基于ADAMS与Matlab的车辆稳定性控制联合仿真研究.pdf

1、第4 7 卷第1 6 期2 01 1 年8 月机械工程学报J o U R N A LO FM E C H A N I C A LE N G I N E E R I N GV b l 4 7A u g N o 1 62 0llD o I：l O 3 9 0 1 J M E 2 0 1 1 1 6 0 8 6基于A D A M S 与M a t l a b 的车辆稳定性控制联合仿真研究木宋宇1,2陈无畏1陈黎卿1，2(1 合肥工业大学机械与汽车工程学院合肥2 3 0 0 0 9；2 安徽农业大学工学院合肥2 3 0 0 3 6)摘要：通过A D A M S C a r 软件建立车辆虚拟样机模型，设

2、计出一种基于横摆角速度反馈的稳定性控制系统，此系统由四轮制动逻辑控制器和单轮制动力P I D 控制器组成，并同防抱死刹车系统(A n t i 1 0 c k e d b r a k i n gs y s t e m，A B S)的轮胎滑移率控制相结合以防止车轮失稳，进行A D A M S 与M a t l a b 联合仿真分析。控制系统中，逻辑控制器只需两路信号，不需要对四个车轮进行独立控制，P I D 控制器设计为使能子系统，接收逻辑控制器发出的激活信号，而A B S 控制器当车轮滑移率小于限定值时方解除控制状态，执行稳定性控制逻辑。理论分析和仿真结果表明，构建的车辆稳定性控制系统是一个行之

3、有效的进行综合仿真和优化控制的系统，所采用的联合仿真方法是正确有效的，由A B S 系统和P I D 控制策略组成的控制系统有效提高了车辆的稳定性，所得结果为稳定性控制在车辆工程中的实际应用提供了参考。关键词：车辆稳定性控制联合仿真虚拟样机A D A M SM a t l a b中图分类号：U 4 6 1S t u d yo nC o s i m u l a t i o no fV e h i c l eS t a b i l i t yC o n t r o lB a s e do nA D A M Sa n dM a t l a bS O N GY u l，2C H E NW u w e

4、i lC H E NL i q i n 9 1，2(1 S c h o o lo f M e c h a n i c a la n d A u t o m o b i l eE n g i n e e r i n g，H e f e iU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y,H e f e i2 3 0 0 0 9；2 S c h o o lo fE n g i n e e r i n g，A n h u iA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,H e f e i2 3 0 0 3 6)A b s t

5、 r a c t：T h i sp a p e rb u i l tav e h i c l ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e lw i t hA D A M S C a ra n dd e s i g n e dan e wv e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mb a s e do ny a wr a t ef e e d b a c k T h i ss y s t e mW a sc o n s i s t e do faf o u r-w h e e lb r a k i

6、n gl o g i cc o n t r o l l e ra n dam o n o w h e e lb r a k i n gP I Dc o n t r o l l e r,t h ea n t i-l o c k e db r a k i n gs y s t e m(A B S)c o n t r o l l e dt h et i r es l i pr a t ei no r d e rt op r e v e n tw h e e ld e s t a b i l i z a t i o n，a n dp e r f o r m e dt h eC O s i m u l

7、a t i o n sb a s e do nA D A M Sa n dM a t a l b I nt h ec o n t r o ls y s t e m，t h el o g i cc o n t r o l l e rj u s tn e e dt w oc h a n n e ls i g n a l st a k i n gt h ep l a c eo ff o u rw h e e l si n d e p e n d e n tc o n t r o ls i g n a l s，t h eP I Dc o n t r o l l e rW a sd e s i g n

8、e dt ob eae n a b l es u b s y s t e mr e c e i v i n gt h ea c t i v a t i o ns i g n a lf r o mt h el o g i cc o n t r o l l e r,a n dt h eA B Sc o n t r o l l e rW a sd e s i g n e dt or 既n o v et h ec o n t r o lb e h a v i o u ra n de x e c u t et h es t a b i l i t yc o n t r o ll o g i cw h e

9、 nt h et i r es l i pr a t el e s st h a nt h el i m i t e dv a l u e T h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev e h i c l es t a b i l i t ys y s t e mw h i c hi sm a d el l po fa nA B Ss y s t e ma n daP I Dc o n t r o ls c h e m eh a sab

10、 e l f t e rl 弛r f o H n a n c eo ni m p r o v i n gt h ev e h i c l e ss t a b i l i t y，t h ec o-s i m u l a t i o nc o n c l u s i o n sp r o v i d ear e f e r e n c ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h es t a b i l i t yc o n t r o li nv e h i c l ee n g i n e e r i n g K e yw o r

11、 d s：V e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o lC o-s i m u l a t i o nV i r t u a lp r o t o t y p eA D A M SM a t l a b0 前言基于直接横摆力矩的车辆稳定性控制技术经国家自然科学基金(5 1 0 7 5 1 1 2)和安徽省高校自然科学研究重点(K,1 2 0 1 0 A 1 2 2)资助项目2 0 1 0 0 8 1 2 收到初稿，2 0 11 0 5 2 0 收到修改稿过1 0 余年的发展已逐步形成一个重要的研究方向。该控制技术的基本思想是通过改变车辆左右两侧车轮上的纵

12、向力来产生附加的车身横摆力矩，使车辆稳定性得以改善，有效解决了轮胎侧向力接近附着极限或达到饱和状态时，车辆丧失动力学稳定性的问题I I。z J。万方数据2 0 1 1 年8 月宋宇等：基于A D A M S 与M a t l a b 的车辆稳定性控制联合仿真研究8 7相关文献论述了车辆稳定性控制的多种算法，其中文献 3 将H。理论应用于直接横摆力矩控制来改善车辆的稳定性，文献【4 设计了最优控制器有效防止了车辆侧滑，文献 5】进行了直接横摆力矩的应用研究等。然而，从车辆稳定性控制研究的应用角度出发，横摆力矩应通过控制车辆左右两侧车轮上的纵向力来实现，且在轮胎路面附着系数的准确估计或测量存在较大

13、困难的情况下，利用防抱死刹车系统(A n t i 1 0 c k e db r a k i n gs y s t e m，A B S)控制车轮滑移率和制动力矩应是有效的技术途型6 1。本文采用基于横摆角速度反馈控制的方法，以2 自由度车辆模型的理想横摆角速度作为控制目标，并对A D A M S C a r 车辆模犁制动系统设计了A B S 控制器，对轮胎滑移率进行控制以保持车轮的稳定性，在滑移率小于限定值时，A B S 控制状态解除，进入稳定性控制逻辑。在考虑了路面附着条件限制的情况下，设计了稳定性控制的制动力控制逻辑和车轮制动P I D 控制器，进行了A D A M S 与M a t l a

14、 b 环境中的联合仿真分析，验证了车辆稳定性控制系统应用的有效性。1 车辆稳定性控制目标研究资料表明，车辆稳定性控制包含两方面的问题，即轨迹保持问题和稳定性问题，分别由车身质心侧偏角和横摆角速度来描述。对于轨迹保持问题，可以车身质心侧偏角为控制目标，对于稳定性问题，可以横摆角速度为控制目标，两者的耦合性也使得车辆稳定性控制算法的研究呈现多元化发展趋势，如横摆角速度控制或质心侧偏角控制或二者的联合控制。而侧偏角主要是由车辆上的纵向力和横向力来决定的，用制动力直接控制车辆上的横向力是比较困难的，同时，考虑到质心侧偏角需构造观测器进行估算，而横摆角速度较质心侧偏角更易于测量，因此本文以横摆角速度为控

15、制目标，采用基于横摆角速度反馈的稳定性控制。目前这一研究领域多采用跟踪目标横摆角速度的方法。实际上，目标横摆角速度涉及因素较多，其理想值的准确确定有一定难度，即使确定了，根据控制逻辑的不同，会有几种可能：一是未正确反应驾驶员意图，与驾驶员驾驶习惯发生冲突；二是虽反应了驾驶员意图，但在当前车速和路面条件下不是安全合理的；三是出现状态偏差就实施控制将使得控制系统动作频繁，可能造成不必耍的能最消耗，同时易使驾驶员对稳定性控制系统产牛依赖。正常的驾驶感觉出现偏差。考虑到轮胎路l f l 附着条件的限制是车辆失稳的根本原因，因而，车辆目标横摆角速度首先必须受路面附着条件的限制，在轮胎附着极限下侧向力必须

16、满足一定的约束条件，即车辆侧向加速度a 应满足一定的约束条件。作为稳定性控制系统的首要目标，满足这个约束条件时控制系统可以无动作。在轮胎附着极限下侧向力应满足l a，l g(1)在车辆质心侧偏角很小时近似有a。t v x(2)因而车辆横摆角速度应满足如下条件恻铡(3)式中v 车辆前进速度户车辆横摆角速度路面附着系数g 重力加速度为了解决轮胎大侧偏角下的非线性问题，可以构造非线性目标横摆角速度发生器，但当路面附着系数较差时，存在此时的目标横摆角速度所反应的驾驶员意图是否安全合理的问题。因而，把线性2自由度车辆的转向特性作为理想的转向特性有其合理性，由此线性2 自由度车辆模型决定的横摆角速度虽然仅在车辆质心侧偏角很小的轮胎线性区内是准确的，但对车辆来说却是最稳定的，是驾驶员比较容易掌握的转向特性，具有很好的操纵稳定性能，其值过大或过小都不好。因而由2 自由度车辆模型的横摆角速度，来衡量车辆稳定性的程度。并作为控制目标是可行的。线性2 自由度车辆的运动方程为l 肌k(夕+户)：一(k f+I)+望l 旦生户+k 万J匕f 4 1l t 尹：(扯-a k f)一坐立堕户+口砖万Lk式中质心侧偏