基于ABS和ESP的汽車(chē)穩(wěn)定性控制仿真論文

基于ABS和ESP的汽車(chē)穩(wěn)定性控制仿真摘要：針對(duì)汽車(chē)行駛中出現(xiàn)不穩(wěn)定工況，設(shè)計(jì)了基于邏輯門(mén)限值控制的ABS控制器和基于橫擺角速度控制的ESP控制器，建立MATLAB/Simulink仿真模型，分析汽車(chē)在危險(xiǎn)工況的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，所建控制器能較好提高汽車(chē)操縱穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞:ABS；邏輯門(mén)限值；ESP；PID;穩(wěn)定性控制VehiclestabilitycontrolbasedonsimulationofABSandESPAbstract:Creatingathreshold-basedlogiccontrolABScontrollerandESPcontrollerbasedonyawratecontrolunderunstableconditionsforcars,usingMATLAB/Simulinksimulationmodeltoanalyzethestabilityandvehiclesindangerousworkingconditions.Theresultsshowthatthecontrollercanbebetterbuilttoimprovevehiclehandlingandstability.Keywords:ABS；threshold-basedlogiccontrol；ESP；PID;stabilitycontrol；汽車(chē)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(ESP)是在汽車(chē)防抱制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)等主動(dòng)安全技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型主動(dòng)安全控制系統(tǒng)[1]。汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)是一種主動(dòng)安全裝置，在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，消除制動(dòng)過(guò)程中的側(cè)滑跑偏、喪失轉(zhuǎn)向能力等非穩(wěn)定狀態(tài)，使汽車(chē)獲得良好的制動(dòng)性能操縱性能和穩(wěn)定性能[2]。ESP是利用輪胎的受力特性，改變汽車(chē)的橫擺力矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)穩(wěn)定性的調(diào)整，ESP可在汽車(chē)行駛的所有工況中起作用[3]。尤其是在汽車(chē)發(fā)生過(guò)多轉(zhuǎn)向和不足轉(zhuǎn)向時(shí)，ESP更具有突出的車(chē)輛穩(wěn)定性控制效果。ABS與ESP的運(yùn)用既有利于提高車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性，可以在縮短制動(dòng)距離的同時(shí)，增加了控制性能，提高車(chē)輛的行駛的方向穩(wěn)定性。1整車(chē)模型1.1車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型忽略空氣阻力與滾動(dòng)阻力，采用汽車(chē)七自由度模型來(lái)描述車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)特性，汽車(chē)動(dòng)力學(xué)方程如下式所示：m(vx-vym(vy-vxγm(γ)=aF式中：vxvx為汽車(chē)側(cè)向速度β為汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角；γ為汽車(chē)橫擺角速度；δ為車(chē)輪轉(zhuǎn)角；Fxij為輪胎所受的縱向力Fyij為輪胎所受的側(cè)向力；a為質(zhì)心到前軸距離;b為質(zhì)心到后軸距離;d為汽車(chē)軸距。1.2輪胎模型本文采用的“魔術(shù)公式”輪胎模型是由荷蘭Delft理工大學(xué)Pacejka教授在1987年提出的，是一個(gè)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的半經(jīng)驗(yàn)輪胎模型。(4)式中：Y為側(cè)向力、縱向力；X為側(cè)偏角或縱向滑移率；B剛度因子；C為曲線(xiàn)形狀因子；D為峰值因子；E為曲線(xiàn)率因子；2ABS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)ABS的控制方法主要包括邏輯門(mén)限值控制、PID控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、最優(yōu)控制等?，F(xiàn)在成熟的ABS產(chǎn)品大多采用邏輯門(mén)限控制，其原理是選擇合適的門(mén)限值,建立ABS控制邏輯，進(jìn)行增壓、保壓、減壓等方式，使車(chē)輪滑移率保持在10%—30%之間[4]。從而獲得較大的車(chē)輪縱向力和側(cè)向力，使車(chē)輛具有較短制動(dòng)距離的同時(shí)保持制動(dòng)穩(wěn)定性.首先制定邏輯門(mén)限值控制規(guī)則，若計(jì)算滑移率達(dá)到目標(biāo)滑移率時(shí)，進(jìn)入保壓階段；若計(jì)算滑移率小于目標(biāo)滑移率時(shí)，進(jìn)入降壓階段；若計(jì)算滑移率大于目標(biāo)滑移率，進(jìn)入增壓階段。本文以車(chē)輪滑移率為控制變量，使制動(dòng)過(guò)程中保持最佳滑移率，具體控制邏輯如表1：表1控制邏輯λλ=λλ系統(tǒng)增壓系統(tǒng)保壓系統(tǒng)減壓注：λ-計(jì)算滑移率；λ0以滑移率為控制變量，采用邏輯門(mén)限值控制，建立整車(chē)ABS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1：車(chē)輛模型計(jì)算滑移率車(chē)輛模型ABSABS控制器液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)輪缸壓力電磁閥控制信號(hào)圖1整車(chē)ABS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3ESP控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接控制質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度這兩個(gè)控制參數(shù)非常困難,但是控制與這兩個(gè)參數(shù)有密切關(guān)系的橫擺力矩卻相對(duì)容易些?？刂茩M擺力矩最有效也是目前廣泛采用的法是通過(guò)控制車(chē)輪之間的制動(dòng)力分配。3.1名義橫擺角速度車(chē)輛名義橫擺角速度，是在一定車(chē)速和轉(zhuǎn)向角條件下，駕駛員期望的車(chē)輛狀態(tài)，其穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下汽車(chē)的橫擺角速度，如下式所示：ωr式中，K=mL2(a汽車(chē)在低附著系數(shù)路面行駛時(shí),一般情況ωrmax<ωrmax>故名義橫擺角速度值為：ωr03.2PID控制器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)PID控制器，用來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)橫擺角速度，控制器的參數(shù)為kpu(7)式中：KP-比例放大系數(shù)；TI在MATLAB/Simulink中建立基于橫擺角速度控制的ESP仿真模型，如圖2：圖2PID控制仿真圖ESP控制系統(tǒng)通過(guò)車(chē)輪制動(dòng)分配控制邏輯，作用到車(chē)輪，實(shí)時(shí)主動(dòng)調(diào)節(jié)車(chē)輪制動(dòng)力，防止汽車(chē)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，車(chē)輪制動(dòng)力分配如表2，ESP整車(chē)控制系統(tǒng)如圖2所示：表2車(chē)輪制動(dòng)力分配ωωω控制車(chē)輪+++左前輪--+左后輪---右前輪++-右后輪車(chē)輛模型理想二車(chē)輛模型理想二自由度模型PID控制器制動(dòng)力分配液壓系統(tǒng)Pb（b）車(chē)速與左后輪速M(fèi)T圖2ESP整車(chē)控制系統(tǒng)如4仿真結(jié)果搭建系統(tǒng)的仿真模型，分別對(duì)ABS控制系統(tǒng)，ESP控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。用于仿真初始條件為：車(chē)速65km/h,對(duì)開(kāi)路面。（a）車(chē)速與左前輪速（c）車(chē)速與右前輪速（d）車(chē)速與右后輪速圖3車(chē)速與輪速（a）正弦工況下轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角（b）正弦工況下橫擺角速度（c）正弦駐波工況下轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角（d）正弦駐波工況下橫擺角速度圖4轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角與橫擺角速度5結(jié)論建立汽車(chē)7自由度動(dòng)力學(xué)模型，并以汽車(chē)的輪胎滑移率、橫擺角速度為控制變量，以MATLAB/Simulink為仿真平臺(tái)，建立A