汽车ESP系统控制策略的仿真研究

ç
è2
+h·v x 2
-lr h( ·v y +vx γ) d
ö
÷
ø
-msghslf sinφ dl
(9)
ê îêêFZ4
=
m l
æ gl r
ç
è2
+h·v x 2
+lr h( ·v y +vx γ) d
ö
÷
ø
+msghslf sinφ dl
式中 l 为轴距。
采用 Matlab / Simulink 根据上述的动力学方程建
1 车辆动力学模型的建立
根据研究的实际需要,本文建立了 8 自由度( 车
身横向、纵向、横摆、侧倾和 4 个车轮旋转)非线性模
型[3] ,如图 1 所示。
动力学方程为 m( ·v x -vy γ) = ( Fx1 +Fx2 ) cosδ-( Fy1 +Fy2 ) sinδ+Fx3 +Fx4
(1) m( ·v y +vx γ) = ( Fy1 +Fy2 ) cosδ+( Fx1 +Fx2 ) sinδ+Fy3 +Fy4
(2)
·
IZγ
=
lf(
F y1
+Fy2
)
cosδ+
d 2
(
F y1
-Fy2
)
sinδ+
d 2
(
F x2
-Fx1
)
cosδ+
d 2
(
F x4
-Fx3
)
-lr(
F y3
+Fy4
)
(3)
原稿收到日期为 2012 年 8 月 16 日,修改稿收到日期为 2012 年 10 月 22 日。
· 990 ·
汽车工程
(12)
运用模糊控制理论[6] 设计控制器。 分别以横摆
角速度和质心侧偏角为单一控制变量。 以横摆角速
度控制为例, 输入变量为实际值与名义 值 的 误 差
e( γ)( e( γ)= γ-γNo) 和误差的变化率 ec( γ) ,输出变 量为附加横摆力矩 △M( γ) 。 e( γ) 、ec( γ) 和 △M( γ)
a3 FZ2 +a4 FZ ö
CDea5FZ
÷ ø
B(1-E)
s
+(
E
/
B)
arctan(
Bs)
)
)
(
7
)
ìêêF
x
=
σx σ
F
x0
,F
y
=
σy σ
F
y0
í
(8)
îêêσ =
σx
2
+σy
2
,σx
=
1
+s s,σy
=
-tanα 1+s
式中:Fx0 、Fy0 分别为纯侧偏工况和纵向力工况下的 纯侧偏力和纵向力;sv 为曲线的垂直方向漂移;x = X+Sh,X 为广义位移( 侧偏角 α 或滑移率 s) ,Sh 为曲 线的水平方向漂移,Sh = a9γ;B 为刚度因子;C 为形
· 991 ·
式中:K =
m l2
æ
ç
è
lf k2
-
lr k1
ö
÷
ø
,
为
稳
定
性
因
数;
k1
、
k2
分别为
前、后车轮的侧偏刚度;μ 为路面附着系数;vch 为临
界车速。
汽车名义质心侧偏角和名义横摆角速度受到路
面附着条件的限制,因此对名义值进行以下修正:
{γNo = min( | γd | , | γdmax | ) βNo = min( | βd | , | βdmax | ) 2. 2 联合模糊控制器设计
的基本论域分别为[ -0. 25,0. 25] 、[ -0. 25,0. 25] 和
[ -0. 17,0. 17] ,量化后论域分别为[ -6,6] 、[ -5,5]
和[ -1,1] 。 量化因子 ke = 24,kec = 30,比例因子 k = 5 000,输入和输出语言变量的模糊子集均为{ NB,
· 992 ·
汽车工程
2014 年( 第 36 卷) 第 8 期
0. 317 5m, Jwi = 1. 1kg · m2 , IZ = 2 350kg · m2 , h = 0. 552m。
立各个非线性模型,把数学模型转换成仿真模型。
2 ESP 控制系统的设计
2. 1 控制变量名义值的确定 采用线性 2 自由度车辆数学模型[5] 作为计算
ESP 控制器中横摆角速度 γd 和质心侧偏角 βd 名义 值的依据,见式(10) 和式(11) 。
ìêêγ êê í
d
=
l
δvx
æ ç1 è
+
vx2 v2ch
[ Abstract] An 8 DOF vehicle dynamics model based on magic formula tire model is established with Matlab / Simulink. In view of the nonlinear and time varying features of ESP system, a combined fuzzy controller based on yaw rate and mass center sideslip angle is designed. An active torque distribution strategy of additional yaw moment is proposed and a simulation on instability-prone wet-slippery road surface with typical working conditions is conducted. The results show that the designed controller and proposed strategy can achieve better control of vehicle stability.
ö ÷ ø
ê îêêβ
d
=
δ
æ ç è
l(1
lr +Kv
x
2
)
+ k2
ml l2(1
f vx 2 +Kv
x
2
)
ö ÷ ø
ìêêγdmax = μg / vx
í îêêβ
dmax
=
μg
æ ç è
lr vx2
+
mlf k2 l
ö ÷ ø
(10) (11)
2014( Vol. 36) No. 8
颜娟娟,等:汽车 ESP 系统控制策略的仿真研究
Keywords: ESP; combined fuzzy control; active torque distribution; simulation
前言
电子稳定程序( ESP) 是行驶车辆的一种主动安 全系统,在 ABS 和 TCS 的基础上增加了主动横摆控 制的功能,使汽车在制动、驱动和转向时的稳定行驶 得到了保障[1] 。 ESP 作为先进的主动安全系统,其 ECU 的软、硬件设计最为关键,其中的控制方法是目 前汽车界研究的热点。 近几年,国内外学者开始应 用现代控 制 理 论 进 行 汽 车 稳 定 性 控 制 及 其 仿 真 研 究,取得了明显的控制效果[2] 。
2
×Z1 Z2
-TLc
(14)
式中:TLc、TRc分别为左右轮增扭离合器转矩;△M 为 附加横摆力矩;TI 为输入轴转矩;Zi 为齿轮齿数; TL、TR 分别为左右输出轴转矩;Td1 、Td2 、Td3 、Td4 分别 为左前轮、右前轮、左后轮和右后轮驱动转矩。
3 仿真与结果分析
为验证本文所设计的控制器和附加横摆力矩模 型的合理性和有效性,在易于失稳的湿滑路面上进 行角阶跃 输 入 和 正 弦 输 入 两 种 典 型 工 况 的 仿 真 分 析, 模 型 如 图 4 所 示。 车 辆 主 要 参 数 为: m = 1 580kg,lf = 1. 237m, lr = 1. 303m, d = 1. 424m, R =
本文中建立了 8 自由度整车模型,设计了基于 模糊控制的横摆角速度和质心侧偏角的联合模糊控 制器;对控制器的输出附加横摆力矩的分配,本文中 没有采取以往大多数学者研究的差动制动方式,而 是研究了转矩主动分配策略,独立设计出控制效果 更好的转矩主动分配基本结构;最后对汽车的两种
典型工况进行了仿真研究。
ìêêFZ1
=
m l
æ gl r
ç
è2
-h·v x 2
-lr h( ·v y +vx γ) d
ö
÷
ø
-msghslr sinφ dl
ê
ê êêFZ2
=
m l
æ gl r
ç
è2
-h·v x 2
+lr h( ·v y +vx γ) d
ö
÷
ø
+msghslr sinφ dl
í ê êFZ3 ê
=
百度文库
m l
æ gl r
状因子,计算侧向力时取 C = 1. 30,计算纵向力时取
C = 1. 65;D 为峰值因子,D = a1 F2Z +a2 FZ;E 为曲率因 子,E = a6 F2Z + a7 FZ + a8 。 以上各式中 ai 为拟合系数 ( i = l,…,12) ,取值可通过对实验数据拟合得到。
各车轮垂直载荷为
根据转矩主动分配差速的工作原理[7] ,由控制 器得出的附加横摆力矩的正负来控制要接合的离合 器及其产生内摩擦力矩的大小,左右两轮驱动力矩 产生相应的变化,利用 M-function 程序可实现以下 控制规律:
△M>0 时,
图 3 主动转矩分配差速基本结构
ìêêTRc
=
△M×R d
,TLc
=
0
ê ê êê íTd3 ê
2014 年( 第 36 卷) 第 8 期
汽车工程 Automotive Engineering
2014( Vol. 36) No. 8
2014186
汽车 ESP 系统控制策略的仿真研究
颜娟娟,夏长高
( 江苏大学汽车与交通工程学院,镇江 212013)
[ 摘要] 在 Matlab / Simulink 中建立了“ 魔术公式” 轮胎模型和 8 自由度整车动力学模型。 针对 ESP 系统的非 线性时变特性,设计了基于横摆角速度和质心侧偏角的联合模糊控制器,提出了附加横摆力矩的转矩主动分配策 略,并在易于失稳的湿滑路面上进行了典型工况的仿真。 结果表明:所设计的控制器和提出的分配策略可以实现对 车辆稳定性的较好控制。
NM,NS, ZO, PS, PM, PB} 。 质 心 侧 偏 角 控 制 与 此
相似。
设计出模糊控制器后,将两者输出的横摆力矩
进行加权。 设计的控制器模型如图 2 所示。
图 2 联合模糊控制器仿真模型
2. 3 附加横摆力矩的转矩主动分配策略 图 3 为本文所设计的转矩主动分配结构,由普
通差速器机构、实现右输出轴转矩增、减的增 / 减速 机构和左右两组可控离合器机构组成。
关键词:电子稳定程序;联合模糊控制;转矩主动分配;仿真
A Simulation Research on the Control Strategy of Vehicle ESP System
Yan Juanjuan & Xia Changgao
School of Automobile and Transportation Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013
(5)
式中:m 为整车质量;ms 为车辆悬挂质量;Iz 为横摆
转动惯量;IXS为悬挂质量绕 X 轴的转动惯量;h 为车
辆质心高度;hs 为质心到侧倾中心的高度;kφf、kφr 分
别为前后轴侧倾角刚度;cφf 、cφr 分别为前后轴侧倾角
阻尼;d 为轮距;lf、lr 分别为质心到前后轴的距离;γ
为横摆角速度;δ 为前轮转角;φ 为车身侧倾角;p 为
侧倾角速度;vx 为纵向车速;vy 为侧向车速;Jwi 为各 车轮转动惯量;ω·ωi 为各车轮角加速度;Tdi 为各车轮 驱动力矩;R 为轮胎半径;Tbi为各车轮制动力矩。
Fxi 、Fyi( i = 1,2,3,4) 为各轮胎纵向力和侧向力, 以下统称 Fx、Fy,可由纯侧偏工况和纵向力工况下 的“魔术公式” 轮胎模型[4] ( 见式(6) 和式(7)),采
用滑移率 s 和侧偏角 α 对轮胎力修正得到 ( 见式
(8))。
ìêêFy0 =Dsin(Carctan(Bx-E(Bx-arctan(Bx)))))+Sv
í îêêB
=
æ
ç
è
a3
sin(
a4
arctan( CD
a5
F
Z
)
)
ö
÷
ø
(1
-a12
|
γ
|
)
(6)
ìêêFx0 =
íæ
îêêB
=
ç è
Dsin(Carctan(
=
TL
=
TI
-TRc
×Z3 Z4
2
×Z1 Z2
ê ê ê îêTd4
=
TR
=
TI
-TRc
×Z3 Z4
2
×Z1 Z2
+TRc
(13)
△M<0 时,
ìêêTLc
=
△M×R d
,TRc
=
0
ê ê êê íTd3 ê
=
TL
=
TI
+TLc
×
Z6 Z5
2
×Z1 Z2
ê ê ê îêTd4
=
TR
=
TI
+TLc
×Z6 Z5
2014 年( 第 36 卷) 第 8 期
图 1 整车动力学模型
IXS·p -ms hs(·v y +γ)= ms ghs sinφ-(kφf +kφr )φ-(cφf +cφr )p
(4)
{Jwi ω·ωi = Tdi -Fxi R-Tbi ,i = 1,2 Jwi ω· ωi = -Fxi R-Tbi , i = 3,4