張祥琨， 胡君穎， 柯 栒， 池 雪， 程 前

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司， 湖北 武漢 430200）

車輛穩(wěn)定性的控制通常是針對車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并且主動地干預(yù)汽車行駛，很大程度上提高了汽車的安全性[1-2]。

隨著汽車趨向智能化，制動性能更優(yōu)越的線控制動系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)[3]。因此，有必要在集成式電液制動系統(tǒng)（Integrated-Electro-Hydraulic Brake system，，IEHB） 的基礎(chǔ)上對穩(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)行機構(gòu)，從而實現(xiàn)車輛穩(wěn)定性控制。

車輛的穩(wěn)定性控制具有非線性、相互耦合且較復(fù)雜的特點，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)的非線性問題時比較有效，但是滑?？刂拼嬖诘亩墩駟栴}也不容忽視[4]。因此，設(shè)計一種模糊滑模聯(lián)合控制器獲得所需的附加橫擺力矩，通過模糊控制輸出滑模控制的切換增益，有效地消除系統(tǒng)的抖振，提高車輛的轉(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)型簡單可靠的新型線控液壓制動系統(tǒng)，能夠較好地完成ESC、ABS等輔助駕駛功能的制動需求[5]。

圖1 IEHB系統(tǒng)原理圖

其主要由以下4個部分組成。

1） 踏板模擬單元：模擬踏板感并通過踏板行程傳感器識別制動意圖。

2） 電動主缸單元：通過電機帶動減速增矩機構(gòu)來推動主缸推桿建立主缸壓力。

3） 液壓調(diào)節(jié)單元：通過調(diào)節(jié)增壓閥（常開閥） 與減壓閥（常閉閥） 的開度和電動泵來調(diào)節(jié)各個輪缸壓力。

4） 系統(tǒng)控制器：根據(jù)駕駛員的制動意圖或上層控制器發(fā)出的主動制動指令對系統(tǒng)實施控制。

IEHB系統(tǒng)的工作原理如下：IEHB系統(tǒng)在增壓時，永磁同步電機正轉(zhuǎn)帶動由二級齒輪和滾珠絲杠組成的減速增矩機構(gòu)實現(xiàn)直線運動，從而推動主缸推桿前進(jìn)以建立主缸壓力，液壓調(diào)節(jié)單元（HCU） 中的增壓閥開啟，減壓閥和電動泵都關(guān)閉，使制動輪缸通過增壓閥進(jìn)行增壓；保壓時，助力電機停止動作使主缸壓力不變，HCU中的增壓閥、減壓閥和電動泵都關(guān)閉，維持輪缸壓力不變；減壓時，助力永磁同步電機反轉(zhuǎn)帶動主缸推桿后退，HCU中的增壓閥關(guān)閉，減壓閥開啟，電動泵（柱塞泵和泵電機） 進(jìn)行工作，使輪缸里的制動液流到低壓蓄能器中，從而實現(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轉(zhuǎn)角位置。①針對永磁同步電機設(shè)計位置-轉(zhuǎn)速-電流三閉環(huán)PI控制，建立期望的主缸壓力；②輪缸壓力由多個控制器聯(lián)合調(diào)控，對于增壓閥采用查表法PID控制；③對于減壓閥采用模糊控制；④對于電動泵采用邏輯門限值控制，從而實現(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為制動輪缸期望壓力，pm_d為主缸期望壓力，pw為制動輪缸實際壓力，pm為主缸實際壓力。

圖2 IEHB系統(tǒng)控制框架

2 汽車動力學(xué)建模

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

線性二自由度車輛模型輸入和輸出響應(yīng)特性良好，故選擇二自由度車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)，并考慮汽車輪胎與路面摩擦力的約束條件，得到汽車運動二自由度的線性微分方程[7]。

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

3 車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)設(shè)計

針對汽車轉(zhuǎn)向，設(shè)計了一個基于IEHB的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，以橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的實際值與期望值作為控制輸入，設(shè)計模糊滑模聯(lián)合控制器輸出主動的附加橫擺力矩，并通過單輪差動制動的方式來實現(xiàn)附加橫擺力矩，從而使得車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

采用擴展卡爾曼濾波（EKF） 對質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行在線參數(shù)估計，在車輛線性二自由模型的基礎(chǔ)上增加一個縱向運動自由度，從而建立一個車輛三自由度模型。二自由度車輛模型的橫向、橫擺運行動力學(xué)公式如式（1）和式（2）所示，對于三自由度模型，新增的縱向運動學(xué)公式如下[8]：

因此，針對上述車輛動力學(xué)模型可得本文的估計算法過程如下[9]。

可通過不計噪聲的影響來獲取k時刻的觀測向量和狀態(tài)向量的估算值，簡化建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測方程：

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

將上式改寫為擴展卡爾曼濾波方程。

1） 狀態(tài)方程：

3.2 滑?？刂破髟O(shè)計

滑模變結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隨時間改變，使得被控系統(tǒng)在滑模面附近穩(wěn)定，并通過切換函數(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

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)離滑動面時取較大值，接近滑動面時取較小值，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的值來估計Kr，β，當(dāng)S的絕對值較大時，Kr，β較大，當(dāng)S的絕對值較小時，Kr，β較小，當(dāng)S趨于0時，Kr，β為0，即僅用等效控制來減少甚至消除抖振。

系統(tǒng)輸入輸出的模糊集分別定義如下：

3.4 附加橫擺力矩的實現(xiàn)策略

得出附加橫擺力矩后通過制動車輪選擇和制動壓力計算模塊得到對被控車輪所需施加的輪缸壓力。

單個車輪制動的優(yōu)點是對汽車的沖擊較小，對運動性能通常沒有影響[12]。由于不同車輪在相同制動力下對車輛橫擺特性的影響不同，故選擇高效車輪進(jìn)行單輪差動制動。相關(guān)的選擇策略見表1。

表1 整車參數(shù)

式中：f——摩擦系數(shù)；A——接觸面積；rw——制動車輪等效半徑；pw——輪缸壓力（其中假設(shè)汽車各個車輪的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，對雙移線工況進(jìn)行了仿真實驗，分別分析了在有無控制器作用下的車輛橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的響應(yīng)特性，并觀測了輪缸制動壓力的跟隨情況。

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），方向盤轉(zhuǎn)角如圖5所示，轉(zhuǎn)向比取20，仿真時間10s。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 雙移線工況方向盤轉(zhuǎn)角

圖6a和圖6b分別為在雙移線工況下有無控制器作用的車輛質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度的響應(yīng)結(jié)果。從圖6a和6b中有無控制器作用的對比可以看出：以較高的車速來回打方向盤使汽車路線為雙移線時，沒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，這很可能會導(dǎo)致側(cè)滑失穩(wěn)和偏離期望軌跡。而處于控制時，汽車橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角可以較好地跟隨期望值而不出現(xiàn)超調(diào)，說明被控車輛具有較高的穩(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制動的局限性，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)的是控制過程中4個輪缸壓力的變化，圖6d中則是其中左前輪的實際壓力對期望壓力的跟隨情況，由仿真結(jié)果可以看出，IEHB系統(tǒng)可以較好地實現(xiàn)車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)發(fā)出的制動需求，并且4個輪缸壓力的變化與車輛行駛狀態(tài)變化相符，說明了基于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)偏角對比圖

另外，從圖中綜合來看，仿真結(jié)果也沒有出現(xiàn)抖振問題，說明模糊滑模聯(lián)合控制對消除抖振具有良好的作用。

5 結(jié)論

為提高車輛在轉(zhuǎn)向工況下的穩(wěn)定性，設(shè)計一種模糊滑模聯(lián)合控制器。通過擴展卡爾曼濾波進(jìn)行質(zhì)心側(cè)偏角的估計，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，以單輪差動制動方式施加到被控車輪。以所設(shè)計的IEHB系統(tǒng)及其控制器作為底層執(zhí)行機構(gòu)，利用聯(lián)合仿真平臺對所提出的壓力控制與車輛穩(wěn)定性控制策略在雙移線工況下進(jìn)行了仿真實驗。結(jié)果表明：所設(shè)計的IEHB系統(tǒng)壓力控制器能夠較好地實現(xiàn)壓力跟蹤，并驗證了所提出的基于IEHB系統(tǒng)的車輛穩(wěn)定性控制策略的有效性與合理性。