汽車動力學穩定性控制研究進展

摘 要：車輛動力學（Vehicle dynamics，又稱車輛動態）是指車輛方面的動力學，需要注意的是這一概念只在車輛與路面的關系中適用。文章重點就汽車動力學穩定性控制進展進行了研究和分析。

關鍵詞：汽車動力學；穩定性控制；研究進展

汽車動力學穩定性控制技術是汽車動力學穩定性控制以及主動安全控制的基層平臺技術，在未來先進汽車安全技術體系中至關重要。對汽車非線性系統瞬態動力學的定量化研究是當前研究的重點。同時將DSC 技術與防側翻控制、自適應巡航控制、智能交通系統等技術融合，實現安全交通成為行業追求的目標。對于電動汽車而言，將制動能量回饋的功能集成到DSC 中亦是一大亟需解決的技術難題。復雜底盤電控系統動力學耦合與解耦優化，是未來提高汽車安全性能的發展方向。

1.DSC的概念描述

ABS（包括T CS） 控制的對象是輪胎的滑移，而DSC通過橫向穩定控制和縱向穩定控制，實現汽車輪胎和路面的全滑移率區間的控制。當系統觀測到不足轉向發生時，進行主動的橫擺力偶矩控制，減少不足轉向；當觀測到發生過多轉向時，進行橫擺力偶矩控制，減少過多轉向。建立精確的整車模型，是進行系統仿真的關鍵。兩輪模型參數簡單，能夠考慮縱向、橫向運動控制，是動力學控制系統開發常用模型。基于該模型，開發了側偏角估算算法， 側向速度估算算法。但在進行環仿真分析過程中，一般采用四輪多自由度汽車仿真分析模型，可以考慮懸架、輪胎、車身的非線性，以及汽車的動態非線性， 能夠較為精確地反映汽車的動態特征。輪胎模型與實際工況的符合程度決定了控制系統算法的精確性。修正的Pacejka tire model公式，采用縱向和側向相對滑移率的均方根來修正滑移率，計算輪胎的縱向和橫向力能夠獲得較好的精度。DSC是基于汽車自身的系統響應偏差和駕駛員操作誤差的識別進行控制的，因此駕駛意圖的識別是需要研究的問題。應用UMTRI 駕駛員模型，通過轉向角選擇， 使得預期的路徑偏差最小。

2.穩定性控制關鍵參數

要實現對汽車行駛狀態的控制，需要實時獲取表征汽車運行狀態的關鍵參量。其中部分參量可以傳感測量，如輪速、橫擺角速度等，而大多數參量不能直接測量，或因傳感器價格太高而無法在汽車上應用，因而需要通過觀測得到。DSC 系統狀態參量的觀測體系底層觀測器利用 DSC 傳感器直接量測相關的物理量；中間層觀測器主要基于底層觀測器信號對汽車運動狀態以及主動制動時輪缸壓力進行觀測；頂層觀測器綜合底層和中間層觀測結果得到整車動力學控制參量。其中，輪缸壓力、路面附著、輪胎力、縱向車速和橫向車速是重點觀測參量。在汽車狀態參數觀測和穩定性控制中，制動壓力常常是必須的參量，是進行其他參量估算的前提。一般制動壓力可通過壓力傳感器測量修正得到，但若出現傳感器損壞，壓力值無法得到，則會嚴重影響汽車的穩定性控制。所以，在DSC 控制中，需要加入壓力估算模型，在檢測到壓力傳感器損壞時，由估算模型實現壓力的提供。在DSC 控制中，當輪缸主動制動壓力預期值和當前輪缸壓力值確定時，需要確定液壓控制模式中各電磁閥的開斷指令，系統的增、減、保壓指令可根據表征的液壓反模型得到。在轉向過程中的路面附著識別較之主動制動過程復雜。由于在轉向過程中輪胎與路面之間的縱橫向力出現相互影響，要想僅僅通過輪胎與路面之間的動態關系實現附著的估計具有很大的局限性。此時的路面識別通常需要結合其他的一些觀測量來實現。

3.穩定性控制策略與分析

汽車穩定性控制可采用AYC 控制實現。福特公司則提出將車輛、駕駛員、DSC 控制器構成閉環，實現基于駕駛員意圖的穩定性控制。典型的DSC控制體系可分為雙層控制。第一層為AYC 控制層，根據橫擺角速度和側偏角偏差，確定所需的主動橫擺力偶矩，最后采用車輪制動的方式實現。第二層為滑移率控制層，滑移率控制層包括ABS 控制和TCS 控制，根據所計算的車輪滑移率，確定所需的車輪制動力或節氣門開度，實現防止車輪的制動抱死和驅動滑轉。在 AYC 主動橫擺控制中，通常選取橫擺角速度作為主控變量，側偏角作為輔助控制變量。因為橫擺角速度直接反映了汽車的轉向特性和品質，并且橫擺角速度可以通過傳感器直接測得，有很高的可靠性。但在低附路面上，汽車常常發生側滑，橫擺角速度不足以反映汽車的失穩狀態，此時需要輔助以車身側偏角來控制汽車的行駛狀態?；跈M擺和側偏的偏差可得到車身穩定所需的目標橫擺力矩，目標橫擺力矩的獲得方法有PID 控制，滑膜控制，最優控制以及模糊控制等。在低附路面上對穩定性的控制，有學者提出了基于駕駛員意圖識別的動力學穩定性控制。橫擺角速度偏差作為AYC 控制的主控變量，雖然橫擺角速度的測量值可靠性高，但由于車身橫擺響應的滯后性，以及對AYC 控制快速性的要求，僅僅采用測量所得的橫擺角速度進行AYC 控制，可能出現控制不及時的現象。

結束語：汽車穩定性控制建模技術通過不斷的探索和發展，已取得了很大的進步。但模型的準確性和實時性之間的矛盾仍然沒有得到較好的解決。目前DSC 的研發主要的核心問題是控制算法的開發、液壓執行機構的設計、控制系統和整車的匹配。目前一套DSC 的匹配需要經過兩冬一夏的時間考核， 因此研究快速高效的算法、匹配流程和方法是實現DSC 自主開發的重點。此外， 液壓執行結構的設計生產也是制約自主研究的一個瓶頸。集成了DSC 系統、主動轉向、自動換擋等底盤控制技術為一體的綜合控制系統， 對汽車上的主動控制系統進行整合， 從而實現汽車的操縱穩定性的優化， 是未來發展的方向。

參考文獻：

[1]陳在峰.制動器耗散功率最大為目標的ABS 控制方法[J].清華大學學報，2012

[2]瞿翔洲.牽引力控制系統（TCS）的硬件在環仿真分析[D].北京： 清華大學， 2011