横摆力矩和主动前轮转向结合的车辆横向稳定性模糊控制仿真

横摆力矩和主动前轮转向结合的车辆横向稳定性模糊控制仿真 横摆力矩和主动前轮转向结合的车辆横向 稳定性模糊控制仿真 第26卷第4期 2007年12月 计算技术与自动化 ComputingTechnologyandAutomation Vo1.26.No.4 Dec.2007 文章编号:1003—6199(2007)04—0034—07 横摆力矩和主动前轮转向结合的 车辆横向稳定性模糊控制仿真 吴义虎,宋丹丹,欧林立,周丽,王翠 (长沙理工大学汽车与机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,湖南长沙410076) 摘要:提出一种基于横摆力矩和主动前轮转向相结合的车辆横向稳定性控制方法,以横摆角速度和 侧偏角为控制目标.利用前馈补偿和模糊控制产生横摆力矩和附加的前轮转角,通过控制制动力的分配以 及对转向角的修正,使车辆转向行驶时的横摆角速度和侧偏角很好地跟踪参考模型.对转向轮阶跃输入和 正弦输入两种工况分,51j进行了仿真研究,采用横摆力矩和主动前轮转向相结合控制方法,车辆转向时的瞬 态及稳态响应优于单独的横摆力矩控制, 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明该方法能有效地控制车辆横摆角速度和侧偏角,提高车辆转 向时的横向稳定性,同时能有效地减轻驾驶员操纵负担. 关键词:车辆工程;横摆力矩控制;主动前轮转向;横向稳定性;模糊控制 中图分类号:U461.6文献标识码:A ASimulationofFuzzyControltoImproveVehicleYaw StabilityCombinedYawMomentControlandActiveFrontSteering WUYi—hu,SONGDan,dan,0ULin—li,ZHOULi,WANGCui (SchoolofAutomobileandMechanicalEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410076,China) Abstract:AfuzzycontrolmethodisproposedtOimprovevehicleyawstabilitybytheintegratedcontrolofyawmomentcontrol andactivefrontsteering,Thecontrolstrategyusingfeed— forwardandfeedbackcompensatorisproposed,whichproducesdirect yawmomentandfrontsteeringangletocontrolyawrateandsideslipangle,byactivelycontrollingthefrontsteeringangleandthe distributionofbrakingforces,theintegratedcontrolsystemmakestheperformanceoftheactualvehiclemodelfollowthatofan idea1vehiclemodel,Asimulationisperformedattwodifferentconditions,theresultsshowedthatthetransientandsteadyresponse bythepresentedmethodisbetterthanthatbyDYConly,andthepresentedmethodcaneffectivelycontroltheyawrateandside slipanglesynchronously,achievegoodtransientandsteadyresponse,andatthesametimelightentheburdenofthedriver. Keywords:vehicleengineering;Yaw— momentcontrol;activefrontsteering;yawstability;fuzzycontrol 引言 汽车的横向稳定性是影响汽车高速安全行驶 的一项重要性能,影响车辆横向动力学稳定性的因 素众多,包括车辆的结构形式,参数,车辆初始运行 状态,路面附着条件和前轮转角等,因此,车辆横向 稳定性控制器的设计涉及复杂的非线性问题[1l. 目前,车辆横向稳定性的控制方法有逻辑门限控 制,PID控制,滑模变结构控制和模糊控制等.由 于控制系统的非线性,运用经典和现代控制理论设 计横向稳定控制器显得十分复杂,而采用模糊控制 的方法来研究,很大程度上解决了系统的非线性难 题.通过轮胎纵向力主动分配侧偏力矩,实现车辆 运动的直接横摆力矩控制(DirectYawMoment Contro1)被认为是最具发展前景的汽车底盘控 收稿日期:2007—08—10 基金项目:湖南省教育厅重点资助项目(03A005);湖南省自然科学基金项目 (04JJ40062) ),男,湖南永州人,教授,工学博士,研究方向:汽车电子控制作者简介:吴义虎(1962一 技术(E—mail:w2309@163.com);宋丹丹 (1983一),女,黑龙江桦南人,硕士研究生,研究方向:汽车电子控制技术. 第26卷第4期吴义虎等:横摆力矩和主动前轮转向结合的车辆横向稳定性模糊控 制仿真 制,33.直接横摆力矩控制,导致车辆横摆角速度 的稳态值降低],即横摆角速度比参考模型的小, 车辆作曲线运动时的曲率半径更大,使驾驶员必须 多打方向盘,从而造成转向困难.主动前轮转向 (ActiveFrontSteering)通过产生与前轮转角方向 相同的附加转角,使得车辆曲线运动时曲率半径变 小.因主动前轮转向能产生附加转向角来抵消直 接横摆力矩控制的不足,故在直接横摆力矩控制的 基础上,再辅助主动前轮转向,可在提高车辆的操 纵稳定性的同时J,减轻驾驶员在转弯时操作负 担. 本文提出一种将横摆力矩控制和主动前轮转 向(AFS)控制相结合的车辆横向稳定性模糊控制 方法.利用前馈和模糊控制复合控制方法,以方向盘转角为前馈输入变量,车辆横摆角速度和侧偏角 fm(改一vr)=(1+ fm(0+uY)=(Fx1+ IJj,=M+(2+Fy1)口 lJ?曲=Me—Fx?R )COS一(Fy】 )sin+(1 一 (Fy4+Fs3 一 (i=1, 为反馈输入变量,设计了车辆横向稳定性控制系 统.分别对前轮转向角阶跃输人工况和正弦输入 工况进行了仿真分析,结果表明,采用横摆力矩和 主动转向控制,能同时有效地控制车辆横摆角速度 和侧偏角,实现了对车辆侧偏角和横摆角速度的多 目标控制,提高了车辆的横向稳定性. 2车辆转向动力学模型 车辆转向运动整车动力学模型['如图1所示, 该模型包括7个自由度,分别为x,Y方向的2个平 动自由度,绕Z轴的横摆运动以及4个车轮的转 动. 模型的动力学方程为: 式中:m为整车质量;J为汽车绕z轴的转动惯量; V为汽车质心速度;"是其在z轴上的速度分量; 是其在Y轴上的速度分量;y为汽车横摆角速度;a 为汽车质心至前轴的距离;b为汽车质心至后轴的 距高;L为汽车轴距;CO为相应轮胎的转动角速 度;J为轮胎的转动惯量;Md为差速器半轴上的 输出扭矩;R为轮胎的动力学半径;Mb为轮胎受 到的制动力矩;W为轮距;M为附加控制的横摆力 T, 矩,且M=5"-(2一1+4一Fx3);质心处侧 /., 偏角=flrctflnfl. 图1汽车转向运动简化模型 车辆轮胎模型采用Gim理论模型[8],它综合 描述了轮胎的纵向力和侧向力.轮胎与路面间的纵 向力为: fFx=CS+F.(1—312.+2z),S<S 【=,S?S (2) 轮胎与路面间的横向力为: f=CSz+(1—3z+2z),S<S 【=,S?S (3) 其中,C,C为轮胎纵向,横向刚度,S,S为 纵向,横向滑移率,z=1一S,S为接触区滚动 滑动临界点,,为车轮纵,横向附着系数, 为轮胎垂直载荷,SS为滑移,侧偏临界点. 前后轮侧偏角分别为 '』.1口2?+/"一一?(4)'lIl口3=口4?一7b/u 从上述方程可以看到由于在车辆模型动力学 方程中存在有三角函数项以及交叉项,车辆模型本 身已经体现出很强的非线性特征,其中以轮胎非线 性特征对车辆系统的影响最为显着,特别是在车辆 高速,大转角的情况下,非线性表现得更为明显. 3控制系统的设计 由于前馈控制是针对系统的某种特定干扰而 计算技术与自动化2007年12月 进行的补偿,是在被控制量"未变化前"提前进行 的"超前补偿",而实际系统的干扰情况往往非常复 杂,对所有干扰因素采用前馈控制是不可能的,因 此本文采用前馈与反馈控制方法来设计车辆横向 稳定性控制器.横向稳定性控制器设计总体方案如 图2所示,主要包括3个部分:车辆参考模型,前馈 补偿控制器,模糊反馈控制器.前馈补偿控制器的 主要作用是补偿非零转向角引起的误差;模糊反 馈控制器的主要作用是使实际横摆角速度,侧偏角 与参考模型输出的期望横摆角速度,侧偏角之间的 偏差尽可能小,即车辆具有很好的跟踪性. 图2车辆横向稳定性控制系统框图 3.1用于控制器设计的车辆模型 控制器的设计采用线性的两自由度模型,该模 型考虑了车辆侧滑和横摆运动,满足车辆横向稳定 性控制器设计的要求. 模型动力学方为 卢+y)=21+2Fy( 5)}IJ=2Fyl&,2Fy3b+M一 前后轮胎的侧向力分别为 jFl一尼l(卢+y&/"一3y一?'(6) lF2=一k2(卢一Yb/u) 式中:,为前轮转角,?,为前轮转角的修正值 建立模型的状态空间方程为: j士=Az+B"+E(7)<f,l!v= 式中:z=[];"=[?M];LyjLj 2(ak1一2) " 2 B= 2k1 —— U U 2ak11 IzI: 2忌1 U 2ak1;c=[ 3.2参考模型 在正常行驶工况下,一般以汽车稳态参数为理 想值,即车辆侧偏角尽量为零,横摆角速度y对 前轮转向角的响应是一阶滞后环节,则车辆参考模 型的传递函数为_3J: L o(5)=(5);(8) 其中忌U 口+口b"~2KS1口L' Izu 建立参考模型状态空间方程 JZd=Aaxa+E …=01 1;Ea=这里A一J(9) 但是,在极限工况下,如低附着系数路面,若按 照正常工况下的参考横摆角速度模型控制,由于路 面附着力不足以产生期望的转向响应,即车辆横向 加速度a超过轮胎与路面的最大附着系数所决 定的加速度,车辆将会发生侧滑甩出现象,导致危 险发生. 这时,最大的参考横摆角速度可由下式描述 yd.=Izg/U(10) 则车辆的参考横摆角速度=min[0.Y] 3.3稳定性判断a 首先,需要判断出车辆当前的运行状态,即是 否失稳,是否需要启动车辆横向稳定性控制器,然 后才可以在正确的时刻将控制系统输出的制动力 施加相应的车轮上.即在车辆稳定时应减少对车辆 的干预,而在车辆即将失去稳定性的危险时刻又要 及时,准确的对车辆施加控制. 通过车辆参考模型与实际模型的横摆角速度 及侧偏角来判断车辆的稳定性,侧偏角控制采用相 平面的方法({B】+B2f?1),对横摆角速度的 控制采用公差带的方法(I?yI=Iy一I?ICyd I),两者一起来判定汽车动力学稳定性,只要任何 一 个条件不满足则认为汽车将失去动力学稳定性, 就要施加控制.经过大量不同条件的汽车动力学稳 定性的相平面仿真分析[?],确定Bl=4.386,B2 = 2.562,C=0.165. 3.4前馈补偿控制器 前馈补偿控制器u2]直接以前轮转角为前馈输 第26卷第4期吴义虎等:横摆力矩和主动前轮转向结合的车辆横向稳定性模糊控 制仿真 入变量,这里,我们利用前馈补偿控制器补偿非零 转向角引起的误差,则 "r=一B一(A—Ad)zd—B一(E—Ed)r (11) 3.5模糊反馈控制器 通过反复仿真模拟和参考有关文献[?,13, 设计了模糊控制器.文中设计的模糊控制器_1]的 输入变量确定为:实际横摆角速度和实际侧偏角与 参考车辆模型输出的参考横摆角速度和参考侧偏 角之间的偏差以及偏差的变化率,即e=z—z,e =2c一d;模糊控制器的输出变量为"6= ]c 模糊控制器采用在线计算模糊输出值,实现连 续调节.模糊控制器的变量的论域及输入参变量和 输出参变量的隶属函数如图3所示. (b)输出变量的隶属函数 图3输入,输出变量的隶属函数 模糊控制器的输入变量e,变量e和输出变量 "的等级均是5级.每个变量所代表的语言值为: NB为负大;NS为负小;Z0为零;PS为正小;PB为 正大. 当实际状态值远小于期望的车辆运行状态值 时,即误差e为NB,如果此时误差的变化率e也为 NB,那么为了尽快消除误差,应对车辆施加一个正 方向的较大的控制力矩_1,即此时控制量M取 正大PB,这些控制规则与人的控制过程相似,同 理,其它状态时的控制规则见表1. 本文采用横摆力矩和主动前轮转向结合的控 制方法,使得车辆响应尽可能地跟踪驾驶员转向意 须要建立使控制输入,控制输出协调工 图.因此必 作的模糊逻辑,否则逻辑上的冲突会使控制效果变 差.解决的办法是建立一个协调控制器来协调横摆 力矩和主动前轮转向控制.具体来说就是用横摆力 矩值乘上一比例系数作为模糊协调控制器的输入. 控制规则见表2. 表1M的模糊规则表 PBPSZ0NSNB PB PS ZO NS NB NB NB NB NS NS NB NB NS NS NS NB NS ZO ZO PS NS PS PS PB PB Z0 PS PB t'13 B 4仿真 为证明本文所设计控制器的有效性,分别基于两 种操纵工况进行了仿真研究.:(1)转向盘阶跃输入工 况;(2)转向盘正弦输入工况.仿真车辆基本参数如 下:m=1534kg,a=1.04m,b=1.65m,W=1.74m,j =2712kg',L=1.2kg'rn2,R=0.3075m. 表2A~f/j,的模糊规则表 M,输入?8输出 PB PS Z0 NS NB NB NS Z0 PS PB 本文设定控制力矩施加于前外轮.图4和图 5分别描述了前轮转向角阶跃输入与正弦输入随 时间变化的过程.当车辆初始速度为120km/h 时,前轮转向角在1S时阶跃输入,路面附着系数峰 值为0.5,比较车辆无控制,仅仅直接横摆力矩控 制,主动前轮转向和横摆力矩联合控制的响应,如 图6所示.没有控制器的车辆横摆角速度大幅度 地波动;采用DYC的车辆侧偏角减小了,但是横摆 角速度稳态值下降了;通过施加横摆力矩和主动前 轮转向结合的控制,车辆可以保证稳态侧偏角很小 的同时很好的跟踪了原有的横摆角速度,并且瞬态 响应也有很好的改善. 图7为阶跃输入工况施加于车辆的控制输入. 图(a)所示为DYC和AFS+DYC施加于车辆的控制 力矩对比关系.图(b)为AFS+DYC中施加于车辆的 附加前轮转角.由于附加的前轮转角方向于驾驶员 转角的方向相同,因此,AFS+DYC可以减轻驾驶员 的负担,换句话说,车辆更易操纵和控制. 计算技术与自动化2007年12月 令 昌一 辩 辑 溘 昌一 删 援 麟 甚 弓 藜 图4前轮转向角阶跃输入 时间(s) (a)横摆角速度输出 ? 辑 程 ? 援 堡 蘑 图5前轮转向角正弦输入 图6车辆阶跃输入工况动态响应 ? 曩 莲 时间(s) (b)侧偏角输出 图7阶跃输入工况施加于车辆的控制输入 当车辆初始速度为120km/h时,前轮转向角在3s 时正弦输入,比较车辆无控制,仅仅直接横摆力矩控 制,主动前转向和横摆力矩联合控制的响应,路面 附着系数峰值为0.5,如图8所示.此工况模拟实际 中的移线行驶,与单独直接横摆力矩控制(DYC)的车 辆相比,施加横摆力矩和主动前轮转向结合控制的车 辆仍可以准确的跟踪期望的横摆角速度,车辆响应速 度更快,最终的控制效果也更好.而没有控制的车辆 时间(s) (b)附加前轮转角 无法实现移线操纵,车辆失控. 图9为正弦输入工况施加于车辆的控制输入. 图(a)所示为DYC和AFS+DYC施加于车辆的控 制力矩对比关系.图(b)为AFS+DYC中施加于 车辆的附加前轮转角. 图l0为两种工况控制后车辆车速变化曲线. 施加控制后的车辆车速减小不是很大,说明施加控 制车辆可以以较大速度安全完成预期轨迹. 第26卷第4期吴义虎等:横摆力矩和主动前轮转向结合的车辆横向稳定性模糊控 制仿真 吕 Z V 磊 吕 Z V 磊 鼍V 瑙 褂 时间(s) (a)横摆角速度输出 穹 一 V 粤 露 图8车辆正弦输入工况动态响应 时间(S) (a)控制力矩 ? V 瓣 曩 莲 时间(S) (b)侧偏角输出 图9正弦输入工况施加于车辆的控制输入 5结论 时间(s) (a)阶跃输入 鼍一 瑙 褂 时间(s) (b)附加前轮转角 图lO控制后车辆车速变化曲线 车辆横向稳定性不仅与结构参数,行驶速度, 方向盘转角等有关,而且还受到路面附着系数,侧 风等很多不确定性因素的影响,横向稳定控制变 得十分复杂.针对直接横摆力矩控制在高速时车 辆横摆角速度的稳态值降低,直接横摆力矩控制造 成转向困难这一问题,提出了一种将横摆力矩控制 和主动前轮转向控制相结合的车辆横向稳定性模 糊控制方法.通过对转向角的修正以及控制制动 力的分配,使实际车辆很好的跟踪参考模型.分别 对前轮转向角阶跃输入工况和正弦输入工况进行 了仿真分析,得到如下结论: 1)采用横摆力矩控制和主动前轮转向控制相 结合的车辆横向稳定性控制,能有效的控制车辆横 摆角速度和侧偏角,同时由于采用模糊控制,增强 了控制系统的鲁棒性.而且,即使较大的前轮转 计算技术与自动化2007年12月 角,车辆输出仍然能较精确的跟踪参考车辆的期望 输出. 2)与单独的直接横摆力矩控制相比,横摆力矩 和主动前轮转向组合控制在有效地减少车辆质心 侧偏角的同时,使车辆横摆角速度精确的跟踪期望 的横摆角速度,能提高车辆主动安全性,减轻驾驶 员的操纵负担. 参考文献 [1]H.E.Tseng,D.Madau,B.Ashrafi,T.Brown,D.Reckei.Tech- nicalChallengesintheDevdopmemofVehideStabilityControlSys- temProceedingsofthe1999DEEInternationalC?fer?ceonCantml ApplicationsKohalaCoast—IslandofHawai'i,Hawsi'i[j].USAAu. gust22—21,1999. [2]MasatoAbe,YoshioKano,KazuasaSuzuki,YasujiShibahata,Yoshi- miFurukawaSide—slipcontroltostabilizevehiclelateralmotionbydi— rectyawmoment[J]JSAEReview22(2001)413—419. [3]MotokiShino,Nagai.Yaw—nqoro~tcontrolofdectricvehicle forimprovinghandl~andstability[J].JSAEReview22,2001,473— 480. [4]祁永宁,陈南,李普.四轮转向车辆的直接横摆力矩控制[J].东 南大学:自然科学版,2004.7,34(04). [5]余卓平,赵治国,陈慧.主动前轮转向对车辆操纵稳定性能的影 响[J].中国机械工程,2004.4,16(07). [6]晏蔚光,毋茂盛等.一种基于横摆力矩和主动前轮转向控制的制 动稳定性控制方法[J].北京科技大学,2005.8,27(04). [7]郭孔辉.汽车操纵动力学[M].吉林:吉林科学技术出版社,1991. [8]GinlGandNikraveshPE.AnAnalydcalStudyofPneumaticTypes forVehicleDyl~CSimulations.Part2:ComprehensiveSlips[JJ.In— ternatiormlJournalofVehiclel~ign.1995:12(1)19—39 [9]KenKoibuchi,MasaldYamamoto,YoshikiFukada,eta1.VehicleSta一 tycontrolinlimitcomeringbyactivebrake[J],SAE,1996,960487: 555—564 [10]HattoriY.optimumvehicledynamicscontrolbasedonfiredrivingand brakingforcesR&DReviewofToyotaCRDL,2003,38(4):23—29. [11]~hongPark,Seung—JinHm,Inhobaek.Controllerdesignforim- provinglateralvehicledynamicstability[J].JSAEPaper,2001, 20014501:481,486. [12]MasaoNagai,MotokiShino,FengGao.Studyonintegratedcontrolof activefrontsteerangleanddirectyawmoment[J].JSAEReview23 (2002)309—315. [13]Katsuyama,E.,Fukushima,N.ImprovementofTurningbehavior UsingYawM~mentFeedbackControlStrategy[J].JSAEPaper2000, 2O0o5171:467,474. [14]FlauofiY,Koibuchik,YokoyamaT.ForceandMom~tControlwith NonlinearOptimumDistributionforVehicleDymmics[J].AVEC2002 (2002):595—600. [15]张国良,曾静,等.模糊控制及其MATLAB应用[M].西安:西安 交通大学出版社,2002. [16]冯金芝,等.基于混合仿真技术的车辆横向稳定性[J].汽车工程, 2004(2)P187—192. (上接第27页) I…'l…'I…'?….-… .二一一-':一.一 ' 1-J'一;…—i一一;一… 一一_-一一 r?一_ 2 图3日照强度突变时的实验结果图 5结论 将补偿神经网络理论用于光伏电池最大功率 点的控制,具有收敛速度快的特点,在外界环境剧 烈变化的情况下能够快速的跟踪光伏电池的最大 功率点,并且能够克服最大功率点附近的功率震荡 现象,由于模糊控制本身具有鲁棒性L8j,因此在 系统参数发生变化时,仍具有较好的控制效果. 参考文献 [1]赵争鸣,刘建政,孙晓瑛.太阳能光伏发电及其应用[M].北 京:科学出版社,2005 [2]陆文乐,袁庆丰,孙忠峰,李桂琴.模糊神经网络在电火花线 切割加工中的应用[J].机械设计与制造,2007.4. [3]HohmDP,RoppMEComparativestudyofmaximumpower pointtrackingalgorithmsusinganexperimental,programmable, maximumpowerpointtrackingtestbed[J].IEEE28thPhoto- voltaicSpecialistsConference,Anchorage,2000:1699—1702. [4]王松.一种基于神经网络的光伏电源最大功率控制系统[J]. 电工技术,2005.10. [5]闻新,周露,李翔,张宝伟.matlab神经网络仿真及应用[M]. 北京:科学出版社,2003. [6jSimilesMG,FranceschettiNN,FriedhoferMFuzzylogic basedphotovohaicpeakpowertrackingcontrol[J].ProcIEEE ConfInternationalSymposiumonIndustriaElectronics,Preto. ria,1998:300—305. [7]吴晓莉,林哲辉,等.MATLAB辅助模糊系统设计[M].西安: 西安电子科技大学出版社,2002. [8]李晓忠.模糊神经网络[M3.贵阳:贵州科技出版社,1994. [9]王仕同.模糊系统,模糊神经网络及应用程序设计[M].上 海:上海科学技术文献出版社,1998.