滑模控制在车辆电控稳定系统中的应用
李 健 王国忠 付学增管西强
(上海新代车辆技术有限公司,上海 200050) (上海交通大学,上海 200030)
[摘要] 在Matlab/Simulink平台上,基于滑模控制理论提出了一种车辆电控稳定系统ESP的控制算法,通过变线道行驶和变摩擦系数路面工况的仿真计算,结果表明该控制算法可有效改善车辆的操纵稳定性。
叙词:电控稳定系统,滑模控制,操纵稳定性,仿真
1 前言
车辆电控稳定系统ESP作为一种先进的车辆主动安全技术已在国外众多高级轿车上普遍应用。它不仅整合了车轮防抱死制动系统ABS以及车轮驱动防滑转系统ASR的所有功能,而且还能在车轮自由滑转以及极限操纵下保持车辆的稳定性;它可以比ABS和ASR更好地利用轮胎与路面间的附着潜能,在改善车辆转向能力和稳定性的同时,进一步改善驱动能力和缩短停车距离。
对车辆稳定性控制系统算法,国外学者进行了大量的理论研究。例如Hriuchi等人[1]基于H∞理论的四轮转向控制系统;Buckholtz[2]采用模糊控制理论来对车轮的滑移率进行分配,进而控制车身的横摆角速度和侧偏角;Masato Abe[3]研究了用滑模控制理论对车身横摆角速度进行控制;而最为突出的是Vanz Zanten等人[4,5]基于线性二次最优控制原理(LQR)开发了Bosch车身动力学稳定系统(VDC),该系统已在多种车型上得到实际应用。我国在这方面的研究尚处于起步阶段,研究较少。
滑模控制作为一种非线性控制算法,具有较强的鲁棒性并在许多工程领域得到应用。作者在研究国外汽车电控稳定系统ESP的功能和原理的基础上,以滑模控制理论设计开发了一种ESP控制算法。通过对车辆状态参数的估计和车辆动力学模型的建立,分析了滑模控制算法ESP在多种虚拟道路测试的仿真结果,考察了其对车辆操纵稳定性的控制作用。
2 电控稳定系统ESP的工作原理
车轮转向时,由于轮胎横向力产生的横摆力矩使车身横摆角速度发生改变,同时也影响车身的侧偏角。横摆力矩的大小依赖于车身的侧偏角,随着侧偏角的增加,横摆力矩的增益会减小,当车身侧偏角较大时,车轮转向角的改变难以影响横摆力矩的大小。这样,在轮胎与路面的极限附着下,车辆就容易失去行驶稳定性。车辆电控稳定系统ESP的主要功能是控制车身的侧偏角和横摆角速度在允许的限值内,最大限度地利用轮胎与路面间的附着潜能。
ESP总体控制框图如图1所示。其上层控制是根据转向盘转角传感器、制动压力传感器以及轮速传感器等测量信号计算出汽车的名义行驶路径,即:名义车身侧偏角和横摆角速度。同时,根据转向盘转角传感器、制动压力传感器、横向加速度传感器和车身横摆角速度传感器的测量信号,计算得到车辆的实际车身侧偏角和横摆角速度。ESP控制器不断地比较车身侧偏角和横摆角速度实际值与名义值的偏差,根据偏差计算出所需要的车身控制力矩并向下层控制器发出控制指令。ESP应用ABS和ASR的部件作为底层控制,它根据上层控制的指令对某一车轮进行制动或调整发动机输出转矩,达到控制车轮的滑移率,实现车辆稳定控制。
3 状态参数的估计
车辆电控稳定系统ESP要用到车速、车身侧偏角、轮胎纵向横向力以及轮胎与路面的摩擦系数等参数,这些参数不能由传感器直接测得,需要用估计的算法来得到。文中应用Kalman滤波算法来估计车速v和车身侧偏角β,轮胎横向力由一简化轮胎模型得到。各参数估计的总体流程框图如图2。
研究比较车辆在变线道行驶时有无ESP控制时的差异。图4为车辆以90km/h通过干水泥路面变线道行驶的路径,图5为在通过该线道时车体的相关响应。
由图4、图5中可以看出没有ESP控制时,车辆追踪目标路径差,并且车体的侧偏角和横摆角速度都比较大。前轮转角的变化显示驾驶员需大幅度地调整转向盘以使车辆保持稳定。在ESP控制作用下,车辆能较接近地追踪目标路径,车体的侧偏角和横摆角速度也能控制在较小范围内。前轮转角的变化显示驾驶员能较容易地驾驶汽车通过该线道。
5•3 变摩擦系数路面弯道行驶
研究比较车辆在变摩擦系数路面弯道行驶时,有无ESP控制时的差异。图6为车辆在一开口角度为40°,半径为65m的弯道上行驶的路径,路面条件由干沥青变为湿沥青路面,车辆行驶速度为82km/h。图7为车辆在通过该线道时车体的相关响应。
由图6、图7中可以看出,没有ESP控制时,由于路面摩擦系数突然降低,车辆较难追踪到目标路径,并伴以较大的车体侧偏角和横摆角速度,驾驶员需要付出极大努力来使车辆稳定。而在ESP控制下,车辆能够较快地追踪到目标路径,车体的侧偏角和横摆角速度可大幅减小,驾驶员转向也相对容易。
研究还考察了在环形道路上加速行驶,冰雪路面上变线道行驶以及湿沥青路面变为冰雪路面弯道行驶时,基于滑模控制算法的ESP对车辆稳定性的控制作用。结果表明,有ESP控制的车辆同样能有效地改善车辆的行驶稳定性。
此外,尽管部分车辆参数估计有误差,路面条件存在多种不确定因素,但控制算法仍然能够起到良好的控制作用,说明基于滑模控制的ESP算法具有较好的鲁棒性。
6 结束语
通过建模仿真,表明所开发的车身电控稳定系统ESP能够有效地改善车辆的操纵稳定性,基于滑模控制的ESP控制算法具有较好的鲁棒性。进一步的研究工作将集中于ESP上层控制器如何与下层ABS和ASR控制器整合,以及制动力如何在各个车轮上进行分配。
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