引言

　　電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）和驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)（ASR）的擴(kuò)展是汽車主動(dòng)安全裝置的一種形式。在緊急情況下，能輔助駕駛員自動(dòng)控制汽車，在汽車側(cè)向力還未達(dá)到地面附著力前提下，通過對駕駛員的動(dòng)作和路面實(shí)際情況進(jìn)行判斷之后，對汽車的行駛狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的干預(yù)，以保持汽車的穩(wěn)定的行駛。本文以某型轎車為研究對象，以橫擺角速度作為汽車穩(wěn)定性控制的主要變量，控制方法采用PID控制，設(shè)計(jì)PID控制器，對汽車ESP進(jìn)行仿真研究。

　　1 整車模型的建立

　　汽車整車模型的建立采用的是比較先進(jìn)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)建模的方法，即利用ADAMS/CAR建立非常直觀形象的物理模型，其能夠比較真實(shí)地反映出汽車動(dòng)力學(xué)特性。需要建立的汽車子系統(tǒng)模型有：前后懸系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、前后輪系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)模型等。整車模型建立完成之后，通過蛇形試驗(yàn)對模型的合理性進(jìn)行檢驗(yàn)。

　　2 理想二自由度模型的建立

　　在仿真過程中控制系統(tǒng)需要實(shí)際橫擺角速度和理想的橫擺角速度作比較，因此需要建立汽車?yán)硐雲(yún)⒖寄Ｐ腿鐖D1,通常是建立二自由度線性單軌模型來計(jì)算得到汽車的參考橫擺角速度。

　　圖1中Fyf為前輪所受側(cè)向力、Fyr為后輪所受側(cè)向力，u1為前軸中點(diǎn)速度，u2為后軸中點(diǎn)速度。

　　由圖1可以得到汽車運(yùn)動(dòng)方程：

　　其中：

　　將式（2）代入式（1）進(jìn)行拉氏變換得到二自由度單軌模型傳遞函數(shù)，然后化簡可以得到理想橫擺角速度公式：

　　3 PID控制器的設(shè)計(jì)

　　PID控制器是一種線性控制器，控制原理如圖2所示。在PID的調(diào)節(jié)下，控制器對誤差信號(hào)分別進(jìn)行比例、積分、微分3種運(yùn)算，其結(jié)果加權(quán)和構(gòu)成系統(tǒng)控制信號(hào)，傳遞給被控對象加以控制。

　　PID控制器的數(shù)學(xué)描述形式為：

　　式中：Kp、Ki、Kd分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，控制的過程中通過調(diào)節(jié)這3個(gè)系數(shù)大小就可以達(dá)到良好的控制效果。

　　ESP對于控制變量橫擺角速度，采用PID控制方法，設(shè)計(jì)PID控制器。

　　4 仿真控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　整個(gè)仿真控制系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：ADAMS汽車模型、汽車參考模型以及PID控制系統(tǒng)。圖3為基于PID控制的仿真控制系統(tǒng)圖。

　　4.1 單移線轉(zhuǎn)向仿真

　?。?）仿真條件：單移線仿真即汽車在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，通過一個(gè)S型曲線樣式的道路模擬汽車的變道動(dòng)作（汽車模型、汽車參考模型的輸入信號(hào)正弦輸入）[3],汽車檔位在5檔，速度為85km/h,地面附著系數(shù)為0.6,開始轉(zhuǎn)向時(shí)刻為1s,轉(zhuǎn)向持續(xù)時(shí)間為3s,轉(zhuǎn)角為100#。

　?。?）圖4為有、無ESP控制行駛軌跡圖，圖5為單移線條件下橫擺角速度變化曲線，圖6單移線條件下質(zhì)心側(cè)偏角的變化曲線。

　　從圖4中看出，有ESP控制的汽車行駛穩(wěn)定，能按預(yù)期軌跡行駛；無ESP控制的汽車，出現(xiàn)后輪側(cè)滑，失去行駛穩(wěn)定性。從圖5~6中可以看出，沒有ESP控制的汽車其橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角迅速增大，說明汽車后輪側(cè)向力達(dá)到地面附著極限，導(dǎo)致汽車行駛的各狀態(tài)變量發(fā)生急劇變化，無法按照駕駛員預(yù)期軌跡行駛，出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象。

　　4.2 蛇形穿越仿真條件

　　（1）仿真條件蛇形駕駛穿越仿真試驗(yàn)是用來對汽車的過度響應(yīng)和側(cè)傾穩(wěn)定性進(jìn)行評估。執(zhí)行蛇形駕駛時(shí)，首先向一個(gè)方向轉(zhuǎn)到設(shè)定的轉(zhuǎn)向角，然后反方向轉(zhuǎn)到設(shè)定的轉(zhuǎn)向角。以此類推，仿真在完成第五次轉(zhuǎn)向過程。檔位5檔，速度為80km/h,地面附著系數(shù)為0.6,蛇形穿越。

　?。?）圖7為有、無ESP控制行駛軌跡圖，圖8為蛇形穿越條件下橫擺角速度變化曲線，圖9為蛇形穿越條件下質(zhì)心側(cè)偏角的變化曲線。

　　由圖7可知，在一個(gè)蛇形穿越時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定工況，加入ESP系統(tǒng)之后可觀察到，ESP系統(tǒng)，能使汽車按照預(yù)期軌跡穩(wěn)定行駛。

　　從橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角上分析，由圖8、9可知，無ESP系統(tǒng)控制的汽車，其橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角發(fā)生突變，說明汽車在做蛇形行駛的過程中出現(xiàn)了不穩(wěn)定的狀態(tài)。

　　5 結(jié)語

　　采用ADAMS/CAR建立了直觀的三維汽車模型，其各部分的運(yùn)動(dòng)和響應(yīng)接近實(shí)際汽車情況，能夠比較真實(shí)地反映出汽車的動(dòng)力學(xué)特性。通過ADAMS/Controls確定模型的輸入輸出變量，并導(dǎo)出汽車模型，在Simulink下建立ESP的控制系統(tǒng)模型，將ESP控制模型與汽車模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于ADAMS/CAR和MATLAB的汽車ESP系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果具有可信性。