【摘要】 汽車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)是目前應(yīng)用較為廣泛的汽車主動(dòng)安全控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過差動(dòng)制動(dòng)直接橫擺控制，來抑制汽車過多或不足轉(zhuǎn)向，且具有一定的抗側(cè)翻能力；但在一些極限工況下，裝有傳統(tǒng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的汽車尚不能有效的控制側(cè)翻，汽車有側(cè)翻的危險(xiǎn)。傳統(tǒng)汽車穩(wěn)定性主動(dòng)控制往往靠單一底盤子系統(tǒng)進(jìn)行控制，來達(dá)到車輛穩(wěn)定性的控制效果，并沒有考慮底盤各系統(tǒng)之間的影響,本文在傳統(tǒng)汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過對底盤制動(dòng)與懸架系統(tǒng)的集成控制研究，來提高各工況下的汽車穩(wěn)定性和安全性。本文基于“魔術(shù)公式”輪胎動(dòng)力學(xué)模型，建立了橫擺、側(cè)傾耦合動(dòng)力學(xué)八自由度整車模型，并在Matlab/simulink建立了其仿真模型。對于橫擺穩(wěn)定性，通過差動(dòng)制動(dòng)直接橫擺控制，并結(jié)合建立的橫擺角速度模糊控制器，實(shí)施對橫擺的控制。對于側(cè)傾穩(wěn)定性，分別制定了差動(dòng)制動(dòng)和懸架系統(tǒng)側(cè)傾控制策略，并建立了相應(yīng)的控制器；結(jié)合傳統(tǒng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，建立了包含制動(dòng)與懸架底盤子系統(tǒng)的集成控制策略，并采用信號門限值的方法，進(jìn)行穩(wěn)定性綜合控制；當(dāng)側(cè)傾系數(shù)達(dá)到控制側(cè)傾參考值時(shí)，側(cè)傾控制系統(tǒng)被激活，進(jìn)行相應(yīng)的側(cè)傾穩(wěn)定性控制，并協(xié)調(diào)差動(dòng)制動(dòng)橫擺控制，消除側(cè)傾控制對橫擺運(yùn)動(dòng)的影響，來改善汽車的綜合穩(wěn)定性。最后通過典型工況下的輸入對制動(dòng)控制、懸架控制和集成控制的汽車進(jìn)行了離線仿真對比分析，來初步驗(yàn)證模型和集成控制策略的有效性。為了對穩(wěn)定性控制模型及控制策略進(jìn)行更準(zhǔn)確的研究和測試，建立了基于dSPACE的實(shí)時(shí)在線仿真試驗(yàn)臺(tái)。實(shí)時(shí)仿真結(jié)果表明，所建立的集成控制策略能夠有效地提高汽車的綜合穩(wěn)定性，并為進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。 

1 緒論

1.1 課題研究背景及意義
近年來，隨著汽車工業(yè)迅速發(fā)展，汽車新技術(shù)的開發(fā)和運(yùn)用取得了很大的進(jìn)步，汽車規(guī)模和汽車行駛車速也在不斷提高。在高附著路面高速狀態(tài)下或低附著狀態(tài)下行駛的汽車，在緊急轉(zhuǎn)向、制動(dòng)轉(zhuǎn)向或緊急變更車道時(shí)，側(cè)向力通常會(huì)接近附著極限，導(dǎo)致汽車有發(fā)生側(cè)滑和側(cè)翻的危險(xiǎn)情況，這將嚴(yán)重影響汽車的行駛穩(wěn)定性及安全性，，進(jìn)而引起使汽車偏離駕駛期望軌道的交通事故[1]。根據(jù)美國公路交通安全管理局（NHTSA）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，每年由操縱失控所造成的追尾、側(cè)滑及側(cè)翻等事故在交通事故中位列前幾位，并占所有交通事故原因中的 90%以上，其中，汽車側(cè)滑約占交通事故的 35%，汽車側(cè)翻約占交通事故的 8%，盡管側(cè)翻在交通事故中所占的總體比例不大，但能引起重大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[2]。因此，如何提高汽車在高附著路面上一些極限工況下行駛的安全性成為了汽車開發(fā)的熱點(diǎn)。 汽車就安全技術(shù)而言大致可以分為兩類：一類是主動(dòng)安全技術(shù)（即防止汽車發(fā)生事故的相關(guān)技術(shù)），另一類是被動(dòng)安全技術(shù)（即事故發(fā)生時(shí)減小事故造成的后果的技術(shù)）。主動(dòng)安全技術(shù)包括一些行駛途中前后車的監(jiān)控技術(shù)，這個(gè)是比較直觀的主動(dòng)安全技術(shù)，就傳統(tǒng)汽車本身而言，汽車的操縱穩(wěn)定性技術(shù)和制動(dòng)技術(shù)等都是屬于汽車主動(dòng)安全技術(shù)，即汽車上使用的防止汽車發(fā)生碰撞事故的技術(shù)都屬于汽車主動(dòng)安全技術(shù)范疇。而被動(dòng)安全技術(shù)跟主動(dòng)安全技術(shù)根本性的區(qū)別就是，已發(fā)生碰撞事故的情況下對乘員和行人進(jìn)行保護(hù)的一些技術(shù)，此技術(shù)包括吸能式車身技術(shù)以及一些在車內(nèi)、外的固定安全設(shè)備，通過這些技術(shù)手段和設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對乘員和行人的一定的保護(hù)。
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1.2 汽車橫擺與側(cè)翻穩(wěn)定性控制的發(fā)展與研究現(xiàn)狀
汽車的穩(wěn)定性與輪胎及底盤的各個(gè)系統(tǒng)有關(guān)，過去人們對汽車穩(wěn)定性的研究往往只限于對底盤某個(gè)單系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和布局的改進(jìn)來提高汽車的穩(wěn)定性，90年代初以來,隨著電子計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)在控制領(lǐng)域的迅速發(fā)展，國內(nèi)外的學(xué)者相繼提出了基于不同控制策略的汽車穩(wěn)定性控制方法，在汽車領(lǐng)域，許多知名研發(fā)單位已開發(fā)了多種電子控制產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品廣泛的應(yīng)用于汽車中，提高了車輛的穩(wěn)定性。 針對汽車橫擺穩(wěn)定性控制問題，國內(nèi)外學(xué)者涉足了該領(lǐng)域的相關(guān)性研究，研究成果主要包括提出了差動(dòng)制動(dòng)控制[5-6]、主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制[7]、主動(dòng)懸架控制[8]等典型的控制手段。差動(dòng)制動(dòng)控制的作用原理在于預(yù)控車輛車輪不同制動(dòng)力，迫使車輛受力（縱向力和側(cè)向力）改變，從而生成相應(yīng)的橫擺力矩，防止汽車的轉(zhuǎn)向不足或過多，行之有效地實(shí)現(xiàn)車輛橫擺穩(wěn)定性控制。 主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制旨在通過控制前輪（當(dāng)主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向時(shí)）或前后輪（當(dāng)主動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向時(shí)）轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)輪胎側(cè)偏角的修正控制，最終滿足車輛操縱穩(wěn)定性的控制要求。該控制手段能在某些條件下成功地滿足轉(zhuǎn)向線性區(qū)的車輛橫擺穩(wěn)定性能要求，然而當(dāng)車輛在極限工況下轉(zhuǎn)向時(shí)，屆時(shí)車輛側(cè)向加速度、質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度通常趨于較大值，車輛輪胎側(cè)向受力易處于飽和狀態(tài)，因而預(yù)控輪胎側(cè)偏角尚無法有效地提高輪胎側(cè)偏力，也難以滿足車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)所需的側(cè)向力[9]。因此若簡單地采用主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制手段，無法突破車輛的操縱穩(wěn)定性的限制問題，促使主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法適用范圍較窄。
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2 汽車動(dòng)力學(xué)模型和液壓模型的建立

2.1 引言
動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確建立是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提，所以模型建立的準(zhǔn)確與否對后面控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)好壞有著至關(guān)重要的作用。本章根據(jù)課題研究的需要，在課題組已有基于制動(dòng)控制的應(yīng)用模型的基礎(chǔ)上，加上懸架模型，并對汽車橫擺、側(cè)傾耦合動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析，研究汽車懸架的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)特性，建立了能夠反映汽八自由度整車穩(wěn)定性分析模型，為了模擬實(shí)際液壓制動(dòng)系統(tǒng)硬件，建立了穩(wěn)定性控制液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型。
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2.2 汽車動(dòng)力學(xué)模型的建立
汽車穩(wěn)定性主要包括兩個(gè)方面：橫擺穩(wěn)定性和側(cè)傾穩(wěn)定性，喪失橫擺和側(cè)傾穩(wěn)定性，這將嚴(yán)重影響汽車的行駛穩(wěn)定性及安全性，進(jìn)而引起使汽車偏離駕駛員期望的道路交通事故。模型的建立是進(jìn)行汽車穩(wěn)定性研究的前提，所以，在分析汽車行駛穩(wěn)定性問題之前，必須建立準(zhǔn)確的車輛穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)模型。由于實(shí)際汽車動(dòng)力學(xué)及機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜，所以在進(jìn)行理論建模分析時(shí)，在保證滿足課題研究的情況下，對相應(yīng)的汽車底盤子系統(tǒng)進(jìn)行了簡化。對于輪胎建模，本章選用“魔術(shù)公式”輪胎模型，并基于“魔術(shù)公式”輪胎動(dòng)力學(xué)模型，建立了橫擺、側(cè)傾耦合動(dòng)力學(xué)八自由度整車模型，并在 Matlab/simulink 建立了其仿真模型。 對于不同的應(yīng)用模型，采取的建模方法也一樣，通常情況下，人們主要采用人工、圖形、計(jì)算機(jī)等方法來建立汽車動(dòng)力學(xué)模型[49]。每種建模方法根據(jù)不同的應(yīng)用需要，都有自己的特點(diǎn)。針對穩(wěn)定性控制研究，本章使用圖形建模的方法，采用 Matlab/Simulink 模塊，可以直觀的進(jìn)行圖形建模，而不用編寫復(fù)雜的代碼程序，Simulink 模塊擁有豐富的控制工具箱，方便控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建模，且 Matlab軟件可以與 dSPACE 實(shí)現(xiàn)無縫連接，便于后面進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)。
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3 汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...... 19
3.1 引言 .... 19
3.2 汽車穩(wěn)定性控制分析 .... 19
3.3 汽車穩(wěn)定性差動(dòng)制動(dòng)橫擺控制 .......... 20
3.4 側(cè)傾穩(wěn)定性控制 ..... 27
3.4.1 差動(dòng)制動(dòng)側(cè)傾控制策略 ........... 27
3.4.2 懸架側(cè)傾控制策略 ........... 28
3.5 綜合穩(wěn)定性集成控制 .... 30
3.6 本章小結(jié) ........... 32
4 控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析 ........... 35
4.1 引言 .... 35
4.2 聯(lián)合仿真接口設(shè)置......... 35
4.3 聯(lián)合仿真分析 .......... 36
4.4 本章小結(jié) ........... 46
5 基于 dSPACE 的系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)仿真 ........... 47
5.1 引言 .... 47
5.2 dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)簡介 .......... 47
5.3 實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn) .......... 48
5.4 實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)結(jié)果及分析 ........... 52
5.5 本章小結(jié) ........... 56

5 基于 dSPACE 的系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)仿真

5.1 引言
本文在前幾章中建立了汽車綜合穩(wěn)定性應(yīng)用模型和穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)差動(dòng)制動(dòng)直接橫擺控制的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于制動(dòng)與懸架系統(tǒng)的汽車穩(wěn)定性集成控制策略，并對所建立的整車模型和控制系統(tǒng)進(jìn)行了離線仿真分析，通過分析驗(yàn)證了所建模型的正確性和控制策略的有效性。但單純的離線仿真并不能達(dá)到穩(wěn)定性控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的控制要求，所以有必要進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)臺(tái)的搭建，進(jìn)而對控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測試。本章采用基于 dSPACE 搭建的實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，在多種不同的工況下實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)，并與離線仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。過去汽車控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和有效性的測試工作往往是通過大量的道路試驗(yàn)來進(jìn)行的，由于道路條件的不確定性，往往會(huì)對控制規(guī)律的研究造成很大的影響，大量的重復(fù)性道路試驗(yàn)，會(huì)加大人力、物力的投入，所以早期汽車電子控制系統(tǒng)的開發(fā)周期一般都比較長。為了縮短控制系統(tǒng)的研發(fā)周期，提高控制系統(tǒng)的研發(fā)效率，近年來，國內(nèi)外許多汽車控制系統(tǒng)研發(fā)單位聯(lián)合一些高校開始嘗試一種基于混合仿真的控制系統(tǒng)開發(fā)模式，隨著電子計(jì)算機(jī)及仿真技術(shù)的快速發(fā)展，這種新的控制系統(tǒng)開發(fā)模式在汽車控制系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域逐漸得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)混合仿真的理念，德國 dSPACE 公司開發(fā)了基于 dSPACE 硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。應(yīng)用此系統(tǒng)，可以將所需硬件設(shè)備通過高性能計(jì)算機(jī)接口設(shè)備嵌入到軟件環(huán)境中，模擬真實(shí)車輛在各種工況下運(yùn)行時(shí)電子控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制過程。

總結(jié)

汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)是一種新型主動(dòng)安全系統(tǒng)，可以增強(qiáng)汽車在制動(dòng)和轉(zhuǎn)向工況下的安全穩(wěn)定性。為了提高汽車在高附著路面極限工況下的側(cè)傾穩(wěn)定性，本文建立了汽車綜合穩(wěn)定性應(yīng)用分析模型，在汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)差動(dòng)制動(dòng)橫擺控制的基礎(chǔ)上，提出了基于制動(dòng)與懸架系統(tǒng)的集成控制策略，并對控制系統(tǒng)進(jìn)行了離線仿真和實(shí)時(shí)在線仿真試驗(yàn)，證了控制策略及算法的可行性，并且所建立的集成控制系統(tǒng)能有效的改善汽車的綜合穩(wěn)定性。主要工作與結(jié)論總結(jié)如下：  
（1）在課題組已有基于制動(dòng)控制的整車應(yīng)用模型的基礎(chǔ)上，通過對懸架側(cè)傾運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，并綜合分析橫擺與側(cè)傾耦合動(dòng)力學(xué)關(guān)系，在 simulink 中建立了汽車綜合穩(wěn)定性整車仿真建模，并驗(yàn)證了所建模型的正確性。
（2）分析了汽車綜合穩(wěn)定性控制的方法，對橫擺穩(wěn)定性，采用差動(dòng)制動(dòng)直接橫擺控制策略并結(jié)合相應(yīng)的模糊控制算法，來保證汽車按照預(yù)期的軌跡行駛；對于側(cè)翻穩(wěn)定性，在汽車傳統(tǒng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)差動(dòng)制定直接橫擺控制的基礎(chǔ)上，建立了制動(dòng)與懸架系統(tǒng)的集成控制策略并結(jié)合相應(yīng)的控制算法，采用靜態(tài)門限值的方法，實(shí)現(xiàn)了對汽車綜合穩(wěn)定性控制。
（3）對所建立的整車模型和集成控制策略進(jìn)行了典型工況、側(cè)翻危險(xiǎn)工況下的離線仿真分析。對典型工況，側(cè)翻控制策略沒有被激活，通過差動(dòng)制動(dòng)直接橫擺控制，驗(yàn)證了傳統(tǒng)汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)對橫擺穩(wěn)定性的控制效果；對側(cè)翻危險(xiǎn)工況，側(cè)翻控制策略被激活，驗(yàn)證了實(shí)現(xiàn)良好的橫擺、側(cè)傾穩(wěn)定性控制效果，增強(qiáng)了汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的側(cè)翻控制功能，而且集成控制效果優(yōu)于懸架系統(tǒng)和差動(dòng)制動(dòng)單獨(dú)控制效果。
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參考文獻(xiàn)（略）