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1、书书书第!卷 第#期!$%年&月河 南 科 技 大 学 学 报：自 然 科 学 版()*+,-.)/01,-,2,341+5367)/8931,91-,:;19-6*+-.8931,91?).!)#(*,!$%基金项目：安徽省高校青年教师科研计划项目（!$AB.CD!）作者简介：时培成（CE%F），男，安徽六安人，讲师，硕士；李&震（CE#F），男，安徽六安人，教授，博士收稿日期：!$FC$FC%文章编号：C%!F%C（!$%）$#F$!C F$G汽车多体系统动力学稳定性控制联合仿真时培成，李&震（安徽工程科技学院 机械工程系，安徽 芜湖!GC$）摘要：利用 HIHJ8 软件建立了带有汽车动力
2、学控制（?IK）系统的整车多体动力学模型，在 JH;LHM 环境中设计了 NOI 控制的?IK 系统，定义了 JH;LHM 与 HIHJ8 环境下车辆模型的数据交换接口，将整车模型与设计的控制系统在 HIHJ8P K-+和 JH;LHMP 83Q*.3,R 环境下通过输入输出接口进行了联合仿真，研究了?IK 系统的最佳控制参数，实现了几种行驶工况下的?IK 系统及整车动态特性的仿真分析。仿真结果表明，所设计的横向稳定性控制器控制有效，实时性好，提高了汽车的操纵性能。关键词：汽车稳定性；汽车动力学控制系统；多体模型；联合仿真中图分类号：2GC 文献标识码：H!前言汽车动力学控制（?139.1 I
3、7,-Q395 K),6+).，简称?IK）系统，是继 HM8 和 H8S 之后，又一通过调节车轮纵向制动力大小以改善车辆操纵稳定性的新型主动安全控制系统。?IK 利用车辆的横摆角速度和重心处侧偏角来表征车辆的运动状态，通过单轨线性模型计算出在给定的驾驶员操纵指令下的横摆角速度和车身侧偏角，并以此作为车辆状态的期望值，通过车辆动力学状态变量反馈来调节各车轮上纵向力的有无、大小、方向及分配，使车辆的实际状态与期望状态的差别限制在给定范围之内，从而使车辆获得优良的操纵稳定性C。车辆横向稳定性控制正成为国际汽车电子工程师研究的新热点，部分国外高级轿车已经装备了该系统!F#；国内对汽车动力学稳定性控制
4、的研究刚刚起步，工作主要集中于理论分析的阶段上，只有少数的学者进行了控制方法的仿真研究G F%。本文基于多体动力学理论，以某%座多功能商务车（JN?）为研究对象，利用 HIHJ8 和 JH;LHM 两种软件同时工作对装有?IK 系统的车辆模型进行了仿真试验。一定程度上弥补了现实物理试验条件的不足，并为最终的物理试验提供了理论参考，有效地缩短了车辆控制系统的开发周期、降低了开发成本。图#整车模型#整车多体动力学模型车辆动力学系统模型的准确性是决定所设计的控制器是否具有实用性的前提条件，所以建立的车辆模型应尽可能准确，但考虑到仿真实时性要求，模型在基本适合所要求工况的前提下还应尽可能简单。在 HI
5、HJ8 环境中所建的整车多体动力学模型如图 C 所示，建模参数及过程见文献 ，该模型就能够在软件环境中进行开、闭环仿真试验，如模拟水平路面上转向盘阶跃输入、移线、蛇行及定圆周道路上的行驶工况等。$控制系统设计?IK 系统控制循环：通过车速传感器、车身侧偏角、横摆角速度、获取汽车的真实运动状态，与基于驾驶员输入信号的参考模型计算得到的期望值进行对照，控制汽车的运动。控制系统的目标是让车辆的横摆角速度和侧偏角能够跟踪它们相应的期望值。驾驶员期望的车辆行驶状态（即理想的横摆角速 万方数据在装卸搬运时有其特点及方法:物流装卸搬运的概念：物流装卸搬运是指在一定的区域内(通常指某一个物流结点，如车站、码头
6、、仓库等，以改变物品的存放状态和位置为主要内容的活动。它是伴随输送和保管而产生的物流活动，是对运输、保管、包装、流通加工、配送等物流活动进行衔接的中间环节。在整个物流活动中，如果强调存放状态的改变时，一般用“装卸”一词表示；如果强调空间位置改变时，常用“搬运”一词表示。物流的各环节和同一环节不同活动之间，都必须进行装卸搬运作业。所以杭杭州州搬家公司搬家公司就是来完成其作业的。正是装卸搬运活动把物流运动的各个阶段联结起来，成为连续的流动过程。http:/ 和重心处侧偏角#为输出，其运动微分方程为#!（#）$%（&$#&）#&%(&$#&$!)*$（&%(&$）#%(&$#&#(&$!式中%!为整
7、车质量；)*为整车绕过质心铅垂轴的转动惯量；(为质心至前轴的水平距离；为质心至后轴的水平距离；&$为前轮综合侧偏刚度；&为后轮综合侧偏刚度；为车速。!#控制原理图$#%&基本工作原理&(系统控制问题可分为两类：一类是轨迹保持问题，可由汽车的质心侧偏角来描述；另一类是稳定性问题，可由汽车的横摆角速度来描述，其工作原理如图)所示。&(系统以横摆角速度和质心侧偏角作为被控变量，其硬件基本组成包括方向盘转角传感器、车速传感器、汽车质心侧偏角传感器、横摆角速度传感器、电控单元（*(+）等。由各传感器测得的电信号共同传给*(+，*(+通过分析这些信号，根据二自由度汽车参考模型计算出保持车辆稳定的期望值+，
8、#+，然后与传感器测量出来的实际值，#进行比较得$，$#，由此判断车辆的行驶状态。若在允许的范围内，则&(无需作用，若不在允许范围内，则&(根据$，$#的大小确定要产生的修正横摆力矩+,。汽车行驶过程中，&(系统的控制器会不断地比较车身侧偏角和横摆角速度实际值与期望值的偏差，根据偏差计算出所需要的车身控制力矩，实现车辆稳定性控制。考虑到整个系统的复杂程度，本次研究将&(系统控制算法求解的纠偏控制力矩直接作用在车体上。!$#控制策略对&(系统输出修正横摆力矩的控制是&(研究的重点，其控制输入为车速、车身横摆角速度及侧偏角等信号，考虑到车辆建模过程中的非线性及控制输入量与输出量间存在非线性映射关系
9、，本文采用了增量式数字,-控制器来实现对输出力矩的控制$.。!(#联合仿真系统设计关于带有控制系统的机械系统运动仿真，在现有的文献中，有学者将机械系统多体动力学模型导入/01203 施加控制，而后在/01203 环境中仿真。但对于汽车这一特殊的运动系统来说，若在/01203 环境中仿真，难以考虑路面与轮胎的运动接触情况，且必须把路面的空间谱转换为时间谱，影响了仿真精度，仿真过程也不直观。文中将把控制系统导入到 00/4 环境中，而后在 00/4 环境中进行仿真试验，这样模拟汽车运动更逼真，行驶状况更符合实际。具体方法如下：首先，在 0/045(67 环境中定义状态变量，将车速、前轮转角、横摆角
10、速度、修正横摆力矩、车身侧偏角及侧向加速度均设置为变量，变量名分别为，!，+,，#及(-，将输入变量+,的初始值设为.，并用&08&02（）函数赋值，在仿真过程中，它的值将会被来自控制系统的计算输出值实时刷新，输出变量，!，#及(-用表达式赋值，由软件内部自动计算。其次，输出变量是指进入控制程序的变量，表示从 00/4 输出到控制程序的变量。输入变量是指从控制程序返回到 00/4 的变量，表示控制程序的河 南 科 技 大 学 学 报：自 然 科 学 版%.9 年 万方数据第!期时培成等：汽车多体系统动力学稳定性控制联合仿真输出。通过定义输入和输出，实现#$%和控制程序之间的实时数据传输，即#$
11、%输出信号进入控制程序的同时，控制程序输出信号进入#$%程序。图!联合仿真系统结构框图最 后，在$&()%*+,-*./中所建立的以修正横摆力矩为控制参数的 0#1 仿真系统如图 2 所示。3.4 5 3.2 为控制系统的输入，同时也是汽车多体模型的输出；6,74 为控制系统的输出，同时也是汽车模型的输入。将此控制系统通过#$%)18.798-:模块的18.798-%;:79 中，与汽车多体模型相结合，形成闭环系统，即可进行机电一体化的联合仿真试验。#系统的联合仿真为验证建模、控制策略和联合仿真算法的合理性和有效性，在不同车速方向盘角阶跃输入工况下，以有)无 0#1 系统装置对汽车操纵稳定性进
12、行了大量的仿真计算和性能分析。仿真以理想阶跃信号施加于方向盘，阶跃信号的起跃时间为?:，起跃历程为?4:，幅值为 4A?B，车速分别为!?，C?/+)D（A?/+)D 以下速度的仿真显示 0#1 系统几乎不起作用，两曲线重合，高于 4?/+)D 时，达到轮胎最大附着极限，车辆失去控制，仿真不能继续）。无 0#1 系统装置的仿真，即不将 0#1 系统导入#$%中，直接对无控制的汽车多体动力学模型所进行的对比试验工况的仿真。路面为按 E(F!A!AG2 所规定的汽车操纵稳定性试验路面特性参数在软件环境中创建的仿真试验路面。仿真结果见图 H，F，图中虚线表示没有 0#1 系统时的情况，实线表示装有
13、0#1 系统时的情况。由图 H，F 显见，转向盘转角、横摆角速度、侧偏角及侧向加速度的变化情况均符合汽车阶跃输入行驶工况，这证明了系统具有良好的跟随性。装有 0#1 系统的汽车，其横摆角速度、车身侧偏角和侧向加速度均小于没有 0#1 系统的汽车，且横摆角速度、侧向加速度的滞后响应时间变短，这种横摆角速度加侧偏角的控制，也使得侧向加速度超调量减小，转向运动更加平稳。侧偏角：车速较低时，施加控制与不施加控制比较，指标值变化不大，而高速时，施加控制可以很大程度地改善侧偏角性能指标。横摆角速度：低速时该种控制方法使横摆角速度性能指标改善的程度较小，高速时改善较大。且能够减小横摆角速度的超调量，加快横摆
14、角速度的反应时间，使其较快地达到稳态值，体现了 0#1 系统设计的初衷和明显的优越性。综上所述，以修正横摆力矩大小为控制目标，采用跟踪理想模型的控制策略能够有效地同时控制汽车转向侧偏角和横摆角速度，得到较好的瞬态及稳态响应，有效地减轻驾驶员操纵负担，尤其是在高速行驶时，仍能获得较好的输出响应。说明 0#1 控制系统能根据车速、横摆角速度及车身侧偏角的大小，给出合理的修正力矩，达到对汽车横向稳定性的智能控制；明显改善汽车的操纵性能，提高行车安全性。!结束语对具有 0#1 装置的汽车，应用#$%与$&(软件，进行了基于整车系统的联合仿真研究。采用#$%)19 进行汽车多体系统动力学建模，可以建立比
15、较精确的车辆多体动力学模型，尽量减少模型的简化，使得车辆各部分的运动学和动力学响应同实际情况差别不大，通过定义输入输出接口，在$&()%*+,-*./下建立起 0#1 控制系统模型，将 0#1 模型与整车模型相结合，应用$&(与#$%两种软件同时工作，实现了整车机电系统的联合仿真。此种方法可以方便地单独修改机械系统结构参数和控制系统控制策略，比较不同控制方法对系统性能影响的优劣，更加复合机电一体化的设计思想，是一种有效的设计和分析方法。多种行驶工况下所做的仿真研究表明，本文所提出的动力学模型、控制策略和联合仿真算法是正确、有效的，为今后进一步从事这方面的研究奠定了一定基础。!A 万方数据参考文
16、献：!#$%&()*%，(%+,-).,+,，/,&0 123%&0，4),56 78,9)%&:&)85;:&%?48%&0=4$%954#),%5%)+:A A 7$4 B)$C&)48&,)%&,5/8*$D&E?F,&94?()%&:&)856.,0+,G,D,&，HIII：J!KJ!B6H 1$%9*,7$82，E?,9$%7-$%*，L2)24&74)82，4),56 EDD5%9,)%&;#5%?%&0(?4 7$48+)M%849)1,NO-4&):&)85G 6#9%4)+;E2)-)%F4 ;G,D,&P4F%4N，!QQQ，HI（R）：SHJ KSHQ6J T,8U,?7
17、,$,-%，#$,$8*$T,8$,&0%，P4U,V,U4-%6 E T2UU+W0%9 M%849)1,N(-4&):&)85#+)4-;8 E55O/$445OM8%F4 G 6=4$%954#+)4-M+&,-%9，HIIR，R（J）：HIJ KHH!6R 冯金芝，喻 凡，李 君6 基于混合仿真技术的车辆横向稳定性控制系统 G 6 汽车工程，HIIR，HB（H）：!XY K!QH6S 赵治国，方宗德，黄英亮，等6 车辆动力学稳定性系统变结构滑模控制研究 G 6 中国机械工程，HIIJ，!R（H）：!SH K!SB6B 姬芬竹，杜发荣，司李宏6 过渡工况下汽车发动机汽缸盖温度的测试及分析
18、 G 6 洛阳工学院学报，HII!，HH（J）：RR KRB6Y 侯洪海，兰 琳，李广伟6 汽车发动机技术状况的检测分析 G 6 洛阳工学院学报，HIIH，HJ（!）：XQ KQ!6X 时培成，高 洪，韦 山6 基于整车性能的悬架匹配优化设计 G 6 拖拉机与农用运输车，HIIB（S）：JS KJX6Q 汽车工程手册编辑委员会6 汽车工程手册：基础篇(6 北京：人民交通出版社，HII!：HSX KHBJ6!I 刘金琨6 先进 ZCM 控制(6 北京：电子工业出版社，HIIR：!B KHS6RH河 南 科 技 大 学 学 报：自 然 科 学 版 HIIY 年 万方数据汽车多体系统动力学稳定性控制
19、联合仿真汽车多体系统动力学稳定性控制联合仿真作者：时培成，李震，SHI Pei-Cheng，LI Zhen作者单位：安徽工程科技学院,机械工程系,安徽,芜湖,241000刊名：河南科技大学学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF HENAN UNIVERSITY OF SCIENCE&TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE)年，卷(期)：2007，28(3)被引用次数：1次 参考文献(10条)参考文献(10条)1.Shino Motoki.Miyamoto Naoya.Wang Yuqing Traction Control of Electric Vehicles Co
20、nsideringVehicle Stability 20002.Yoshiocka Tohru.Adachi Tomohiko.Butsuen Tetsruo Application of Sliding Mode Theory to DirectYaw-moment Control 1999(04)3.Farzad Tahami.Shahrokh Farhangi.Reza Kazemi A Fuzzy Logic Direct Yaw Moment Control System forAll-Wheel-Drive Electric Vehicles 2004(03)4.冯金芝.喻凡.李
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