研究模糊控制下車輛的側傾穩定性仿真分析

王偉麗

摘 要：近年來，國內的技術得到飛速發展，越來越多的人使用車輛，車輛運行的穩定性與安全性受到社會各界的高度關注。一般來說，高速行駛或者在低附著系數道路上行駛的汽車，會受駕駛員的轉向作用或外界因素影響，導致側向附著力不斷上升，影響到車輛的側傾穩定性，引起交通事故。因此，采取科學、有效的措施，增強車輛運行的側傾穩定性是確保車輛行駛安全的關鍵。本文在ADAMS/Car 模塊下構建整車系統動力學模型，通過MATLAB構建出現模糊控器模型，并將控制器和整車模型進行了有效的結合，對車輛的橫擺角速度與質心側偏角進行了控制仿真分析。

關鍵詞：模糊控制;車輛;側傾穩定性;動力學模型;仿真

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】B 【文章編號】1008-1216（2016）11C-0070-02

隨著各類車輛的速度提升與駕駛員非職業化現象的普遍，人們對于車輛的穩定性與安全性也有了更高的要求。車輛的轉彎制動是一種常見但是十分復雜的程序，車輛的轉彎制動過程中，車輛的動載荷會出現轉移或者大側向滑動的現象，對車輛運行的安全性造成影響。當前，國內外大部分企業對車輛的防抱死系統進行了研究，主要針對的是車輛直線行駛時的控制計算設計，少部分學者則對車輛轉彎制動過程中防抱死系統的控制進行了一系列仿真分析與研究，但基本都是針對車輛制動性能的仿真研究，卻忽略了在加強車輛制動性能的基礎上，對不同行駛速度中只有ABS控制情況下對車輛側傾穩定性進行仿真研究。

一、車輛系統的動力學模型

（一）整車模型的構建

現以某越野車為試驗對象，該車屬于后置、后驅動式，前懸架選用螺旋彈簧的非獨立懸架，后懸架選用縱置類鋼板彈簧非獨立式架構，（整車模型如圖所示）。該模型的組成主要包括以下幾個方面：（1）前懸架：由上、下橫臂、轉向橫拉桿、主銷軸、減震器以及螺旋彈簧構成。（2）后懸架：組成部分包括：縱置性單片鋼板彈簧、整體橋以及減震器。（3）車輛的轉向系統： 采用拉桿式轉向器。（4）車輛的橫向穩定桿： 采用2根直軸斷開，中間使用轉動相連接，并在轉動的鉸鏈上，加入適當的扭轉力，將建模簡化。（5）車輛輪胎： 所有輪胎采用Fiala模型輪胎，把輪輞轉化成剛性圓板，胎體由圓板上的彈簧呈現，胎冠以圓環梁表示，支承功能由彈簧承擔。（6）總成動力：發動機使用后置型，將發動機、變速器及離合器結合為一體，采用函數模擬法達到各構功能。

整車模型

（二）模型驗證

試驗共分為雙移線和蛇形試驗兩種，兩次試驗必須在專業的試驗場內進行，具體的試驗方法如下：（1）蛇形試驗須嚴格依據國家頒布的《汽車操縱穩定性試驗方法蛇形試驗》中的相關標準進行，車輛運行的初始速度為50 km/h，共設置10個樁，L=30m。（2）雙移線試驗時，車輛行駛的初始速度設備為60 km/h，由相關的工作人員，將試驗過程中的各類數據與試驗仿真數據進行詳細的記錄。通過測試和相應的條件后比較仿真實驗的結果表明，車輛軋輥穩定偏航角速度的兩個變量，橫向加速度測試結果和仿真值的一致性很高，它驗證了整車虛擬模型的正確性。

二、模糊控制器的設計

（一）控制器的設計以車輛橫擺角的速度作為控制變量

橫擺角的速度控制，使二維模糊控制器，輸入變量是實際車輛的橫擺角速度r和理想的橫擺角速度rd兩者的偏差e（r）以及偏差改變的速度ec（r），輸出的變量表示橫擺力矩MZ（R）。變量誤差以e（r）表示、誤差變化速度以ec（r）表示，控制量以u表示，模糊集如下：

e（r）模糊集為： {NB，NM，NS，PO，PS，PM，PB}

式中：NB代表負大、NM代表負中、NS代表負小、PO代表正0、PS代表正小、PM代表正中、PB則代表正大。

控制力矩的選取原理為：變化量誤差較大時，控制力矩作用為誤差消除，在誤差較小的情況，控制力矩的功能是防止超調，兩者的出發點都是整個系統的穩定性，控制變量在控制器中的輸入、輸出關系則由橫擺角的速度進行控制。

（二）控制器的設計以質心側偏角為控制變量

對質心側偏角進行控制時，還是采用基于二維模糊控制器，輸入的變量是實際質心側的偏角β與目標橫擺角的速度βb兩者的偏差ec（β）及偏差改變的速度ec（β），輸出的變量u為橫擺力矩MZ（β），幾個數值的定義范圍與橫擺角速度控制方式大致相同，差別在于模糊控制的規則設置。

（三）控制器的設計以橫擺角的速度與質心側偏角作為控制變量

對橫擺角速度與質心側偏角同時控制時，輸入的變量是橫擺角運行的速度誤差e（r）和質心側偏角的誤差e（β），輸出的變量是橫擺力矩MZ，兩組數值聯合之后反饋控制的輸出變量，需再通過加權后，得出總橫擺力矩，計算公式如下：

MZ=WYMZ（r）+WβMZ（β）

在該公式中，控制器的總輸出量橫擺力矩以Mz，橫擺角速度控制器的輸出與加權因子分別以MZ（r）和Wr表示，質心側偏角控制器輸出量與加權因子分別以MZ（β）與Wβ表示。

三、模糊控制下車輛側傾穩定性的仿真結果分析

（一）聯合仿真模型的構建

（1）進行仿真前，由專家模塊定義輸入、輸出變量，并對ADAMS與控制程進行閉環操作，在ADAMS中輸入四輪制動的變量力矩，輸出的變量為車輛側傾加速度、車輛的縱向車速、車輛的質心側偏角、車輛的橫向車速、車輛的橫擺角度以及車輛的行駛速度。（2）新建操縱穩定性仿真文件，嚴格按照車輛試驗時的數據，完成數據輸入，保障仿真的有效性。（3）建立車輛操縱的側傾穩定性自由度模型，且采用單輪制動系統獲得的附加橫擺力矩，對車輛在極限狀態中橫擺角的速度與質心側偏角進行控制。（4）進行仿真前，將py、decod.m、adams_server.e以及adams_plant.Dll，3個文件都放進ADAMS目錄，以防仿真時MATLAB與ADAMS不能連接。在Controls中的Plant Export下，將相關數據輸入對話框中，生成新文件（.m）。在ADAMS/Car目錄下Simulate文件子目錄下的 File Drive Events 文件內輸入對應的路面和控制文件名，構建出ADAMSSolver 數據文件，格式為（.adm）、控制文件Solver ，格式為.acf及關于駕駛員的控制文件，格式為（.dcf）。對（.m）文件進行修改，確保其與控制文件對應。（5）將MATLAB文件打開，調整工作路徑，讓其和ADAMS工作路徑相同，再將相關的命令輸入，打開先前建立好的 （.m）文件，再輸入文件名adams_sys，調出adams_sub文件，然后把文件與MATLAB橫擺角速度的控制系統模型連接起來。（6）將原先導入的整車模型MATLAB與質心側偏角控制器連接起來，在質心側偏角的反饋控制下建立出聯合仿真圖像，將兩者進行有效聯合，建立出橫擺角速度和質心側偏角相結合的反饋控制仿真系統。

（二）分析仿真和仿真結果

1.采用單正弦方式輸入仿真與分析。

單正弦中的轉向行駛主要是指汽車不同路徑下的行駛情況，單正弦輸入是仿真的條件中車輛前輪轉向角，車輛的最初速度應為110 km/h，路面附著系數應為1，也就是讓車輛在高速行駛情況下，對其極限工況進行仿真，頻率大約0.5 Hz，幅值則為100°，大約為1.75 rad。

2.仿真與分析的角階躍輸入。

讓駕駛員進行轉向盤階躍輸入，正常來說，使用轉向盤角階躍輸入時，輸入后車輛的瞬態響應就是車輛操作的穩定性。主要的仿真條件如下：以角階跳躍的輸入方式輸入車輛的前輪轉向情況，車輛最初的行駛速度應為50 km/h，地面附著系數是0.2，也就是車輛在附著濕滑道路上以圓周狀態行駛的極限工況，最大輸解為100°。以上兩個實驗中的橫擺角速度響應情況和質心側偏角響應情況對比表明，在無控制的狀態下，車輛的橫擺角速度和質心側偏角都優于理想狀態。

四、結束語

綜上所述，本文以構建整車模型的方式，先進行實車實驗，驗證了模型的正確性，再根據模糊控制中與車輛穩定性有關的理論，設計了車輛橫擺角速度反饋模糊控制器、質心側偏角反饋模糊控制器及兩者聯合的反饋模糊控制器，分別對轉向盤單正弦輸入與轉向盤角階躍輸入兩個方面的操縱穩定性進行了仿真分析，并對三種控制方法進行了對比。結果顯示，三種控制方法都能對車輛的橫擺角速度進行有效的控制，大幅度提高了車輛高速行駛狀態下的側傾穩定性，也證明同時選用兩個變量構建的反饋控制方式，控制效果高于采用單一變量構建的反饋控制方式的控制效果。

參考文獻：

[1]唐傳茵，馬巖，趙廣耀.基于模糊控制策略的車輛主動懸架研究術[J].動力學與控制學報，2015，（3）.

[2]賀煥利.車輛穩定性控制系統設計與分析[J].重慶理工大學學報： 自然科學版，2014，（6）.