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        基于IEHB 系統(tǒng)的車(chē)輛穩(wěn)定性控制研究

        2022-12-28 08:04:38張祥琨胡君穎
        汽車(chē)電器 2022年11期
        關(guān)鍵詞:輪缸偏角角速度

        張祥琨, 胡君穎, 柯 栒, 池 雪, 程 前

        (上汽通用汽車(chē)有限公司武漢分公司, 湖北 武漢 430200)

        車(chē)輛穩(wěn)定性的控制通常是針對(duì)車(chē)輛的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角,將其進(jìn)行控制并跟蹤期望值,能在多種工況下及時(shí)并且主動(dòng)地干預(yù)汽車(chē)行駛,很大程度上提高了汽車(chē)的安全性[1-2]。

        隨著汽車(chē)趨向智能化,制動(dòng)性能更優(yōu)越的線控制動(dòng)系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)[3]。因此,有必要在集成式電液制動(dòng)系統(tǒng)(Integrated-Electro-Hydraulic Brake system,,IEHB) 的基礎(chǔ)上對(duì)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)進(jìn)行研究,以IEHB系統(tǒng)及其控制器作為底層執(zhí)行機(jī)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛穩(wěn)定性控制。

        車(chē)輛的穩(wěn)定性控制具有非線性、相互耦合且較復(fù)雜的特點(diǎn),傳統(tǒng)的控制方法如PID控制、模糊控制等控制效果都不是很令人滿意?;?刂齐m然在解決系統(tǒng)的非線性問(wèn)題時(shí)比較有效,但是滑??刂拼嬖诘亩墩駟?wèn)題也不容忽視[4]。因此,設(shè)計(jì)一種模糊滑模聯(lián)合控制器獲得所需的附加橫擺力矩,通過(guò)模糊控制輸出滑??刂频那袚Q增益,有效地消除系統(tǒng)的抖振,提高車(chē)輛的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。

        1 IEHB系統(tǒng)組成及其控制器

        本文所采用的IEHB系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)是一種集成度高且構(gòu)型簡(jiǎn)單可靠的新型線控液壓制動(dòng)系統(tǒng),能夠較好地完成ESC、ABS等輔助駕駛功能的制動(dòng)需求[5]。

        圖1 IEHB系統(tǒng)原理圖

        其主要由以下4個(gè)部分組成。

        1) 踏板模擬單元:模擬踏板感并通過(guò)踏板行程傳感器識(shí)別制動(dòng)意圖。

        2) 電動(dòng)主缸單元:通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)減速增矩機(jī)構(gòu)來(lái)推動(dòng)主缸推桿建立主缸壓力。

        3) 液壓調(diào)節(jié)單元:通過(guò)調(diào)節(jié)增壓閥(常開(kāi)閥) 與減壓閥(常閉閥) 的開(kāi)度和電動(dòng)泵來(lái)調(diào)節(jié)各個(gè)輪缸壓力。

        4) 系統(tǒng)控制器:根據(jù)駕駛員的制動(dòng)意圖或上層控制器發(fā)出的主動(dòng)制動(dòng)指令對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制。

        IEHB系統(tǒng)的工作原理如下:IEHB系統(tǒng)在增壓時(shí),永磁同步電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)由二級(jí)齒輪和滾珠絲杠組成的減速增矩機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng),從而推動(dòng)主缸推桿前進(jìn)以建立主缸壓力,液壓調(diào)節(jié)單元(HCU) 中的增壓閥開(kāi)啟,減壓閥和電動(dòng)泵都關(guān)閉,使制動(dòng)輪缸通過(guò)增壓閥進(jìn)行增壓;保壓時(shí),助力電機(jī)停止動(dòng)作使主缸壓力不變,HCU中的增壓閥、減壓閥和電動(dòng)泵都關(guān)閉,維持輪缸壓力不變;減壓時(shí),助力永磁同步電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)主缸推桿后退,HCU中的增壓閥關(guān)閉,減壓閥開(kāi)啟,電動(dòng)泵(柱塞泵和泵電機(jī)) 進(jìn)行工作,使輪缸里的制動(dòng)液流到低壓蓄能器中,從而實(shí)現(xiàn)輪缸快速減壓。

        該IEHB系統(tǒng)的壓力控制策略主要采用以下控制方法。

        主缸壓力控制器采用單神經(jīng)元PID控制,得到期望的助力電機(jī)轉(zhuǎn)角位置。①針對(duì)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)位置-轉(zhuǎn)速-電流三閉環(huán)PI控制,建立期望的主缸壓力;②輪缸壓力由多個(gè)控制器聯(lián)合調(diào)控,對(duì)于增壓閥采用查表法PID控制;③對(duì)于減壓閥采用模糊控制;④對(duì)于電動(dòng)泵采用邏輯門(mén)限值控制,從而實(shí)現(xiàn)由主缸到輪缸的IEHB系統(tǒng)整體壓力精確控制。

        IEHB系統(tǒng)控制框架如圖2所示,其中,pw_d為制動(dòng)輪缸期望壓力,pm_d為主缸期望壓力,pw為制動(dòng)輪缸實(shí)際壓力,pm為主缸實(shí)際壓力。

        圖2 IEHB系統(tǒng)控制框架

        2 汽車(chē)動(dòng)力學(xué)建模

        在Simulink軟件中搭建控制器的模型,與CarSim整車(chē)模型協(xié)同仿真,車(chē)輛模型準(zhǔn)確,仿真結(jié)果真實(shí)有效[6],在CarSim中選取某B型乘用車(chē)作為整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型。

        線性二自由度車(chē)輛模型輸入和輸出響應(yīng)特性良好,故選擇二自由度車(chē)輛模型作為參考模型,將中性轉(zhuǎn)向條件下得到的質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度作為標(biāo)準(zhǔn),并考慮汽車(chē)輪胎與路面摩擦力的約束條件,得到汽車(chē)運(yùn)動(dòng)二自由度的線性微分方程[7]。

        由于側(cè)向加速度ay不能超過(guò)轉(zhuǎn)向時(shí)輪胎與地面的最大附著系數(shù),即ay=ωrd·u

        3 車(chē)輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        針對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向,設(shè)計(jì)了一個(gè)基于IEHB的車(chē)輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng),以橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的實(shí)際值與期望值作為控制輸入,設(shè)計(jì)模糊滑模聯(lián)合控制器輸出主動(dòng)的附加橫擺力矩,并通過(guò)單輪差動(dòng)制動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)附加橫擺力矩,從而使得車(chē)輛具有良好的行駛軌跡和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性,ESC系統(tǒng)控制框架如圖3所示。

        圖3 ESC系統(tǒng)控制框架

        3.1 質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)

        采用擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF) 對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行在線參數(shù)估計(jì),在車(chē)輛線性二自由模型的基礎(chǔ)上增加一個(gè)縱向運(yùn)動(dòng)自由度,從而建立一個(gè)車(chē)輛三自由度模型。二自由度車(chē)輛模型的橫向、橫擺運(yùn)行動(dòng)力學(xué)公式如式(1)和式(2)所示,對(duì)于三自由度模型,新增的縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)公式如下[8]:

        因此,針對(duì)上述車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型可得本文的估計(jì)算法過(guò)程如下[9]。

        可通過(guò)不計(jì)噪聲的影響來(lái)獲取k時(shí)刻的觀測(cè)向量和狀態(tài)向量的估算值,簡(jiǎn)化建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程:

        式中:x(k)——狀態(tài)變量;u(k)——控制變量;y(k)——測(cè)量輸出;w(k)——系統(tǒng)噪聲;v(k)——測(cè)量噪聲。其中,w(k)與v(k)相互獨(dú)立。

        將上式改寫(xiě)為擴(kuò)展卡爾曼濾波方程。

        1) 狀態(tài)方程:

        3.2 滑??刂破髟O(shè)計(jì)

        滑模變結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隨時(shí)間改變,使得被控系統(tǒng)在滑模面附近穩(wěn)定,并通過(guò)切換函數(shù)的作用使被控系統(tǒng)收斂到滑模面上[10]。以橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為控制變量,橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的實(shí)際值與期望值之間的誤差分別為:

        式中:Kr,β——橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角共同控制的滑模切換增益,且Kr,β>0。

        3.3 模糊滑??刂破髟O(shè)計(jì)

        在滑模控制器中,系統(tǒng)的抖振振幅通常與切換增益Kr,β成正比[11]。如果切換增益Kr,β可以自適應(yīng)地調(diào)整,在遠(yuǎn)離滑動(dòng)面時(shí)取較大值,接近滑動(dòng)面時(shí)取較小值,在到達(dá)滑模面上取零,即只采用等效控制,就可以有效地減少抖振。

        因此,采用模糊規(guī)則根據(jù)滑模變量S的值來(lái)估計(jì)Kr,β,當(dāng)S的絕對(duì)值較大時(shí),Kr,β較大,當(dāng)S的絕對(duì)值較小時(shí),Kr,β較小,當(dāng)S趨于0時(shí),Kr,β為0,即僅用等效控制來(lái)減少甚至消除抖振。

        系統(tǒng)輸入輸出的模糊集分別定義如下:

        3.4 附加橫擺力矩的實(shí)現(xiàn)策略

        得出附加橫擺力矩后通過(guò)制動(dòng)車(chē)輪選擇和制動(dòng)壓力計(jì)算模塊得到對(duì)被控車(chē)輪所需施加的輪缸壓力。

        單個(gè)車(chē)輪制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)汽車(chē)的沖擊較小,對(duì)運(yùn)動(dòng)性能通常沒(méi)有影響[12]。由于不同車(chē)輪在相同制動(dòng)力下對(duì)車(chē)輛橫擺特性的影響不同,故選擇高效車(chē)輪進(jìn)行單輪差動(dòng)制動(dòng)。相關(guān)的選擇策略見(jiàn)表1。

        表1 整車(chē)參數(shù)

        式中:f——摩擦系數(shù);A——接觸面積;rw——制動(dòng)車(chē)輪等效半徑;pw——輪缸壓力(其中假設(shè)汽車(chē)各個(gè)車(chē)輪的f、A均相同)。

        4 聯(lián)合仿真分析

        在CarSim與Simulink聯(lián)合仿真環(huán)境中搭建的系統(tǒng)模型如圖4所示。在低附著系數(shù)的路面下,對(duì)雙移線工況進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),分別分析了在有無(wú)控制器作用下的車(chē)輛橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的響應(yīng)特性,并觀測(cè)了輪缸制動(dòng)壓力的跟隨情況。

        圖4 ESC系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

        仿真條件:初始車(chē)速20m/s,濕滑的水泥路面(路面附著系數(shù)設(shè)置為0.4),方向盤(pán)轉(zhuǎn)角如圖5所示,轉(zhuǎn)向比取20,仿真時(shí)間10s。仿真結(jié)果如圖6所示。

        圖5 雙移線工況方向盤(pán)轉(zhuǎn)角

        圖6a和圖6b分別為在雙移線工況下有無(wú)控制器作用的車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度的響應(yīng)結(jié)果。從圖6a和6b中有無(wú)控制器作用的對(duì)比可以看出:以較高的車(chē)速來(lái)回打方向盤(pán)使汽車(chē)路線為雙移線時(shí),沒(méi)有控制的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角都出現(xiàn)了較大的超調(diào)量,這很可能會(huì)導(dǎo)致側(cè)滑失穩(wěn)和偏離期望軌跡。而處于控制時(shí),汽車(chē)橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角可以較好地跟隨期望值而不出現(xiàn)超調(diào),說(shuō)明被控車(chē)輛具有較高的穩(wěn)定性,可以較好地接近駕駛員的期望。但是,質(zhì)心側(cè)偏角的實(shí)際值與參考值仍有一定的差異和滯后性,這也反映了使用單輪差動(dòng)制動(dòng)的局限性,只能在提高穩(wěn)定性方面起到一定的改善作用。

        圖6c中體現(xiàn)的是控制過(guò)程中4個(gè)輪缸壓力的變化,圖6d中則是其中左前輪的實(shí)際壓力對(duì)期望壓力的跟隨情況,由仿真結(jié)果可以看出,IEHB系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)車(chē)輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)發(fā)出的制動(dòng)需求,并且4個(gè)輪缸壓力的變化與車(chē)輛行駛狀態(tài)變化相符,說(shuō)明了基于IEHB系統(tǒng)的ESC控制器的有效性與合理性。

        圖6 正弦輸入下的質(zhì)心側(cè)偏角對(duì)比圖

        另外,從圖中綜合來(lái)看,仿真結(jié)果也沒(méi)有出現(xiàn)抖振問(wèn)題,說(shuō)明模糊滑模聯(lián)合控制對(duì)消除抖振具有良好的作用。

        5 結(jié)論

        為提高車(chē)輛在轉(zhuǎn)向工況下的穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)一種模糊滑模聯(lián)合控制器。通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波進(jìn)行質(zhì)心側(cè)偏角的估計(jì),以質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度為控制變量,采用模糊滑模控制得到附加橫擺力矩,以單輪差動(dòng)制動(dòng)方式施加到被控車(chē)輪。以所設(shè)計(jì)的IEHB系統(tǒng)及其控制器作為底層執(zhí)行機(jī)構(gòu),利用聯(lián)合仿真平臺(tái)對(duì)所提出的壓力控制與車(chē)輛穩(wěn)定性控制策略在雙移線工況下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的IEHB系統(tǒng)壓力控制器能夠較好地實(shí)現(xiàn)壓力跟蹤,并驗(yàn)證了所提出的基于IEHB系統(tǒng)的車(chē)輛穩(wěn)定性控制策略的有效性與合理性。

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