汽車底盤系統分層式協調控制

張鋒

摘 要：隨著我國汽車底盤綜合控制系統的快速發展，對其進行綜合控制的研究已成為當務之急。為了讓汽車底盤系統分層式協同控制設計更加合理，從而提升汽車底盤系統的控制能力，本文將著重對底盤各系統之間的關系進行了討論，之后對汽車底盤系統分層式協同控制展開了較為詳盡的論述，以期為汽車底盤系統的設計提供重要參考。

關鍵詞：汽車 底盤系統 分層式協調控制

1 引言

車輛底盤是一個多子系統的組合，其結構是一個復雜的非線性系統。目前，車輛懸掛技術已經不能很好地適應車輛的乘坐舒適性。而在此背景下，多個部件運行間存在著強烈的耦合關系，這就使得多部件運行必須以分布式方式進行，而非單純依靠局域變量。這類問題通常會造成控制效果降低，進而影響到控制的穩定性，給控制的實用化帶來很大的難度。為此，有必要從懸架系統、轉向系統和制動系統三個方面入手，分別對涉及車輛運行和平順的懸架系統、轉向系統和制動系統進行分點研究，也就是對整個車輛底盤系統進行分層式協同控制。

2 底盤各系統之間的動力耦合關系

底盤各系統在分別針對懸掛系統的控制器設計時，不僅要考慮到系統的可靠性，而且要考慮到模型誤差、部件老化、環境變化等因素。該方法無需考慮其與 EPS、剎車系統的交互作用，在前期的研究中，不但可以在懸架系統的控制階段，還可以對系統中的元件進行優化，從而提高系統的可靠性。對模型和控制器進行了某種程度的降階；由于EPS獨立的控制策略沒有考慮 EPS與懸掛、剎車等多個環節的交互作用，使得 EPS獨立控制策略的設計變得更加簡單。在此基礎上，對控制器進行了優化，實現了對控制器的穩態控制。該控制系統具有自身的魯棒特性，即使在系統的參數發生變化時，也能維持良好的狀態。

汽車底盤系統的各個子系統是相互制約和影響的，在此基礎上，通過對汽車底盤系統的力學分析，能夠明確系統中的各個要素對系統的作用，進而判斷出各個要素的相對重要程度，為進一步開展汽車底盤系統的分層協同控制提供依據。

2.1 汽車懸架系統

當車輛在行駛過程中存在側向的加速時，車輛自身會向側上方傾斜，不論是縱向加速度還是橫向加速度，都會引起車輛車輪在垂直方向上的偏差，進而影響車輛的轉向和制動。但是，如果結構的阻尼超過一定的限度，則會使結構變成剛性，從而無法達到減震的目的。因而，在選用阻尼體系時，必須充分考慮其正常承載能力、位移需求、屈服強度、制動變形、耗能及變形后的恢復能力等因素。

2.2 汽車制動系統

汽車在利用兩種制動方式后，使車輛在兩種制動方式的共同作用下，并由線性馬達驅動。車速和剎車減速改變行車軌跡。在剎車過程中，由于起步時的慣性作用，使車輛產生了“下墜”現象，從而使整車的重心更低，側向動力學更強。由于剎車減速的存在，使得汽車在路面上承受了一種豎向荷載，使得汽車的前輪和后輪都受到了不同程度的應力，進而影響了汽車的懸掛控制性能。研究了變間距傳動系統的動態特性，分析了變間距傳動系統的動態特性，提出了變間距傳動系統的動態特性。另外，在剎車裝置開啟后，由于剎車裝置的制動力過大，剎車裝置的摩擦系數會增大，使剎車裝置的橫向受力減弱，剎車裝置的反力減弱，剎車裝置的穩定性受到很大的影響。只有減震效果好，才能降低車輛的側滑、轉向、晃蕩等，隨著汽車自重的降低，汽車的慣性和制動距離減小，汽車的安全性能提高。在某些情況下，降低風阻，可以提高車輛的整體性能，提高車輛的油耗和噪聲。

2.3 汽車轉向系統

車輛的轉向系統作為車輛的一個重要組成部分，在車輛行駛中發揮著舉足輕重的作用。而作為車輛最基本的部件，它可不僅僅是一塊鋼鐵那么簡單，它還包含了動力、行駛、轉向、制動等多個部件，其復雜性遠遠超出了我們的認知。當車輛在行駛中，可以轉動方向盤，改變輸入的力矩，從而使車輪和地面之間的側向力發生變化，這樣，在側向力的影響下，車輛就會出現側向加速度，當側向力達到一定的值后，車輛就會越轉越快、越轉越省力。然而，由于車身慣性、懸掛質量和非懸掛質量的耦合關系為非剛體，當受到側向加速時，車身會產生側向移動，從而對車輛的懸架控制產生影響。但當轉向量較大時，則會使輪胎的側偏角增加，使輪胎的軸向、軸向作用力發生變化，進而對制動系統造成不利的影響。

可見，在車輛行駛過程中，在研究過程中，應注意到多個車輛分層系統間的相互關系，而不應單獨研究某一車輛分層系統間的相互關系，而忽視其他車輛分層系統間的相互關系。由于這四大子系統是相互關聯、相互影響的，沒有一個系統是獨立運作的，因此，無法對其進行單獨的分析和解釋[1]。

3 汽車底盤系統分層式協調控制

在本文，采用了三個控制系統：剎車、半主動懸架和 EPS。三款 EPS系統各有區別，最大的區別在于助推器的定位，越是接近最終作用力的地方，對于零部件的精確性、工藝上的需求就越是強烈，而對于操縱器的操控性能就越是出色。汽車在運行過程中，往往會出現轉彎、制動等故障現象。本次研究的關鍵是對車輛的制動狀態、轉動狀態、汽車的各項指標等給予特定的控制指令，并將調節的角度輸出到三個汽車底盤的分層系統中，以實現最優的控制。當進行滑動時，將由輪子產生的位移率的必要誤差設置為0.18，當進行響應時，將產生的偏轉角速度的變化設置為當前車輛行駛的速度的增加。它不會和原來的汽車控制器連接，而是和引擎控制器、防抱、防盜、車體控制器等獨立運行。配合其他動力控制系統，使汽車的轉向輪反應迅速，過彎表現優異，并能確保汽車在高速行駛中的穩定[2]。

3.1 系統狀態分析

因為在一般的汽車運行中，轉彎和制動是最常見的情況，所以對于速度、角度和重量等參數，都會有比較詳盡的描述，所以，對這一環節的控制是整個控制系統中的一個關鍵環節，利用車輛控制系統，能夠很好地實現所有的需求。各個指標是對汽車狀態進行控制和顯示的重要因素，所以，本文從制動狀態、轉彎狀態和各個指標的角度，對汽車底盤系統分層式協調控制的相關內容展開了分析。綜合控制器在車輛底盤的層次化控制中占有舉足輕重的地位，其控制中，無論采用直接扭矩控制或矢量控制，均需要較高的初始轉子位置。具體地說，只要車子進入了自動校準范圍，刻度臺就會啟動，而在此過程中，系統也會根據需要，自動對各種傳感器進行校正，保證儀器的精度。它對汽車半主動懸架系統等系統的控制，主要是利用對輪胎在打滑的過程中所產生的橫擺角速度與位移在響應時所產生的角速度增益與俯仰角的大小進行調節，并將調節后的值傳輸到底盤系統相應的各分層系統中，以達到對汽車的協同控制的目的。而在此背景下，多個部件運行間存在著強烈的耦合關系，這就使得多部件運行必須以分布式方式進行，配合其他動力控制系統，可確保轉向輪反應迅速，并有優異的過彎表現，并可確保汽車在高速時的穩定。此系統可根據車輛的側偏角，利用牽引控制及變速器轉矩分布，實現車輛在轉彎時的最大轉矩分布，以保證車輛在轉彎時的穩定性及抓地力，而非單純依靠局域變量。

3.2 各系統分層式協調控制設計

3.2.1 系統設計

在此基礎上，針對各個系統的功能和效果，分別進行了相應的設計。在制動系統中，汽車的滑移率是一個重要因素，考慮到滑移率與輪胎的側偏角有一定的聯系，側偏角越大，滑移率也就越大，因此，應該建立滑移率與側偏角的關系函數，這樣才能達到最小的汽車制動距離。但是，因為有縱向力，所以會使側向力降低，當側向力降低時，輪胎的側偏角就會降低，同時還會對車輛的橫向穩定性和轉向響應產生不良的影響。所以，在建立滑移速率與側偏角的關系函數時，應該對路面狀態和車輛的行駛狀態進行充分的考慮，同時還要對車輛的制動速度進行充分的考慮，根據路況情況、狀態變化和制動速度，合理地選擇加速度、行駛速率等相關變量。在系統總體目標的配合下，有條件地對各子系統進行轉換與調整，使其在結構與功能上不斷地改進，從而使整體系統逐漸地實現最優的配合。

該控制系統具有很強的魯棒性，即使在系統的參數發生變化時，也能維持良好的狀態。然而，當系統的參數發生較大的變化時，其魯棒性將會變得有限，進而導致系統的一些性能損失，乃至失穩。所以，在設計控制系統時，必須對其快速、準確地進行控制。

在懸掛系統中，阻尼器的阻尼量是影響懸掛系統性能的一個重要因素。在汽車底盤系統中，懸掛系統的最大功能就是讓汽車的車身動力學隨車輛運行時的載荷的變化而發生改變，也就是根據載荷的變化來對車身動力學進行調節，使輪胎和地面總是有一定的摩擦。通過調節減振器的阻尼量來調節車輛的動力學特性，使得車輛能夠在路面上得到適當的制動，從而保證車輛能夠在路面上平穩運行。目前，關于半主動懸掛系統的控制方法已在國際上得到了廣泛的關注，并已被廣泛應用于各種控制理論，如天花板阻尼控制， PID控制，最優控制，自適應控制，神經網絡控制，滑?？刂疲：刂频?。目前已有的各種控制理論與技術在半主動懸架中得到廣泛應用，但各有其優勢與不足，未來半主動懸架的發展趨勢將是綜合利用各種控制技術。

在轉向系統方面，要充分考慮到它與剎車系統的約束作用，避免車輛發生側翻，改善車輛的操縱性能，針對汽車懸掛系統存在的問題，提出了一種基于神經網絡的汽車懸掛控制方法。從轉向系統和剎車系統的關系式可以看出：

式中，為性能指標，值設定為0.65，J2值設定為0.35，為橫擺角速度增益，即響應方差，為滑移速率方差。當J值大于0時，受制動影響地面對汽車的側向附著力減小，汽車轉向響應也減小；當值小于0時，受縱向垂直荷載影響，輪胎側偏角減小，汽車產生轉向趨勢，但汽車轉向力與地面側向附著力都是正常的，在 J>0時，車輛在剎車作用下的橫向附著減小，使車輛的轉向響應隨之減小。增加的制動力是由車輛剎車管路中的壓力變化而產生的，在 J<0時，地面附著力的側向力是正常的，而車輛的轉向力也是正常的，但因為縱向垂直載荷對輪胎側偏角的影響，車輛將有轉向傾向。在此基礎上，提出了一種新型的汽車轉向控制方法。控制的關系是：車速越快，在單位時間內，輪胎的轉速就越高，這時，地面的摩擦和溫度上升的速度要大于單位輪胎的速度，同時，輪胎外的向心力也更大。經這樣設計后，汽車底盤系統就可以實現分層式協調控制。

在此基礎上，論文采用了三個主要的控制策略：防抱死剎車、半主動懸掛和 EPS。汽車在運行過程中，往往會出現轉彎、制動等故障現象。本項目擬通過對汽車制動狀態、轉向狀態、汽車各項性能等的分析，當進行滑動時，將由車輪產生的位移率的期望的誤差設置為0.18，而當此響應時，將產生的偏轉角速度的變化設置為當前汽車行駛的速度下的角速度的增益。針對上述問題，本課題將 LQ （Liquid-quadratic， LQ）控制理論與 LQ線性二次型控制理論相結合，以 LQ控制理論與 LQ線性二次型控制理論為基礎，實現車輛懸架的最優控制。將 LQ （Liquid-Quadratic）控制方法引入到汽車懸架系統中，利用 LQ （Liquid-Quadratic）控制方法對汽車懸架系統進行優化，并將 LQ （Liquid-Quadratic）控制方法引入到汽車懸架系統中，實現車輛的優化控制[3]。

3.2.2 車輛底盤體系層次結構的最優設計

對于剎車系統來說，本文的研究重點是對剎車系統的最優滑移的選取?；坡逝c輪胎的側偏角有關，隨著輪胎的側偏角增大，滑移率也隨之增大，因此，在控制時，要建立滑移率與側偏角的關系，并建立相應的函數曲線，才能保證汽車在運行時，能夠得到最短的制動距離。但是，由于有縱向力，會影響到側向力，使其降低，同時，也會降低輪胎的側偏角，從而在確保剎車性能的同時，降低了系統的轉向響應，降低了系統的橫向穩定性。滑移速率與側傾角之間的關系為：當所有參數為α時，滑移速率都有一個峰值，峰值隨α的降低而增加。通過這種方式，汽車的側向滑動將會減少，操縱更好，抖動更小，平衡和穩定也會減少。在汽車的傳動系中，變速器上的擋數愈多，則引擎愈趨符合最佳運轉狀態，也就愈能達到最佳的燃料利用率。在同等條件下，隨著汽車質量的減輕，汽車的慣性減小，制動距離縮短，從而提高了汽車的安全性能[4]。

在兩個條件下，“和”的取值應根據路面狀況和行車狀況的變化來確定。它是根據汽車制動時的車速來計算的。因此，如何準確地確定轉速、轉角、轉矩、轉矩等參數，就成了整車控制系統的重要組成部分。

在轉向系統中，考慮了剎車系統的作用，使得被控系統的輸出能夠滿足要求，例如超調量，調整時間，峰值時間等。綜合分析了轉向系統與制動系統的影響，并協調了轉向系統的控制指令，調整了轉向的助力和制動力矩，從而實現了整體汽車的性能優化。對于速度，角度，重量等參數的精確設定，使其成為整個汽車控制系統中的一個關鍵環節。但是，在車輛轉彎時，因車輛本身的慣性會使車輛的重心向前傾斜，從而導致車輛在轉彎時的轉向不足。通過這種方法，可以對車輛進行橫向轉向，從而達到對車輛橫向轉向的目的。

對于懸架系統而言，它的作用就是讓汽車的車身動力能夠隨著汽車載荷的變化而變化，還可以通過改變行駛模式來調節車輛的高度，進而提升車輛的通過性，或者降低重心。確保輪胎和地面有足夠的摩擦。通常，通過對懸掛系統中的減振器的阻尼力進行調節，使車輛在路面上可以得到比較穩定的制動，從而幫助車輛的底盤系統的正常運轉。在汽車的傳動系中，變速器上的擋數愈多，則引擎愈趨符合最佳運轉狀態，也就愈能達到最佳的燃料利用率[5]。

4 結語

總結來說，以汽車底盤系統各子系統之間的關系為基礎，對底盤系統展開分層式協調控制，從而使汽車擁有一流的綜合性能，在轉彎時的響應變得更加精準，在高速行駛和惡劣天氣下變得更加穩定。能夠有效地改善汽車制動、轉動之間的矛盾，提高汽車的行駛平順性、控制協調性與轉動穩定性，提升汽車的整體綜合性能，增加汽車的行駛安全性，提高汽車的操控性，從而確保汽車在行駛過程中的舒適性和安全性。

參考文獻：

[1]蕭軍. 汽車底盤系統的控制技術簡介[J]. 機電安全， 2022（001）：000.

[2]王鵬. 關于汽車底盤電控系統集成控制策略[J]. 內燃機與配件， 2021.

[3]初長寶. 汽車底盤系統分層式協調控制研究[D]. 合肥工業大學.

[4]陳卿杰. 淺談汽車底盤系統分層式協調控制[J]. 電子技術與軟件工程， 2016（8）：1.

[5]王愛國， 秦煒華， 王云霞，等. 基于多體模型的汽車底盤多系統協調控制研究[J]. 佳木斯大學學報：自然科學版， 2019， 37（3）：4.