基于Carsim和Simulink后轮转向稳定性模糊PID优化分析.pdf

基于 和 后轮转向稳定性模糊 优化分析刘忠侦（恒大恒驰新能源汽车研究院（上海）有限公司，上海 ）摘要：通过对整车操纵稳定性控制目标研究，获得了带后轮转向时，汽车低速、高速后轮正反转向的分界点。推导了比例控制及横摆角速度反馈跟踪控制的计算方法。根据车辆二自由度动力学方程，解决了理想目标对象的建立。通过对反馈误差 和变化误差 的分析，设计其论域范围及模糊 控制器。采用 和 联合仿真，由左前轮作为参考输入转角，其它转角用查表方式获取，以角阶跃作评价输入，对建立的模型进行仿真分析。结果表明模糊 控制器能使汽车在低速、高速时质心侧偏角、横摆角速度得到明显优于前轮转向和横摆角度反馈跟踪控制方式。很好地提升了汽车的操控性能，发挥了后轮转向的低速提供过度转向，高速提供不足转向的优点。关键词：后轮转向；操纵稳定性；模糊 中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（），）：，：；近年来，随着我国汽车技术的不断升级迭代，自主汽车企业也开始研发甚至量产带后轮转向的汽车产品，很好地满足了消费者对高品质的要求。后轮转向经历了机械后轮转向、液压、电控液压后轮转向发展过程，于 年由日本铃木汽车公司首次将电控后轮转向运用在车辆上 ，随后电子控制的后轮转向开始在本田、日产、雷诺、宝马等汽车上逐步批量运用。后轮转向作为除前轮转向、制动电子稳定控制（）外，是车辆横向控制的一个补充手段，能极大地改善整车的操纵稳定性和灵活机动性 。本文基于 搭建的模型，通过 平台实施策略控制，融合模糊 优化手段，能很好地再现后轮转向控制效果。汽车前后轮转角比例控制分析针对前轮与后轮转向的协同控制，一直是研究者关注的重要方向。汽车操纵稳定性的控制目标一般为两个：寻迹性和稳定性，通常采取质心侧偏角与横摆角速度作为研究对象 。但车辆在实际行驶过程中，这两个目标相互耦合，相互影响，因此在确保车辆质心侧偏角 值附近的同时，也需考虑前轮转向的特性，保证横摆角速度在某一限定数值范围，从收稿日期：第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，而完美地平衡整车的操纵稳定性。对于配备后轮转向的汽车控制，其核心就是尽可能地减小质心侧偏角的大小，最理想的状况是使其等于零 。但同时也要尽量减小横摆角速度增益，从而减少驾驶员的驾驶疲劳感。综合考虑，本节采用前馈与横摆反馈相结合做闭环比例的控制策略，同时与仅比例控制为策略作对比，分析两种方式在低速、高速条件下，对侧偏角、横摆角速度的影响。比例控制可采用文献 推导的公式：（）（）（）式中，为整车重量；为车速；为轴距；、为前后轮到质心的距离；、为前后轮侧偏刚度。图 关系曲线 由图 曲线可知，车辆低速时，为负值，前后轮转角相反，减少了转弯半径，提高了汽车通过性；高速时，为正，前后轮转角方向相同，可减小汽车质心侧偏角，改善了汽车的操纵稳定性。而结合横摆角速度反馈为控制目标的后轮转角，与前轮转角 的关系，可以定义为 ，则：（）（）理想目标模型计算分析根据牛顿力学矢量体系，二自由度带后轮转角的车辆模型动力学方程为 ：（）（）（）（）（）（）式中，为质心侧偏角；为车辆横摆角速度；为绕汽车 轴的转动惯量。为保证车辆转向时无侧滑，则汽车质心侧偏角的理想值应为零。带后轮转向车辆的横摆角速度增益，也应与只有前轮转向的汽车保持在一个范围，不能让驾乘者体会到有异常的体验。因此，以汽车前轮转向的二自由度横摆角速度增益，作为标杆的理想模型，其空间动力学状态方程为（）式 中，()；（）；为一阶滞后时间常数，一般取值 ；为稳定性因数，()。模糊 控制模型分析搭建 算法是一种应用非常广泛的控制手段。小则可以用于一个小风扇电机转速的控制，大到自动驾驶汽车轨迹、车速的控制，都利用了 的算法控制。（）是指比例、积分、微分计算。具体来说，对观测的目标进行输入后，利用 的 、做运算处理，将结果进行累加后，输送到输出系统中，从而得到所需要的控制结果。其控制方程为（）（）（）（）（）模糊控制 又叫模糊自适应 ，因其三个 参数可以实时优化调整而得名。模糊 控制算法，即是利用模糊规则，并按照相应的模糊逻辑对 的参数进行实时迭代计算，克服了单纯的 控制无法即时调整参数的缺陷，控制流程如图 所示。图 模糊 控制图 本文以横摆角速度的输出量与理想目标值的误差 和误差变化 作为输入量，、作为输出量。分别以高斯和三角函数作为输入量和输出量的隶属度函数，设 的论域为 ，的论域为 ，、的论域为 ，而 和 的模糊子集可定义为 ，以表示偏差量由较大的负值到偏差量为 ，再拖拉机与农用运输车第 期 年 月到偏差量较大正值的一个变化范围 。隶属函数如图 、图 和图 所示。图 输入变量隶属度函数 图 输出变量隶属度函数 图 、输出曲面 ，根据上述得到的隶属度函数、模糊控制规则及推理机制，在 中的 模块建立模糊 控制器模型，如图 所示。图 模糊 控制器 与 联合仿真分析根据上述分析及建立的分布模型，利用 整车仿真优势及 模型算法，本节将各子系统整合成一个系统模型，如图 所示。本文参考车型主要参数，整车重量 ，轴距 ，质心到前轴距离 ，质心到后轴距离 ，前轮总侧偏刚度 ，后轮总 侧 偏 刚 度 ，绕汽车 轴的转动惯量 。为更真实地反映车辆状态，本文将参考车的前后左右轮转角关系，按满足阿克曼转向梯形的要求做了设计。只需根据整车操纵稳定性的转角需求，输入左侧车轮转角，则利用 查表功能，得出右侧车轮转角，也有利于减少整个模型的计算量，如图 所示。根据建立的模型，以左前轮为角阶跃输入对象，左前轮 ，车速 。而高速条件时，左前轮转角 ，车速 为条件。高、低速，起跃时间均设为 ，分别对前轮转向、横摆角速度反馈的跟踪控制、模糊 控制进行仿真。由仿真结果图 、图 表明，低速时，带后轮转向的车辆，由于前后轮转角相反，整车质心侧偏角、横摆角度比仅前轮转向的车辆有很大的改善，从而提高了汽车的低速通过性和整车舒适性。高速时，由图 、图 表明，在后轮转向的参与下，前、后轮转角方向相同，转角大小根据整车模型计算得出，因此整车的质心侧偏角和横摆角速度，得到了更为显著地改善。说明高速时，采用带后轮转向的汽车，能有利地提升汽车的稳定性。从低速、高速状态仿真结果看，采用模糊 控制比横摆角速度反馈的跟踪控制，控制得更精准，能进一步改进车辆的操纵稳定性和安全舒适性。刘忠侦：基于 和 后轮转向稳定性模糊 优化分析图 模糊 整车仿真模型 图 汽车内外轮转角关系曲线 图 低速整车质心侧偏角 图 低速横摆角速度 图 高速整车质心侧偏角 图 高速横摆角速度 结论随着国内消费者对带后轮转向汽车越来越青睐，及各大主机厂、零部件公司投入研发，提供一套可行性及实践性强的指导性技术文件，显得尤为重要。本文借鉴以往的研究成果，结合实际开发情况，首先对使消费者容易感知的操纵稳定性关键因素进行了提炼，即汽车的横摆角速度、质心侧偏角，作为控制目标对象进行分析建模。（下转第 页）拖拉机与农用运输车第 期 年 月图 台架试验 湿式离合器基本功能以及可靠性进行验证依据 农林拖拉机和机械负载换档传动传动装置可靠性试验方法 和“拖拉机传动系换档试验大纲”，在传动系台架设定工况下验证湿式离合器的基本功能以及可靠性。试验过程中，传动系运行平稳，无异常响声。经 次循环换档试验（个试验换档对，每个换档对进行 次循环换档，总换档循环次数为 次）后，基本功能正常，试验拨叉未出现磨损痕迹。拖拉机传动系同步器专项试验依据 农林拖拉机和机械负载换挡传动传动装置可靠性试验方法 和 拖拉机用同步器台架试验方法，在传动系台架设定工况下，验证同步器及相关部件 换挡机构、换挡拨叉涂层的可靠性，如图 所示。换挡频率为每分钟 次，进行 万次换挡后，传动系基本功能正常，拨叉涂层未出现磨损痕迹。结论本文通过工艺试验、研究与分析验证，确定了表面预处理方式、工件加热方式、涂覆方式等一整套尼龙涂覆核心工艺技术方案。研究的工艺技术满足了涂层的致密性、附着力、耐湿热性等性能要求。尼龙涂覆拨叉经台架试验验证，涂层综合性能优异，提高了耐磨性，满足拖拉机产品的使用需求，同时避免了拨叉热处理工艺易变形的问题。该工艺应用覆盖面广，有较好的推广前景，将整体提高拖拉机零部件产品质量，进而提升拖拉机整机产品性能与质量水平。参考文献：瞿亚辉 应力变形规律在控制零件变形中的应用 科技论坛，（）徐伟峰 尼龙 在变速器换挡拨叉摩擦表面上的应用 传动技术，（）：戴军等 聚酰胺 固体粉末涂料 汽车工艺与材料，（）：李珍芳 活塞式隔膜泵涂覆 工艺研究 第十四届全国涂料涂装及表面处理技术研讨会论文集 北京：中国腐蚀与防护学会，：高健 重卡转向中间轴尼龙涂覆工艺研究 大连：大连理工大学，（编辑张晓超檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷）（上接第 页）利用整车二自由度模型，分析了前、后轮转角关系。从而了解了低速时，前后轮转角相反，高速时，前后轮转角同向的规律。并先后分析了前后轮比例控制、带横摆角速度反馈的跟踪控制。根据建立的理想目标模型，结合设计的模糊 控制，采用 和 联合仿真方式，取得了理论模型的计算结果。由于利用了模糊算法和 控制的优势，使得带后轮转向的整车系统，操纵稳定性得到了良好的提升。鉴于本文的计算仍是基于理论建模，分析过程中使用的参数与实际车辆（如悬架刚度、阻尼、车轮刚度等）存在误差。因此，实际在汽车开发过程，需要根据实际车辆的状态进行调试、优化，从而真正地释放出后轮转向的优势。参考文献：谢鹏 基于虚拟样机的电动助力转向系统动力学研究 上海：上海交通大学，于金波 四轮转向车辆的控制策略研究 太原：太原理工大学，宋宇，陈无畏，陈黎卿 基于 与 的车辆稳定性控制联合仿真研究 机械工程学报，（）：王臻 基于 、四轮转向汽车联合仿真分析 沈阳：东北大学，张磊 四轮转向车辆建模与转向稳定性研究 淄博：山东理工大学，周佳 四轮转向系统控制策略对比研究 北京：北京理工大学，乔建璐，范英，晋民杰，等 四轮转向车辆转向特性研究 中北大学学报（自然科学版），（）：（编辑张晓超）作者简介：刘忠侦（），男，工程硕士，主要从事转向制动方向研究与开发。拖拉机与农用运输车第 期 年 月