汽車系統(tǒng)動力學(xué)第18章-車輛動力學(xué)集成控制及應(yīng)用CarSim的實例分析課件

1、第十八章車輛動力學(xué)集成控制及 應(yīng)用CarSim的實例分析第一節(jié)概述第二節(jié)集成控制結(jié)構(gòu)第三節(jié)集成控制策略第四節(jié)一種基于輪胎力最優(yōu)分配的集成控制方法第五節(jié) 一個應(yīng)用CarSim軟件的仿真分析實例自20世紀70年代末,防抱死制動系統(tǒng)(ABS)開始在市場上得到應(yīng)用,可以認為是車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)發(fā)展歷程上的一個成功的起點。接下來,各種電子控制系統(tǒng)相繼應(yīng)用于車輛,以幫助駕駛?cè)藨?yīng)付復(fù)雜多變的行駛工況,提高車輛的行駛安全性和舒適性。根據(jù)各種控制系統(tǒng)的作用方式不同,可按X、Y、Z三個方向?qū)④囕v運動控制系統(tǒng)分別歸類于縱向(制動/驅(qū)動)、側(cè)向(轉(zhuǎn)向)和垂向(懸架)三大類子控制系統(tǒng)。車輛動力學(xué)集成控制要解決的兩個關(guān)鍵

2、問題是:如何避免子系統(tǒng)間的互相沖突和干擾;如何通過系統(tǒng)間的通信和動作協(xié)調(diào),盡量挖掘各子系統(tǒng)功能潛力從而實現(xiàn)性能最優(yōu)。第一節(jié)概述圖18-1車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程一、分散式控制結(jié)構(gòu)個子系統(tǒng)在一定程度上依舊獨立,只是必要時可通過車載網(wǎng)絡(luò)來彼此合作完成某一功能。這分散式控制結(jié)構(gòu)可由圖18-2來說明。第二節(jié)集成控制結(jié)構(gòu)圖18-2分散式控制結(jié)構(gòu)二、集中式控制結(jié)構(gòu)集中式控制結(jié)構(gòu)如圖18-3所示,它是由一個所謂的“全局控制器”向所有子系統(tǒng)發(fā)出控制輸入指令。與分散式結(jié)構(gòu)不同的是,集中式結(jié)構(gòu)控制器是由整車廠與各供應(yīng)商協(xié)作共同開發(fā)。圖18-3集中式控制結(jié)構(gòu)三、分層-監(jiān)督式結(jié)構(gòu)慮到軟件和硬件方面的綜合優(yōu)勢,目前

3、較好的結(jié)構(gòu)方案是介于分散式和集中式結(jié)構(gòu)之間的一種折中方式,即所謂的“分層-監(jiān)督”式結(jié)構(gòu),如圖18-4所示。圖18-4分層-監(jiān)督式結(jié)構(gòu)一、縱向和側(cè)向系統(tǒng)集成在XOY平面,制動/驅(qū)動和轉(zhuǎn)向是車輛縱向、側(cè)向動力學(xué)控制的主要系統(tǒng)。在制動/驅(qū)動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的集成控制中,可以對ABS、ESC以及AFS/4WS等子系統(tǒng)間進行集成。縱向和側(cè)向控制系統(tǒng)在控制效能和平滑性方面各有優(yōu)缺點。具體表現(xiàn)為:在有效作用域內(nèi),當(dāng)輪胎處于小側(cè)向加速度、小側(cè)偏角的線性域時,轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)(如4WS、AFS 等)在操穩(wěn)性上可以取得較好效果;但在緊急工況下(大側(cè)向加速度、大側(cè)偏角時,即輪胎進入非線性域時),轉(zhuǎn)向控制通常不能取得滿意效果,

4、而直接橫擺力矩控制則能顯著地提高操縱穩(wěn)定性;第三節(jié)集成控制策略在控制系統(tǒng)實施干預(yù)的平滑性方面,基于制動的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)會導(dǎo)致縱向加速度突然變化,在一定程度上會影響駕駛舒適性能。而基于驅(qū)動力分配的直接橫擺力矩控制系統(tǒng)只是重新分配左右車輪驅(qū)動力,從而保證縱向動力學(xué)不受干擾,因而干預(yù)相對平滑。在側(cè)向加速度較低工況下,主動轉(zhuǎn)向能夠在駕駛?cè)瞬徊煊X的情況下實施橫擺力矩干預(yù)。二、懸架系統(tǒng)的集成懸架控制可以顯著影響輪胎動載荷和車身姿態(tài)。從縱向、側(cè)向和垂向三個方向上來看,包括懸架控制系統(tǒng)的集成控制主要可分為:通過懸架控制輪胎垂向載荷,保證抓地性以充分利用附著;在主動制動干預(yù)的基礎(chǔ)上,通過懸架(主動懸架、連續(xù)阻尼

5、可控系統(tǒng)CDC和主動抗側(cè)傾穩(wěn)定桿Active Anti-Roll Bar)來調(diào)節(jié)輪胎垂向載荷,間接產(chǎn)生輔助的穩(wěn)定橫擺力矩,以此來盡可能減少主動制動的干預(yù),避免突然制動帶來較大的縱向速度變化。一、基于輪胎力最優(yōu)分配的車輛動力學(xué)集成控制結(jié)構(gòu)對于有多個主動控制系統(tǒng)的車輛,主動控制執(zhí)行器輸入的數(shù)目一般大于其要控制的車輛狀態(tài)的數(shù)目,稱為“執(zhí)行器冗余”(over-actuation)現(xiàn)象。在存在執(zhí)行器冗余的情況下,有兩個問題至關(guān)重要:如何選擇最有效的執(zhí)行器來完成目標功能;在給出合理的輪胎執(zhí)行器輸入時,如何考慮輪胎的飽和非線性以及諸如路面附著狀況等各種實際約束條件。第四節(jié)一種基于輪胎力最優(yōu)分配的集成控制方法

6、“主環(huán)-伺服環(huán)”分層控制結(jié)構(gòu),如圖18-5所示。圖18-5基于輪胎力最優(yōu)分配的“主環(huán)-伺服環(huán)”分層控制結(jié)構(gòu)由圖可知,首先由主環(huán)控制器給出車體運動控制所需的力和力矩,例如車輛在XOY平面內(nèi)的縱向力、側(cè)向合力和橫擺力矩,即Fud=FxdFydMzdT。然后,在伺服環(huán)中,將輪胎作為復(fù)雜且特殊的“執(zhí)行器”,通過優(yōu)化分配將Fud分配到各個輪胎執(zhí)行器的控制輸入。這樣一個結(jié)構(gòu)框架的好處是:不僅可以直接考慮車輛縱向、側(cè)向、橫擺運動的非線性耦合,還可以在控制器中直接考慮非線性輪胎模型,從而方便地實現(xiàn)車輛穩(wěn)定控制力/力矩的優(yōu)化分配。采用“主環(huán)-伺服環(huán)”分層控制結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點可總結(jié)為兩個方面。其一,主環(huán)設(shè)計時不考慮

7、輪胎,而將車輛水平合力看成是車輛動力學(xué)系統(tǒng)的控制輸入,因而降低了控制器設(shè)計的難度。其二,較難處理的輪胎非線性特性可在伺服環(huán)輪胎力最優(yōu)分配中加以考慮,而且包括輪胎-地面附著和執(zhí)行器狀態(tài)在內(nèi)的各種限制條件也可以在輪胎力分配中得到考慮。二、主環(huán)控制器設(shè)計1.車輛運動參考模型參考模型將依據(jù)駕駛?cè)说牟倏v動作(包括轉(zhuǎn)向盤、制動踏板和加速踏板)來獲得理想的車輛運動狀態(tài)。期望的縱向速度ud可由駕駛?cè)思铀倩驕p速操縱求得。車輛期望質(zhì)心側(cè)偏角取為零,零質(zhì)心側(cè)偏角(即側(cè)向速度為零)下期望的橫擺角速度rd可由車輛的縱向速度與前輪轉(zhuǎn)角求得,同時其還受地面附著系數(shù)的限制,即:其中,u0為初始車速;L為輪距;為不足轉(zhuǎn)向參數(shù);

8、peak為路面峰值附著系數(shù);為小于1的系數(shù)。2.基于滑模控制的主環(huán)設(shè)計包含縱向速度、側(cè)向速度和橫擺角速度三個自由度的車輛動力學(xué)模型可表述如下:這里,定義狀態(tài)向量X=uvrT,理想的整車控制力Fud=FxdFydMzdT作為主環(huán)控制器的控制輸入,將由輪胎作用力在伺服環(huán)中得到具體實現(xiàn)。若對三個狀態(tài)變量單獨設(shè)計滑?？刂扑惴?則上述多輸入多輸出系統(tǒng)可分別寫為三個單輸入單輸出系統(tǒng),即:由于系統(tǒng)的期望動態(tài)品質(zhì)將由滑動曲面s(x,t)=0體現(xiàn),因而在滑模控制器的設(shè)計中切換函數(shù)的選擇很重要。對于此處的縱向、側(cè)向速度和橫擺角速度跟蹤問題而言,切換函數(shù)中可以包括速度誤差ei、速度誤差的積分項i=ei()d和速度誤

9、差的微分項。其中ei為系統(tǒng)狀態(tài)和參考值間的誤差,即ei=Xi-Xid,而i是誤差的積分。在此,選擇切換函數(shù)為: Si=ei+ii 式中,系數(shù)i為正。那么,滑模控制律可表示為:式中,k1i與k2i分別為控制參數(shù)； 分別為fi與gi的標稱值;sgn()為符號函數(shù)。為了避免控制輸入的振蕩,可采用如下的飽和函數(shù)代替上式的符號函數(shù)sgn(),即:式中,i為正的邊界層厚度。因此,主環(huán)控制器中所得到的期望廣義車輛運動控制力Fud可最終表示為:3.懸架的集成在XOY平面內(nèi),車輛的動力學(xué)控制主要依靠轉(zhuǎn)向和制動/驅(qū)動系統(tǒng)。雖然包括主動橫向穩(wěn)定桿、可變阻尼系統(tǒng)及主動懸架等懸架控制系統(tǒng)的主要功能是改善車輛的垂向動力學(xué)

10、性能,但由懸架控制系統(tǒng)影響的輪胎法向力對輪胎側(cè)偏特性的影響也很大,因此將懸架控制集成也考慮進去。以主動側(cè)傾力矩Txa為輸入的車輛側(cè)傾運動方程,即:為抑制車身側(cè)傾,取理想側(cè)傾角與側(cè)傾角速度均為零,即:選擇切換函數(shù)為:從而可得如下滑模控制律:因而最終的控制輸入為:三、伺服環(huán)設(shè)計1.輪胎力優(yōu)化分配由主環(huán)反饋控制器計算得出的車輛穩(wěn)定控制力和力矩Fud需分配到每個輪胎。這里,定義第i個輪胎的側(cè)向分力和縱向分力分別為Fyi和Fxi。對第i個輪胎而言,其側(cè)向分力Fyi由其主動施加的轉(zhuǎn)向角通過實時改變其輪胎側(cè)偏角得以實現(xiàn),而其縱向分力Fxi則由其制動輪缸壓力調(diào)整制動力矩,從而調(diào)整其車輪縱向滑移率來實現(xiàn)?？梢詫?/p>

11、輪胎力的最優(yōu)分配表述為一個無約束優(yōu)化問題,考慮執(zhí)行器變化率、幅值與車輛運動控制力跟蹤誤差,建立如下目標函數(shù):其中,車身控制力的跟蹤誤差E即為目標力和實際力的差。WE、和分別是力跟蹤誤差、控制增量和控制幅值對應(yīng)的權(quán)重矩陣。uc是控制輸入,即四輪縱向力滑移率和前后軸車輪的側(cè)偏角,而uc則是控制輸入增量,即:則最優(yōu)的控制輸入可以令 ,利用上式求得如下:最后,利用滑移率控制器與主動轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)器,求得的最優(yōu)四輪滑移率和前后軸側(cè)偏角可以進一步通過輪胎驅(qū)動/制動力矩控制與主動轉(zhuǎn)向控制來實現(xiàn)。2.側(cè)傾力矩分配定義f為前軸側(cè)傾剛度占總側(cè)傾剛度的比例,即f=Kf/(Kf+Kr),則采用跟蹤期望橫擺角速度的側(cè)傾剛度分

12、配PI控制器如下:式中,kPR與kIR分別為比例增益與積分增益,0為初始側(cè)傾剛度分配比。除機械結(jié)構(gòu)限制外,為避免ARC和4WS/DYC之間互相干涉的可能性,應(yīng)確保f不得過大或過小。前后軸主動側(cè)傾力矩可表示為:一、仿真平臺介紹MSC CarSim是由美國機械仿真公司(Mechanical Simulation Corporation,MSC)開發(fā)的用于分析車輛系統(tǒng)動力學(xué)的專業(yè)軟件,主要用于針對轎車、賽車、輕型貨車、輕型多用途運輸車及SUV等四輪及三輪車的動態(tài)特性仿真。該軟件具有開發(fā)完整的車輛參數(shù)及較高的仿真精度。此外,因其使用簡單、運算迅速、擴展性較好、價格低廉等特點,該軟件現(xiàn)已被國內(nèi)外許多汽車

13、企業(yè)及研究機構(gòu)采用。第五節(jié)一個應(yīng)用CarSim軟件的仿真分析實例1.工作界面CarSim典型的工作界面如圖18-6所示,主要包括三大部分6:模型與輸入設(shè)置(包括車輛模型設(shè)置、試驗工況、道路環(huán)境等設(shè)置);仿真運行控制;試驗結(jié)果后處理(包括3D動畫與結(jié)果圖表生成)。圖18-6CarSim典型的工作界面2.車輛-駕駛?cè)?環(huán)境模型圖18-7給出了CarSim環(huán)境下的整車模型結(jié)構(gòu)。與基于結(jié)構(gòu)實體建模的機械仿真軟件(如MSC ADAMS)相比,CarSim是一款面向特性的參數(shù)化建模的車輛動力學(xué)仿真軟件。用戶可以不需根據(jù)測量的車輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行實體建模,而是先通過試驗獲得一些重要的功能性參數(shù)(不只是位置參

14、數(shù)),然后輸入到CarSim中。這種處理方法可在一定程度上避免實體建模的誤差,其系統(tǒng)的特性更接近真實的特性,此外,CarSim對道路、空氣動力等環(huán)境狀況和包括轉(zhuǎn)向盤、加速踏板、制動踏板等在內(nèi)的駕駛?cè)丝刂戚斎氲脑O(shè)置也很方便。圖18-7CarSim環(huán)境下的整車模型結(jié)構(gòu)二、仿真結(jié)果和分析首先,利用MATLAB/Simulink分別對四種不同控制情況的車輛與無任何控制的車輛在該軟件環(huán)境下進行了實現(xiàn)。對四種不同情況的車輛分別標號為車輛:僅裝有4WS;車輛:僅裝有DYC;車輛:4WS與DYC兩個子系統(tǒng)集成;車輛:4WS與DYC再與ARC三者集成,詳細的車輛編號參見表18-1。對四種情況進行了仿真,并與無控

15、制的基準車輛進行了結(jié)果對比,驗證所設(shè)計的集成控制器的潛在控制效果。1.開環(huán)轉(zhuǎn)向盤階躍輸入仿真結(jié)果仿真工況為開環(huán)角階躍輸入工況,車輛初始前進速度為120km/h,路面為干瀝青路面。下面,根據(jù)開環(huán)轉(zhuǎn)向盤階躍輸入下的仿真結(jié)果,對不同情況的車輛響應(yīng)進行對比,時域響應(yīng)結(jié)果如圖18-8圖18-10所示。具有四種不同情況(即僅裝有4WS的車輛、僅裝有DYC的車輛、4WS與DYC兩子系統(tǒng)集成的車輛、4WS與DYC再與ARC三者集成的車輛)的結(jié)果對比總結(jié)見表18-1。圖18-8轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入橫擺角速度對比圖18-9轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入質(zhì)心側(cè)偏角比對圖18-10轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入車身側(cè)傾角對比圖18-11轉(zhuǎn)向盤角階躍

16、輸入主動側(cè)傾控制力矩及其分配比例編號控制方式橫擺角速度誤差/(/s)質(zhì)心側(cè)偏角/()車輛僅有4WS1.11580.1883車輛僅有DYC1.05743.0848車輛4WS+DYC集成1.00600.1248車輛4WS+DYC+ARC集成1.00270.1315表18-1橫擺角速度跟蹤誤差均值與質(zhì)心側(cè)偏角均值由圖18-8可見,從第1s開始,前輪受到一個最大幅值為2的角階躍輸入,由于輪胎進入了飽和區(qū)域,未加任何控制的基準車輛無法提供足夠的側(cè)向力來完成轉(zhuǎn)向動作。它的穩(wěn)定橫擺角速度只有12/s,而側(cè)偏角和車身側(cè)傾角分別為2.6和2.7。由圖18-9可見,僅有四輪轉(zhuǎn)向的車輛可以有效地將質(zhì)心側(cè)偏角抑制至0

17、.5之內(nèi)。由于4WS僅僅能夠調(diào)節(jié)輪胎的側(cè)向力,而它的縱向速度逐漸由120km/h減少到93km/h,而它的理想橫擺角速度也由13.6/s逐漸增加到17/s。如圖18-10所示,通過添加主動抗側(cè)傾(ARC)系統(tǒng),車身的側(cè)傾角得到了有效地抑制。與車輛的側(cè)傾角峰值(3.2)相比,車輛的側(cè)傾角峰值降到2.6。此外,由于主動橫向穩(wěn)定桿可以輔助控制橫擺角速度,4WS+DYC+ARC車輛的橫擺角速度跟蹤誤差方均根值明顯小于車輛的情況。由圖18-11可見,在橫擺角速度逐漸增加的過程中,由于車輛呈不足轉(zhuǎn)向趨勢,通過將前軸側(cè)傾剛度比f迅速降到fmin,將更多的主動側(cè)傾力矩分配到后軸,相當(dāng)于增加后軸的等效側(cè)傾剛度值

18、,減少了不足轉(zhuǎn)向趨勢,更好地跟蹤理想橫擺角速度。當(dāng)橫擺角速度達到穩(wěn)態(tài)值后,f又恢復(fù)到初始值f0。2.閉環(huán)雙移線仿真試驗具有四種不同控制方式的車輛與基準車輛進行了仿真試驗結(jié)果對比。車輛模型仍采用CarSim整車模型,為了保證各控制方式控制效果的公平性,對四種車輛采用相同的CarSim軟件默認駕駛?cè)四Ｐ瓦M行閉環(huán)雙移線試驗,時域結(jié)果對比如圖18-12圖18-14所示。圖18-12雙移線工況質(zhì)心軌跡對比圖18-13雙移線工況駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入圖18-14雙移線工況側(cè)傾角對比可以看出,采用DYC控制的車輛和基準車輛都出現(xiàn)了較大的側(cè)向偏移,但車輛最終穩(wěn)定地跟蹤了目標路徑。結(jié)合橫擺角速度仿真結(jié)果,也可以容易看到無控制的車輛對駕駛?cè)藖碚f相對更難控制。同時還可以看出,與基準車輛和車輛相比,結(jié)合了主動轉(zhuǎn)向控制的車輛、和均表現(xiàn)出了更好的路徑跟蹤性能。特別是車輛和,取得了非常小的路徑跟蹤誤差和較小的駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入峰值。對于集成了側(cè)傾控制的車輛,其車身側(cè)傾角相對于車輛降低了0.5,說明集成控制在保證車輛穩(wěn)定的同時,還能減輕駕駛?cè)说鸟{駛負擔(dān)。三、小結(jié)基于自上而下的策略和主環(huán)-伺服環(huán)形式的分層結(jié)構(gòu),采用非線性滑模控制