汽车悬架与转向系统综合控制关键技术的研究

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汽车悬架与转向系统综合控制关键技术的研究

摘要：本文通过对汽车悬架与转向系统综合控制关键技术的研究，主要介绍了其研究的意义、研究目标、研究内容、研究思路等方面来进行介绍，悬架与转向系统作为汽车底盘重要的两个子系统，并不是彼此独立，二者之间有着密切的联系，因此要考虑二者的耦合关系，对其进行综合控制，为整车底盘系统控制提供了模型依据和研究基础。



关键词：汽车悬架；转向系统；综合控制；研究

1.研究意义

随着人们对汽车性能的要求越来越高，先进的科学技术尤其是电子控制技术在汽车工业中有了广泛的应用，主动前轮转向、防抱死制动以及半主动悬架等系统也随之出现，而这些单一的控制系统只针对于车辆某一具体性能的改善或提高（如操纵稳定性、行驶安全性、乘坐舒适性等），因此需要引入多个控制系统来提高汽车的整体性能指标。这些要求使得汽车底盘系统变得日益复杂，加上各个系统之间的相互作用和影响，汽车底盘系统的综合控制也随之应运而生。然而多个子系统之间能否相互匹配、协调工作或者当出现故障时，如何保证汽车的最基本性能以及如何避免危险工况的发生和人员的伤亡，这些实际要求使得汽车底盘的容错控制成为了当今这个领域的研究热点。



众所周知，汽车底盘由转向、制动和悬架等系统组成。这些子系统之间存在着强烈的耦合现象，由于现代汽车工业的发展同时受到时间和经济条件等因素的制约，加上各电控子系统的研发是由不同公司或同一公司的不同部门在不同的年代完成的，因此很可能会导致各子系统之间存在功能上的叠加和执行上的冲突，使得汽车变得难以控制且容易发生故障。在这种情况下，如果底盘某一子系统的某一元件发生故障，将可能导致该子系统的失效乃至整个底盘控制系统达不到预期的控制目标，随之就可能导致汽车的侧偏侧翻乃至交通事故的发生与人员的伤亡。由于容错控制可以有效地避免底盘各子系统故障的发生，或者当故障发生时能使系统达到次优控制目标，因此可靠且准确的容错控制将是解决上述问题的最佳方法。容错控制系统通常包括被动容错和主动容错控制系统，被动容错控制系统是当系统出现故障时，减小系统对单个元部件运行的依赖，使得系统仍能工作；而主动容错控制系统首先检测并识别故障，然后对系统的剩余信息进行状态重构，使系统仍能按照原定性能指标工作，或者比原性能指标略有降低但在可以接受范围之内，从而可以安全地完成任务的控制系统。



2.研究目标

汽车底盘多个电子控制系统的引入提高了其整体性能，同时也使得汽车底盘变得相当复杂，各种电子控制元件的数量也随之增多，相应地此复杂系统中的元件出现故障的概率就随之增大，因此需要对系统进行容错控制，从而保证其正常地运行。容错控制主要包括故障诊断和状态重构两部分。首先要确定系统是否发




生了故障，当检测到传感器的实际数值与理论估计值偏离较大时，控制系统要诊断出是何种故障并要确定系统的故障种类与发生部位，然后再故障分离之后，确定故障的大小以及故障发生的时间，进而分配并重构剩下的可控元件以尽量减小跟踪误差，使系统至少能够达到稳定运行的最低标准。由于传感器的突发故障（增益变化、恒偏差和卡死）是最为常见的并且危害最大，因此当系统的传感器发生故障时，本论文将基于容错技术的悬架与转向系统综合控制研究，来保证车辆仍能正常行驶，尤其是在高速大转角等极限工况下的车辆稳定性，从而避免车辆发生意外及人员的伤亡乃至交通事故的发生。研究的主要目标有以下几方面：



第一、完成汽车转向时，半车和整车的转向与悬架系统耦合的非线性动力学模型；



第二、实现利用Kalman滤波或滑膜观测器等方法对半车和整车模型特征状态的估计；第三、基于Lyapunov稳定性理论和Lyapunov方程设计容错控制器，实现对汽车底盘转向和悬架系统关键传感器发生故障时的容错控制。



3.研究内容

3.1根据牛顿力学等相关运动学公式，分别建立半车和整车模型，半车模型主要包括整车纵向和侧向刚体运动、横摆运动以及簧载质量的垂向运动这典型的4个自由度，整车模型包含转向和悬架这两个底盘关键电控子系统相互耦合的非线性车辆动力学模型，根据相关的简化和假设，主要考虑了汽车纵向、横向、垂向的平移运动和侧倾、横摆转向运动，前后左右四个车轮与悬架的上下跳动，共9个自由度。并对其关键耦合特性进行研究，为整车底盘系统综合控制奠定基础。



3.2通过对轮胎力、动态载荷分布、运动关系的耦合及其结构参数和控制参数的耦合研究，建立了轮胎模型、转向动力学模型、悬架动力学模型。对转向系统中传感器和执行器的故障率问题进行了容错控制，并建立了传感器故障和执行器的故障数学模型，对故障进行了定性分析。



3.3根据所建立半车和整车非线性动力学模型，写出其状态空间方程，在matlab/simulink中通过各个模块库和子系统等分别搭建系统仿真模型，并设置相关的模块参数以及仿真时间，通过反复调试，得到在各个传感器都正常的情况下，簧载质量垂向加速度、横摆角加速度等参数分别随时间及前轮转角输入的响应。



3.4在一定的假设和简化基础上，分别得到半车和整车的数学模型，以最优滤波理论的自适应渐消Kalman滤波设计状态估计器，并结合簧载质量垂向加速度、横摆角加速度等传感器的信号值，判断这些传感器是否出现故障。



3.5当传感器发生故障以及有参数不确定时，拟采用Lyapunov稳定性理论、LMI及Riccatti方程，给出此控制系统在传感器失效时，具有容错性能的充分条件及控制器的设计步骤，并采用输出反馈控制策略，推证出保证闭环控制系统在传感器发生故障时仍能渐进稳定的充分条件。






3.6汽车转向过程中，车轮的垂直载荷发生了侧向转移，表现为转向内侧轮胎垂直载荷减小，转向外侧轮胎的垂直载荷增加，但纵向力的总和基本不变。当轮胎转向角峰值增加时，汽车的车身侧倾角会不断变大，汽车行驶平顺性也随之不断的恶化；随着转向角的增加，汽车的侧向加速度不断变大，加大了轮胎侧滑发生的可能性，降低了汽车的行驶安全性。



4.研究思路

车辆底盘是关系到车辆操控性、安全性，它包括制动、转向和悬架系统这三个子系统[1]。虽然表面上，三个子系统——悬架系统、转向系统、制动系统性能的优劣程度，分别对应着汽车行驶平顺性、转向轻便性、操纵稳定性及行车安全性，但是在实际路面上，悬架系统、转向系统、制动系统间的运动是相互影响的。



车辆的整体性能是由车辆整体所受的外力决定的，地面作用于车辆前、后轮的侧向力，将决定车辆的横摆角速度；整车悬挂质量的垂向力决定着车身的垂直振动加速度；地面作用在轮胎的纵向力将会直接影响到制动距离；轮胎的垂直载荷，将会直接或间接地影响到轮胎的纵向力、侧向力和悬挂的垂向力。



5.研究创新之处

（1）将广泛用于航空航天和核反应堆等领域的系统容错控制思想，创新地应用到汽车底盘关键电控子系统中，提高车辆的防侧翻能力，进一步改进车辆的操纵稳定性，改善其主动安全性，解决由于底盘某一子系统的某一元件发生故障，将可能导致该子系统的失效乃至整个底盘控制系统达不到预期的控制目标。



（2）由于容错控制可以有效地避免底盘各子系统故障的发生，或者当故障发生时能使系统达到次优控制目标，因此可靠且准确的容错控制将解决当传感器的信号值出现异常状况，拟采用Lyapunov稳定性理论、LMI及最小二乘法等集成创新的方法重构剩余可控变量，从而保证系统的闭环稳定性。



参考文献：

[1]来飞，邓兆祥，董红亮.汽车主动悬架和四轮转向系统的耦合分析及协调控制[J].机械工程，2008（9）779-757.



[2]邱浩，王志胜.电喷汽车发动机容错控制研究[J].汽车工程，2008，30（5）：420-423.



[3]陈家瑞. 汽车构造[M].第五版， 北京：人民交通出版社， 2006.

资助项目。

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