混合电动汽车转向制动稳定协同控制方法仿真

第37卷第7期计算机仿真2020年7月文章编号：1006-9348(2020)07-0183-04
混合电动汽车转向制动稳定协同控制方法仿真
章德平
(武汉轻工大学机械工程学院，湖北武汉430048)
摘要:针对传统的混合电动汽车转向制动稳定协同控制方法中，普遍存在着控制完成时间较长、成本消耗较大等问题。

提出 一种基于2自由度调节器的混合电动汽车转向制动稳定协同控制方法。

通过对电动汽车进行分析，利用黑板规则根据混合 电动汽车转向系统中的车轮状态和整车状态进行任务协同，得到混合电动汽车转向制动稳定的期望参考值;通过2自由度 调节器将汽车转向跟随控制和抗扰控制分离，以转向制动稳定期望值为目标，对转向制动控制参数进行优化，完成控制。

实验结果表明，所提方法控制完成时间较短、成本消耗较低，具有一定的应用性。

关键词：混合电动汽车;转向制动稳定;协同控制；自由度
中图分类号:TP393.09 文献标识码：B
Simulation of Steering Brake Stability Cooperative Control
Method for Hybrid Electric Vehicles
ZHANG De-ping
(Department of Mechanical Engineering,W u h a n Polytechnic University,Wuha n H u b e i430048, China)
A B S T R A C T：In the traditional cooperative control method,the control completion time i s long and cost consumption
i s high.Therefore,a coordinative control method for steering and braking stability of hybrid electric vehicle based on
two-degrees-of-freedom regulator was proposed.After analyzing the electric vehicle,we used the blackboard rule to coordinate the task according to the wheel state and the vehicle state in the hybrid electric vehicle steering system.
A n d then,we got the expected reference value of steering and braking stability of hybrid electric vehicle.Moreover,
w e used the two-degrees-of-freedom regulator to separate the following control of vehicle steering from the anti-inter­ference control.Based on the expected value of steering and braking stability,steering and braking control parameters were optimized to achieve the control.Simulation results show that the proposed method has shorter control completion time and lower cost.I t has certain applicability.
K E Y W O R D S：Hybrid electric vehicle；Steering brake stability；Cooperative control；Degree of freedom
i引言
依附着我国经济的迅速发展，混合电动汽车的动力性能 也在不断提高，与此同时对混合电动汽车行驶稳定性和转向 制动的安全性的要求也日益提升。

混合电动汽车的运动状 态较为复杂，受轮胎与地面之间摩擦力这种非线性因素的影 响,当混合电动汽车在冰雪路面行驶或是执行高速避让时进 行紧急制动,会出现车轮抱死促使制动距离过长，导致电动 汽车车身失去方向控制能力，严重威胁到汽车乘客和路人的 人身安全。

为此,必须要对混合电动汽车转向制动稳定性进 行协同控制。

当前的控制方法还不够完善，普遍存在着控制 完成时间较长、成本消耗较大等问题。

针对上述情况，研究
基金项目：国家自然科学青年基金(51704221)
收稿日期:2018-12-05修回日期:2019-02-19一种高效、准确的控制方法成为当今社会亟待解决的问题。

文献[6]提出一种基于动力学瞬时转向的4W I S电动汽 车转向控制方法。

该方法通过对电动汽车瞬时转向中心进 行求解，获取电动汽车各个车轮运动误差，根据动力学计算 得到电动汽车四个车轮转向角与参考模型之间的关系，构建 电动汽车转向控制系统，对各个车轮进行同时跟踪，提高了 转向制动控制系统的响应速度。

但是控制所需成本消耗较 大。

文献[7]提出一种基于分布式驱动电动汽车的差动助力 转向控制方法。

该方法根据电动汽车的车速和转向盘转角 获取参考转向盘力矩，以此为目标设计助力转向控制方法，改善电动车辆的转向制动性能，但是控制所需时间过长。

文 献[8]提出一种基于模糊理论的4W I D电动汽车横向稳定性 控制方法。

该方法利用模糊理论设计出电动汽车整车横摆 角速度和中心侧偏角，设计以横摆角速度和中心侧偏角为控
—183—
制变量的模糊控制器，并根据耦合协调控制方法产生电动汽 车横摆力矩，以横摆力矩的大小,设定一个阈值，通过该阈值 来判断电动车辆失控状态,对其进行控制。

该方法具有一定 的稳定性，但是控制成本消耗较大。

针对上述问题,提出一种基于2自由度调节器结构的电 动汽车转向制动稳定协同控制方法。

实验结果表明，所提方 法控制完成时间较短、成本消耗较低。

2方法
2.1获取制动稳定的期望值
通过对电动汽车进行分析,利用黑板规则根据混合电动 汽车转向系统中的车轮状态和整车状态进行任务协同，得到 混合电动汽车转向制动稳定的期望参考值，具体过程如下：混合电动汽车车辆横摆角速度和期望值为车辆中心偏侧角和期望值为则影响混合电动汽车稳定性的最大状态量为r和办,当『失调或者;3较大时，都会导致混合电动 汽车出现失控的现象，偏离原来的轨道，为了使混合电动汽 车在转向制动过程中一直保持稳定的状态，混合电动汽车转 向制动控制目标是为了让混合电动汽车实际偏侧角精确跟 踪期望值氏=〇,让混合电动汽车实际横摆角精确跟踪期望 值Q。

当混合电动汽车正常行驶时，只要前轮转向和四轮制 动，则忽略汽车转向和悬架的影响，利用下式给出车辆模型
式中J
X = A X + B U(1) [p y V,U = S,A
kx + h2ak' + bk2^
mv mv2
akx+ bk2a2hx+ b2k2
1 T v
S= 和卜分别代表混合电动汽车前轮和后轮'■m v I J
的侧偏特征参数，是一个不能够确定的变化参量^代表混合 电动汽车行驶速度,3代表前轮主动转向角，a代表汽车中心 到前轮轮轴的距离,6代表电动汽车中心到后轮轮轴的距离, m代表混合电动汽车质量,/代表转动惯量，混合电动汽车中 心侧偏角/3。

选取混合电动汽车四轮转向模型作为参考模型，则期望
状态变量为
n r(2)以式(2)为基础,构建参考模型状态空间方程
X,= Ad X d + (3)
式中，办代表汽车转向盘输人到汽车前轮的转向角。

混合电动汽车整车系统可以用二元组1S，&丨来表示，利用式(4)和式(5)来表示整车实际状态与期望状态的表达 式
S = [u/3y]T(4)
~ [u j Pd"Y d](5)式中，S代表汽车的运行状态,S d代表汽车的期望状态。

—184 —
根据混合电动汽车实际状态与期望状态之间的差异，按 照比例控制方法产生电动汽车整车横摆力矩阵需求为
M a d=(6)
式中，r,代表通过协同控制器调整整车转向任务。

为了保证混合电动汽车操作具有良好的稳定性能，利用
下式给出性能指标函数：
I
J = j(E TQ E + M T2dR M2J)dt(7)
式中，£代表混合电动汽车转向制动误差向量，(?和均代表正矩阵。

根据式(6)得到电动汽车整车横摆力矩阵，将其作为期 望命令，通过电动汽车主动前向转轮控制整车实际横摆力矩 阵，精确跟踪整车期望值。

将混合电动汽车每个车轮滑移率作为期望值，利用路面 模型滑移率的关系式为
/i(A)= /4x sin|B x arctan[C x A - D] |(8)式中,>4、B、C、fl代表待定系数。

通过混合电动车每个车轮制动的实际滑移率精确跟踪 车轮最佳滑移率。

在控制电动汽车主动前轮转向时，将式 (6)得到的期望横摆力矩阵分配到每一个车轮上，在由车轮 制动进行实现，其表达式
~f = = M y W(9) 2.2 转向制动稳定协同控制方法
通过2自由度调节器将混合电动汽车转向跟随控制和 抗扰控制进行分离，以期望值为目标，对转向制动控制参数 进行优化，完成控制，具体过程如下：
假设，混合电动汽车跟随控制器和抗扰控制器的输出分 别用U/和％进行表示,则两者之间满足的关系式为
u = u, + i t t(1〇)根据混合电动汽车跟随控制器补偿非零转向角所导致 的误差，得到
u f =-B-'[(A-Ad)xd + (£-£,)](11)将式（10)和式（11)代人参考模型中，整理可得
e = Ae + But + (12)
混合电动汽车外部扰动函数为z = A,则增广系统状态 方程为
H = A r+Bub + He(13)
-Z-
由混合电动汽车系统镇定补偿器与受控系统所构成的 闭环系统，按照期望配置极点，代人到式（13)的方程中，可 求出镇定矩阵
K a= B~'N(14)混合电动汽车纵向运动方程为
m(vx-vy y)= (Fx l+ F^cosS, +⑴）
-(^«i+ Fa)sin5i
考虑到电动汽车前轮转向角相对较小时，〜蛑《1，sinA代人式（15)中，即：
I=去[d r l +)s丨]+ ★(16)
在电动汽车转向制动过程中，制动控制系统在保证电动 汽车转向制动稳定性的同时，应保证转向制动的距离尽量达 到最短，则优化性能指标为：
I
J = jvx dt(17)
*〇
转向制动约束条件为：
(18)
混合电动汽车车轮侧偏力和侧偏角之间存在着非线性
关系，当车轮侧偏角的值大于设定好的数值时，侧偏力会出 现饱和的状态。

为了降低控制难度，需要将侧偏角的值控制 在设定好的数值范围内，在控制器中，当混合电动汽车车轮 侧偏力大于车轮侧偏饱和值，则需要控制前轮侧偏角饱和值 所对应的数值，得到优化后的参数为：
-^a f «(19)
3实验与仿真证明
为了验证所提基于2自由度调节器结构的电动汽车转 向制动稳定协同控制方法的综合性能，需要进行一次实验,实验在W i n d o w s操作系统，内存4G仿真软件Matlab2013下 进行，仿真平台为Cloudsim的实验环境下进行。

将所提方法 与基于动力学瞬时转向的4W I S电动汽车转向控制方法、基 于分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法进行对比 实验，实验结果如下所示。

将所提方法与基于动力学瞬时转向的4W I S电动汽车转 向控制方法进行控制车横摆角速度对比实验，实验结果如图 1和图2所示。

图1所提方法车横摆角速度
图1为所提方法控制下的车横摆角速度，图2为基于动 力学瞬时转向的4W I S电动汽车转向控制方法控制下的车横 摆角速度，通过对比可知，基于动力学瞬时转向的4W1S电动
图2基于动力学瞬时转向的转向控制方法横摆角速度
汽车转向控制方法振荡幅值较大，虽然到最后阶段横摆角速 度逐渐趋于稳定稳定，但进行调节的时间较长，大约t= 3.5s,基本已经达到整个转向过程，而所提方法控制下的车横摆角 速度变化曲线始终平滑稳定，说明所提方法控制下的混合电 动汽车在转向制动过程中较为安全。

将所提方法与基于动力学瞬时转向的4W I S电动汽车转 向控制方法、基于分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制 方法进行控制所需时间对比实验,实验结果如表1所示，F 代表样本数量，单位为个，用g表示;S代表控制所需时间，单 位为秒，用s表示;E代表所提出方法,R代表基于动力学瞬 时转向的4W I S电动汽车转向控制方法，T代表基于分布式 驱动电动汽车的差动助力转向控制方法。

表1不同方法控制所需时间对比实验
F/g
E
S/s
R T
13124599
242464134
363987168
4851101192
分析表1可知，随着样本数量的不断增加，3种方法控制 所需时间也随之增加，当样本数量从13个增加到第48个 时，所提出方法控制所需时间增加了 3%;基于动力学瞬时转 向的4W I S电动汽车转向控制方法控制所需时间增加了 56s;基于分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法控制所 需时间增加了 93S。

实验结果表明，所提方法控制所需时间 最短，其次为基于动力学瞬时转向的4W I S电动汽车转向控 制方法，基于分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法 控制所需时间最长。

将所提方法与基于动力学瞬时转向的4W I S电动汽车转 向控制方法、基于分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制
—185
—
方法进行控制成本消耗（元）对比实验，实验结果如表2所 示。

表2中，F代表样本数量，单位为个，用g表示;Q代表控 制成本消耗，单位为元，用y表示;W1代表所提方法,W2代 表基于动力学瞬时转向的4WIS电动汽车转向控制方法,W3代表基于分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法。

表2不同方法控制成本消耗对比实验
F/g
W1Q/y
W2W3
1002389120
150********
20069141197
25087169223
30099198256
分析表2可知，随着样本数量的不断增加,3种方法相应 的控制成本消耗也随着增加。

当样本数量为100个时，所提 方法控制成本消耗与基于动力学瞬时转向的4WIS电动汽车 转向控制方法、基于分布式驱动电动汽车的差动助力转向控 制方法控制成本消耗之间分别相差66元和97元。

当样本 数量为200个时,所提方法控制成本消耗与基于动力学瞬时 转向的4WIS电动汽车转向控制方法、基于分布式驱动电动 汽车的差动助力转向控制方法控制成本消耗之间分别相差 72元和128元。

当样本数量为300个时，所提出方法控制成 本消耗与基于动力学瞬时转向的4WIS电动汽车转向控制方 法、基于分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法控制 成本消耗之间分别相差99元和157元。

实验结果表明，所提方法控制成本消耗优于其它两种方法，具有一定的应用价 值。

4结束语
针对混合电动汽车转向制动稳定性协同控制方法中存 在的各种不足，提出一种基于2自由度调节器结构的电动汽 车转向制动稳定协同控制方法。

该方法控制所需完成时间 较短、成本消耗较低。

具有一定的应用性能,可广泛应用于各个领域。

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[作者简介]
章德平（1981-)，男（汉族），湖北宜都人，博士研究
P生，讲师,研究方向：微型汽车传动系统效率优化及
7测试。

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