汽车四轮转向应用自抗扰控制技术研究

摘要：四轮转向汽车相对于通常的前轮转向汽车有着很多优异的性能。四轮转向汽车前后轮转角的控制是该领域研究的一个重点。尝试将自抗扰控制技术引入到汽车四轮转向研究当中。设计了适用于四轮转向汽车的自抗扰控制器，通过运行自抗扰控制应用于四轮转向汽车MATLAB/Simulink仿真模型并对比前馈控制的控制效果，认为自抗扰控制应用于四轮转向当中是可行的。并且自抗扰控制技术有着较好的适应能力及抗干扰能力。自抗扰控制需要确定的参数较多，缺乏参数整定方法，增加了调试的困难。

关键词：自抗扰控制 四轮转向 汽车 前馈控制

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）02-0005-03

1 引言

汽车四轮转向技术能够有效地提高车辆的操纵稳定性，是实现车辆主动安全的重要方法之一。通常汽车只是前轮转向，后轮通过车身带动被动地参与到车辆的转向过程中，四轮转向（4WS）是指不仅车辆的前轮转向，同时后轮也通过主动的偏转一定角度参与到转向过程中。四轮转向汽车在低速时前后车轮转角相反，能够缩小车辆的转弯半径，使操纵更加轻便以及增加通过性；更为重要的是四轮转向汽车能够使得质心侧偏角基本为零，极大地改善横摆角速度和侧向加速度的瞬态性能指标。[1]

四轮转向汽车前后轮转角之间的关系是这个领域中研究的重要的问题。在现有的四轮转向研究中，前轮转角一般由驾驶员通过转动转向盘并通过前轮与转向盘之间的机械连接来实现，后轮转向通过控制策略，由前轮转角、车速等参数确定。本文尝试将自抗扰控制技术（ADRC）引入到汽车四轮转向技术中，并与控制目标为质心侧偏角为零的前后轮转角前馈控制作对比，探讨自抗扰控制技术应用于四轮转向中的可行性，分析自抗扰控制技术应用的特点。

2 四轮转向汽车二自由度模型及前馈控制

2.1 四轮转向汽车二自由度模型

经过简化得到的线性二自由度汽车模型能够基本体现出操纵稳定性的基本特性。图1是四轮转向汽车二自由度模型运动学参数及受力情况，由此可推导出四轮转向汽车的二自由度模型[2]，见式（1）。

上式中，为汽车质量，为汽车质心速度，和分别为前后轮侧偏刚度，和分别为前后轴到质心的距离，为相对质心铅垂轴的转动惯量，为质心侧偏角，为横摆角速度。

2.2 四轮转向汽车后轮转角前馈控制

控制目标为稳态时质心侧偏角为零，由式（1）得到式（2）。

3 自抗扰控制器应用于汽车四轮转向仿真研究

3.1 二阶自抗扰控制算法[3]

自抗扰控制是由韩京清研究员提出的，由安排过渡过程，扩张状态观测器，状态误差的反馈形式，扰动估计的补偿四个部分组合而成的控制器。自抗扰控制器在控制工程不同领域中的实物实验和现场应用中有着良好的效果。式（5）是二阶自抗扰控制器典型算法。

3.2 自抗扰控制器应用于汽车四轮转向仿真

以MATLAB/Simulink为仿真工具建立图2所示的仿真系统。前轮转角为已知，控制目标为质心侧偏角等于0，车辆模型的质心侧偏角作为反馈参数提供给自抗扰控制器，由自抗扰控制器计算出控制量作为后轮转角作用到四轮转向汽车模型。自抗扰控制器参数通过尝试选择为：，，，，，，，，，，。车辆参数选取为：，，，，，，各参数单位均为国际标准单位及导出单位。

控制目标为0，前轮转角以阶跃信号（在时起跃，恒量为5°）输入，在不同的车速运行该模型；并在相同环境下对按公式（4）进行的前馈控制运行结果做对比，得到图3～图5。在图3中，自抗扰控制与前馈控制下的后轮转角主动控制均能使得质心侧偏角按照控制目标使得质心侧偏角为0，而且自抗扰控制比前馈控制偏离控制目标更小。在图4中，两种控制方式都能使横摆角速度稳定在相同的数值附近，且自抗扰控制比前馈控制能够更快地使得横摆角速度趋于稳定。在图5中，车速较低时（），两种控制方式后轮转角方向均与前轮转角方向相反；车速较高时（）后轮转角方向均与前轮转角方向相同。前馈控制下的后轮转角完全取决于前轮转角、车辆参数和车速，自抗扰控制能够根据反馈的质心侧偏角调节后轮转角数值。自抗扰控制能够达到前馈控制的控制效果，且在控制精度明显高于前馈控制。

为了进一步验证自抗扰控制的抗干扰能力，在四轮转向汽车二自由度模型中增加的信号作为噪声信号，在车速下运行模型考察自抗扰控制和前馈控制（图6）。可以看出自抗扰控制在此次应用中具有一定的补偿外界不确定因素的能力，明显优于前馈控制。由于此次仿真自抗扰控制参数整定有进一步优化的空间，抗干扰能力也有进一步提升的余地。

3 结论

自抗扰控制器应用于四轮转向汽车中是具有可行性的。自抗扰控制器在以质心侧偏角为零的控制目标的应用中，具有比前馈控制更好的动态响应，不依赖于车辆参数，在车辆参数发生变化时不需要调整控制器参数，具有较强的适应性。同时，自抗扰控制具有一定的抗干扰能力，这进一步提高了其易用性。自抗扰控制器的参数较多，参数整定较为困难，增加了调试的难度。

参考文献

[1]曾宇，陈思忠，杨林.四轮转向汽车操纵稳定性分析[J].车辆与动力技术，2010（2）.

[2]（德）Manfred Mischke，Henning Wallentowitz 著，陈荫三，余强译.汽车动力学（第4版）[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3]韩京清.自抗扰控制技术――估计补偿不确定因素的控制技术[M].北京：国防工业出版社，2009.

[4]李一染，陈慧，高博麟.自抗扰控制在汽轮主动转向控制中的应用[J].汽车工程，2011（5）.

[5]韩京清.自抗扰控制技术[J].前沿科学，2012（1）.

[6]杜峰，魏朗，赵建有.基于状态反馈的四轮转向汽车最优控制[J].长安大学学报（自然科学版），2008（4）.