電子穩(wěn)定系統(tǒng)控制下的車輛仿真研究

熊艷飛，梁烔墻

（江西應(yīng)用科技學(xué)院智能制造工程學(xué)院，江西 南昌 330100）

在車輛中增加車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)，可提升行車的安全穩(wěn)定性。ESP系統(tǒng)能防止汽車操縱失控，主要是根據(jù)路面狀態(tài)以及汽車運(yùn)動的狀態(tài)來進(jìn)行判斷，從而控制車輛的行駛安全。ESP 系統(tǒng)目的是保持車輛穩(wěn)定，一旦發(fā)生緊急情況，能有效確保車輛的安全。為驗(yàn)證ESP 技術(shù)作為車輛的某個特征變化效率，在需要測試的車輛上，安裝ESP系統(tǒng)。一般是在汽車負(fù)載條件不同的情況下，使安裝了電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)的智能汽車模型在穩(wěn)定的范圍內(nèi)變化，并能夠根據(jù)控制器增益及汽車模型的變化而變化。本文主要討論寬度裂分的中心和重力高度兩個方面，同時(shí)比較安裝了ESP 和沒有安裝ESP的車輛在安全行駛方面的效果。

1 汽車仿真

在 MATLAB 仿真下[1-3],主要利用平搖動力和滾動動力進(jìn)行4 自由度模型進(jìn)行仿真。縱搖動力能夠忽略不計(jì)的原因是縱向加速度比較小。

1.1 汽車ESP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

為得到ESP控制系統(tǒng)，需要具備牽引力控制、電子制動力分配、電子制動防抱死制動系統(tǒng)以及有效控制車身穩(wěn)定的系統(tǒng)和設(shè)備。電子控制單元ECU、傳感器和執(zhí)行器是具有ESP系統(tǒng)的汽車必須具備的組成部分。

電機(jī)、回程泵、儲能器、進(jìn)出口閥、隔離閥和后啟動閥是液壓調(diào)節(jié)器總成的主要組成部分。ESP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[4]如圖1所示。ECU的執(zhí)行者為液壓調(diào)節(jié)器，控制車身穩(wěn)定的策略由ECU 下達(dá)，各方面的性能也是由ECU 調(diào)節(jié)的，在達(dá)到最迅速的制動情況下，保證安全。液壓控制單元的4個通道彼此獨(dú)立，一個通道發(fā)生故障，并不會影響制動效果。ECU需要動作時(shí)，液壓調(diào)節(jié)器總成在調(diào)節(jié)液壓力的推動下來控制每個車輪的車速，協(xié)調(diào)完成車身穩(wěn)定。

圖1 ESP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 汽車ESP系統(tǒng)的工作原理

ABS、ESD 和TCS 等所具有的功能，汽車車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)都有，為提升車身的穩(wěn)定性能，還添加了各種傳感器，能夠自動維持穩(wěn)定和平衡，因此在ESP系統(tǒng)控制下的，汽車行駛安全得到提高，而相應(yīng)的交通事故發(fā)生概率變小[5]。

在ESP 系統(tǒng)控制下，車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)能夠被準(zhǔn)確地監(jiān)測，ECU 通過接收橫向偏擺率傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器和前后輪速度傳感器采集的信號，并分析這些信號，比較與預(yù)先存儲的參考信號之間的差別，通過對不同環(huán)境下車身的偏離情況進(jìn)行判斷，將調(diào)整好的策略傳遞給液壓調(diào)節(jié)器。要實(shí)現(xiàn)對車輪的控制，還需要液壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)液壓力，為保證車身不側(cè)翻而使車輛立即停止。在比較緊急的情況下，為降低人為失誤，裝置了ESP系統(tǒng)的汽車能夠自動反應(yīng)。

ESP 系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控和具有主動干預(yù)的功能，通過判斷當(dāng)前汽車的實(shí)時(shí)狀態(tài)，一旦汽車出現(xiàn)危險(xiǎn)，系統(tǒng)會及時(shí)做出制動策略，使得汽車安全停止。ESP 系統(tǒng)主要通過控制汽車的制動力和驅(qū)動力，調(diào)節(jié)車身的平衡，維持穩(wěn)定。具有事先提醒的功能：面對行車過程中的突發(fā)危險(xiǎn)，若不是特別緊急，ESP系統(tǒng)能夠事先發(fā)出警報(bào)，提醒車主。車主在收到警報(bào)信息后，立刻減速，調(diào)整汽車的穩(wěn)定性，預(yù)防事故的發(fā)生。

1.3 在ADAMS/Car中建立汽車整車模型

利用ADAMS/Car 模塊[6-7]建立國產(chǎn)型商用車的整車模型，其中每一個子系統(tǒng)模型都需要建立。車架和車輪之間所出現(xiàn)的傳力連接裝置就是懸掛系統(tǒng)，主要是通過傳遞兩者之間的力，使得因路面不平給車身帶來的沖擊力得到緩解。想要保持或改變汽車行駛方向的裝置，就需要轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的想法來控制汽車如何行駛。制動系統(tǒng)是能夠?qū)ζ囘M(jìn)行一定程度的強(qiáng)制制動的裝置，通過路面對車輪施加一定的力，可以使行駛的車輛有效地進(jìn)行減速或停車，也可以使靜止的車輛平衡地停在不同路面狀況下。通過發(fā)動機(jī)對外輸出動力，它作為汽車的能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。

1.4 汽車ESP控制系統(tǒng)分析

根據(jù)汽車數(shù)學(xué)模型能夠得到理想值，而汽車中的傳感器能收集到實(shí)際行駛值，通過比較，ESP系統(tǒng)能夠判斷出汽車的行駛狀態(tài)，一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀況，能及時(shí)控制汽車行駛軌跡。橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的實(shí)際值與理想值之間，會因?yàn)閭?cè)向力的實(shí)際值與理想值出現(xiàn)偏差而存在偏差，如果偏差值在允許范圍內(nèi)，汽車行駛可近似看作為穩(wěn)定的；一旦超過允許范圍，應(yīng)及時(shí)采取措施，以控制汽車的行駛。汽車是否處于理想軌跡，ESP系統(tǒng)是通過橫擺角速度參數(shù)來進(jìn)行判斷的，而汽車行駛狀態(tài)是否處于穩(wěn)定，ESP系統(tǒng)是通過質(zhì)心側(cè)偏角參數(shù)來進(jìn)行判斷的。

汽車行駛過程中可能會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過度的情況。如果汽車轉(zhuǎn)向不足，通過ESP系統(tǒng)來下達(dá)控制命令，在彎道內(nèi)側(cè)，對后輪施加瞬時(shí)制動力的目的是為了降低汽車車輪的側(cè)向力，并使得縱向制動力增大，根據(jù)橫擺力矩方向的一致性使汽車從轉(zhuǎn)向不足到轉(zhuǎn)向中性進(jìn)行變化，從而使汽車穩(wěn)定行駛。如果汽車過度轉(zhuǎn)向，通過ESP 系統(tǒng)來下達(dá)控制命令，在彎道外側(cè)，對車輪施加瞬時(shí)制動力的目的是使行駛速度及車輪的側(cè)向力降低，通過反向的橫擺力矩來使汽車穩(wěn)定行駛。

1.5 ESP仿真模塊的建立

作為4自由度的系統(tǒng)，通過4個獨(dú)立變量來確定系統(tǒng)狀態(tài)。其中橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角是汽車車輛穩(wěn)定性的最重要的參數(shù)，故作為變量。汽車的理想橫擺角速度和理想質(zhì)心側(cè)偏角，是根據(jù)汽車4自由度數(shù)學(xué)模型的運(yùn)動方程來進(jìn)行計(jì)算。在ADAMS/Car 模塊中，建立車輛的整車模型，車輛整車模型如圖2所示。

圖2 車輛整車模型

根據(jù)整車模型得到實(shí)際的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角。控制系統(tǒng)的輸入是通過對實(shí)際值和理想值作比較而得到的偏差值。如果以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入，則可認(rèn)為汽車的車廂只作平行于地面的平面運(yùn)動，認(rèn)為側(cè)向力與其相應(yīng)的側(cè)偏角成線性關(guān)系，對汽車的運(yùn)動方程進(jìn)行拉普拉斯變換，建立車輛的數(shù)學(xué)模型。ESP仿真模塊的建立主要分為以下五個步驟：

1）將建立的國產(chǎn)商用車子系統(tǒng)模型和整車模型導(dǎo)入到ADAMS環(huán)境中，并加載ADAMS/Controls模塊。

2）確定輸入變量和輸出變量。

3）導(dǎo)出整車模型。ADAMS/Controls保存輸入信息和輸出信息在carmodel.m文件中，生成在carmodel.cmd命令文件和 carmodel.adm數(shù)據(jù)文件。

4）將文件導(dǎo)入到MATLAB 指定的工作目錄下，在MATLAB軟件中調(diào)取ADAMS/Car子系統(tǒng)模型文件。在命令窗口下輸入carmodel 文件名，MATLAB 會自動讀取ADAMS所設(shè)置的輸入與輸出變量。在MATLAB 軟件系統(tǒng)中會顯示ADAMS軟件所定義的所有輸入變量和輸出變量。

5）建立控制系統(tǒng)模型。仿真控制系統(tǒng)模型如圖3所示。設(shè)置好仿真參數(shù)之后，在MATLAB 中調(diào)用仿真控制系統(tǒng)模型，并聯(lián)合adams_sys控制模塊對該型商用車整體模型進(jìn)行仿真。

圖3 仿真控制系統(tǒng)模型

2 結(jié)論

ESP 系統(tǒng)在汽車行駛穩(wěn)定性上具有至關(guān)重要的作用，帶有ESP系統(tǒng)的汽車，特別是在人為失誤情況下，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向過度或轉(zhuǎn)向不足時(shí)，更能有效體現(xiàn)它的價(jià)值，能降低汽車甩尾或側(cè)滑的概率，從而使汽車的行駛安全及行駛的穩(wěn)定得到充分的保證。通過虛擬仿真，沒有ESP系統(tǒng)控制的汽車，一旦出現(xiàn)汽車行駛不穩(wěn)定情況時(shí)，難以及時(shí)得到改善；而含有ESP系統(tǒng)控制的汽車能夠近似認(rèn)為在理想軌跡下行駛，保證汽車行駛穩(wěn)定的同時(shí)保證安全。