研究模糊控制下车辆的侧倾稳定性仿真分析

王伟丽

摘 要：近年来，国内的技术得到飞速发展，越来越多的人使用车辆，车辆运行的稳定性与安全性受到社会各界的高度关注。一般来说，高速行驶或者在低附着系数道路上行驶的汽车，会受驾驶员的转向作用或外界因素影响，导致侧向附着力不断上升，影响到车辆的侧倾稳定性，引起交通事故。因此，采取科学、有效的措施，增强车辆运行的侧倾稳定性是确保车辆行驶安全的关键。本文在ADAMS/Car 模块下构建整车系统动力学模型，通过MATLAB构建出现模糊控器模型，并将控制器和整车模型进行了有效的结合，对车辆的横摆角速度与质心侧偏角进行了控制仿真分析。

关键词：模糊控制;车辆;侧倾稳定性;动力学模型;仿真

【中图分类号】G 【文献标识码】B 【文章编号】1008-1216（2016）11C-0070-02

随着各类车辆的速度提升与驾驶员非职业化现象的普遍，人们对于车辆的稳定性与安全性也有了更高的要求。车辆的转弯制动是一种常见但是十分复杂的程序，车辆的转弯制动过程中，车辆的动载荷会出现转移或者大侧向滑动的现象，对车辆运行的安全性造成影响。当前，国内外大部分企业对车辆的防抱死系统进行了研究，主要针对的是车辆直线行驶时的控制计算设计，少部分学者则对车辆转弯制动过程中防抱死系统的控制进行了一系列仿真分析与研究，但基本都是针对车辆制动性能的仿真研究，却忽略了在加强车辆制动性能的基础上，对不同行驶速度中只有ABS控制情况下对车辆侧倾稳定性进行仿真研究。

一、车辆系统的动力学模型

（一）整车模型的构建

现以某越野车为试验对象，该车属于后置、后驱动式，前悬架选用螺旋弹簧的非独立悬架，后悬架选用纵置类钢板弹簧非独立式架构，（整车模型如图所示）。该模型的组成主要包括以下几个方面：（1）前悬架：由上、下横臂、转向横拉杆、主销轴、减震器以及螺旋弹簧构成。（2）后悬架：组成部分包括：纵置性单片钢板弹簧、整体桥以及减震器。（3）车辆的转向系统： 采用拉杆式转向器。（4）车辆的横向稳定杆： 采用2根直轴断开，中间使用转动相连接，并在转动的铰链上，加入适当的扭转力，将建模简化。（5）车辆轮胎： 所有轮胎采用Fiala模型轮胎，把轮辋转化成刚性圆板，胎体由圆板上的弹簧呈现，胎冠以圆环梁表示，支承功能由弹簧承担。（6）总成动力：发动机使用后置型，将发动机、变速器及离合器结合为一体，采用函数模拟法达到各构功能。

整车模型

（二）模型验证

试验共分为双移线和蛇形试验两种，两次试验必须在专业的试验场内进行，具体的试验方法如下：（1）蛇形试验须严格依据国家颁布的《汽车操纵稳定性试验方法蛇形试验》中的相关标准进行，车辆运行的初始速度为50 km/h，共设置10个桩，L=30m。（2）双移线试验时，车辆行驶的初始速度设备为60 km/h，由相关的工作人员，将试验过程中的各类数据与试验仿真数据进行详细的记录。通过测试和相应的条件后比较仿真实验的结果表明，车辆轧辊稳定偏航角速度的两个变量，横向加速度测试结果和仿真值的一致性很高，它验证了整车虚拟模型的正确性。

二、模糊控制器的设计

（一）控制器的设计以车辆横摆角的速度作为控制变量

横摆角的速度控制，使二维模糊控制器，输入变量是实际车辆的横摆角速度r和理想的横摆角速度rd两者的偏差e（r）以及偏差改变的速度ec（r），输出的变量表示横摆力矩MZ（R）。变量误差以e（r）表示、误差变化速度以ec（r）表示，控制量以u表示，模糊集如下：

e（r）模糊集为： {NB，NM，NS，PO，PS，PM，PB}

式中：NB代表负大、NM代表负中、NS代表负小、PO代表正0、PS代表正小、PM代表正中、PB则代表正大。

控制力矩的选取原理为：变化量误差较大时，控制力矩作用为误差消除，在误差较小的情况，控制力矩的功能是防止超调，两者的出发点都是整个系统的稳定性，控制变量在控制器中的输入、输出关系则由横摆角的速度进行控制。

（二）控制器的设计以质心侧偏角为控制变量

对质心侧偏角进行控制时，还是采用基于二维模糊控制器，输入的变量是实际质心侧的偏角β与目标横摆角的速度βb两者的偏差ec（β）及偏差改变的速度ec（β），输出的变量u为横摆力矩MZ（β），几个数值的定义范围与横摆角速度控制方式大致相同，差别在于模糊控制的规则设置。

（三）控制器的设计以横摆角的速度与质心侧偏角作为控制变量

对横摆角速度与质心侧偏角同时控制时，输入的变量是横摆角运行的速度误差e（r）和质心侧偏角的误差e（β），输出的变量是横摆力矩MZ，两组数值联合之后反馈控制的输出变量，需再通过加权后，得出总横摆力矩，计算公式如下：

MZ=WYMZ（r）+WβMZ（β）

在该公式中，控制器的总输出量横摆力矩以Mz，横摆角速度控制器的输出与加权因子分别以MZ（r）和Wr表示，质心侧偏角控制器输出量与加权因子分别以MZ（β）与Wβ表示。

三、模糊控制下车辆侧倾稳定性的仿真结果分析

（一）联合仿真模型的构建

（1）进行仿真前，由专家模块定义输入、输出变量，并对ADAMS与控制程进行闭环操作，在ADAMS中输入四轮制动的变量力矩，输出的变量为车辆侧倾加速度、车辆的纵向车速、车辆的质心侧偏角、车辆的横向车速、车辆的横摆角度以及车辆的行驶速度。（2）新建操纵稳定性仿真文件，严格按照车辆试验时的数据，完成数据输入，保障仿真的有效性。（3）建立车辆操纵的侧倾稳定性自由度模型，且采用单轮制动系统获得的附加横摆力矩，对车辆在极限状态中横摆角的速度与质心侧偏角进行控制。（4）进行仿真前，将py、decod.m、adams_server.e以及adams_plant.Dll，3个文件都放进ADAMS目录，以防仿真时MATLAB与ADAMS不能连接。在Controls中的Plant Export下，将相关数据输入对话框中，生成新文件（.m）。在ADAMS/Car目录下Simulate文件子目录下的 File Drive Events 文件内输入对应的路面和控制文件名，构建出ADAMSSolver 数据文件，格式为（.adm）、控制文件Solver ，格式为.acf及关于驾驶员的控制文件，格式为（.dcf）。对（.m）文件进行修改，确保其与控制文件对应。（5）将MATLAB文件打开，调整工作路径，让其和ADAMS工作路径相同，再将相关的命令输入，打开先前建立好的 （.m）文件，再输入文件名adams_sys，调出adams_sub文件，然后把文件与MATLAB横摆角速度的控制系统模型连接起来。（6）将原先导入的整车模型MATLAB与质心侧偏角控制器连接起来，在质心侧偏角的反馈控制下建立出联合仿真图像，将两者进行有效联合，建立出横摆角速度和质心侧偏角相结合的反馈控制仿真系统。

（二）分析仿真和仿真结果

1.采用单正弦方式输入仿真与分析。

单正弦中的转向行驶主要是指汽车不同路径下的行驶情况，单正弦输入是仿真的条件中车辆前轮转向角，车辆的最初速度应为110 km/h，路面附着系数应为1，也就是让车辆在高速行驶情况下，对其极限工况进行仿真，频率大约0.5 Hz，幅值则为100°，大约为1.75 rad。

2.仿真与分析的角阶跃输入。

让驾驶员进行转向盘阶跃输入，正常来说，使用转向盘角阶跃输入时，输入后车辆的瞬态响应就是车辆操作的稳定性。主要的仿真条件如下：以角阶跳跃的输入方式输入车辆的前轮转向情况，车辆最初的行驶速度应为50 km/h，地面附着系数是0.2，也就是车辆在附着湿滑道路上以圆周状态行驶的极限工况，最大输解为100°。以上两个实验中的横摆角速度响应情况和质心侧偏角响应情况对比表明，在无控制的状态下，车辆的横摆角速度和质心侧偏角都优于理想状态。

四、结束语

综上所述，本文以构建整车模型的方式，先进行实车实验，验证了模型的正确性，再根据模糊控制中与车辆稳定性有关的理论，设计了车辆横摆角速度反馈模糊控制器、质心侧偏角反馈模糊控制器及两者联合的反馈模糊控制器，分别对转向盘单正弦输入与转向盘角阶跃输入两个方面的操纵稳定性进行了仿真分析，并对三种控制方法进行了对比。结果显示，三种控制方法都能对车辆的横摆角速度进行有效的控制，大幅度提高了车辆高速行驶状态下的侧倾稳定性，也证明同时选用两个变量构建的反馈控制方式，控制效果高于采用单一变量构建的反馈控制方式的控制效果。

参考文献：

[1]唐传茵，马岩，赵广耀.基于模糊控制策略的车辆主动悬架研究术[J].动力学与控制学报，2015，（3）.

[2]贺焕利.车辆稳定性控制系统设计与分析[J].重庆理工大学学报： 自然科学版，2014，（6）.