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汽车底盘系统分层式协调控制

随着现代社会的发展和物质生活水平的提高,人们对车辆的各方面性能提出了更高的要求,主动控制技术获得越来越多的关注,电子技术、控制理论的发展为汽车主动控制技术的提高提供了有力的保障。研究人员逐渐从单个系统控制过渡到多系统协调控制的研究,这也是未来车辆发展的一个趋势。迄今,国内外专家、学者对悬架系统进行了广泛而深入的研究,采用多种控制方法对悬架系统进行控制;对制动、转向系统的研究亦如此。对于上述单个系统的控制研究较多,且控制效果较好。

本文把底盘控制系统(悬架、转向、制动)分成上层控制与下层控制,上层控制主要接受来自下层控制的决策信息,并对这些决策信息进行整体协调分析,从全系统的整体目标考虑修改下层控制的决策;下层控制则根据修改后的决策方案,再做必要的调整。上层控制主要执行全系统协调优化的控制任务,下层控制则主要执行三个单独子系统的控制任务。这种结构可以避免集中控制结构的缺点,具有降级控制的功能,提高了系统的可靠性。仿真及试验结果表明,采用分层式协调控制策略对底盘系统进行控制,可以实现整车良好的综合性能。

汽车底盘悬架系统模型的建立。

1.1 悬架系统模型

悬架系统主要考虑了 1 自由度,悬架与俯仰模型如图1所示。

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1.2 转向系统模型

转向系统主要考虑了 2 自由度,模型如图 2 所示。

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1.3 制动系统模型

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1.4 轮胎模型

本文采用 PACEJKA 等的非线性轮胎联合工况模型,其输入为轮胎法向反力、轮胎侧偏角和滑移率,输出为纵向力 Fx、侧向力 Fy 及回正力矩 Mz。轮胎模型的方程式如下:

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1.5 制动力矩模型

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1.6  路面模型

本文采用滤波白噪声路面模型,具体如下

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2底盘分层协调控制系统设计

2.1 汽车底盘系统的分层式协调控制策略

本文分别设计了底盘系统中悬架、转向、制动三个子控制器及上层协调器。其中悬架系统采用随机**控制方法,对悬架垂直加速度等进行控制;转向系统采用 PID 控制方法,对横摆角速度进行控制;制动系统采用逻辑门限值控制方法,对滑移率进行控制。从整车获得的系统信号,实时计算悬架作动器作用力、轮胎纵向力和侧向力的变化,经过协调器的协调分配,对悬架、转向及制动系统进行协调(俯仰力矩 M1、横摆力矩 M2、制动力矩 M3),使整车平顺性、制动性及操纵稳定性达到较好效果。底盘分层协调控制系统框图如图 3 所示(vw 为轮速)。

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2.2 悬架系统控制器设计

采用**控制方法,对悬架系统进行控制。

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考虑到整车系统的平顺性、安全性,取主要性能指标如下:前后轮胎位移 xu1 、 xu 2 ;悬架动行程 xs1 − xu1 、 xs 2 − xu 2 ;悬架垂直加速度 xs ;俯仰角速度θ ;主动悬架作用力 F1′ 、F2′ 。则目标性能指标 J 可表示为

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当车辆参数及权系数确定后,**控制反馈增益矩阵 K 可由黎卡提方程求出,其形式如下

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2.3 转向系统控制器设计

对于转向系统,本文采用了 PID 控制策略。在转向过程中,通过传感器获得的运动状态参数,实时求解出车辆前后轮的侧偏角和滑移率,并根据轮胎力学模型计算出轮胎所受到的侧向力和纵向力。可通过调节悬架刚度、阻尼大小、前后轮地面作用力对质心的横摆力矩来实现对横摆角速度的控制。调整 PID 控制器参数,来实现转向系统的良好性能。

2.4 制动系统控制器设计

对于制动系统,本文采用了常用的逻辑门限值控制,取**滑移率为 0.16,在制动过程中,传感器采集一些车辆运动状态参数,求解出车辆滑移率,并根据轮胎力学模型计算出地面所能提供的**制动力。当滑移率大于*佳滑移率 0.16 时,回油管路打开,制动器减压,使制动器制动力矩变为根据*佳滑移率推导出的地面制动力对车轮所提供的制动力矩的大小来对车轮进行制动。随着车速降低,纵向附着系数增大,使车轮纵向制动力变大,进油管路打开,制动器增压,使制动力矩缓慢增加,这样车辆可按照**地面制动力来进行制动。这种控制方式,可使滑移率保持在*佳滑移率附近,提高系统的制动性能。

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