關(guān)于汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制策略

王鵬

摘要：為解決汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制問題，本文在介紹汽車底盤各子系統(tǒng)運行可能產(chǎn)生的沖突基礎(chǔ)上，提出集成控制策略與俯仰角與動位移的控制方法，以期為相關(guān)人員提供參考，使各子系統(tǒng)都能正常動作，充分發(fā)揮各自作用功能。

關(guān)鍵詞：汽車底盤;電控系統(tǒng);集成控制

中圖分類號：U463.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0223-02

0? 引言

汽車底盤集成了很多電控系統(tǒng)，包括ABS系統(tǒng)、ESP系統(tǒng)與ASS系統(tǒng)，如何對這些子系統(tǒng)進行集成控制，避免不同子系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生相互干擾和影響，需研究并提出一套合理可行的集成控制策略。

1? 子系統(tǒng)沖突

1.1 動作耦合與影響

汽車正常行駛狀態(tài)下，ABS系統(tǒng)與ESP系統(tǒng)均不動作，只有ASS系統(tǒng)動作，對車輛平順性進行調(diào)節(jié)。由于只有一個系統(tǒng)動作，所以各子系統(tǒng)之間無耦合與影響。而汽車在直線制動狀態(tài)下，ABS系統(tǒng)與ASS系統(tǒng)動作;汽車在轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下，ESP系統(tǒng)與ASS系統(tǒng)動作;汽車在轉(zhuǎn)彎減速或制動狀態(tài)下，ESP系統(tǒng)、ASS系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)均動作。主要有兩個及以上子系統(tǒng)同時動作，則就會存在相互耦合與影響。由于曲線制動包含了直線制動與轉(zhuǎn)彎兩種工況，所以以下分析這種工況條件下的系統(tǒng)耦合及影響[1]。

汽車行駛時，ASS系統(tǒng)始終處在工作狀態(tài)，通過懸架調(diào)節(jié)使車輛保持平順;若駕駛員為轉(zhuǎn)向盤作出一定轉(zhuǎn)角，則ESP系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向力，使車輛開始曲線行駛，使車輛橫擺，系統(tǒng)檢測到衡擺值后，對橫擺動作予以控制。ASS系統(tǒng)的主要作用在于改變側(cè)傾剛度，進而影響到質(zhì)心側(cè)偏角及橫擺角速度。此時如果前方存在障礙需要立即制動，則ABS系統(tǒng)開始動作，控制車輛的制動。在ABS系統(tǒng)啟動后，會使車輛產(chǎn)生一定俯仰，對前后懸架系統(tǒng)的懸架力分配造成影響，進而影響到懸架系統(tǒng)振動狀態(tài)，使懸架系統(tǒng)的振動加速度及撓度都發(fā)生變化。而ASS系統(tǒng)動作后，由于對懸架系統(tǒng)的振動加速度與動撓度進行調(diào)節(jié)會使車輪產(chǎn)生上下跳動，所以會使車輛接地性能發(fā)生變化，進而引起車輛動載荷改變。對于車輛動載荷，它是對制動力起決定作用的因素[2]。ABS系統(tǒng)主要功能為對滑移率進行調(diào)節(jié)，最大限度利用制動力，避免車輪抱死。ABS系統(tǒng)啟動后，由于不同車輪制動力矩存在差別，所以可能會使車輛出現(xiàn)附加橫擺，此時ESP系統(tǒng)通過控制質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺力矩為制動橫擺的控制提供輔助，使車輛處在穩(wěn)定狀態(tài)。ESP系統(tǒng)動作時，可能會使車輪發(fā)生抱死，但ABS系統(tǒng)的介入?yún)s能避免車輪抱死。各子系統(tǒng)動作時的相互耦合及影響見圖1。

1.2 控制執(zhí)行器干涉

ASS系統(tǒng)通過對簧載和非簧載質(zhì)量之間存在的做動力調(diào)節(jié)使車輛保持平順。ABS系統(tǒng)通過對制動力調(diào)節(jié)系統(tǒng)完成制動力矩的增加、保持或減小，對制動器的動作進行控制，避免車輪抱死。ESP系統(tǒng)以制動器為主要執(zhí)行機構(gòu)，通過對制動力的適當調(diào)節(jié)使車輪適當制動，進而實現(xiàn)對橫擺力矩及質(zhì)心側(cè)偏角的有效控制，避免車輛失控。汽車的ABS系統(tǒng)與ESP系統(tǒng)都以制動器為主要執(zhí)行機構(gòu)，但這兩個子系統(tǒng)的輸入信息及控制目標要求完全不同，這就會使這兩個子系統(tǒng)存在一定矛盾。如果矛盾出現(xiàn)，將在接線情況下導(dǎo)致車輛性能失控，嚴重時將由于子系統(tǒng)相互影響，導(dǎo)致車輛失穩(wěn)，產(chǎn)生交通事故[3]。

1.3 系統(tǒng)冗余分析

如果各子系統(tǒng)之間只是單純的組合運用，分別獨立控制，則ABS系統(tǒng)與ESP系統(tǒng)都要讀取車速信號，而ABS系統(tǒng)與ESP系統(tǒng)都要通過自身制動控制系統(tǒng)為制動器傳輸制動信號，這樣就會引起傳感器與線束冗余[4]。

2? 集成控制策略

2.1 集成控制結(jié)構(gòu)

根據(jù)分布式集成控制相關(guān)理論，建立不同子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)機制，通過協(xié)調(diào)減小不同子系統(tǒng)相互影響，避免沖突和矛盾的發(fā)生，進而保證車輛行駛性能對集成控制而言，是核心所在。本次提出如圖2所示的集成控制結(jié)構(gòu)。

從圖2可以看出，對象層級由ESP系統(tǒng)、ASS系統(tǒng)和ABS系統(tǒng)的作動器組成，與各子系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)相對應(yīng);執(zhí)行層級由ESP系統(tǒng)、ASS系統(tǒng)和ABS系統(tǒng)的電控系統(tǒng)組成，與各子系統(tǒng)的獨立控制策略相對應(yīng);協(xié)調(diào)級用于信息傳遞，為總判器提供各子系統(tǒng)實際控制狀態(tài)，總判器根據(jù)報告的各子系統(tǒng)狀態(tài)完成裁決之后，通過分派器分派至不同子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器，最終通過協(xié)調(diào)器使各子系統(tǒng)分別執(zhí)行經(jīng)裁決以后的控制，以此重復(fù)循環(huán)[5]。

2.2 總判器的判決機制

建立判決機制的主要目的為對各子系統(tǒng)之間的沖突和矛盾進行調(diào)節(jié)，確保汽車行駛性能始終處在最佳。

在汽車正常行駛過程中，ASS系統(tǒng)單獨動作，使車輛保持平順，此時需確保該子系統(tǒng)調(diào)控參數(shù)都處于理想值的附近，包括懸架系統(tǒng)動撓度與垂向加速度[6]。

在汽車直線制動過程中，ABS系統(tǒng)與ASS系統(tǒng)一同動作，保證車輛安全，要在避免車輪抱死的同時，確?；坡侍幱谧顑?yōu)值的附近，為盡可能減小ABS系統(tǒng)啟動后導(dǎo)致的車身俯仰，以免對前后懸架系統(tǒng)的懸架力分配造成太大影響，還需要對俯仰角進行控制，使其達到最小。另外，為避免由于車輪的動荷載降低使地面制動力減小，還要對動位移進行控制，使其處在允許的范圍內(nèi)，使車輛良好接地[7]。

在汽車轉(zhuǎn)彎行駛過程中，ESP系統(tǒng)與ASS系統(tǒng)一同動作，確保車輛處在穩(wěn)定狀態(tài)。此時要使橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角均處于理想范圍之內(nèi)。為了使車輛轉(zhuǎn)彎行駛過程中不會由于ESP系統(tǒng)控制使車輪被抱死，ABS系統(tǒng)也應(yīng)介入調(diào)控。為避免車輪上下跳動導(dǎo)致ABS系統(tǒng)動作受到影響，需要對動位移進行控制，使其處在允許范圍之內(nèi)，保證車輛有良好接地性。

在汽車轉(zhuǎn)彎制動過程中，ESP系統(tǒng)、ASS系統(tǒng)和ABS系統(tǒng)一同動作，保證車輛行駛安全與穩(wěn)定。首先要確保橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角都處在允許范圍之內(nèi)，其次則要防止車輪抱死，使滑移率處于最優(yōu)值的附近。另外，還要減小ABS系統(tǒng)啟動后導(dǎo)致的車身俯仰及動位移，因此還要對俯仰角及動位移進行控制。

根據(jù)以上目標，將判決規(guī)則確定如下：

①當汽車轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角為0，且制動踏板力也為0時，汽車正常行駛，ASS系統(tǒng)動作，ESP系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)不動作，將懸架系統(tǒng)的動撓度及振動加速度控制作為主要目標。

②當汽車轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角為0，但制動踏板力不為0時，汽車處在直線制動的狀態(tài)，ABS系統(tǒng)與ASS系統(tǒng)動作，ESP系統(tǒng)不動作，此時要有控制器對俯仰角及動位移產(chǎn)生的變化進行監(jiān)控，將滑移率的控制作為主要目標，并確保俯仰角與動位置均處在允許范圍之內(nèi)。

③當汽車轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角不為0，但制動踏板力為0時，汽車處在轉(zhuǎn)彎的狀態(tài)，ESP系統(tǒng)與ASS系統(tǒng)動作，ABS系統(tǒng)不動作，將質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度控制作為主要目標，并應(yīng)防止車輪抱死，使動位移處于允許范圍之內(nèi)。

④當汽車轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角不為0，且制動踏板力也不為0時，汽車處在轉(zhuǎn)彎+制動的狀態(tài)，ESP系統(tǒng)、ASS系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)均動作，需將滑移率、橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角三者的控制作為主要目標，并確保俯仰角與動位移均處于允許的范圍之內(nèi)。

2.3 優(yōu)先級設(shè)置

為避免ABS系統(tǒng)和ESP系統(tǒng)一同動作時導(dǎo)致執(zhí)行器干涉，遵循安全性大于一切的基本原則，將系統(tǒng)的優(yōu)先級確定為：優(yōu)先防止車輪被抱死，然后對質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度進行控制[8]。

2.4 冗余降解

為防止系統(tǒng)冗余，可采用CAN總線實現(xiàn)通訊，車輛的各類實時信息都通過傳感器傳輸至CAN，然后各控制系統(tǒng)都在CAN中獲得控制參數(shù)，同時將控制指令傳輸至CAN，最后通過CAN為機械執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送控制指令。

3? 俯仰角與動位移的控制

如果車輛產(chǎn)生俯仰，則可通過對前后懸架系統(tǒng)垂向力的調(diào)節(jié)來控制，同樣，動位移也可以通過對懸架系統(tǒng)垂向力的調(diào)節(jié)來控制。

控制俯仰時，如果車身處于俯的狀態(tài)，則懸架系統(tǒng)的作動力會由于受到路面激勵因素持續(xù)相應(yīng)而產(chǎn)生正負變化，此時應(yīng)使左前與右前方懸架系統(tǒng)向上的作動力增大，向下的作動力則減小;左后與右后方懸架系統(tǒng)向上的作動力減小，向下的作動力則增大。如果車身處于仰的狀態(tài)，此時應(yīng)使左前與右前方懸架系統(tǒng)向上的作動力減小，向下的作動力則增大;左后與右后方懸架系統(tǒng)向上的作動力增大，向下的作動力則減小。增大或減小的比例需要根據(jù)俯仰程度確定。

控制動位移時，為避免車輛產(chǎn)生太大的跳動，當動位移處于允許范圍內(nèi)時，ASS系統(tǒng)的懸架作動力保持不變;而如果動位移增大，則要以動位移的方向為依據(jù)，若正向偏大，應(yīng)使懸架系統(tǒng)向下的作動力增大，向上的作動力應(yīng)減小;若負向偏大，應(yīng)使懸架系統(tǒng)向下的作動力減小，向上的作動力應(yīng)增大。同樣，增大或減小的比例需要根據(jù)動位移偏離程度確定。

4? 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)不同子系統(tǒng)動作時存在的耦合及影響，理清不同子系統(tǒng)之間存在矛盾的影響因素，然后結(jié)合分布式集成控制相關(guān)理論，建立一個完善的集成控制結(jié)構(gòu)。并以此為基礎(chǔ)明確集成控制的總判規(guī)則，同時按照具體的控制要求，提出最終的集成控制策略。

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