黃 晨，陳 龍，袁朝春，江浩斌，牛禮民

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013； 2.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，馬鞍山 243000)

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2015197

基于頂層設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向與懸架系統(tǒng)協(xié)同控制的研究*

黃 晨1，陳 龍1，袁朝春1，江浩斌1，牛禮民2

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013； 2.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，馬鞍山 243000)

針對(duì)汽車復(fù)雜工況行駛對(duì)操縱穩(wěn)定性及平順性的綜合要求，提出了一種基于頂層設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向與懸架底盤子系統(tǒng)協(xié)同控制策略。首先在底盤系統(tǒng)的頂層框架設(shè)計(jì)與協(xié)同機(jī)制研究基礎(chǔ)上，建立了綜合性能控制分配模型，設(shè)計(jì)了啟發(fā)式協(xié)商算法；接著以某車多體動(dòng)力學(xué)模型為例進(jìn)行了脈沖路面上角階躍轉(zhuǎn)向輸入復(fù)合工況的SIMPACK/Matlab聯(lián)合仿真，最后進(jìn)行整車道路試驗(yàn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，基于頂層設(shè)計(jì)的協(xié)同控制策略是可行、有效的，綜合改善了車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。

轉(zhuǎn)向；懸架；頂層設(shè)計(jì)；協(xié)同控制

前言

車輛底盤系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，包括轉(zhuǎn)向、懸架和驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)等關(guān)鍵子系統(tǒng)。每一個(gè)子系統(tǒng)單獨(dú)控制都會(huì)改變車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能，并且子系統(tǒng)之間存在聯(lián)系，它們的協(xié)同工作需要底盤的集成控制[1-2]。但將每個(gè)子系統(tǒng)根據(jù)不同的控制目標(biāo)簡單地疊加，無法使車輛綜合性能最優(yōu)。因此，只有將傳統(tǒng)的車輛底盤系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化和模塊化，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的底盤集成控制[3-5]。

隨著底盤系統(tǒng)集成控制的不斷發(fā)展和逐步應(yīng)用，以往的簡單組合和更改參數(shù)等方法解決不了眾多子系統(tǒng)的集中與分散和協(xié)同與管理等科學(xué)技術(shù)問題[6-9]。雖然一些集中系統(tǒng)往往更容易管理，但是這些系統(tǒng)的可持續(xù)性不強(qiáng)，一旦方案失效，其他子系統(tǒng)也會(huì)隨之失效。因此迫切須要從廣度和深度上考慮子系統(tǒng)之間層次布局，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，并且在底層上采用協(xié)同控制的思想，解決子系統(tǒng)之間的沖突和矛盾，提高集成效率，實(shí)現(xiàn)整車綜合性能的提升。

因此，本文中通過分析半主動(dòng)懸架和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向兩個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)主要結(jié)構(gòu)、控制參數(shù)和各子系統(tǒng)之間不同性能指標(biāo)的相互制約、影響和協(xié)調(diào)機(jī)理，基于頂層設(shè)計(jì)和協(xié)同控制理論，自上而下將車輛底盤集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為頂層子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向、懸架和輪胎3個(gè)底層子系統(tǒng)，并建立子系統(tǒng)之間模糊關(guān)系型合同網(wǎng)協(xié)同控制模型，使子系統(tǒng)之間優(yōu)勢互補(bǔ)，降低或消除相互干擾，最大程度減小因駕駛意圖變化和外界環(huán)境影響等引起車身姿態(tài)的變化，綜合改善行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)懸架與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的良好匹配和協(xié)同控制，為底盤智能化集成控制提供新的理論和方法。

1 集成控制器的建立

基于頂層設(shè)計(jì)的車輛底盤協(xié)同控制系統(tǒng)的模型和結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該系統(tǒng)中有駕駛意圖和車輛狀態(tài)等信息輸入，輸出則是半主動(dòng)懸架(SAS)提供的控制電流ISAS和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)提供的控制電流IEPS，并且具有TYPE，EPS和SAS 3個(gè)底層子系統(tǒng)和1個(gè)SYS頂層子系統(tǒng)。

1.1 底盤系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)框架與協(xié)同機(jī)制

以往的分層控制將控制體系分為上層和下層2部分，而本文中從協(xié)同控制角度將車輛底盤集成控制系統(tǒng)分為頂層、底層和中間協(xié)同層3個(gè)功能區(qū)，但在模塊設(shè)計(jì)中體現(xiàn)頂層設(shè)計(jì)的思想將頂層和中間層集中建模。根據(jù)不同的功能分層，將基于頂層設(shè)計(jì)的車輛底盤協(xié)同控制系統(tǒng)的控制過程分為頂層設(shè)計(jì)、協(xié)同優(yōu)化和自主控制3個(gè)階段，相關(guān)功能與詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 底盤系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)工況規(guī)則

頂層子系統(tǒng)SYS具有最高決策權(quán)，負(fù)責(zé)整個(gè)底盤系統(tǒng)的集成領(lǐng)域，以性能最優(yōu)為目標(biāo)，完成協(xié)同控制策略的制定，其輸入是外部車輛狀態(tài)與下層各子系統(tǒng)的反饋信息，其輸出是子系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。

引入模糊權(quán)值，給出關(guān)系權(quán)值的隸屬度集合R，用<負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大>來表示子系統(tǒng)之間的沖突和協(xié)同關(guān)系以及它們之間相互影響程度的大小。

設(shè)計(jì)如下規(guī)則，其中參考車速v、前輪轉(zhuǎn)角δf和橫擺角速度ω的值，根據(jù)整車狀態(tài)估計(jì)模型實(shí)時(shí)地確定子系統(tǒng)模糊權(quán)值的比重。

工況1：當(dāng)車輛橫擺角速度ω=0時(shí)，協(xié)同系統(tǒng)以提高汽車行駛平順性為目標(biāo)，控制車身垂向加速度和俯仰角速度，遵循以舒適性導(dǎo)向的分配原則，即SAS子系統(tǒng)模糊權(quán)值為正大，EPS子系統(tǒng)模糊權(quán)值為0。

工況2：當(dāng)車輛橫擺角速度ω與期望橫擺角速度vδf/L之差er大于閾值er′時(shí)，半主動(dòng)懸架開始工作，同時(shí)適當(dāng)增減助力，遵循以安全性導(dǎo)向的分配原則，即SAS子系統(tǒng)和EPS子系統(tǒng)模糊權(quán)值皆為正小，相互協(xié)同；如果車輛處在過度轉(zhuǎn)向中,SYS子系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)識(shí)別，并且向EPS子系統(tǒng)請(qǐng)求配合，提高車輛操穩(wěn)性指標(biāo),控制轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向力大小，以減小過度轉(zhuǎn)向的趨勢，否則EPS子系統(tǒng)不介入工作。

工況3：當(dāng)車輛橫擺角速度ω與期望橫擺角速度vδf/L接近，差值不超過閾值er′時(shí)，增加助力，以提高車輛的機(jī)動(dòng)性，使轉(zhuǎn)向輕便，同時(shí)抑制車身側(cè)傾，使前輪垂向載荷波動(dòng)量減小，遵循以舒適性和安全性兼顧的融合導(dǎo)向的分配原則，即EPS子系統(tǒng)模糊權(quán)值為正大，SAS子系統(tǒng)模糊權(quán)值為正小。

1.3 底盤系統(tǒng)綜合性能控制分配模型與協(xié)商策略

頂層子系統(tǒng)SYS在任務(wù)分解與完成過程中，根據(jù)所設(shè)計(jì)的工況將系統(tǒng)任務(wù)劃分為W={b1,b2,b3}，需要3個(gè)子系統(tǒng)A={aEPS,aSAS,aTYRE}協(xié)同完成。完成任務(wù)bi(i=1,2,3)需要的能力表示為

{Cb1,Cb2,Cb3}T

其中Cb1={Fz,F1,F2,F3,F4}

Cb2={Tm,θ,Fy,Fz,F1,F2,F3,F4}

Cb3={Tm,Fy,Fz,F1,F2,F3,F4}

aEPS具有的能力：CEPS={Tm,θ}

aSAS具有的能力：CSAS={F1,F2,F3,F4}

aTYRE具有的能力：CTYRE={Fy,Fz,p,T}

則基于子系統(tǒng)協(xié)同的任務(wù)分配模型為

(1)

s.t.fd≤fd′

任務(wù)2： min(|ω-ω′|)

(2)

k2TYRE(Fz+Fy)))

(3)

s.t.fd≤fd′

k3TYRE(Fz+Fy)))

在優(yōu)化過程中采用啟發(fā)式協(xié)商算法(圖3)：

(1) 計(jì)算Vj(xj,yj)；

(2) 若Vj(xj,yj)≤Vj-1(xj-1,yj-1)，則協(xié)商失敗，若Vj(xj,yj)>Vj-1(xj-1,yj-1)，則協(xié)商成功，返回協(xié)商結(jié)果(xj,yj)；

(3) 計(jì)算讓步幅度，Rs=(Vj(xj,yj)-Vj-1(xj-1,yj-1))/N，生成Vj+1=Vj(xj,yj)-Rs，并返回給aEPS和aSAS求解新一輪提議(xj+1,yj+1)；

(4) 輸出最優(yōu)協(xié)同的組合解。

2 仿真研究

應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)理論建立汽車模型可提高建模質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，因此本文中采用基于相同理論已建立的SIMPACK整車模型和實(shí)車參數(shù)[10]，進(jìn)行聯(lián)合仿真。

為了驗(yàn)證上述控制策略的有效性，設(shè)計(jì)了特殊的復(fù)合工況進(jìn)行數(shù)值仿真試驗(yàn)，并與相同工況下傳統(tǒng)分層控制的系統(tǒng)性能進(jìn)行比較。

復(fù)合工況采用路面脈沖輸入和轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入的復(fù)合仿真，來分析所設(shè)計(jì)的協(xié)同控制系統(tǒng)對(duì)于車輛操穩(wěn)性和平順性綜合性能的改善程度。其過程為以100km/h(27m/s)車速進(jìn)入前輪轉(zhuǎn)角8°的環(huán)形路面，在行駛時(shí)間約6s左右環(huán)形道路1/4時(shí)，遇到障礙物高度為5cm的脈沖激勵(lì)，如圖4所示，仿真結(jié)果見圖5和表1。

從圖5(a)、圖5(b)和表1中可看出，當(dāng)車輛受到圖4所示的脈沖路面不平激勵(lì)后，協(xié)同控制使車身垂向加速度和橫擺角速度振動(dòng)幅值都得到較為明顯的改善，而傳統(tǒng)分層控制作用下的控制效果降低幅度較小，甚至部分指標(biāo)出現(xiàn)惡化。這是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)分層控制體系中，只單獨(dú)考慮某項(xiàng)控制性能指標(biāo)，未考慮整體框架中的綜合性能，及不同控制器控制力的相互影響。車身側(cè)傾和俯仰運(yùn)動(dòng)的情況類似，由圖5(c)和圖5(d)可見，傳統(tǒng)分層控制無法改變由于輪胎垂向載荷變化對(duì)車輛橫擺力矩和側(cè)向力產(chǎn)生的影響，使在角階躍轉(zhuǎn)向輸入6s左右，車輛都具有2°左右的穩(wěn)態(tài)側(cè)傾角，而后脈沖路面不平激勵(lì)對(duì)于側(cè)傾運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了較大的影響。協(xié)同控制則通過不同指標(biāo)間的不斷協(xié)商進(jìn)行了彌補(bǔ)。由圖5(d)和圖5(e)可見，協(xié)同控制時(shí)，車身側(cè)偏角的波動(dòng)很快趨于穩(wěn)定，說明路面脈沖不平度激勵(lì)基本不影響車輛的操縱性能，從而也反映了控制策略的優(yōu)越性，提高了整車綜合性能。

表1 單脈沖路面角階躍輸入工況相對(duì)單獨(dú)控制峰值性能比較

3 實(shí)車試驗(yàn)

利用現(xiàn)有快速控制原型工具—dSPACE 1401/1505/1507型MicroAutoBox，搭建與文獻(xiàn)[10]中一致的實(shí)車道路試驗(yàn)系統(tǒng)。

在聯(lián)合仿真中采用了脈沖路面上角階躍轉(zhuǎn)向輸入工況的仿真，來分析所建立的協(xié)同控制體系對(duì)于車輛操穩(wěn)性和平順性的改善程度。但由于實(shí)際場地和條件的限制，不能完全按照聯(lián)合仿真中的復(fù)合工況，只能近似采用單側(cè)脈沖路面輸入行駛試驗(yàn)，來評(píng)價(jià)汽車駛過單凸塊時(shí)沖擊對(duì)乘員和貨物的影響程度。試驗(yàn)時(shí)，汽車以40km/h的穩(wěn)定車速通過干燥平坦清潔的混凝土路面試驗(yàn)場地，任意方向上的坡度不大于2%，道路設(shè)有脈沖減速塊，高度2cm，其右端與路邊約為50cm寬，如圖6所示。結(jié)果如圖7和表2所示。

從圖7和表2中可看出，當(dāng)車輛受到脈沖路面不平激勵(lì)后，快速原型試驗(yàn)和聯(lián)合仿真的車身垂向加速度、車身側(cè)傾角和車身俯仰角振動(dòng)幅值都得到較為明顯的改善，雖然快速原型試驗(yàn)結(jié)果較聯(lián)合仿真峰值波動(dòng)較大，但幅度基本一致，說明協(xié)同控制策略是有效的，綜合性能得到提高。

表2 單脈沖路面輸入工況不同試驗(yàn)方法峰值性能比較

4 結(jié)論

仿真和實(shí)車道路試驗(yàn)結(jié)果表明，基于頂層設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向和懸架底盤子系統(tǒng)協(xié)同控制效果明顯，最大程度上減少了駕駛意圖變化和外界環(huán)境影響等引起的車身姿態(tài)變化，綜合改善了行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了底盤復(fù)雜大系統(tǒng)全局優(yōu)化。

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A Study on Steering / Suspension Cooperative Control Based on Top-layer Design

Huang Chen1, Chen Long1, Yuan Zhaochun1, Jiang Haobin1& Niu Limin2

1.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013; 2.CollegeofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofTechnology,Ma’anshan243000

For meeting the requirements on the handling stability and ride comfort of vehicle in complex conditions, a steering / suspension cooperative control strategy is proposed based on top-layer design. Firstly, on the basis of the top layer framework design and cooperation mechanism investigation of chassis system, a comprehensive performance control allocation model is built with a heuristic negotiation algorithm devised. Then with the multi-body kinetics model for a vehicle as example, a SIMPACK/Matlab co-simulation is conducted with a compound condition of pulse pavement excitation and steering angle step input. Finally real vehicle road tests are performed. The results of both simulation and tests show that the cooperative control strategy based on top-layer design is feasible and effective, concurrently improving the ride comfort and handling stability of vehicle.

steering; suspension; top-layer design; cooperative control

*國家自然科學(xué)基金(51305167，51275002)和江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(15KJB580004)資助。

原稿收到日期為2015年7月2日，修改稿收到日期為2015年8月12日。