韓雪峰，肖 磊，范晶晶

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

電驅(qū)動車輛具有驅(qū)動形式靈活、扭矩響應(yīng)快速準確等特點.在車輛動力學(xué)綜合控制系統(tǒng)研究中，如何設(shè)計合理的橫向動力學(xué)控制目標，是優(yōu)化動力學(xué)性能的基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù).

國內(nèi)外對電驅(qū)動車輛橫向動力學(xué)控制目標的研究較為深入[1-2]，如在目前普遍采用的線性二自由度車輛模型上，選取橫擺角速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為控制目標來改善車輛機動性[3]，范晶晶設(shè)計的雙重轉(zhuǎn)向控制目標對提高車輛低速轉(zhuǎn)向機動性效果明顯[4].Bosch公司開發(fā)的VDC系統(tǒng)采用車輛質(zhì)心側(cè)偏角為控制目標，改善了車輛高速穩(wěn)定性[5].但是目前尚沒有檢索到在全車速工況下來設(shè)計控制目標的相關(guān)技術(shù)文獻.

本文在分析4×4全輪獨立電驅(qū)動 (每個車輪裝一臺可獨立控制的電動機)車輛動力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，以提高車輛全車速工況下的動力學(xué)性能為目的，通過研究雙重轉(zhuǎn)向 (車輪偏轉(zhuǎn)與左右差速)、機動性和保證穩(wěn)定性的控制參數(shù)，設(shè)計了基于模糊邏輯的控制目標融合算法，得到了全車速工況下的動力學(xué)控制目標.利用15自由度車輛模型，針對不同路面附著系數(shù)、不同轉(zhuǎn)向操作、不同車速工況條件，對控制目標的實際效果進行了仿真研究.

1 控制目標研究

全輪獨立電驅(qū)動車輛動力學(xué)控制目標設(shè)計流程見圖1.由車輛動力學(xué)狀態(tài)觀測器實時計算狀態(tài)參數(shù)，包括車速、質(zhì)心側(cè)偏角、路面附著系數(shù)、各方向加速度，等等，在此基礎(chǔ)上分別計算雙重轉(zhuǎn)向、機動性控制目標和穩(wěn)定性控制目標，通過設(shè)計的模糊邏輯調(diào)整函數(shù)，對上述控制目標進行融合，最后獲得全車速工況下的動力學(xué)控制目標.

圖1 動力學(xué)控制目標設(shè)計流程

1.1 常見動力學(xué)控制目標

雙重轉(zhuǎn)向控制是提高車輛低速機動性的有效手段[2]，能有效地減小轉(zhuǎn)向半徑，雙重轉(zhuǎn)向控制目標采用三自由度車輛模型，計算得到的控制目標如式 (1)所示.

式中:Fyi為各輪縱向力;lf和lr分別為質(zhì)心到前軸中心線和后軸中心線的距離;vx為縱向車速;Iz為車輛繞z方向的轉(zhuǎn)動慣量;˙vy為車輛側(cè)向加速度.

機動性控制目標采用線性二自由度車輛模型，可以體現(xiàn)車輛在轉(zhuǎn)向過程中的機動性特征，控制目標見式 (2).

為了使控制目標在表征車輛橫擺運動響應(yīng)時能包含一定的動態(tài)特性，在式(1)和式(2)的基礎(chǔ)上引入一階滯后環(huán)節(jié)后，所得到的控制目標見式(3).

車輛運動的穩(wěn)定性是車輛行駛安全的關(guān)鍵因素之一，通過設(shè)計一種線性二自由度四輪車輛模型，來研究由縱向力形成的直接橫擺力矩對動力學(xué)特性的影響.將質(zhì)心側(cè)偏角的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)目標值設(shè)定為0，由此得到的橫擺角速度的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值作為穩(wěn)定性控制目標，見式(4).

1.2 基于模糊邏輯的控制目標的融合

根據(jù)車輛在不同車速下的運動特性分析，當(dāng)車速低于20 km/h時，雙重轉(zhuǎn)向能夠有效地減小轉(zhuǎn)向半徑，并使得車輛側(cè)滑更容易控制.當(dāng)車速介于20 km/h到50 km/h之間時，應(yīng)該兼顧機動性和穩(wěn)定性的需求.當(dāng)車速高于50 km/h時，必須采用穩(wěn)定性控制目標，以保證車輛運動的安全性.

根據(jù)車輛動力學(xué)特性，采用縱向車速和路面附著系數(shù)調(diào)節(jié)中低速控制目標，融合雙重轉(zhuǎn)向和機動性控制目標，得到中低速控制目標，見式(5).

根據(jù)動力學(xué)特性和駕駛員需求，設(shè)計了相應(yīng)的隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則，采用Mamdani推理方法進行模糊邏輯運算，采用重心法進行清晰化運算，所得ε的參數(shù)調(diào)整曲面如圖2所示.

圖2 權(quán)重系數(shù)ε調(diào)整二次曲面

在得到中低速控制目標的基礎(chǔ)上，進一步融合穩(wěn)定性控制目標，得到全車速范圍的控制目標，見式(6).

根據(jù)車輛動力學(xué)特性，車輛運動穩(wěn)定性的重要參數(shù)為質(zhì)心側(cè)偏角，模糊邏輯運算的輸入值為縱向車速，其中β 的取值見式(7).max

設(shè)計相應(yīng)的隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則，得到k的調(diào)整曲面如圖3所示.

圖3 權(quán)重系數(shù)k調(diào)整二次曲面

2 仿真研究

在Matlab/Simulink環(huán)境下，利用建立的整車15自由度仿真模型，對控制方法進行了仿真.仿真參數(shù)如表1所示.

表1 車輛仿真參數(shù)

設(shè)計工況1:路面附著系數(shù)0.8，車速40 km/h，實際方向盤轉(zhuǎn)角為90°.圖4顯示的是工況1的仿真分析結(jié)果.

圖4(a)是根據(jù)各種控制目標參數(shù)的計算結(jié)果，可以看出經(jīng)過模糊邏輯融合算法后，綜合控制目標更接近機動性控制目標.圖4(b)是基于橫擺角速度控制的仿真結(jié)果，較未受控情況機動性有所增加.圖4(c)為車輛運行軌跡，可以看出車輛的轉(zhuǎn)向半徑有所減小.

圖4 工況1仿真結(jié)果

設(shè)計工況2:路面附著系數(shù)0.8，車速70 km/h，實際方向盤轉(zhuǎn)角30°.圖5顯示的是工況2的仿真結(jié)果.

圖5(a)是根據(jù)設(shè)定工況2對應(yīng)用各控制目標參數(shù)獲得的計算結(jié)果，可以看出經(jīng)過模糊邏輯融合算法后，綜合控制目標更加接近穩(wěn)定性控制目標.圖5(b)是基于橫擺角速度的仿真結(jié)果，較未受控情況穩(wěn)定性有所增加.圖5(c)為車輛運行軌跡，可以看出車輛的轉(zhuǎn)向半徑有所增加.

圖5 工況2仿真結(jié)果

3 結(jié)論

通過使用基于雙重轉(zhuǎn)向、機動性和穩(wěn)定性等控制參數(shù)設(shè)計的控制目標融合算法，可以實現(xiàn)全車速范圍內(nèi)的動力學(xué)控制目標，可整體提升車輛的動力學(xué)性能.

[1] 范晶晶，羅禹貢，張 弦，等.多軸獨立電驅(qū)動車輛驅(qū)動力的協(xié)調(diào)控制[J].清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，51(4):478-481.

[2] 范晶晶，羅禹貢，李克強.多軸獨立電驅(qū)動混合動力車整車控制系統(tǒng)的開發(fā) [J].機械工程學(xué)報，2010，46(10):126-131.

[3] Donghyun Kim，Sungho Hwang，Hyunsoo Kim.Vehicle Stability Enhancement Control for a 4WD HEV[C] //The 21stInternational Battery，Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium ＆ Exposition.Monaco:2005.

[4] 范晶晶，羅禹貢，張海林，等.全輪獨立電驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制策略的開發(fā) [J].汽車工程，2011，(5):369-372.

[5] Aton T.VAN Zantan，Rainer E，Georg P，etc.Control Aspects of the Bosch VDC[C] //The 3rdInternaional Symposium on Advanced Vehicle Control.Aachen，Germany，1996:573-608.