基于ADAMS和MATLAB的汽车ESP联合仿真.doc

基于ADAMS和MATLAB的汽车ESP联合仿真
仇建华，张永辉，王鑫
(西安航空技术高等专科学校 车辆与医电工程系, 陕西 西安 710077)

摘要：用ADAMs/Car建立了汽车整车模型，用MAILAB/SMULINK建立汽车二自由度模型，得到反映不同车速和转角下汽车理想横摆角速度和质心侧偏角，然后建立ADAMs/Car和MAILAB/SMULINK的通信联系，在MAILAB/SMULINK环境下建立模糊控制的仿真模型，进行汽车ESP系统的仿真研究。仿真结果表明：ESP系统控制可以改善了汽车行驶稳定性，提高汽车行驶安全性。
关键字：ESP；ADAMs/Car；MAILAB；模糊控制；联合仿真
中图分类号：U461.91 文献标识码：A 文章编号：1672-0032（2010）03-0012-04

ESP即电子稳定系统，是当前汽车主动安全装置的最高形式。它是在汽车自动防抱动系统ABS和驱动防滑控制系统ASR基础上加以系统控制，具有对制动力、驱动力进行自动补偿和修正的综合控制效果。汽车ESP系统能主动分析、判断汽车各种运行状态，并能够纠正驾驶错误，能在汽车极限运行的情况下自动辅助驾驶员控制汽车，尤其是在高速行驶时，对汽车横向稳定性有着很好的控制作用，能最大可能的保证汽车的行驶安全。
国外很多中高级轿车把ESP系统作为标准配置，国内装配率比较低。只有少数汽车厂和高校对ESP系统的控制方法进行了研究。本文以某型后驱轿车为研究对象，利用ADAMs/Car和MAILAB/SMULINK对汽车进行联合仿真研究，基于ADAMs/Car建模的优点，不需要建立数学模型，建立了直观的三维汽车模型，能够比较真实地反映出汽车的动力学特性，仿真结果具有可信性。
1 建模
1.1 整车动力学模型
用ADAMs/Car建立某后桥驱动轿车的整车动力学模型，如图1所示。若需要建立的子模型有：前悬架、转向系统、发动机、前后轮、制动系统等。建模后，一般通过道路虚拟实验法来检验模型的正确与否，通常采用的实验方法有：移线实验、蛇形实验、瞬态响应实验、稳态响应实验等。该模型经过移线试验证明是正确的。

图1 整车动力学模
1.2 汽车二自由度参考模型
在仿真过程中, 控制系统需要将实际横摆角速度及质心侧偏角和理想的横摆角速度及质心侧偏角做比较, 因此需要建立汽车的理想参考模型, 如图 2所示。通常是建立二自由度线性单轨模型, 计算得到汽车的参考横摆角速度和参考质心侧偏角。由图2可以得到汽车的运动方程为

式中m为汽车总质量; 为汽车沿y轴的速度; 为汽车沿x轴的速度; 为横摆角速度; 为汽车绕z轴的转动惯量; a为质心到前轴的距离; b为质心到后轴的距离; 为前轮总侧偏刚度; 为后轮总侧偏刚度; 为前轮侧偏角, , 其中为转向轮转角, 为质心侧偏角; 为后轮侧偏角, 。
图2中为前轮受到的侧向力、为后轮受到的侧向力, 为前轴中点速度, 为后轴中点速度。

图2 汽车理想二自由度参考模型
2 控制策略及仿真
ESP系统的控制过程是通过各种传感器(车速传感器、横摆角速度传感器等)获得汽车的实际运动状态, 与由汽车参考模型得到的理想参数值做比较, 判断汽车是否处于行驶稳定状态, 从而控制汽车的运动。当实际侧向力与理想汽车模型计算出的侧向力存在一定偏差时, 则实际横摆角速度和实际质心侧偏角与理想汽车模型计算的参考横摆角速度和参考质心侧偏角之间存在一定偏差, 若偏差值在允许范围之内, 认为汽车的行驶状态稳定; 若偏差值超过允许的范围, 就需要对汽车进行控制。ESP系统控制的目标有2个, 即保持汽车理想轨迹和稳定性控制, 对于轨迹问题可以用质心侧偏角来描述, 而对于稳定性可以用横摆角速度来描述。在设计控制器时, 可以使用其中 1个参数作为控制量, 也可以2个参数都作为控制量。本文同时采用2个参数作为输入控制量。
2.1 模糊控制器设计
如图3所示, 二维模糊控制器的输入变量为实际横摆角速度、质心侧偏角与汽车参考模型输出的参考横摆角速度及质心侧偏角之间的误差e以及误差变化率。制动力矩作为模糊控制器的输出变量, 控制器根据输入量的变化计算出所需的制动力矩的大小, 最后通过制动力分配系统传递给各个车轮的控制器。

图3 模糊控制器
2.2 联合仿真控制系统设计
将ADAMS/Controls导出的文件导入到MATLAB当前的工作目录下, 在MATLAB软件中调取ADAMS/CAR子系统模型, 再加入模糊控制系统, 即建立联合仿真控制系统的模型。此模型通过质心侧偏角和横摆角速度2个变量进行联合反馈控制, 如图4所示, 图中Add为加权功能模块, ,,均为模糊控制器的量化因子。
当车速低于80km/h时, 仿真显示ESP系统几乎不起作用; 速度过高, 又会使轮胎侧向力超过地面的最大附着力, 汽车失去控制。因此, 选取阶跃和单移线仿真的车速均为80 km /h, 地面附着系数为0. 6。

图4 联合仿真控制模型
1)阶跃转向仿真
①仿真条件。当汽车作圆周行驶时, 转向盘输入为阶跃输入(汽车模型、汽车参考模型的输入信号阶跃输入)。变速器置5挡, 车速为80 km /h, 地面附着系数为 0. 6, 前轮转角为角阶跃转向输入, 转向开始时刻为2 s, 转向持续时间为1 s, 最大转角为。
②仿真结果分析。图5为有、无ESP控制的汽车行驶轨迹图, 图6为横摆角速度变化曲线, 图7质心侧偏角的变化曲线。

图5 有无ESP行驶轨迹图 图6 阶跃条件下横摆角速度变化曲线
从图5中看出, 有ESP控制的汽车行驶稳定, 能按预期轨迹行驶; 无ESP 控制的汽车, 出现后轮侧滑, 失去稳定性。从图 6～7中可以看出, 没有ESP控制的汽车其横摆角速度和质心侧偏角迅速增大, 说明汽车后轮侧向力达到地面附着极限, 导致各状态变量发生急剧变化, 无法按照驾驶员预期轨迹行驶, 出现后轮侧滑。
2)单移线转向仿真
仿真条件。单移线仿真即汽车在规定的时间内, 通过一个S型曲线样式的道路模拟汽车的变道动作(汽车模型、汽车参考模型的输入信号正弦输入)。变速器置5挡, 车速为80 km /h, 地面附着系数为0. 6, 前轮转角为正弦转向输入, 开始转向时刻为 1 s, 转向持续时间为 3 s, 最大转角为。
仿真结果分析。图8为有、无ESP控制的汽车行驶轨迹图, 图9为横摆角速度变化曲线, 图10为质心侧偏角的变化曲线。

图7阶跃条件下质心侧偏角变化曲线 图8有无ESP控制时汽车行驶轨迹图
从图8中看出, 有ESP控制的汽车在变换车道时, 能按预期轨迹行驶; 无ESP控制的汽车, 出现后轮侧滑, 失去稳定性。由图9, 10中可知, 没有ESP控制的汽车其横摆角速度和质心侧偏角迅速增大, 说明汽车侧向力达到地面附着极限, 无法按照驾驶员预期轨迹行驶, 出现甩尾现象。
图9单移线条件下横摆角速度变化曲线 图10单移线条件下质心侧偏角变化曲线
3 结语
采用ADAMS/CAR 建立了直观的三维汽车模型, 其各部分的运动和响应与实际汽车接近, 能够比较真实地反映汽车的动力学特性。通过ADAMS/Controls确定模型的输入输出变量, 并导出汽车模型, 在SIMULINK下建立ESP的控制系统模型, 将ESP控制模型与汽车模型相结合, 实现了基于ADAM S /CAR和MATLAB2的汽车ESP系统的联合仿真, 仿真结果具有可信性。
参考文献:
[1]余志生. 汽车理论 [M ]. 3版.北京:机械工业出版社, 2000.
[2] Zeyada Y, Karnopp D, ElArabiM, eta.l Acombined AetiveSteering Differential B rak ing Yaw Rate Control S trategy for Emergeney Maneuvers[ J]. Vehicle Dynam ics and S im ulation , 1998, 1361: 97 - 102.
[3]Youssef A Ghon eim, W illiam C lin, David M Sidlosky, et a.l Integrated Chass is Con trol System to Enhan ce V eh icle Stab ility[ J]. International Journal of Veh icle Design, 2000, 23( 1 - 2 ): 124- 144.
[4]席爱民. 模糊控制技术 [M ]. 西安: 西安电子科技大学, 2008: 82.
[5]陈军. MSC. ADAM S 技术与工程分析实例 [M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2008: 219.