基于Simulink的汽车稳定控制系统仿真研究_程旭峰

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武 汉 理 工 大 学 学 报 （交 通 科 学 与 工 程 版 ）
２０１４ 年 第 ３８ 卷
１．３；峰值因子 Ｄ１ ＝ａ１Ｆｚ２＋ａ２Ｆｚ，Ｄ２ ＝ｂ１Ｆｚ２＋ ｂ２Ｆｚ；Ｂ１Ｃ１Ｄ１ ＝ （ａ３Ｆｚ２ ＋ ａ４Ｆｚ）ｅｘｐ（－ ａ５Ｆｚ）， Ｂ２Ｃ２Ｄ２ ＝ｂ３ｓｉｎ［ｂ４ａｒｃｔａｎ（ｂ５Ｆｚ）］；刚度因子Ｂ１ ＝ Ｂ１Ｃ１Ｄ１／Ｃ１Ｄ１，Ｂ２ ＝ Ｂ２Ｃ２Ｄ２／Ｃ２Ｄ２；曲 线 曲 率 因 子 Ｅ１ ＝ａ６Ｆｚ２＋ａ７Ｆｚ ＋ａ８，Ｅ１ ＝ｂ６Ｆｚ２＋ｂ７Ｆｚ ＋ｂ８；ｘ ＝α＋Ｓｈ；λ 为 纵 向 滑 移 率；α 为 轮 胎 侧 偏 角；ａｉ，ｂｉ 为拟合系数 ． ［９］
关 键 词 ：汽 车 稳 定 性 ；主 动 安 全 ；模 糊 控 制 ；神 经 网 络
中 图 法 分 类 号 ：Ｕ４６
Baidu Nhomakorabea
ｄｏｉ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－３８４４．２０１４．０１．０４８
０ 引 言
汽车稳定 控 制 系 统 是 一 种 汽 车 主 动 安 全 装 置，主要用于解决 汽 车 行 驶 过 程 中 的 稳 定 性 和 轨 迹 保 持 的 问 题 ．当 汽 车 由 于 某 些 因 素 而 出 现 甩 尾 、 侧滑、转 弯 过 度、转 弯 不 足 等 非 稳 定 状 况 时，驾 驶 员可能无 法 单 纯 依 靠 转 向 调 节 来 维 持 汽 车 稳 定 性，此时需要汽车 稳 定 控 制 系 统 帮 助 保 持 汽 车 的 稳定性．目前汽车 稳 定 性 控 制 系 统 受 到 各 大 汽 车 公司 的 重 视，博 世 公 司 研 制 了 电 子 稳 定 程 序 （ＥＳＰ），这 是 世 界 上 第 一 款 汽 车 稳 定 控 制 系 统 ．此 外其他公司研制 了 数 种 相 同 或 相 近 的 产 品：丰 田 的车辆稳定 控 制 系 统 （ＶＳＣ）、本 田 的 车 辆 稳 定 性 控制 系 统 （ＶＳＡ）；宝 马 的 动 态 稳 定 控 制 系 统 （ＤＳＣ）等 ．
δ
Δω
制动车轮
＞０
＞０
右前轮
＞０
＜０
左后轮
＜０
＞０
左前轮
＜０
＜０
右后轮
２．１ ２ 自 由 度 汽 车 参 考 模 型 的 建 立 汽车的线性２自由度模型表征了汽车的理想
行驶状态，用来计 算 获 得 理 想 的 横 摆 角 速 度 和 质 心侧偏角．将汽车 简 化 为 只 有 ２ 个 车 轮 组 成 的 模 型，只有侧向运动和绕ｚ 轴的横摆运动，见图２．
效 果 ；（４）执 行 手 段 的 问 题 ，当 获 知 汽 车 失 稳 时 通 过什么样的操作来使汽车恢复稳定状态．
为解决上述 关 键 问 题，研 究 一 种 以 模 糊 ＰＩＤ 和神经网络控制 器 为 控 制 算 法，以 横 摆 角 速 度 和 质心侧偏角为控 制 变 量，以 汽 车 车 轮 的 差 动 制 动 为控制 手 段 的 汽 车 稳 定 控 制 系 统，并 用 ＭＡＴ－ ＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 软 件 进 行 了 仿 真 研 究 ．
Ｆｘ ＝σσｘＤ１ｓｉｎ｛Ｃ１ａｒｃｔａｎ ［Ｂ１λ－烌
Ｅ１（Ｂ１λ－ａｒｃｔａｎ Ｂ１λ）］｝
Ｆｙ
＝
σσｙＤ２ｓｉｎ｛Ｃ２ａｒｃｔａｎ
烍 ［Ｂ２ｘ－
（１２）
Ｅ２（Ｂ２ｘ－ａｒｃｔａｎ Ｂ２ｘ）］｝ 烎
式中：σｘ ＝－λ／（１＋λ）；σｙ ＝－ｔａｎα／（１＋λ）；σ＝
（σｘ２＋σｙ２）０．５；曲 线 形 状 因 子 Ｃ１ ＝ １．６５，Ｃ２ ＝
基于 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的汽车稳定控制系统仿真研究
程旭峰 冯 帅 刘晨阳
（东 北 大 学 机 械 工 程 与 自 动 化 学 院 沈 阳 １１０００４）
摘要：为了解决汽车行驶中的某些因 素 引 起 的 失 稳 问 题，在 对 汽 车 的 失 稳 原 因 和 控 制 方 法 的 分 析
和研究的基础上，设计了以横摆角速 度 和 质 心 侧 偏 角 为 控 制 量 和 失 稳 判 据 ，以 车 轮 的 差 动 制 动 为
角速度ωｒ０ 和参考质心侧偏角βｏ 由车速ｕｘ 和前轮 转角δ 通 过 ２ 自 由 度 的 汽 车 参 考 模 型 计 算 得 出 ． ［３］
（ ） ·
β ＝ ａｒｃｔａｎ
ａｙ ｕｘ
－ωｒ
（１）
式中：ａｙ 为横向加速度；ｕｘ 为车速，可 以 通 过 最 大
轮速法确定．
由横摆角速 度 ωｒ 和 质 心 侧 偏 角β 的 偏 差 值 来判断汽车的稳 定 状 态、完 成 制 动 力 分 配 和 计 算
汽车失稳是由于维持汽车稳定需要的力大于
收 稿 日 期 ：２０１３－１１－１９ 程旭峰（１９８６－ ）：男，硕士生，主要研究领域为汽车主动安全
第１期
程旭峰，等：基于 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的汽车稳定控制系统仿真研究
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２ 汽车模型的建立
图 １ 稳 定 控 制 系 统 原 理 图
图５ 模糊 ＰＩＤ 原理图
设 定 模 糊 控 制 器 的 控 制 量 偏 差 值ｅ 模 糊 集 为 ｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝，基 本 论 域 为 ［－６，６］，控 制 量 偏 差 值 变 化 率 ｅｃ 的 模 糊 集 为 ｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝，基 本 论 域 为 ［－６，６］，模 糊 控 制 器 的 ３ 个 输 出 Ｕ 的 模 糊 集 设 为 ｛ＮＢ，ＮＭ ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ ，ＰＢ｝，基 本 论 域 为
轮胎所能产生的 最 大 附 着 力．反 映 汽 车 稳 定 性 最
重 要 的 参 数 有 ２ 个 ：横 摆 角 速 度 和 质 心 侧 偏 角 ．其
中横摆角速度反 映 汽 车 本 身 的 稳 定 性，即 车 身 摆
动；质心侧偏 角 则 反 映 汽 车 轨 迹 的 保 持 情 况 ． ［１－２］
因此选择横摆角速度和质心侧偏角作为主要控制
图 ２ ２ 自 由 度 汽 车 模 型
根据图２，由 牛 顿 力 学 定 律 可 以 列 出 该 汽 车 模型的侧向以及 纵 向 方 程，通 过 推 导 得 到 ２ 自 由 度汽车模型的横摆角速度及质心侧偏角的计算公 式［７］． ２．２ ７ 自 由 度 仿 真 模 型 的 建 立
７自由度汽车模型包 含 纵 向 运 动、横 向 运 动、 横摆角回转和４ 个 车 轮 的 回 转 共 ７ 个 自 由 度，是 汽车稳定性控制 系 统 的 仿 真 模 型．建 立 图 ３ 所 示 的汽车模型．
制动压力和．使用 差 动 制 动 法 作 为 汽 车 的 稳 定 调
节方法．
１．３ 汽 车 失 稳 的 判 定 方 法 和 制 动 力 的 分 配 汽车失稳判断 的 具 体 方 法 上，利 用 横 摆 角 速
度偏差值判断时 设 定 稳 定 阀 值 就 可 以 了；利 用 质
心侧偏角偏差值 来 判 断 时，需 要 使 用 相 位 图 得 出
量 ．当 前 对 汽 车 稳 定 调 节 的 方 法 中 ，差 动 制 动 法 是
最有效的控制方 法．该 方 式 可 以 同 时 实 现 对 横 摆
角速度和质心侧 偏 角 的 调 节，因 此 选 用 差 动 制 动
法作为稳定调节方法．
实 际 质 心 侧 偏 角 需 要 用 式 （１）估 算 ，参 考 横 摆
图 ３ ７ 自 由 度 汽 车 模 型
根据７ 自 由 度 汽 车 模 型 可 以 建 立 汽 车 的 纵 向 、横 向 、横 摆 、以 及 ４ 个 车 轮 的 力 矩 平 衡 方 程 ．根 据这些方程可以建立起７自由度的汽车非线性模 型［８］． ２．３ 轮 胎 模 型 的 建 立
轮胎 模 型 采 用 Ｈ．Ｂ．Ｐａｃｅｊｋａ 建 立 的 魔 术 公 式 模 型 ．忽 略 回 正 力 矩 的 影 响 ，只 考 虑 轮 胎 纵 向 力 和侧向力．建立制 动 转 弯 联 合 工 况 下 纵 向 力 和 侧 向力魔术公式
１ 汽车稳定控制系统的控制方法
１．１ 稳 定 性 控 制 系 统 的 结 构 为了清晰的显示汽车稳定控制系统的工作过
程，把 控 制 过 程 分 成 信 息 采 集 模 块、数 值 估 算 模 块、２自由度 汽 车 模 型 模 块、稳 定 性 判 断 模 块、控 制器模块和执行机构模块这 ６ 个 模 块，见 图 １．信 息 采 集 模 块 采 集 轮 速 、实 际 横 摆 角 速 度 、横 向 加 速 度、纵向 加 速 度、转 向 盘 转 角 这 ５ 个 信 息；数 值 估 算模块估算出汽 车 车 速、前 轮 转 角 和 实 际 质 心 侧 偏角；２自由 度 汽 车 模 型 模 块 计 算 出 参 考 横 摆 角 速度和参考质心 侧 偏 角．稳 定 性 判 断 模 块 判 断 车 辆的稳定状态．控 制 器 模 块 计 算 得 出 制 动 压 力 和 制 动 轮 信 息 ，最 后 由 执 行 机 构 负 责 实 际 调 节 ． １．２ 汽 车 失 稳 原 因 及 控 制 方 法
控制手段的汽车稳定性控制系统．并分 别 设 计 了 模 糊 ＰＩＤ 控 制 器 和 神 经 网 络 控 制 器，运 用 ＭＡＴ－
ＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 软 件 在７ 自 由 度 汽 车 模 型 上 进 行 了 仿 真 ．结 果 显 示 在 危 险 状 态 下 该 控 制 策 略 能 有 效
保 持 汽 车 轨 迹 对 转 向 操 作 的 跟 随 ，该 控 制 策 略 可 靠 有 效 ．
最后将车身模 型，轮 胎 模 型 还 有 其 他 支 持 模 块连接起来就建立图４的汽车非线性整车模型， 汽 车 参 数 见 表 ２．
图 ４ ７ 自 由 度 汽 车 模 型 表 ２ 汽 车 参 数
ｍ／ｋｇ ｄ／ｍ Ｉ／（ｋｇｍ２） ｈ／ｍ ａ／ｍ ｂ／ｍ Ｌ／ｍ １ ５８０ １．４２ ２ ３５０ ０．５５２ １．２３７ １．３０３ ２．５４
汽车稳定性控制系统是一种非线性的控制系 统 ，需 要 使 用 现 代 控 制 理 论 的 方 法 设 计 和 分 析 ．汽 车稳定性控制 需 要 解 决 的 主 要 问 题 有：（１）汽 车 状态的检测，即通 过 测 量 哪 些 状 态 量 来 准 确 的 获 知 汽 车 的 行 驶 状 态 ；（２）汽 车 稳 定 的 判 定 ，使 用 什 么样的手段或 方 法 来 判 定 汽 车 的 失 稳；（３）汽 车 控 制 器 的 设 计 ，由 于 汽 车 是 一 个 非 线 性 系 统 ，因 此 选用 经 典 的 ＰＩＤ 控 制 器 将 无 法 获 得 理 想 的 控 制
［－１，１］． 根据 ＰＩＤ 控 制 器 的 参 数 调 节 原 则 设 计 的 模
糊 规 则 见 表 ３～５． 表３ ΔＫｐ 律模糊规则表
３ 控制算法的设计
３．１ 模糊 ＰＩＤ 控制器的设计［１０－１１］ 设计２个 模 糊 ＰＩＤ 控 制 器 分 别 对 横 摆 角 速
度和质心侧偏角 进 行 控 制 得 出 中 间 输 出 量，然 后 综合２个中间量 计 算 出 制 动 压 力．由 于 ２ 个 模 糊 ＰＩＤ 控制器结构 和 模 糊 逻 辑 完 全 相 同，因 此 只 需 要设计１个模糊 ＰＩＤ 控制器．模糊 ＰＩＤ 控制器初 值的设定根据经 验 选 取；模 糊 控 制 器 使 用 二 维 模 糊控制器，输出为 Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄ 的调节量，模糊 ＰＩＤ 控 制 器 的 工 作 原 理 见 图 ５．
的 稳 定 性 判 据 式 （２）［４］．
·
Ｃ１β＋Ｃ２β ≤１ 式中：Ｃ１，Ｃ２ 为常数．
（２）
汽车稳定控制的差动制动法是通过分别调节
４个车轮的 制 动 压 力 来 保 持 汽 车 的 稳 定 性 的，制
动力的分配可以根据前轮转角δ 和横摆角速度的
偏差值 Δω 来确定，制动压力的分配见表１．
表 １ 制 动 力 分 配［５－６］
第３８卷 第１期 ２０１４ 年 ０２ 月
武 汉 理 工 大 学 学 报 （交 通 科 学 与 工 程 版 ）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）
Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１４