1、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；
2、 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 ）03-0012-04ESP 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
3、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
4、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 yxfrmvCaZfrIb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; yvxv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ZI到后轴的距离; 为前轮总侧偏刚度; 为后
5、轮总侧偏刚度; 为前轮侧偏角, fCrCfa, 其中 为转向轮转角, 为质心侧偏角 ; 为后轮侧偏角, /faxr。rby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yfFyrF1v度, 为后轴中点速度。v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
6、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
7、器的输出变量, 控制器根据输入量的变化计ceTM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ekcu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
8、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 。10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
9、 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 67 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
10、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 。10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
11、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, 200
12、0.2 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 - 102.3Youssef 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.
