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        4WIS-4WID車輛橫擺穩(wěn)定性AFS+ARS+DYC滑模控制

        2014-02-27 04:55:34王振臣劉建旺
        汽車工程 2014年3期
        關(guān)鍵詞:控制策略

        張 聰,王振臣,程 菊,劉建旺

        (燕山大學(xué),西校區(qū)電院工業(yè)計算機控制工程河北省重點實驗室,秦皇島 066004)

        前言

        橫擺運動穩(wěn)定性能對車輛的安全性能起著舉足輕重的作用。直接橫擺力矩控制(direct yaw-moment control, DYC)已成為當(dāng)今研究的熱點。DYC用車輛運行時實際狀態(tài)變量值跟蹤期望狀態(tài)變量值,利用差壓制動和/或改變驅(qū)動力矩的控制方法,產(chǎn)生維持車輛穩(wěn)定性所需的附加橫擺力矩,防止車輛在行駛過程中出現(xiàn)過多轉(zhuǎn)向或不足轉(zhuǎn)向等狀況,保證行駛的安全性。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中運用模糊控制對后輪主動轉(zhuǎn)向(active rear steering, ARS)和DYC進(jìn)行了有機結(jié)合,但模糊關(guān)系的確定很大程度依賴于人工經(jīng)驗。文獻(xiàn)[3]中基于廣義預(yù)測理論對傳統(tǒng)最優(yōu)前輪主動轉(zhuǎn)向(active front steering, AFS)/DYC進(jìn)行了優(yōu)化,但依賴于預(yù)測模型。文獻(xiàn)[4]中將DYC和ABS分層協(xié)調(diào)控制,更有利于應(yīng)對極限工況,但沒有考慮四輪轉(zhuǎn)向的作用。文獻(xiàn)[5]中提出了車輛DYC的LQG/LTR魯棒控制方法,增強了系統(tǒng)的魯棒性,但其精準(zhǔn)性較差。

        文獻(xiàn)[6]中針對四輪獨立轉(zhuǎn)向-獨立驅(qū)動(4-wheel-independent-steering and drive, 4WIS-4WID)車輛,基于模糊控制技術(shù)提出了集成主動前、后輪轉(zhuǎn)向和差壓制動DYC的車輛橫擺穩(wěn)定性控制系統(tǒng),充分利用了三者的優(yōu)勢,使低附著路面上高速運行的車輛在轉(zhuǎn)向過程中有更大的側(cè)向力裕量。

        本文中針對4WIS-4WID車輛,通過對前、后輪主動轉(zhuǎn)向控制器引入2自由度4WIS-4WID車輛參考模型狀態(tài)反饋,完成AFS+ARS和DYC控制系統(tǒng)的集成。將AFS+ARS和直接橫擺力矩控制有機結(jié)合,優(yōu)勢互補。應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制(sliding model variablc structure control, SMVSC),分別設(shè)計橫擺角速度控制律和質(zhì)心側(cè)偏角控制律。通過協(xié)調(diào)控制,兼顧橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角對車輛側(cè)向穩(wěn)定性能的影響,解決二者間的耦合問題。根據(jù)附加橫擺力矩設(shè)計車輪驅(qū)動/制動力矩分配控制器。通過仿真驗證控制策略,并與單純AFS+ARS、傳統(tǒng)PID的DYC及差壓制動DYC進(jìn)行對比。

        1 橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角耦合分析

        4WIS-4WID車輛前后輪都可根據(jù)要求進(jìn)行轉(zhuǎn)向,并且可通過獨立驅(qū)動/制動施加橫擺力矩,其2自由度狀態(tài)方程為

        (1)

        式中:m為車輛質(zhì)量;a、b分別為車輛質(zhì)心至前軸和后軸的距離;L為軸距;Iz為車輛繞z軸的轉(zhuǎn)動慣量;k1、k2分別為前、后軸的側(cè)偏剛度;ΔM為附加的補償力矩;δf為前輪轉(zhuǎn)向角;δr為后輪轉(zhuǎn)向角;vx為車輛縱向速度;β為質(zhì)心側(cè)偏角;γ為橫擺角速度。

        (2)

        由式(2)可見,前、后輪轉(zhuǎn)向角和橫擺力矩對β、γ的影響相互耦合,不能通過某種方式單獨地影響β或γ。

        2 控制策略

        2.1 名義值的確定

        在文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]中均提出用線性2自由度車輛模型計算名義值的方法,名義橫擺角速度γd為

        γd=min{|γ|,|γmax|}·sgn(δ)

        式中:δ為駕駛員前輪輸入;μ為路面附著系數(shù);g為重力加速度。取名義質(zhì)心側(cè)偏角βd=0。

        2.2 AFS和ARS的實現(xiàn)方法

        設(shè)計AFS+ARS的SMVSC控制器,得到其控制規(guī)律:

        U=(CB)-1C[Ade+(Ad-A)x+BdUd]+(CB)-1Gsgn(s)

        (3)

        詳細(xì)推導(dǎo)過程見文獻(xiàn)[9]。

        分別在路面附著系數(shù)為μ=0.8和μ=0.1兩種路況下進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖1所示。施加前輪參考轉(zhuǎn)角為幅值0.1rad、頻率2π/25的正弦信號,初始車速為180km/h?;赟MVSC的AFS+ARS控制與典型的前饋比例ARS[10]相比,AFS+ARS表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性,但在μ=0.1時,AFS+ARS也不能很好地跟蹤名義值。為了應(yīng)對極限工況,須加入DYC對誤差進(jìn)行修正,以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性。

        2.3 直接橫擺力矩控制器(上層控制器)的設(shè)計

        4WIS-4WID車輛的2自由度狀態(tài)方程形式結(jié)構(gòu)簡單,便于控制器的設(shè)計。但它忽略了車輛系統(tǒng)的非線性和外在干擾等因素。為了使設(shè)計的控制器能適用于實際車輛和工況,須同時滿足抗干擾性和精確性的雙重要求,而滑模變結(jié)構(gòu)控制恰好滿足該要求?;W兘Y(jié)構(gòu)屬于一類特殊的非線性控制系統(tǒng),這種控制能增強系統(tǒng)對不確定性和外部擾動的抗干擾能力。

        2.3.1 橫擺角速度滑模變結(jié)構(gòu)控制律(γ_SMVSC)

        由線性2自由度車輛模型可知,車輛的航向角為質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角之和,即

        如果質(zhì)心側(cè)偏角較小忽略不計,則航向角主要由橫擺角決定。航向角越大,車輛的轉(zhuǎn)彎半徑越??;反之轉(zhuǎn)彎半徑越大。因此,當(dāng)質(zhì)心側(cè)偏角較小時,橫擺角速度決定了車輛的運動狀態(tài)[11]。為此設(shè)計了用于DYC的橫擺角速度滑模變結(jié)構(gòu)控制律。

        其中

        用等速趨近律來設(shè)計滑??刂坡?,令

        (4)

        2.3.2 質(zhì)心側(cè)偏角滑模變結(jié)構(gòu)控制律(β_SMVSC)

        當(dāng)輪胎與路面附著系數(shù)減小時,橫擺力矩將隨質(zhì)心側(cè)偏角增加并迅速趨于恒定值。即路面摩擦因數(shù)越低,質(zhì)心側(cè)偏角對穩(wěn)定性的影響越敏感,所允許的最大質(zhì)心側(cè)偏角也越小,通過轉(zhuǎn)向操縱來產(chǎn)生橫擺力矩將越來越困難。因此,在低附著系數(shù)路面上更應(yīng)嚴(yán)格限制車輛的質(zhì)心側(cè)偏角,才能避免車輛失穩(wěn)。這是將質(zhì)心側(cè)偏角選為穩(wěn)定性控制系統(tǒng)控制變量的一個重要原因[11]。為此設(shè)計用于DYC的質(zhì)心側(cè)偏角滑模變結(jié)構(gòu)控制律。

        其中

        用等速趨近律來設(shè)計滑??刂坡桑?/p>

        得到控制律

        (5)

        2.3.3 穩(wěn)定性證明

        對于β_SMVSC有

        代入ΔMβ:

        證畢。

        2.3.4 協(xié)調(diào)控制

        協(xié)調(diào)控制器根據(jù)前述總體控制策略,按照|β|的大小,對橫擺角速度滑模變結(jié)構(gòu)控制律的輸出ΔMγ和質(zhì)心側(cè)偏角滑模變結(jié)構(gòu)控制律的輸出ΔMβ進(jìn)行加權(quán)協(xié)調(diào),權(quán)值分別為ρ和1-ρ,根據(jù)穩(wěn)定性與|β|的關(guān)系來確定ρ:

        (6)

        則控制器的最終輸出控制律為

        ΔM=ρΔMγ+(1-ρ)ΔMβ

        2.3.5 抑制抖振

        滑??刂圃谇袚Q面的切換動作會造成控制不連續(xù)而產(chǎn)生抖振,抖振只能抑制而不能消除。應(yīng)用中可采用連續(xù)函數(shù)代替符號函數(shù)sgn(s)來抑制抖振,以保證在切換面附近控制輸入的光滑連續(xù)性。令sgn(s)=s/|s|≈s/(|s|+ε),其中ε為任意小的正數(shù)。

        2.4 附加橫擺力矩的驅(qū)動/制動協(xié)同分配(下層控 制器)

        附加橫擺力矩的分配多采用差壓制動方法,單輪制動或單側(cè)車輪制動[12-13]。本文中所設(shè)計的附加橫擺力矩驅(qū)動/制動協(xié)同分配控制器,同時對兩側(cè)車輪分別施加驅(qū)動力矩和制動力矩,驅(qū)動側(cè)和制動側(cè)各分擔(dān)0.5倍的ΔM,分配規(guī)則如表1所示。

        表1 附加橫擺力矩的驅(qū)動/制動同步分配

        汽車在行駛過程中,由于懸架和輪胎的作用,質(zhì)心會發(fā)生前后和左右轉(zhuǎn)移。為了更充分地利用車輪的驅(qū)動/制動力矩,須根據(jù)車輪載荷對前后車輪驅(qū)動/制動力矩進(jìn)行再分配。詳見文獻(xiàn)[12]。

        2.5 控制系統(tǒng)集成

        總體控制策略,要求β和γ跟蹤理想模型的名義值,將AFS+ARS和DYC有機地結(jié)合以充分發(fā)揮各自優(yōu)點。

        由式(3)~式(5)可見,AFS+ARS控制律和DYC控制律之間相互耦合。二者都依賴且直接影響γ和β,DYC控制律又依賴于AFS+ARS控制律的輸出δf和δr。如果直接用被控對象的狀態(tài)值γ和β作為二者的反饋,兩個控制器以不同方式同時對相同的控制量進(jìn)行控制,必會造成系統(tǒng)紊亂。

        為解決上述問題,引入2自由度的4WIS-4WID車輛參考模型,其輸出γr和βr作為AFS+ARS控制器的反饋。這樣AFS+ARS的控制律將不受被控對象狀態(tài)的影響,因而也不受DYC的影響;DYC所依賴的δf和δr也不會受到DYC自身的影響。而DYC的作用是對AFS+ARS的誤差進(jìn)行修正。以上策略消除了AFS+ARS和DYC之間的耦合,將控制系統(tǒng)集成??傮w集成控制策略如圖2所示。

        3 控制策略仿真驗證與分析

        假設(shè)為水平路面,忽略滾動阻力的影響。仿真初始時前、后輪轉(zhuǎn)向角,車輛側(cè)向速度,車輛橫擺角速度,質(zhì)心側(cè)偏角等初始值均為零。初始縱向車速為180km/h,路面附著系數(shù)為0.1時,駕駛員前輪輸入轉(zhuǎn)角為幅值0.1rad、頻率2π/25的正弦信號,進(jìn)行移線操作。為體現(xiàn)本文控制策略的優(yōu)越性,在SAE標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)下,建立非線性16自由度4WIS-4WID車輛模型進(jìn)行仿真,該模型包括整車縱向(沿x軸)、側(cè)向(沿y軸)、垂直方向(沿z軸)、繞x軸的側(cè)傾、繞y軸的俯仰、繞z軸的橫擺、4個車輪的垂向運動、4個車輪的轉(zhuǎn)動和前輪轉(zhuǎn)向角、后輪轉(zhuǎn)向角,共16個自由度??紤]實際車輛參數(shù)的不確定性,令16自由度車輛的質(zhì)量為名義值模型的1.3倍,繞z軸的轉(zhuǎn)動慣量為名義值模型的1.2倍,質(zhì)心相對于名義值模型向后移動0.1m;外加側(cè)向陣風(fēng)力矩干擾為

        Mdisturb=500sin(2πt/5-π/2)+500

        (7)

        在驅(qū)動/制動協(xié)同分配的方式下將AFS+ARS,AFS+ARS+傳統(tǒng)PID的DYC,AFS+ARS+SMVSC的DYC進(jìn)行對比;并在AFS+ARS+SMVSC的DYC的情況下對驅(qū)動/制動協(xié)同的分配方式和差壓制動的分配方式進(jìn)行對比。結(jié)果如圖3~圖8所示。

        由圖3可見,根據(jù)駕駛員前輪轉(zhuǎn)角輸入,AFS+ARS給出了相應(yīng)的前、后輪轉(zhuǎn)角。由圖4可見,高速行駛在低附著系數(shù)的路面上,并加入車輛自身參數(shù)干擾和外界陣風(fēng)干擾的極限工況下,本文中設(shè)計的γ_SMVSC和β_SMVSC協(xié)調(diào)控制策略均能很好地跟蹤名義橫擺角速度。采用當(dāng)|β|較小時以橫擺角速度跟蹤為主,當(dāng)|β|較大時以較小質(zhì)心側(cè)偏角為主的協(xié)調(diào)控制策略,兼顧了橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角對車輛側(cè)向穩(wěn)定性的影響,解決了二者間的耦合問題。相對于傳統(tǒng)PID的DYC,在面對車輛本身參數(shù)變化和外部側(cè)向陣風(fēng)干擾的情況下,γ_SMVSC和β_SMVSC協(xié)調(diào)控制表現(xiàn)出了很好的抗干擾性能和精準(zhǔn)性。

        由圖4和圖5可見,在本文中設(shè)定的極限工況下,單純AFS+ARS已經(jīng)不能保證車輛穩(wěn)定,橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角明顯受陣風(fēng)干擾跟蹤不上名義值。加入SMVSC的DYC后,橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角均可很好地跟蹤名義值,且保證橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角在同一相位,使在設(shè)定極限工況下的車輛系統(tǒng)仍保持穩(wěn)定。

        SMVSC由于其自身的結(jié)構(gòu)特點,比傳統(tǒng)PID有更強的魯棒性和抗干擾性,但容易產(chǎn)生抖動,對執(zhí)行機構(gòu)有一定損害。由圖6可見,采用連續(xù)函數(shù)代替符號函數(shù)的方法能較好地抑制控制器輸出的抖振。

        相對于差壓制動的分配方式,驅(qū)動/制動協(xié)同分配的方式,對橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角并沒有直觀的影響(圖4和圖5),這是因為輪胎的縱向力并未達(dá)到飽和,足以提供所需驅(qū)動/制動力;各個車輪的驅(qū)動/制動力峰值約為差壓制動分配方式下的1/2(圖7),拓展了系統(tǒng)的穩(wěn)定域,減輕了單輪負(fù)擔(dān);對車速的影響較小(圖8),有利于行駛中車速的保持。

        4 結(jié)論

        根據(jù)2自由度4WIS-4WID車輛模型,設(shè)計了γ_SMVSC和β_SMVSC,采用當(dāng)|β|較小時以橫擺角速度跟蹤為主,當(dāng)|β|較大時以較小質(zhì)心側(cè)偏角為主的協(xié)調(diào)控制策略,兼顧了橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角對車輛側(cè)向穩(wěn)定的影響,解決了二者間的耦合問題。并通過連續(xù)函數(shù)代替符號函數(shù)的方法,較好地抑制了控制器輸出的抖振。

        對附加橫擺力矩的驅(qū)動/制動協(xié)同分配拓展了系統(tǒng)的穩(wěn)定域,減輕了單輪負(fù)擔(dān),削弱了DYC對車速的影響。

        對AFS+ARS控制器不直接使用被控對象的狀態(tài)量進(jìn)行反饋,而使用4WIS-4WID 2自由度參考模型進(jìn)行狀態(tài)反饋,消除了AFS+ARS和DYC間的耦合,實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的集成,使滑模變結(jié)構(gòu)AFS+ARS和DYC有機結(jié)合,充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢。

        研究結(jié)果表明,本文中設(shè)計的控制策略同時提高了系統(tǒng)的抗干擾性和精確性,使車輛更能應(yīng)對極限工況,減輕了單輪負(fù)擔(dān),進(jìn)一步提高了車輛的主動安全性能。

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