汽车动力学稳定性控制研究进展

摘 要：车辆动力学（Vehicle dynamics，又称车辆动态）是指车辆方面的动力学，需要注意的是这一概念只在车辆与路面的关系中适用。文章重点就汽车动力学稳定性控制进展进行了研究和分析。

关键词：汽车动力学；稳定性控制；研究进展

汽车动力学稳定性控制技术是汽车动力学稳定性控制以及主动安全控制的基层平台技术，在未来先进汽车安全技术体系中至关重要。对汽车非线性系统瞬态动力学的定量化研究是当前研究的重点。同时将DSC 技术与防侧翻控制、自适应巡航控制、智能交通系统等技术融合，实现安全交通成为行业追求的目标。对于电动汽车而言，将制动能量回馈的功能集成到DSC 中亦是一大亟需解决的技术难题。复杂底盘电控系统动力学耦合与解耦优化，是未来提高汽车安全性能的发展方向。

1.DSC的概念描述

ABS（包括T CS） 控制的对象是轮胎的滑移，而DSC通过横向稳定控制和纵向稳定控制，实现汽车轮胎和路面的全滑移率区间的控制。当系统观测到不足转向发生时，进行主动的横摆力偶矩控制，减少不足转向；当观测到发生过多转向时，进行横摆力偶矩控制，减少过多转向。建立精确的整车模型，是进行系统仿真的关键。两轮模型参数简单，能够考虑纵向、横向运动控制，是动力学控制系统开发常用模型。基于该模型，开发了侧偏角估算算法， 侧向速度估算算法。但在进行环仿真分析过程中，一般采用四轮多自由度汽车仿真分析模型，可以考虑悬架、轮胎、车身的非线性，以及汽车的动态非线性， 能够较为精确地反映汽车的动态特征。轮胎模型与实际工况的符合程度决定了控制系统算法的精确性。修正的Pacejka tire model公式，采用纵向和侧向相对滑移率的均方根来修正滑移率，计算轮胎的纵向和横向力能够获得较好的精度。DSC是基于汽车自身的系统响应偏差和驾驶员操作误差的识别进行控制的，因此驾驶意图的识别是需要研究的问题。应用UMTRI 驾驶员模型，通过转向角选择， 使得预期的路径偏差最小。

2.稳定性控制关键参数

要实现对汽车行驶状态的控制，需要实时获取表征汽车运行状态的关键参量。其中部分参量可以传感测量，如轮速、横摆角速度等，而大多数参量不能直接测量，或因传感器价格太高而无法在汽车上应用，因而需要通过观测得到。DSC 系统状态参量的观测体系底层观测器利用 DSC 传感器直接量测相关的物理量；中间层观测器主要基于底层观测器信号对汽车运动状态以及主动制动时轮缸压力进行观测；顶层观测器综合底层和中间层观测结果得到整车动力学控制参量。其中，轮缸压力、路面附着、轮胎力、纵向车速和横向车速是重点观测参量。在汽车状态参数观测和稳定性控制中，制动压力常常是必须的参量，是进行其他参量估算的前提。一般制动压力可通过压力传感器测量修正得到，但若出现传感器损坏，压力值无法得到，则会严重影响汽车的稳定性控制。所以，在DSC 控制中，需要加入压力估算模型，在检测到压力传感器损坏时，由估算模型实现压力的提供。在DSC 控制中，当轮缸主动制动压力预期值和当前轮缸压力值确定时，需要确定液压控制模式中各电磁阀的开断指令，系统的增、减、保压指令可根据表征的液压反模型得到。在转向过程中的路面附着识别较之主动制动过程复杂。由于在转向过程中轮胎与路面之间的纵横向力出现相互影响，要想仅仅通过轮胎与路面之间的动态关系实现附着的估计具有很大的局限性。此时的路面识别通常需要结合其他的一些观测量来实现。

3.稳定性控制策略与分析

汽车稳定性控制可采用AYC 控制实现。福特公司则提出将车辆、驾驶员、DSC 控制器构成闭环，实现基于驾驶员意图的稳定性控制。典型的DSC控制体系可分为双层控制。第一层为AYC 控制层，根据横摆角速度和侧偏角偏差，确定所需的主动横摆力偶矩，最后采用车轮制动的方式实现。第二层为滑移率控制层，滑移率控制层包括ABS 控制和TCS 控制，根据所计算的车轮滑移率，确定所需的车轮制动力或节气门开度，实现防止车轮的制动抱死和驱动滑转。在 AYC 主动横摆控制中，通常选取横摆角速度作为主控变量，侧偏角作为辅助控制变量。因为横摆角速度直接反映了汽车的转向特性和品质，并且横摆角速度可以通过传感器直接测得，有很高的可靠性。但在低附路面上，汽车常常发生侧滑，横摆角速度不足以反映汽车的失稳状态，此时需要辅助以车身侧偏角来控制汽车的行驶状态。基于横摆和侧偏的偏差可得到车身稳定所需的目标横摆力矩，目标横摆力矩的获得方法有PID 控制，滑膜控制，最优控制以及模糊控制等。在低附路面上对稳定性的控制，有学者提出了基于驾驶员意图识别的动力学稳定性控制。横摆角速度偏差作为AYC 控制的主控变量，虽然横摆角速度的测量值可靠性高，但由于车身横摆响应的滞后性，以及对AYC 控制快速性的要求，仅仅采用测量所得的横摆角速度进行AYC 控制，可能出现控制不及时的现象。

结束语：汽车稳定性控制建模技术通过不断的探索和发展，已取得了很大的进步。但模型的准确性和实时性之间的矛盾仍然没有得到较好的解决。目前DSC 的研发主要的核心问题是控制算法的开发、液压执行机构的设计、控制系统和整车的匹配。目前一套DSC 的匹配需要经过两冬一夏的时间考核， 因此研究快速高效的算法、匹配流程和方法是实现DSC 自主开发的重点。此外， 液压执行结构的设计生产也是制约自主研究的一个瓶颈。集成了DSC 系统、主动转向、自动换挡等底盘控制技术为一体的综合控制系统， 对汽车上的主动控制系统进行整合， 从而实现汽车的操纵稳定性的优化， 是未来发展的方向。

参考文献：

[1]陈在峰.制动器耗散功率最大为目标的ABS 控制方法[J].清华大学学报，2012

[2]瞿翔洲.牵引力控制系统（TCS）的硬件在环仿真分析[D].北京： 清华大学， 2011