。半主動(dòng)懸架成本與被動(dòng)懸架相似，但其對(duì)平順性的提升卻接近于主動(dòng)懸架。SAS 結(jié)構(gòu)和主動(dòng)懸架相似，但一般半主動(dòng)懸架只能對(duì)剛度或者阻尼其中之一進(jìn)行控制。因?yàn)閼壹艿膹椥圆考枰诬嚿恚阅壳爸髁鞯陌胫鲃?dòng)懸架都是可控阻尼式懸架[1]，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

自1988 年鈴木的Cervo 轎車配備直接助力電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以來(lái)，其他微型轎車也開(kāi)始裝備該系統(tǒng)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是指利用直流電動(dòng)機(jī)來(lái)提供助力轉(zhuǎn)矩，并且可以根據(jù)不同的行駛工況來(lái)調(diào)節(jié)控制電動(dòng)機(jī)提供不同的轉(zhuǎn)向助力，用以輔助駕駛?cè)藛T來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作的系統(tǒng)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由機(jī)械式轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)矩傳感器、ECU 和車速傳感器、電動(dòng)機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)等組成[2]。EPS 對(duì)汽車的操作穩(wěn)定性有著直接的影響。

1.3 集成控制

懸架和轉(zhuǎn)向的集成控制研究是底盤系統(tǒng)集成控制的重要組成部分，有利于推動(dòng)我國(guó)汽車電控底盤集成技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)自主創(chuàng)新汽車電子集成技術(shù)將具有重大的選題意義和較高的應(yīng)用前景。目前對(duì)懸架與轉(zhuǎn)向的單獨(dú)控制以及比較成熟，但是多個(gè)系統(tǒng)并存存在著相互結(jié)合的問(wèn)題。只有各個(gè)系統(tǒng)之間可以以最優(yōu)的協(xié)調(diào)性來(lái)進(jìn)行工作，才能使整車的整體性能提升至最優(yōu)。如果將子系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)的控制，或者對(duì)其控制進(jìn)行簡(jiǎn)單的相互疊加，并不能使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到期望的目標(biāo)。所以對(duì)SAS 和EPS 進(jìn)行集成控制，調(diào)整其相互之間的匹配關(guān)系，可以使整車性能得到大幅的提高。

圖1 半主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

2 常用控制策略

2.1 PID 控制

到目前為止PID 控制以及發(fā)展的十分成熟。其最主要的優(yōu)點(diǎn)就是可以不掌握被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而通過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)其控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其控制結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單易學(xué)，并且響應(yīng)速度很快，所以其用途十分廣泛。

PID 控制的基本原理是[3]：對(duì)受控對(duì)象的實(shí)時(shí)觀測(cè)值與目標(biāo)觀測(cè)值之間形成的誤差值進(jìn)行一定的邏輯運(yùn)算，并將該運(yùn)算結(jié)果作為控制系統(tǒng)的控制判斷輸入指令，其原理框圖如圖3 所示。

圖3 PID 控制原理

2.2 模糊控制

模糊控制的算法結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，并且響應(yīng)速度很快，所以很適合用于汽車這類的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)上。

圖4 模糊控制原理

其基本原理是：先把輸入的精確變量模糊化，然后使用模糊規(guī)則對(duì)變量進(jìn)行解模糊化，之后輸出精確量，用以對(duì)控制目標(biāo)進(jìn)行控制[4]，其原理框圖如圖4 所示。

2.3 模糊自適應(yīng)PID 控制

模糊自適應(yīng)PID控制通過(guò)找出每個(gè)PID參數(shù)與e和Δe 之間的關(guān)系，在仿真過(guò)程中對(duì)e 和Δe 進(jìn)行數(shù)值采集，并且通過(guò)模糊規(guī)則調(diào)整PID 參數(shù)，以滿足系統(tǒng)對(duì)控制參數(shù)的要求，使受控對(duì)象能夠保持良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 模糊自適應(yīng)PID 控制原理

2.4 魯棒控制

魯棒控制在上個(gè)世紀(jì)中期就已經(jīng)被成功的應(yīng)用。由于在實(shí)際的操作中很難對(duì)模型進(jìn)行精確的描述，為了消除其不確定性，使具有不確定性的模型滿足控制要求，得到的固定控制器稱為魯棒控制器。

2.5 最優(yōu)控制/LQG 控制

最優(yōu)控制是將被控系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的基本方法，其基本原理是：從眾多控制方案中找到一個(gè)最優(yōu)的方案來(lái)對(duì)所要控制的系統(tǒng)或過(guò)程進(jìn)行控制，使系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)達(dá)到理想的目標(biāo)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能最優(yōu)化。

3 研究現(xiàn)狀

上個(gè)世紀(jì)八十年代國(guó)外開(kāi)始對(duì)底盤集成技術(shù)進(jìn)行研究。日本的Y.Emoto 和T.Yoshimura 使用模糊控制來(lái)控制懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并且成功地改善了車輛的整體性能[5]。

目前，我國(guó)的SAS 與EPS 集成控制技術(shù)還處于起步階段，研究的內(nèi)容還不夠成熟。我國(guó)高校的科研學(xué)者對(duì)集成控制做了針對(duì)性的研究，并且取得了一些成果。文獻(xiàn)[6]采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略，通過(guò)仿真研究證明該控制可以提升汽車在行駛過(guò)程中的整體性能。

文獻(xiàn)[7]采用多智體系統(tǒng)MAS 對(duì)轉(zhuǎn)向與懸架系統(tǒng)進(jìn)行了集成控制研究，其研究結(jié)果表明集成控制的應(yīng)用對(duì)車輛性能的提升有顯著作用。

在文獻(xiàn)[8]中建立的了SAS 和EPS 集成控制模型，并使用模糊PID 對(duì)其進(jìn)行控制研究。且對(duì)比單獨(dú)控制，所設(shè)計(jì)的集成控制器效果更優(yōu)，提高了汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性與平順性。

在文獻(xiàn)[9]中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)SAS 與EPS 的集成控制。設(shè)計(jì)了一種基于灰色預(yù)測(cè)理論的預(yù)測(cè)模型，根據(jù)模型的預(yù)測(cè)值可以對(duì)變量進(jìn)行提前的預(yù)測(cè)，用以完成對(duì)變量的修正工作。并且通過(guò)仿真與試驗(yàn)證實(shí)了預(yù)測(cè)控制的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明該控制方法可以滿足SAS 與EPS 集成控制。

4 結(jié)語(yǔ)

集成控制技術(shù)對(duì)汽車行業(yè)的發(fā)展有著重要的作用，我國(guó)對(duì)SAS 與EPS 的集成控制研究還處于初級(jí)階段。作為車輛底盤集成控制的重要組成部分，SAS 和EPS 集成控制的研究有助于推動(dòng)底盤集成技術(shù)的全面發(fā)展。對(duì)于改善車輛行駛過(guò)程中的轉(zhuǎn)向輕便性，操縱穩(wěn)定性和平順性有著極為重要的意義。