汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制策略研究

徐衛(wèi)亮　滑文山　孫向威

摘 要：汽車底盤電控系統(tǒng)作為整個(gè)汽車系統(tǒng)的重要組成部分，其電控系統(tǒng)控制策略會(huì)直接影響汽車的行駛安全性與穩(wěn)定性。而集成控制策略在汽車底盤電控系統(tǒng)中的應(yīng)用可以有效保障汽車行駛安全性與性能。本文通過對(duì)汽車底盤電控系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分析，探索出汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制策略，并通過集成控制在采埃孚車輛底盤電控系統(tǒng)與某汽車底盤電控系統(tǒng)中的應(yīng)用案例分析，明確集成控制策略在實(shí)踐中的應(yīng)用效果與價(jià)值，可以為汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制的研究與實(shí)踐提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：汽車底盤 電控系統(tǒng) 集成控制策略

隨著汽車安全事故頻發(fā)，人們對(duì)汽車行駛的安全性與可靠性要求日益提高。汽車底盤電控系統(tǒng)直接關(guān)系到汽車行駛安全與穩(wěn)定性，而傳統(tǒng)的單系統(tǒng)控制方式已經(jīng)無法滿足汽車整體性能需求，集成控制策略的應(yīng)用逐漸成為汽車底盤電控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，并在汽車行駛安全性與穩(wěn)定性中發(fā)揮出至關(guān)重要的作用。對(duì)此，通過深入探討汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制策略與應(yīng)用案例，對(duì)提高汽車底盤電控系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性具有重要意義。

1 汽車底盤電控系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）

ABS系統(tǒng)主要通過電子控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)控車輪速度、自動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力來控制車輪傳動(dòng)狀態(tài)，避免車輪抱死出現(xiàn)安全事故。其主要借助車輪上的傳感裝置監(jiān)測(cè)車輪是否出現(xiàn)抱死情況，一旦監(jiān)測(cè)到車輪即將抱死，會(huì)相應(yīng)減小制動(dòng)壓力。在汽車底盤安裝ABS系統(tǒng)的功能主要包括：一是提高制動(dòng)效果。由于該系統(tǒng)在車輪即將抱死時(shí)迅速調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，確保車輪適當(dāng)保持旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)駕駛員操控性能。二是提高操控性能。在緊急制動(dòng)或高速行駛時(shí)，ABS系統(tǒng)可以保持車輛的操控性能，讓駕駛員更好控制車輛。三是減少剎車磨損。由于ABS系統(tǒng)可以有效防止車輪抱死，在一定程度上可以降低剎車片磨損，延長(zhǎng)剎車系統(tǒng)的使用壽命[1]。

1.2 電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）

ESP屬于復(fù)合型系統(tǒng)，主要依托傳感器與控制技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)汽車運(yùn)行狀態(tài)與駕駛員操控指令。一旦監(jiān)測(cè)到車輛不穩(wěn)定運(yùn)行或駕駛員操控指令與實(shí)際情況不符，該系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)干預(yù)制動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，幫助駕駛員控制車輛。該系統(tǒng)的主要功能包括：一是增強(qiáng)車輛控制的穩(wěn)定性。ESP系統(tǒng)主要通過監(jiān)測(cè)車輛橫擺角速度、橫向加速度與轉(zhuǎn)向角等參數(shù)，判斷車輛是否失控，一旦檢測(cè)車輛即將失控，會(huì)自動(dòng)調(diào)整制動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，確保車輛穩(wěn)定性。二是防止側(cè)滑與翻滾。ESP系統(tǒng)可以通過控制車輪制動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，幫助駕駛員有效避免側(cè)滑或翻滾等危險(xiǎn)情況。

1.3 主動(dòng)懸架系統(tǒng)（ASS）

ASS系統(tǒng)是汽車底盤電控系統(tǒng)中的先進(jìn)懸掛系統(tǒng)，主要通過傳感器、控制單元與 執(zhí)行器等部件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車行駛狀態(tài)與駕駛員操控指令，以此自動(dòng)調(diào)整懸掛阻尼與高度。同時(shí)，可以通過調(diào)整減震器與空氣彈簧部件實(shí)現(xiàn)以下功能：一是改善乘坐舒適度。ASS系統(tǒng)可以降低車身震動(dòng)程度，確保車身的穩(wěn)定性，可以讓乘車人員感受更加舒適的乘坐體驗(yàn)。二是提高車身穩(wěn)定性。ASS系統(tǒng)通過自動(dòng)調(diào)節(jié)懸掛高度與剛度，可以保持車身的穩(wěn)定性與平衡性，提高車輛行駛安全性。

2 汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制策略

2.1 分散式控制

分散式控制是汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制中的主要方式之一，可以向汽車底盤電控系統(tǒng)的不同控制單元與模塊實(shí)施分散控制，這種控制方式主要是將汽車底盤電控系統(tǒng)劃分成多個(gè)子系統(tǒng)，劃分好每個(gè)子系統(tǒng)的功能與運(yùn)行職責(zé)，通?？梢苑譃閼覓煜到y(tǒng)控制功能、抓地力控制功能與制動(dòng)系統(tǒng)控制功能等。在這一控制策略中，每個(gè)子系統(tǒng)配備各自的控制器，具有獨(dú)立運(yùn)行與執(zhí)行來自傳感器信息的功能，并根據(jù)傳感器信息實(shí)施相應(yīng)的控制策略。這種控制策略可以顯著提高汽車底盤電控系統(tǒng)的可靠性與容錯(cuò)性，有利于電控系統(tǒng)的擴(kuò)展與升級(jí)。然而這一控制策略中也存在一定的不足之處，一是各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)與信息傳輸需要額外的開銷，并且各子系統(tǒng)之間的相互通信與協(xié)調(diào)運(yùn)作具有較高的復(fù)雜性，容易出現(xiàn)相互影響與相互干擾的情況。二是針對(duì)汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制而言，需要對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度與協(xié)調(diào)指揮，才能夠確保各子系統(tǒng)之間的互動(dòng)操作與運(yùn)行一致性。對(duì)此，在汽車底盤電控系統(tǒng)的集成控制中，分散式控制策略仍然是未來一個(gè)重要探索領(lǐng)域，還需要在不斷優(yōu)化各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)與互通傳輸機(jī)制技術(shù)上，提出更加具有針對(duì)性與完善的控制策略[2]。

2.2 集中式控制

集中式控制是汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制策略之一，其將底盤各子系統(tǒng)通過總線連接到中央控制器，由中央控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)與控制。中央控制器具備集成多個(gè)算法的功能，能處理各子系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)，制定相應(yīng)的集成控制策略，并將指令發(fā)送給各子系統(tǒng)。這一策略的優(yōu)勢(shì)在于減少線束、降低系統(tǒng)復(fù)雜性、提高控制精度和響應(yīng)速度。中央控制器與各子系統(tǒng)之間可以憑借高速總線進(jìn)行信息交互傳遞，實(shí)時(shí)獲取車輛行駛狀態(tài)與傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過預(yù)設(shè)的控制算法對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，有利于實(shí)現(xiàn)底盤整體性能的優(yōu)化，增強(qiáng)車輛的操控性與安全性。然而在這一控制策略中也存在諸多不足，一是由于所有控制指令與任務(wù)集中在中央控制器上，對(duì)其數(shù)據(jù)集成算法與處理分析能力提出更高要求。二是中央控制器在這一控制策略中起到關(guān)鍵性作用，一旦出現(xiàn)故障或者失效情況，將會(huì)牽一發(fā)而動(dòng)全身，導(dǎo)致整個(gè)底盤電控系統(tǒng)故障而無法正常運(yùn)行。對(duì)此，在集成控制中，還需要進(jìn)一步對(duì)集中式控制策略進(jìn)行研究，需要解決的關(guān)鍵問題包括中央控制器的高效算法設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)性等。為了確保各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制，還需要確保中央控制器的性能不斷優(yōu)化，建立完善的各子系統(tǒng)之間的通信協(xié)議與數(shù)據(jù)交換規(guī)范，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，從而有效提高底盤電控系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性[3]。

2.3 分層式控制

分層式控制是汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制中的常用控制策略，其將控制功能分為多個(gè)層級(jí)進(jìn)行逐層控制，主要分為4個(gè)層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。一是傳感器層。其主要職責(zé)是采集與傳輸?shù)妆P電控系統(tǒng)各部件傳感器數(shù)據(jù)，包括ASS系統(tǒng)傳感器、ABS系統(tǒng)壓力傳感器等監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。二是執(zhí)行層。其主要職責(zé)是執(zhí)行控制指令，對(duì)底盤電控系統(tǒng)各個(gè)執(zhí)行部件進(jìn)行控制，包括ASS系統(tǒng)執(zhí)行器、ABS系統(tǒng)制動(dòng)器等。三是中間層。其主要職責(zé)是對(duì)各子系統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并根據(jù)設(shè)置的算法與策略自動(dòng)生成控制指令，提高底盤電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。四是高層控制層。其主要職責(zé)是實(shí)施整體控制決策，根據(jù)底盤電控系統(tǒng)的目標(biāo)與外部環(huán)境變化情況，計(jì)算出最優(yōu)控制指令。這一控制策略的優(yōu)勢(shì)在于針對(duì)不同子系統(tǒng)特性與需求制定個(gè)性化控制策略，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)配合。但也存在一些不足，首先，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信機(jī)制與協(xié)議機(jī)制來實(shí)現(xiàn)不同層次之間的信息交互傳輸與協(xié)調(diào)運(yùn)行。其次，在高層控制層算法與策略設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考量底盤電控系統(tǒng)的多個(gè)子系統(tǒng)互動(dòng)性與相互影響情況。對(duì)此，在集成控制中，還需要進(jìn)一步對(duì)分層式控制中的各層級(jí)進(jìn)行功能優(yōu)化與協(xié)調(diào)處理，并設(shè)計(jì)出針對(duì)性強(qiáng)與可信性的控制算法，確保汽車底盤電控系統(tǒng)能夠高效、安全運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)控制器

控制器在汽車底盤電控系統(tǒng)中扮演關(guān)鍵角色，對(duì)提升汽車性能、確保運(yùn)行可靠性和安全性具有重要作用。控制器的主要職責(zé)是監(jiān)測(cè)和控制底盤電控系統(tǒng)的各個(gè)組件和部件設(shè)備，確保它們能協(xié)同工作。在集成控制中，優(yōu)化設(shè)計(jì)控制器需考慮多個(gè)方面。一是全面了解底盤電控系統(tǒng)的功能需求、應(yīng)用目標(biāo)等，如提高車輛行駛安全性與穩(wěn)定性、提高車輛制動(dòng)效果等，并根據(jù)這些功能需求與應(yīng)用目標(biāo)制定出對(duì)應(yīng)的控制算法與控制策略。二是配備相匹配的電子元件。在控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，配備與之相匹配的電子元件，其主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)與響應(yīng)底盤運(yùn)行狀態(tài)的變化。其中傳感器主要用于監(jiān)測(cè)車輛行駛狀態(tài)、速度、加速度等參數(shù)，執(zhí)行器主要用于執(zhí)行控制算法指令來調(diào)整底盤電控系統(tǒng)的參數(shù)，確保車輛安全、穩(wěn)定行駛，處理器主要用于對(duì)傳感器各種參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，并自動(dòng)生成控制指令。三是合理選擇與優(yōu)化信號(hào)處理算法。在選擇與優(yōu)化信號(hào)處理算法時(shí)，應(yīng)綜合考慮傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)目標(biāo)控制策略自動(dòng)生成相應(yīng)的控制信號(hào)指令。例如，在選擇使用模糊邏輯控制算法時(shí)，應(yīng)考慮到傳感器輸入?yún)?shù)與規(guī)則的差異性，以此合理調(diào)整ASS系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)的參數(shù)。

2.5 提升算法穩(wěn)定性

汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制中，選擇與優(yōu)化設(shè)計(jì)合適的控制算法是提高車輛穩(wěn)定性的關(guān)鍵，同時(shí)也有利于底盤電控系統(tǒng)集成控制效率的提升。一是優(yōu)化控制算法。在選擇與優(yōu)化設(shè)計(jì)控制算法時(shí)，應(yīng)選擇與設(shè)計(jì)對(duì)參數(shù)變化不敏感、適應(yīng)不同工況變化的算法。并且可以改進(jìn)與完善算法的收斂速度與優(yōu)化參數(shù)，提高算法的處理效率與抗干擾能力。根據(jù)汽車駕駛具體情況與電控系統(tǒng)集成控制功能需求來選擇合適的優(yōu)化算法。二是結(jié)合電控系統(tǒng)特點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法。在電控系統(tǒng)模型與控制理論支持下，應(yīng)全面了解汽車底盤電控系統(tǒng)的特點(diǎn)、功能需求、應(yīng)用目標(biāo)與約束條件，通過建立數(shù)學(xué)模型方式動(dòng)態(tài)分析汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制流程，以此選擇合適的算法來提高穩(wěn)定性。三是綜合考慮算法的實(shí)時(shí)性與可行性。由于集成控制策略應(yīng)用在實(shí)時(shí)環(huán)境中，需要對(duì)車輛狀態(tài)快速響應(yīng)。對(duì)此，選擇與優(yōu)化算法時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考量其計(jì)算效率與適應(yīng)性，以便讓控制器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)整底盤電控系統(tǒng)參數(shù)，從而生成相對(duì)應(yīng)的控制指令，提升算法的穩(wěn)定性。

3 汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制案例分析

3.1 采埃孚車輛底盤集成控制案例

采埃孚是傳統(tǒng)老牌底盤件供應(yīng)商，在底盤相關(guān)系統(tǒng)專業(yè)領(lǐng)域具有廣泛和深厚的技術(shù)積累，并且在底盤系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品中有全面覆蓋，如前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)等。采埃孚研發(fā)出自己的車輛底盤電控系統(tǒng)集成控制協(xié)調(diào)器，能夠在車輛移動(dòng)出行中起到承上啟下的作用。針對(duì)整個(gè)車輛底盤電控系統(tǒng)而言，最上層為感知覺層，其主要職責(zé)是對(duì)傳感器信息進(jìn)行處理與分析，并對(duì)相關(guān)的控制算法進(jìn)行決策，計(jì)算出期望的車輛運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。感知決策者包括輔助駕駛系統(tǒng)與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)控制器，從廣義上講也可以是駕駛員人為對(duì)車輛的操控。中間層為車輛底盤集成控制協(xié)調(diào)器，主要是作為感知決策層與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行層的橋梁與紐帶，幫助傳輸信息與指令。同時(shí)，將接收到的上層控制目標(biāo)進(jìn)行分解，通過內(nèi)部車輛運(yùn)動(dòng)控制算法分解為各個(gè)底盤執(zhí)行器的控制指令，如目標(biāo)后輪轉(zhuǎn)角、目標(biāo)制定等，進(jìn)而綜合利用各個(gè)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)期望的車輛運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。最下層為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行層，主要為各子系統(tǒng)執(zhí)行控制指令。上層感知決策計(jì)算出的目標(biāo)或者來自駕駛員期望的目標(biāo)最終需要由地盤各個(gè)執(zhí)行器來執(zhí)行與實(shí)現(xiàn)。如圖2所示。采埃孚自主研發(fā)的車輛底盤電控系統(tǒng)集成控制的中央?yún)f(xié)調(diào)器具有以下特點(diǎn)：一是適用范圍廣。不僅可以適用于人工駕駛，還可以在輔助駕駛與自主駕駛情況下應(yīng)用。在輔助或自動(dòng)駕駛情況下，該中央?yún)f(xié)調(diào)器可以從車輛動(dòng)力學(xué)等角度綜合分析車輛對(duì)目標(biāo)軌跡的執(zhí)行能力，并對(duì)其進(jìn)行軌跡約束反饋給上層控制器，進(jìn)而確保決策層規(guī)劃路徑具有可執(zhí)行性。二是具有靈活性與可復(fù)用性。中央?yún)f(xié)調(diào)器作為承上啟下的中間層，可以做到“即插即用”，具有較強(qiáng)的靈活性與可復(fù)用性，可以將上層控制器與下層執(zhí)行器進(jìn)行解耦，并且可以靈活地集成運(yùn)行在具有相應(yīng)能力的控制器硬件上。三是改善駕駛性能。中央?yún)f(xié)調(diào)器依托于采埃孚在車輛運(yùn)動(dòng)控制與底盤執(zhí)行器方面的專業(yè)能力與技術(shù)儲(chǔ)備，可以實(shí)現(xiàn)人工駕駛時(shí)車輛駕駛性能的優(yōu)化與改善，如車輛操控性與駕駛穩(wěn)定性提升，有效滿足客戶對(duì)駕駛特定定制需求。

3.2 某汽車底盤系統(tǒng)集成控制案例

在不斷攻堅(jiān)突破與前瞻技術(shù)研究中，某汽車軀轉(zhuǎn)一體化動(dòng)力底盤系統(tǒng)集成控制技術(shù)取得創(chuàng)新突破。某汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制技術(shù)主要建立在汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)基礎(chǔ)上，對(duì)多系統(tǒng)集成技術(shù)、動(dòng)力域與底盤域協(xié)同控制技術(shù)等前瞻技術(shù)進(jìn)行合理布局，從而使得汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制中，可以獨(dú)立執(zhí)行橫向行駛、斜向行駛、定點(diǎn)轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向等多種行駛控制指令。在設(shè)計(jì)理念方面打破了傳統(tǒng)的專業(yè)壁壘，實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，將汽車底盤電控系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等各子系統(tǒng)進(jìn)行集成處理，并與EMB聯(lián)合制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一體化動(dòng)力底盤電控系統(tǒng)的集成化控制。此外，在某汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制中，全面應(yīng)用CAE、MATLAB等虛擬仿真開發(fā)工具，不僅有效提高工作效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量，還為集成控制的驗(yàn)證與實(shí)踐應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，汽車底盤電控系統(tǒng)主要由ABS、ESP與ASS系統(tǒng)等組成，由于分散式、集中式與分層式控制策略各具獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，在底盤電控系統(tǒng)集成控制中，可以根據(jù)不同車輛運(yùn)行情況與功能需求合理選擇集成控制策略。但無論選擇哪一種集成控制策略，都應(yīng)注重控制器與算法的合理選擇與優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便提高汽車底盤電控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、性能優(yōu)化與安全性。同時(shí)，以采埃孚與某汽車底盤電控系統(tǒng)集成控制案例進(jìn)行分析，可以為駕駛員提供更加安全可靠的駕駛體驗(yàn)與需求。

參考文獻(xiàn)：

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