基于ADAMS的車輛ESP控制模型及方法研究＊

李勝琴 何 樂

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院1） 哈爾濱 150040） （清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室2） 北京 100084）

0 引 言

汽車電子穩(wěn)定性程序（electronic stability program，ESP）通過控制車輪的制動力或發(fā)動機的輸出力矩，來控制汽車的橫擺角速度并將車輛的側(cè)偏角限制在一定范圍內(nèi)，從而在汽車躲避前方突然出現(xiàn)障礙物、急轉(zhuǎn)彎車道上高速行駛以及低附路面等處于附著極限時，協(xié)助駕駛員控制汽車的操縱穩(wěn)定性［1－2］，防止車輛出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向、不足轉(zhuǎn)向或側(cè)翻等危險工況．

國內(nèi)對ESP系統(tǒng)的研究起步較晚，大多數(shù)研究重心仍停留在控制策略的理論研究上，由于在汽車產(chǎn)品開發(fā)初期，無法實施基于整車動力學(xué)模型和底盤電控系統(tǒng)虛擬樣機的裝備ESP等底盤電控系統(tǒng)的汽車性能評價，整車廠商很難在產(chǎn)品設(shè)計階段對汽車電子供應(yīng)商提出完善的產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)要求，故無法開展對整車裝備電控系統(tǒng)后的性能預(yù)測分析控制；同時由于無法及時發(fā)現(xiàn)并解決控制系統(tǒng)設(shè)計中存在的問題，大大增加了整車廠商與汽車電子供應(yīng)商的底盤電控系統(tǒng)匹配設(shè)計周期和研發(fā)成本．

本文針對某型車建立ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真模型，建立基于橫擺角速度的ESP控制方法，并對控制結(jié)果進行仿真研究，探討ESP系統(tǒng)評價方法及評價體系的合理性及有效性．

1 ESP系統(tǒng)組成及工作原理

比較典型的汽車ESP控制系統(tǒng)包括傳統(tǒng)制動系統(tǒng)、傳感器（輪速傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、側(cè)向加速傳感器、橫擺角速度傳感器、制動主缸壓力傳感器）、液壓調(diào)節(jié)器、汽車穩(wěn)定性制電子控制單元（ECU）和輔助系統(tǒng)（發(fā)動機管理系統(tǒng)）［3－4］．

目前市場上的ESP系統(tǒng)基本上都是采用差速制動作為控制方式．如圖1所示，ESP系統(tǒng)通過傳感器檢測車輛的實際運行狀態(tài)，與駕駛員操作意圖進行比較，來判斷車輛是否處于穩(wěn)定的行駛狀態(tài)．進而決定是否進行制動調(diào)節(jié)．首先系統(tǒng)判斷汽車處于過多轉(zhuǎn)向還是過度不足轉(zhuǎn)向，當(dāng)汽車處于過多轉(zhuǎn)向時，通過對前外車輪施加制動產(chǎn)生與汽車轉(zhuǎn)向運動方向相反的橫擺力矩，從而抑制汽車的過多轉(zhuǎn)向運動；當(dāng)汽車處于不足轉(zhuǎn)向時，則通過對后內(nèi)側(cè)車輪施加制動產(chǎn)生與汽車轉(zhuǎn)向運動方向相同的橫擺力矩，抑制汽車的不足轉(zhuǎn)向運動．

圖1 ESP控制系統(tǒng)原理圖

本文將橫擺角速度作為監(jiān)測狀態(tài)，進而判斷車輛的運行狀態(tài)，利用模糊控制理論進行ESP系統(tǒng)控制，考察該控制系統(tǒng)的有效性與合理性．

2 車輛模型

2.1 虛擬樣機模型

為了進行ESP控制系統(tǒng)的仿真研究，首先需要對原型車進行適當(dāng)簡化，建立ADAMS／Car虛擬樣機模型．ADAMS／Car整車虛擬樣機模型，通常包括前／后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動機、車身、輪胎模型等子模型及路面等外部約束．

原型車前懸架為高置雙A臂、后懸架為E型多連桿式．根據(jù)實際測量結(jié)果，在ADAMS／car中建立如圖2的包含轉(zhuǎn)向系、橫向穩(wěn)定桿的前／后懸架模型．

圖2 虛擬樣機前、后懸架模型

車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動機、車身及橫向穩(wěn)定器等子系統(tǒng)，可以在ADAMS／Car自帶模板的基礎(chǔ)上按照原型車參數(shù)進行修改．車輛的各子系統(tǒng)完成之后，裝配成如圖3的整車虛擬樣機模型．

圖3 整車虛擬樣機模型

車輛的輪胎模型選用Pac2002魔術(shù)公式模型，利用輪胎試驗數(shù)據(jù)擬合出適用于ADAMS／Car軟件所需的參數(shù)，建立模型．利用路面建模器建立二維平坦路面．利用路面參數(shù)和車輛模型參數(shù)共同模擬實際路面附著系數(shù)的變化．

為了驗證所建立的模型，進行車輛雙移線試驗?zāi)M，并將模擬結(jié)果與實車試驗結(jié)果進行對比，見圖4．可以看出試驗曲線與模擬曲線吻合程度較好，認為所建立整車樣機模型能夠反映車輛的基本特性，可以用于進行車輛操縱穩(wěn)定性及ESP控制系統(tǒng)的模擬仿真分析．

圖4 雙移線試驗與模擬分析對比

2.2 聯(lián)合控制模型

為了進行ESP控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真，需要將在ADAMS／Car中建立的虛擬樣機模型轉(zhuǎn)化為S－function，到 Matlab／Simulink軟件環(huán)境下中進行 閉 環(huán) 控 制 仿 真［5－6］．圖 5 為 ADAMS／Car 和Matlab／Simulink的ESP聯(lián)合仿真模型，即首先從整車虛擬樣機模型得出車輛橫擺角速度等狀態(tài)參數(shù)，然后與參考模型計算出的期望橫擺角速度進行比較，判斷車輛的穩(wěn)定狀態(tài)，從而對相關(guān)車輪制動．

圖5 ADAMS／car和 matlab／Simulink的ESP聯(lián)合仿真模型

圖中adams＿sub模塊是由ADAMS／Car導(dǎo)出的虛擬樣機S－function模塊，該模塊包含了整車的全部信息．其中，在建整車子部件時已定義了輸入和輸出狀態(tài)變量，如在建制動器模型時定義各個車輪的制動壓力為輸入狀態(tài)變量，在建車身時定義其橫向速度、縱向速度、橫擺角速度為輸出狀態(tài)變量，在建車輪時定義輪速為輸出狀態(tài)變量，在建轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時定義轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為輸出狀態(tài)變量．desired模塊為線性二自由理想模型，用于完成汽車期望狀態(tài)參數(shù)的計算；ESP模塊是ESP聯(lián)合仿真系統(tǒng)的核心，它主要完成汽車穩(wěn)定性判斷和主動橫擺控制等，本文采用基于橫擺角速度的模糊控制．控制原理見圖6．

圖6 ESP控制原理圖

3 仿真控制效果

美國國家高速公路交通安全局NHTSA于2007年4月發(fā)布了FMVSS126，該法規(guī)對ESP的功能、試驗方法和評價指標(biāo)作了規(guī)定．FMVSS 126標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正弦延遲試驗轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角如圖7所示，為0．7Hz頻率的正弦輸入，以13．5°／s的速度增加轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，初始轉(zhuǎn)角為δ＝1．5A0．3g，入口初始速度為80km／h．每次振幅增加0．5A0．3g．轉(zhuǎn)向角最大值δ大于270°或者等于6．5倍的A0．3g時，停止試驗．完成正弦轉(zhuǎn)角試驗后，以車輛側(cè)向位移和橫擺角速度作為穩(wěn)定性控制的評價．

圖7 正弦延遲試驗

當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角達到或超過5A0．3g時，對于整車質(zhì)量小于3 500kg的汽車，要求正弦轉(zhuǎn)角試驗開始后1．07s時的汽車質(zhì)心側(cè)向位移大于1．83m；對于整車質(zhì)量大于3 500kg的汽車，該位移應(yīng)大于1．52m．

對橫擺角速度的評價參看圖8，圖中T0為正弦轉(zhuǎn)角結(jié)束時刻．對橫擺角速度要求如下

式中：rpeak為第二個正弦點的峰值橫擺角速度；rT0＋1為 T0＋1 時 刻 的 橫 擺 角 速 度；rT0＋1．75為T0＋1．75時刻的橫擺角速度．

圖8 正弦轉(zhuǎn)角試驗評價

按照FMVSS 126標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正弦延遲試驗方法，進行了高附路面下的模擬正弦延遲試驗仿真分析［7］．圖9和圖10分別為該車在ESP關(guān)閉和開啟狀態(tài)下的正弦延遲試驗仿真分析結(jié)果．由圖9可見，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角幅值為80°和120°時，車輛橫擺角速度幅值隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化而變化，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角回到中間位置后，車輛的橫擺角速度經(jīng)過了1s左右的小幅振蕩后也回到0值，說明車輛能夠回到穩(wěn)定狀態(tài)，車輛處于能夠操縱狀態(tài)．而當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角幅值達到169°時，橫擺角速度經(jīng)過振蕩后沒有回到0值，轉(zhuǎn)向盤回到中間位置后車輛的橫擺角速度仍然為35°／s，在3s時刻，車輛的橫擺角速度仍然保持35°／s．圖10為開啟了ESP系統(tǒng)后的正弦延遲試驗仿真結(jié)果．圖中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角幅值達到180°時，車輛的橫擺角速度在轉(zhuǎn)向盤回到中間位置后t＝3s時刻經(jīng)過振蕩歸零，車輛仍然能夠保持直線行駛，處于可操控狀態(tài)．當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角幅值達到279°時，車輛橫擺角速度振蕩幅值增加，但是在t＝4s時刻仍然能夠歸零，車輛能夠繼續(xù)保持直線行駛狀態(tài)，按照FMVSS 126標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性評價，車輛仍然處于穩(wěn)定行駛狀態(tài)．說明當(dāng)車輛處于過度轉(zhuǎn)向的極限工況下，ESP系統(tǒng)能夠抑制車輛的過度轉(zhuǎn)向，進而使車輛在大的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入下仍然能夠維持穩(wěn)態(tài)行駛，提高了車輛的操縱穩(wěn)定性．

圖9 ESP關(guān)閉時橫擺角速度變化

4 結(jié) 論

1）利用ADAMS／Car軟件分別建立原型車各子系統(tǒng)模型，進而建立整車虛擬樣機模型，用于進行車輛ESP控制系統(tǒng)模擬仿真研究，試驗驗證模型精度高．

2）利用 Matlab／Simulink建立基于橫擺角速度的ESP模糊控制模型，能夠通過對車輪實施制動，進而有效地控制車輛穩(wěn)定行駛，改善汽車的操縱穩(wěn)定性．

3）按照FMVSS 126標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正弦延遲試驗方法，進行高附路面下的模擬正弦延遲試驗仿真分析，結(jié)果表明當(dāng)車輛處于過度轉(zhuǎn)向的極限工況下，ESP系統(tǒng)能夠抑制車輛的過度轉(zhuǎn)向，進而使車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角達到279°時，仍然能夠維持穩(wěn)態(tài)行駛．

圖10 ESP開啟后橫擺角速度變化

［1］李向瑜，高振海，郭 健，等．汽車裝備電子穩(wěn)定性程序后的性能評價方法［J］．拖拉機與農(nóng)用運輸車，2008，35（4）：1－4．

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［5］范小彬，夏群生．基于虛擬樣機的汽車穩(wěn)定性主動橫擺模糊控制［J］．拖拉機與農(nóng)用運輸車，2010，37（1）：47－49．

［6］王德平，郭孔輝，宗長富．車輛動力學(xué)穩(wěn)定性控制的理論研究［J］．汽車工程，2000，22（1）：729－732．

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