车辆转弯制动稳定性动力学控制研究

摘要

车辆制动稳定性是车辆制动的一个重要性能,长期以来,人们对防抱制动系统(ABS)进行了大量的研究。ABS在某种程度上提高了车辆制动稳定性,并缩短了制动距离,但不能根本解决车辆制动时的稳定性。近些年提出了四轮转向控制(4WS)、直接横摆力矩控制(DYC)等控制技术,但基本上都是恒速条件下提高车辆操纵稳定性。车辆转弯制动是一种更为复杂的工况,它不同于直线制动工况,转弯制动时的载荷转移和大侧向滑动对制动稳定性动力学控制提出了更高的要求。而车辆蔽障过程伴随制动、弯道行驶伴随制动和紧急制动也是常见的行车工况。在这些工况下车辆极易失去控制,因此有必要对车辆转弯制动稳定性控制进行研究。
　　论文首先利用Matlab/Simulink建立了含“魔术”公式轮胎模型的四轮八自由度车辆模型,并对该模型进行了转弯制动工况下的仿真分析。分析说明,车辆转弯制动时,如果初始车速较小,施加制动力较小且前轮输入不大时,车辆能保持行驶稳定性,但制动力较大时,车辆将很快失去稳定性;而对于制动初始车速较大时,即使施加的制动力较小,也会使车辆很快失去稳定性。针对车辆转弯制动时车轮滑移率迅速增大到1,并导致车辆失去稳定性的情况,考虑用ABS防抱死控制系统来控制车轮滑移率,从而在一定程度上提高车辆转弯制动时的动力学稳定性。考虑到车辆系统模型的强烈非线性和车辆转弯制动时车辆运动参数变化较大的特点,采用控制鲁棒性较强的模糊控制,利用该方法设计了车辆转弯制动时的ABS防抱死控制系统,并进行了仿真分析。分析发现车辆在较低初始车速和前轮转角不大时采用ABS控制便能达到稳定性控制的要求。而对于初始车速较高时,采用ABS防抱死控制并不能满足稳定性的要求,车辆迅速失去稳定性。分析了车辆稳定性动力学控制的控制变量的选取,并设计了车辆转弯制动稳定性动力学控制系统模型,确定了控制系统结构,并确定以渐变速二自由度模型作为参考模型。然后建立横摆角速度模糊控制、质心侧偏角模糊控制以及联合控制系统模型,并进行了仿真分析。分析表明采用稳定性控制能进一步提高车辆转弯制动稳定性,并且提高了车辆转弯时的制动性能。通过对比发现采用联合控制能取得更为理想的控制效果,能兼顾横摆角速度和质心侧偏角的控制目的。论文最后将车辆转弯制动稳定性动力学控制应用于车辆转弯制动横向轨迹控制中,并基于驾驶员模型建立了车辆转弯制动横向轨迹控制模型。仿真分析不但证明了车辆转弯制动驾驶员模型的正确性,还充分说明车辆转弯制动稳定性控制可以使驾驶员模型具有更好的横向轨迹控制能力,并能改善车辆的驾驶特性,提高车辆的行驶稳定性。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 引言

1.2 研究目的及意义

1.3 国内外研究现状综述

1.3.1 车辆动力学控制的发展

1.3.2 车辆动力学控制的建模研究

1.3.3 车辆动力学控制的策略和算法

1.3.4 车辆动力学控制仿真软件以及仿真分析

1.4 本文的主要工作

2 车辆转弯制动动力学模型

2.1 车辆动力学模型建立方法

2.2 轮胎模型

2.2.1 轮胎坐标系

2.2.2 轮胎模型的分类及主要应用

2.2.3 “魔术公式”轮胎模型

2.3 整车模型

2.3.1 整车模型的类型

2.3.2 整车模型的建立

2.4 车辆动力学模型初步仿真

2.5 本章小结

3 车辆转弯制动ABS 仿真分析

3.1 基于车轮滑移率的防抱死控制

3.2 ABS 模糊控制

3.2.1 模糊控制基本理论

3.2.2 模糊控制输入输出变量

3.2.3 ABS 模糊控制规则

3.2.4 单轮模型的制动防抱死仿真分析

3.3 车辆转弯制动 ABS 仿真分析

3.3.1 ABS 仿真分析

3.3.2 转弯制动ABS 控制稳定性分析

3.4 本章小结

4 车辆转弯制动ABS 联合仿真

4.1 联合仿真概述

4.1.1 ADAMS 虚拟样机动力学模拟基础

4.1.2 ADAMS 与MATLAB/Simulink 联合仿真

4.2 整车动力学虚拟样机模型

4.2.1 悬架模型

4.2.2 转向机构模型

4.2.3 轮胎模型和路面谱

4.2.4 整车虚拟样机模型及仿真

4.3 ABS 联合仿真系统的建立及仿真试验分析

4.4 本章小结

5 车辆转弯制动稳定性控制

5.1 车辆稳定性控制基本原理

5.1.1 影响车辆稳定性的状态变量

5.1.2 车辆稳定性控制原理

5.1.3 车辆转弯制动稳定性控制研究的特殊性

5.2 车辆转弯制动稳定性控制目标选择

5.2.1 线性二自由度模型分析

5.2.2 渐变速二自由度模型

5.3 稳定性控制系统结构

5.4 直接横摆力矩控制

5.4.1 车辆稳定性控制策略

5.4.2 车辆稳定性横摆角速度模糊控制

5.4.3 车辆稳定性质心侧偏角模糊控制

5.4.4 车辆转弯制动稳定性联合控制

5.5 稳定性控制仿真分析

5.5.1 轻度制动仿真

5.5.2 紧急制动仿真

5.6 本章小结

6 基于驾驶员模型的车辆转弯制动横向轨迹及稳定性控制

6.1 驾驶员模型研究的重要性和研究进展

6.2 车辆转弯制动横向轨迹控制策略

6.3 驾驶员环节控制器设计

6.3.1 模糊 PID 控制原理

6.3.2 驾驶员模型模糊PID 控制器

6.4 横向轨迹控制驾驶员模型仿真分析

6.5 横向轨迹控制中的稳定性控制研究

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 后续工作展望及建议

致谢

参考文献

附录

A、作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

B、作者在攻读硕士学位期间发表的论文