王旭斌

（河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

車(chē)輛安全行駛受到許多因素影響。其中，車(chē)輛的制動(dòng)系性能起著首要作用。目前，與制動(dòng)系相關(guān)的安全技術(shù)主要有制動(dòng)防抱死系統(tǒng)ABS（anti-lock braking system）、電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)EBD （electronic brake-force distribution）、直接橫擺力矩控制系統(tǒng)DYC（direct yaw moment control）及車(chē)輛電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP（electronic stability program）等。它們大大改善了車(chē)輛縱向制動(dòng)效能或橫向穩(wěn)定性。為突出研究重點(diǎn)，梳理研究思路，本文在說(shuō)明基本工作原理和研究基礎(chǔ)上，對(duì)控制策略及關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)說(shuō)明，給出控制框架。

1 基本原理

ABS的作用是防止制動(dòng)時(shí)車(chē)輪抱死，它是通過(guò)判斷車(chē)輪狀態(tài)，對(duì)車(chē)輪的制動(dòng)器制動(dòng)力調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)的；EBD是在ABS硬件基礎(chǔ)上，考慮制動(dòng)時(shí)載荷的前移，為了充分利用地面制動(dòng)力，防止后輪先于前輪抱死，是ABS程序的升級(jí)；DYC是在ABS硬件基礎(chǔ)上，加裝判斷車(chē)輛穩(wěn)定狀況的傳感器，通過(guò)判斷車(chē)輛穩(wěn)定狀況，對(duì)某些車(chē)輪主動(dòng)施加制動(dòng)力而產(chǎn)生所需附加橫擺力矩而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的橫向穩(wěn)定；ESP是綜合了ABS、TCS、DYC，通過(guò)CAN總線對(duì)車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎、驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向特性需要糾正，以及極限失穩(wěn)工況下對(duì)車(chē)輛橫向穩(wěn)定控制。ABS主要適用于車(chē)輛緊急制動(dòng)，滿足一定條件時(shí)起作用；EBD主要適用輕制動(dòng)或ABS起作用前，先于ABS；DYC／ESP是在車(chē)輛橫向不穩(wěn)定時(shí)，其優(yōu)先于ABS／EBD。

2 控制技術(shù)

2.1 控制基礎(chǔ)

2.1.1 輪胎模型

無(wú)論是制動(dòng)時(shí)ABS／EBD對(duì)車(chē)輪被動(dòng)施加制動(dòng)力或無(wú)制動(dòng)時(shí)DYC／ESP主動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)力，實(shí)質(zhì)都是對(duì)地面縱向制動(dòng)力和側(cè)向力的控制。地面與輪胎間力的大小和方向受車(chē)輪結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、地面狀況及載荷等影響，輪胎力可采用輪胎模型計(jì)算，輪胎模型的類(lèi)型較多，可根據(jù)研究目的選擇，常用的半經(jīng)驗(yàn)輪胎模型已集成于ADAMS、Carsim、veDYNA等車(chē)輛模型軟件中。從輪胎模型表達(dá)式來(lái)看，輪胎力可根據(jù)模型輸入 （滑移率λ、側(cè)偏角α等） 先計(jì)算出附著系數(shù)u，再與輪胎載荷相乘間接計(jì)算出，或根據(jù)模型輸入（滑移率λ、側(cè)偏角α或載荷Fz等）直接計(jì)算，如圖1所示［1］。

2.1.2 車(chē)輛模型

在開(kāi)發(fā)ABS／EBD／DYC／ESP控制技術(shù)時(shí)，需根據(jù)研究目標(biāo)建立相應(yīng)的車(chē)輛模型。用于建立車(chē)輛模型的軟件較多，但為了反映與分析各變量間關(guān)系，需建立基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的Simulink車(chē)輛模型。用于ABS控制技術(shù)的1／4車(chē)輛模型 （即車(chē)輪模型）及控制過(guò)程如圖2所示，圖中符號(hào)含義及動(dòng)力學(xué)方程參見(jiàn)文獻(xiàn)［2］。

用于EBD控制技術(shù)的1／2車(chē)輛模型 （前后模型）及控制過(guò)程如圖3所示，圖中符號(hào)含義及動(dòng)力學(xué)方程參見(jiàn)文獻(xiàn)［3］。

圖1 輪胎力的計(jì)算

圖2 單輪車(chē)輛模型及控制過(guò)程

圖3 前后車(chē)輛模型及控制過(guò)程

用于車(chē)輛穩(wěn)定性的ABS／EBD／DYC／ESP整車(chē)控制技術(shù)的八自由度 （4個(gè)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)、車(chē)身橫擺、側(cè)傾、橫向及縱向運(yùn)動(dòng)）四輪車(chē)輛模型，以及用于判斷車(chē)輛穩(wěn)定的線性二自由度參考模型如圖4所示，圖中符號(hào)含義及動(dòng)力學(xué)方程參見(jiàn)文獻(xiàn)［4］。

2.2 控制策略

控制策略作為控制技術(shù)的靈魂，包含控制變量的選擇和控制方法的使用，基于制動(dòng)系的控制框架如圖5所示。ABS研究相對(duì)成熟，常用的控制變量有輪速、輪加速度或滑移率等；控制方法有門(mén)限值法及基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型運(yùn)用控制理論 （PID、模糊、自適應(yīng)、模型預(yù)測(cè)、最優(yōu)、魯棒等）的控制方法。EBD的控制更多采用門(mén)限值法，運(yùn)用stateflow狀態(tài)流程圖實(shí)現(xiàn)，主要有3種［5］：一是根據(jù)前后輪的滑移率進(jìn)行控制，二是根據(jù)前后輪輪速進(jìn)行控制，三根據(jù)后輪減速度或后輪輪速與參考車(chē)速進(jìn)行控制；也有運(yùn)用控制理論對(duì)其進(jìn)行研究的［6］。

圖4 整車(chē)模型及參考模型

圖5 基于制動(dòng)系的控制框架

DYC／ESP穩(wěn)定性控制策略采用分層控制，經(jīng)過(guò)動(dòng)力學(xué)控制層計(jì)算出所需附加力矩后，需要將其通過(guò)控制分配層轉(zhuǎn)換成對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)的需求，最終通過(guò)執(zhí)行層實(shí)現(xiàn)［7］。大都選取橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為控制變量，當(dāng)質(zhì)心側(cè)偏角較小時(shí)，用橫擺角速度來(lái)判斷車(chē)輛的不足轉(zhuǎn)向和過(guò)度轉(zhuǎn)向；當(dāng)質(zhì)心側(cè)偏角較大時(shí)，用質(zhì)心側(cè)偏角來(lái)判斷車(chē)輛的過(guò)度轉(zhuǎn)向質(zhì)心側(cè)偏角的控制準(zhǔn)則［8］。通常將線性二自由度車(chē)輛的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性作為橫擺角速度對(duì)汽車(chē)穩(wěn)定性的理想表征。其控制理論的應(yīng)用，也由一般控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，發(fā)展到滑模變結(jié)構(gòu)控制以及模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

控制策略的輸出量可以直接是制動(dòng)壓力或制動(dòng)力矩，或是考慮包含電磁閥特性的液壓傳遞機(jī)構(gòu)而輸出壓力控制脈沖信號(hào)PWM。

ABS／EBD／DYC／ESP控制技術(shù)受初始車(chē)速、路面 （低附著、高附著、對(duì)開(kāi)及對(duì)接等）、對(duì)車(chē)輛的操縱 （轉(zhuǎn)彎）、制動(dòng)強(qiáng)度 （輕制動(dòng)及緊急制動(dòng)）、車(chē)輪載荷、輪胎模型的選擇、特殊或極限狀況以及制動(dòng)系統(tǒng)的非線性特性和外界干擾等影響［9］，這些都是控制策略的開(kāi)發(fā)內(nèi)容，也是重點(diǎn)和難點(diǎn)。其中，轉(zhuǎn)向制動(dòng)車(chē)輛處于極限狀態(tài)下的控制成為研究的熱點(diǎn)。應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)采用線控技術(shù)的電液制動(dòng)EHB（electro hydraulic brake） 系統(tǒng)及電制動(dòng)EMB （electro mechanical brake） 系統(tǒng)融合了ABS／EBD／DYC／ESP技術(shù)，需協(xié)調(diào)與再生制動(dòng)的控制。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

從輪胎模型和控制框圖可看出，控制策略的實(shí)現(xiàn)是以輪胎、車(chē)輛、路面狀態(tài)參數(shù)這些關(guān)鍵技術(shù)為前提的。在一定的精度范圍內(nèi)，車(chē)輪的角速度可由輪速傳感器測(cè)出計(jì)算，車(chē)輛的橫擺角速度可由橫擺傳感器測(cè)出計(jì)算，車(chē)輛縱向及橫向加速度也可由加速度傳感器測(cè)出計(jì)算；而車(chē)輛的速度、最佳滑移率、質(zhì)心側(cè)偏角及附著系數(shù)大都采用基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)或運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)估計(jì)［10］；控制方法中參變量的確定：門(mén)限值更多采用試驗(yàn)方法，穩(wěn)定域邊界采用相平面法［11］，更多參變量采用遺傳算法、自學(xué)習(xí)、模糊自整定等現(xiàn)代控制理論優(yōu)化或估計(jì)以及工程上通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)給出。電動(dòng)汽車(chē)可充分利用驅(qū)動(dòng)力矩和制動(dòng)壓力已知的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)化對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角和路面摩擦系數(shù)估計(jì)算法，提高估計(jì)精度。

ABS／EBD／DYC／ESP控制技術(shù)都是基于車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)，但控制的目的和作用域不同，如何優(yōu)先及過(guò)度協(xié)調(diào)控制［12］，使得縱向制動(dòng)效能較好，又使得車(chē)輛穩(wěn)定。另外，車(chē)輛縱向、側(cè)向及垂向動(dòng)力學(xué)是相關(guān)耦合的，隨著車(chē)輛性能要求的提高，綜合考慮車(chē)輛各向性能的集成控制技術(shù)已應(yīng)用車(chē)輛中，如何兼顧各項(xiàng)性能，劃分各控制區(qū)域或集成策略也成為研究的方向。

3 總結(jié)

ABS／EBD／DYC／ESP控制技術(shù)提高了車(chē)輛的制動(dòng)效能和側(cè)向穩(wěn)定性，采用輪胎模型和基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的車(chē)輛模型用于ABS／EBD／DYC／ESP控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)有利于分析結(jié)構(gòu)參數(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)、控制參數(shù)等與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和車(chē)輛性能關(guān)系；不同控制技術(shù)下的控制策略研究應(yīng)選用相應(yīng)的輪胎模型和車(chē)輛模型；控制策略包含控制變量的選擇和控制方法的選用，車(chē)輛或路面狀態(tài)參數(shù)實(shí)際值估計(jì)、目標(biāo)值確定及控制參數(shù)整定是控制策略實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)；ABS／EBD／DYC／ESP控制技術(shù)對(duì)車(chē)輛工況的適應(yīng)性和對(duì)干擾的魯棒性及集成協(xié)調(diào)策略是研究的難點(diǎn)；電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)為ABS／EBD／DYC／ESP研究帶來(lái)了新的研究熱點(diǎn)。