浅谈汽车底盘系统分层式协调控制

陈卿杰

摘 要：汽车底盘系统在结构上较为复杂，是由多个子系统组成的一种复杂结构，该结构具有非线性的特点。在汽车的行驶过程中，这些子系统之间既存在一定的联系，又在功能上起着相互制约的作用。针对单独的系统进行研究，不能够有效的提高系统的整个性能要求，因此本文就针对与汽车行驶与平顺有关的悬架系统、与汽车的操作稳定性有关的转向系统和与汽车行驶安全性有关的制动系统进行研究，提出对汽车底盘系统的分层式协调控制。

【关键词】汽车底盘 分层式 协调控制

1 底盘各系统之间的动力耦合关系

底盘各控制系统之间既存在相互影响的关系，又存在这相互制约的关系，研究底盘系统的分层式协调控制就需要对分析底盘系统与车辆力学之间的关系。

对于汽车的悬架系统来说，在路面的作用下，会引起汽车在垂直方向上进行运动，当汽车在行驶的过程中存在纵向加速度时，汽车会沿着前方运动的方向，形成纵向俯冲的趋势。假如说当汽车在行驶的过程中存在侧向的加速时，汽车自身就会向侧向上倾斜，不管是纵向加速度还是侧向加速度，都会引起汽车车轮在垂直方向上产生位移，这样就会影响汽车在转向和在制动上的效果。

对于制动系统来说，地面制动和制动器的制动力同时对汽车产生制动，汽车在这两种制动力的作用下，车速、制动减速度的大小会不断地发生变化。当汽车在制动的过程中，由于开始汽车运行的惯性的作用，汽车会产生俯冲运动，在制动减速度的作用下，汽车会对地面产生垂直的荷载，使汽车的前后轮胎改变受力作用，从而影响到悬架系统的控制。而且当制动系统启动时，制动力较大，轮胎的摩擦力就会接近一个极限值，从而导致系统的侧向力变小，地面的回正力矩也会随之变小，这样就制约着系统的稳定性。

对于转向系统来说，汽车在行驶的过程中通过控制方向盘的转动，改变输入的转矩，从而改变轮胎与地面之间的侧向力，这样汽车在侧向力的作用下就会产生侧向加速度，但是车身惯性、悬挂质量、非悬挂质量之间的连接属于非刚性的，就会在侧向加速度的作用下，发生侧倾运动，从而影响到悬架系统的控制。同时方向盘的转动如果太大，轮胎的侧偏角也会随之变大，这样轮胎的纵向力和侧向力都会发生相应的变化，这样就会影响制动系统的控制。

由此可知，在汽车的行驶过程中，垂直荷载、制动减速度、俯冲角、侧倾角、车身惯性等这些在汽车中经常遇见的问题，会在三个系统中起到相互作用、相互制约的影响。因此在对汽车进行分层式协调控制时，要将这三个系统集成在一起进行有效的控制。

2 汽车底盘系统分层式协调控制

在本次的研究中采用的三个系统为：防抱死制动系统、半主动悬架系统和电动助力转向系统。汽车在行驶的过程中进行转弯或者是制动都是汽车正常运行条件下的一种常见工况。本次研究主要就是对车辆的制动状态、转动状态、汽车的各项指标等给出具体的控制指令，其中集成控制器主要是根据车轮在进行滑动的过程中产生的位移、横摆角速度的在响应过程中产生的方差和车身在俯冲运动中产生的俯仰角的大小进行调整，让后将调整的角度输出给三个汽车底盘的分层系统中，从而实现最优的控制。其中车轮在进行滑动的过程中产生的位移率的期望误差选择为0.18，横摆角速度的在响应过程中产生的方差就是在当前汽车行驶的车速下角速度的增益。

对于制动系统来说，主要是对汽车的滑动位移的速率进行最优选取。滑移速率与轮胎的侧偏角之间存在着一定的关系，轮胎的侧偏角增大，滑移速率就会增大，因此在控制的过程中需要对滑移速率与侧偏角之间的关系建立相应的函数曲线，这样就可以保证汽车在行驶的过程中能够具有最短的制动距离。但是由于纵向力的存在，侧向力就会受到影响，变小，轮胎的侧偏角也会变小，这样虽然保证了熊的制动性能，但是系统的转向响应和系统的横向稳定性就会变差。滑移速率与侧偏角之间的关系为：

其中，和的选取，主要是根据路面状况和汽车行驶状态的变化来决定的。的选取则是根据制动时汽车的时速来决定的。

对于转向系统来说，要根据制动系统的影响，综合考虑转向系统与制动系统之间的影响，从而协调转向系统的控制指令，调整转向的助力和制动力矩，从而实现对整个汽车的性能优化。其中两者之间的关系为：

其中W1是横摆角速度在响应过程中的方差，W2是滑移速率的方差，一般取在0.18左右。J1取0.65，J2取0.35.这样就可以计算出J的大小。

当J>0时，此时地面对汽车的侧向附着力由于受到制动的影响而变小，这样汽车的转向响应也会随着变小。附加的制动力主要是通过改变汽车制动管路的压力来实现的，两者之间的关系为：

当J<0时，此时地面附着力的侧向力正常，且车辆的转向力也正常，但是由于纵向垂直载荷对轮胎侧偏角的影响，车辆会产生转向的趋势。转向系统的控制主要是通过改变转向电机的助力电压来实现控制的。控制的关系为：

对于悬架系统来说，主要是为了让汽车的车身动态随着汽车荷载的变化而变化，保证轮胎与地面之间形成一定的摩擦力。一般在悬架系统中改变减震器的阻尼力，调整汽车的运行状态，然后车辆能够在地面上获得较为稳定的制动力，辅助汽车底盘系统的正常运行。

参考文献

[1]初长宝，陈无畏.汽车底盘系统分层式协调控制[J].机械工程学报，2008.

[2]王海文.汽车底盘系统分层式协调控制研究[J].中国化工贸易，2014.

[3]汪华通.分层式结构汽车底盘系统的集成控制分析[J].商品与质量·科学理论，2011.

[4]李以农，赵树恩，郑玲.汽车主动底盘多模型分层协调控制[J].系统仿真学报，2010.

作者单位

无锡南洋职业技术学院 江苏省无锡市 214081