CN108146431A - 一种极限制动工况的汽车侧翻稳定性集成控制方法 - Google Patents

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Abstract

应用稳健设计理论分析影响汽车侧翻稳定性的整车参数、底盘技术参数、运行参数等诸多不确定因素的关联，分析这些参数初始值及其变异对汽车侧翻稳定性的影响，应用整体偏好集合函数，将汽车整车参数，技术参数、运行参数的变量分层次集成到汽车集成稳健模型中，并通过蒙特卡洛方法建立简化的极限制动工况汽车侧翻稳定性模型，实现多种极限制动工况的自适应汽车侧翻稳定性控制，从而从设计初期、制造过程、使用过程，提高极限制动工况的汽车稳定性。

Description

一种极限制动工况的汽车侧翻稳定性集成控制方法
技术领域
本发明涉及一种汽车控制方法，尤其是极限制动工况下的汽车侧翻稳定性控制方法。
背景技术
在现有的汽车侧翻控制系统中，没有分析整车参数、底盘系统结构参数的初始值、结构参数的不确定性与汽车侧翻稳定性之间的关联，并且对于汽车侧翻的分析一般只是针对汽车某一运行工况，如汽车在常规制动或低附着系数路面制动等工况进行单独控制，没有集成考虑如何自适应汽车的多种制动工况，如：高速紧急制动、转向制动、低附着系数路面转弯制动等工况的集成侧翻稳定性控制。另外，在汽车侧翻稳定性分析中，没有将产品设计各个阶段的不确定信息进行集成优化，不能保证汽车侧翻稳定性在产品开发的各个阶段，即开发设计阶段、生产制造阶段、使用阶段的集成优化性能和稳健性能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明可以解决的问题是提出一种基于极限制动工况的汽车侧翻稳定性控制方法，以车辆动力学理论为基础，综合考虑转向系统、悬架系统、制动系统之间的协调关系，分析极限制动工况下，如低附着系数路面、高速紧急制动、转向制动等工况的汽车动力学特征，以及整车参数、底盘技术参数、汽车运行参数等对汽车侧翻稳定性的干扰，将多种不确定信息分层次聚合到汽车侧翻稳定性模型中，建立基于多种极限制动工况的自适应汽车侧翻稳定性集成控制系统。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种极限制动工况的汽车侧翻稳定性集成控制方法，包括以下步骤：
第一步，整车参数化模型的构建，建立包括悬架系统、转向系统、制动系统的整车参数化模型；
第二步，汽车侧翻稳定性模型构建，基于汽车动力学理论，综合考虑悬架系统、转向系统、制动系统对汽车侧翻稳定性的影响，分析多种极限制动工况下，包括高速紧急制动、高速转向制动、低附着系数路面转向制动，汽车发生侧翻的动力学特征，建立极限制动工况下的汽车侧翻稳定性模型；
第三步，整车参数与底盘技术参数分析，分析研究汽车整车参数，包括轮距、轴距、主销中心距、质心位置以及底盘技术参数，包括转向机构、悬架系统、制动系统结构参数和定位参数对汽车侧翻的影响，这些整车参数与底盘技术参数的变异对车身侧倾角、车身侧向加速度、车轮作用力的影响；
第四步，汽车运行参数分析，分析研究汽车运行参数，包括车速、路面附着系数、转向盘转角、制动力对汽车侧翻稳定性的影响，这些运行参数的变异与车身侧倾角、车身侧向加速度、车轮作用力的相互关联；
第五步，汽车侧翻稳定性集成稳健模型构建，应用稳健设计理论，研究分析汽车整车参数、底盘技术参数、运行参数的不确定性信息的表达方式以及各类不确定性变量变异的相关性对汽车侧翻稳定性的影响，应用整体偏好集合函数，建立设计变量到性能参数的映射函数-整体偏好集合函数，将汽车整车参数，技术参数、运行参数的变量分层次集成到汽车集成稳健模型中，建立汽车侧翻稳定性集成稳健模型；
第六步，简化的汽车侧翻稳定性集成稳健模型构建，应用蒙特卡洛方法分析汽车集成稳健设计模型中各相关参数对汽车侧翻稳定性的影响，得到主影响因素和次影响因素，在汽车侧翻稳定性集成稳健模型中删除次影响因素，简化汽车侧翻稳定性集成稳健模型；
第七步，控制策略研究，根据简化的汽车侧翻稳定性集成稳健模型，依据车辆行驶工况的反馈信息，实现汽车侧翻稳定性集成控制。
本发明的优点是：应用稳健设计理论分析影响汽车侧翻稳定性的整车参数、底盘技术参数、运行参数等诸多不确定因素的关联，分析这些参数初始值及其变异对汽车侧翻稳定性的影响，应用整体偏好集合函数，将汽车整车参数，技术参数、运行参数的变量分层次集成到汽车集成稳健模型中，并通过蒙特卡洛方法建立简化的极限制动工况汽车侧翻稳定性模型，实现多种极限制动工况的自适应汽车侧翻稳定性控制，从而从设计初期、制造过程、使用过程，提高极限制动工况的汽车稳定性。
附图说明
图1是本发明的技术路线示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的最佳实施方式。
1. 构建整车参数化模型
首先定义整车基本参数的初始值和定义域，包括整车的轴距、轮距、主销中心距、质心位置等参数，再次定义底盘的技术参数，包括转向机构、悬架系统、制动系统的尺寸，转向机构、悬架系统、制动系统安装位置、悬架的刚度和阻尼、转向机构最大转角等参数的初始值和定义域，然后定义汽车使用中的运行参数，包括车辆载荷、转向力矩的初始值和定义域等，建立包括悬架系统、转向系统、制动系统的整车参数化模型。如附图1中模块①。
2. 汽车侧翻稳定性模型的构建
基于汽车动力学理论，综合考虑悬架系统、转向系统、制动系统对汽车侧翻稳定性的影响，分析多种极限制动工况下，包括高速紧急制动、高速转向制动、低附着系数路面转向制动，汽车发生侧翻的动力学特征。如附图1中模块②。
采用鱼钩和双移线、变车速阶跃转向、转向盘角阶跃工况等仿真工况，分析研究极限制动工况下的汽车动力学特征（高速紧急制动、转向制动等），包括：侧倾运动（测量参数：车身侧倾角等）、侧向运动（测量参数：车辆侧向加速度等）、轮胎作用力（纵向、侧向、载荷）等。
根据所建立的整车参数化模型，通过方向盘转角和转速等信息判断驾驶员的操纵意图，并通过测量汽车的侧向加速度、车身侧倾角、车轮横向载荷转移率判断汽车的当前状态，实现汽车的状态估计，包括侧倾运动（测量参数：车辆抗侧翻因数、车身最大侧倾角等）、侧向运动（测量参数：车辆侧向加速度等）、质心高度、车轮横向载荷转移率等。如附图1中模块③。
汽车侧翻稳定性模型包括以下评价指标：
侧向加速度指标：车辆侧向加速度的标准门槛值；
侧倾角指标：车辆侧倾角的标准门槛值；
车轮横向载荷转移率：，F Z0，F Zi为汽车内外侧转向轮受到的地面垂直力。
因此，侧翻指标综合函数为为权重值。
为了减少人为因素的干扰，权重值采用偏好函数法赋值。
由于各侧翻评价指标代表着不同用户群体的偏好，因此权重值采用权重比方式确定其偏好。流程如下：首先采用配对比较的方法，两两比较评价参数之间的重要性，并依据重要程度设计配对比较矩阵。例如，有n个目标K 1，K 2，…，K n的多目标优化问题，对这n个目标存在一组重要性的权重比，分别为r 1，r 2，…，r n，两两比较出各优化目标的重要性比值，建立矩阵K，将K乘以一个权重比构成的向量，如下式
矩阵K最大特征值所对应的特征向量即为侧翻评价指标的权重偏好值。
权重重要性比值可按用户的偏好进行定义，举例说明如下：
例如，对于三个侧翻危险性指标J 1 、J 2 、J 3 ，对于其权重系数的设计，按照下表的权重比初始值定义，建立的重要性比配对比较矩阵K，如式
配对比较矩阵K的最大特征值对应的特征向量为，因此最后所得的权重系数偏好值如下表
综合考虑汽车行驶中的纵向、横向和垂向动力学对汽车侧翻稳定性能的影响，应用近似模拟法建立汽车侧翻评价指标J 1 、J 2 、J 3 的近似函数，近似模拟法可以选择响应面法，如下式所示。
式中，x i 和 x p 为设计变量；p, i= 1, 2, …; ε-误差；β-模拟系数。
3. 汽车整车参数与底盘技术参数分析
基于多体动力学理论、仿真技术，分析研究汽车悬架系统、转向系统、制动系统的轮距、轴距、悬架安装位置等整车参数、底盘技术参数的变化与车身侧倾角、车身侧向加速度、轮胎作用力等测试参数的相互关系，如转向机构的安装位置与汽车转向特性的关联，转向特性的变化与汽车稳定性的关系等。
采用正交实验方法，分析研究汽车整车参数，包括轮距、轴距、主销中心距、质心位置，底盘技术参数，包括转向机构、悬架系统、制动系统结构参数、定位参数的变异对汽车侧翻的影响。如附图中模块④。下表为分析某些整车参数变异对汽车侧翻的影响。
4. 汽车运行参数分析
基于多体动力学理论、仿真技术，分析研究汽车转向制动、高速紧急制动等复杂复合动态激励下的纵横向载荷转移等动力学特征，以及在不同路面附着系数、变车速阶跃转向、转向盘角阶跃工况等使用参数的不确定因素影响输入下，车身侧倾角、车身侧向加速度、轮胎作用力（纵向、侧向、载荷）、质心等测试参数的变化。
采用正交实验方法，分析研究汽车运行参数，包括车速、路面附着系数、装载质量、转向盘转角与转向扭矩、制动力矩对汽车侧翻稳定性的影响，这些运行参数的变异与车身侧倾角、车身侧向加速度、轮胎作用力等测试参数的相互关联。如附图中模块⑤。下表为分析汽车运行参数：装载质量、转向扭矩、制动力矩变异对汽车侧翻的影响。
5. 汽车侧翻稳定性集成稳健模型构建
应用稳健设计理论，研究分析汽车整车参数、底盘技术参数、运行参数的不确定性信息的表达方式以及各类不确定性变量变异的相关性对汽车侧翻稳定性的影响，建立汽车集成稳健设计模型。如附图中模块⑥。
集成稳健设计模型的设计变量主要由可控变量、环境噪声因素和侧翻评价指标参数组成。可控变量，即整车参数、汽车底盘技术参数等，如悬架系统的内倾角和后倾角、轴距、轮距等，记作X=[x 1，x 2，x 3，…]；环境噪声因素可以选择汽车运行参数，如车速、转向力矩等，记作Z=[z 1，z 2，z 3，…]；侧翻评价指标，记作F（X，Z）=[f 1(X，Z)，f 2(X，Z)， f 3(X，Z)，…]，为第2步应用近似模拟法建立的汽车侧翻评价指标J 1 、J 2 、J 3 的近似函数，并构建各极限制动工况汽车侧翻稳定性的门槛值，包括高速紧急制动、高速转向制动、低附着系数路面转向制动。
应用整体偏好集合函数，将汽车整车参数、底盘技术参数、运行参数中各阶段变量，建立设计变量到性能参数的映射函数-整体偏好集合函数，将汽车整车参数，底盘技术参数、运行参数的变量分层次集成到汽车侧翻稳定性模型中。
整体偏好集合函数定义如下：
式中，P 1、P 2、P 3分别是侧翻指标J 1 、J 2 、J 3 的个体偏好函数；ω p1 、ω p2 、ω p3是权重系数，仍采用权重比方式确定，也可以按照用户要求设定。
个体偏好函数可以以汽车性能为基础定义，也可以按照设计者的爱好或者用户的偏好定义。
6. 简化的汽车侧翻稳定性集成稳健模型
以整体偏好集合函数Q为基础，应用蒙特卡洛方法分析各类不确定因素变异的相关性，得出影响汽车侧翻稳定性的主影响因素和次影响因素，简化汽车侧翻稳定性模型。如附图中模块⑦。
根据稳健设计要求，简化后侧翻指标综合函数Q的稳健优化结果用下式求解
式中，μ为整体偏好集合函数的均值，σ为整体偏好集合函数的方差。
信噪比是产品性能的稳健性指标。整体偏好集合函数Q的信噪比设计为具有望小特性的信噪比。对于望小特性的信噪比，即输出特性越接近零值越好。
根据简化的汽车侧翻稳定性模型，求解得到稳健优化的汽车整车参数、底盘技术参数的最优解。
7. 控制策略研究
依据第6步所求解的最优设计结果，建立由最优的整车参数、底盘技术参数解所构成的整车模型，并以此最优整车模型为基础，实现多种极限制动工况，包括高速紧急制动、高速转向制动、低附着系数路面转向制动的自适应汽车侧翻稳定性集成控制。
根据极限制动工况下汽车侧翻稳定性模型，以车身侧向加速度、车身侧倾角、车轮横向载荷率为目标，依据驾驶员操纵信息、汽车的运动信息（纵向加速度传感器、载荷、质心位置、车速、车身横摆角、方向盘转角等信号），通过控制器适时的调节控制制动系统的制动力、悬架系统刚度，构建集成多种极限制动工况（高速紧急制动、转向制动等）的自适应汽车稳定性控制器，实现多种极限制动工况，包括高速紧急制动、转向制动、低附着路面制动的自适应控制。在悬架系统控制中，主要对悬架的刚度、阻尼、高度进行控制；在制动系统控制中，主要对制动力进行控制。如附图中模块⑧。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (5)

1.一种极限制动工况的汽车侧翻稳定性集成控制方法，包括以下步骤：
第一步，整车参数化模型的构建，建立包括悬架系统、转向系统、制动系统的整车参数化模型；
第二步，汽车侧翻稳定性模型构建，基于汽车动力学理论，综合考虑悬架系统、转向系统、制动系统对汽车侧翻稳定性的影响，分析多种极限制动工况下，包括高速紧急制动、高速转向制动、低附着系数路面转向制动，汽车发生侧翻的动力学特征，建立极限制动工况下的汽车侧翻稳定性模型；
第三步，整车参数与底盘技术参数分析，分析研究汽车整车参数，包括轮距、轴距、主销中心距、质心位置以及底盘技术参数，包括转向机构、悬架系统、制动系统结构参数和定位参数对汽车侧翻的影响，这些整车参数与底盘技术参数的变异对车身侧倾角、车身侧向加速度、车轮作用力的影响；
第四步，汽车运行参数分析，分析研究汽车运行参数，包括车速、路面附着系数、转向盘转角、制动力对汽车侧翻稳定性的影响，这些运行参数的变异与车身侧倾角、车身侧向加速度、车轮作用力的相互关联；
第五步，汽车侧翻稳定性集成稳健模型构建，应用稳健设计理论，研究分析汽车整车参数、底盘技术参数、运行参数的不确定性信息的表达方式以及各类不确定性变量变异的相关性对汽车侧翻稳定性的影响，应用整体偏好集合函数，建立设计变量到性能参数的映射函数-整体偏好集合函数，将汽车整车参数，技术参数、运行参数的变量分层次集成到汽车集成稳健模型中，建立汽车侧翻稳定性集成稳健模型；
第六步，简化的汽车侧翻稳定性集成稳健模型构建，应用蒙特卡洛方法分析汽车集成稳健设计模型中各相关参数对汽车侧翻稳定性的影响，得到主影响因素和次影响因素，在汽车侧翻稳定性集成稳健模型中删除次影响因素，简化汽车侧翻稳定性集成稳健模型；
第七步，控制策略研究，根据简化的汽车侧翻稳定性集成稳健模型，依据车辆行驶工况的反馈信息，实现汽车侧翻稳定性集成控制。
2.按照权利要求1所述的一种极限制动工况的汽车侧翻稳定性集成控制方法，其特征在于，通过测量汽车的侧向加速度、车身侧倾角、车轮横向载荷转移率判断汽车的当前状态，实现汽车的侧翻状态估计。
3.按照权利要求1所述的一种极限制动工况的汽车侧翻稳定性集成控制方法，其特征在于，可以实现多种极限制动工况，包括高速紧急制动、高速转向制动、低附着系数路面转向制动的自适应汽车侧翻稳定性集成控制。
4.按照权利要求1所述的一种极限制动工况的汽车侧翻稳定性集成控制方法，其特征在于，可以通过构建门槛值，实现多种极限制动工况，包括高速紧急制动、高速转向制动、低附着系数路面转向制动的汽车侧翻稳定性的分类。
5.按照权利要求1所述的一种极限制动工况的汽车侧翻稳定性集成控制方法，其特征在于，通过控制器适时的调节控制制动系统的制动力，悬架系统刚度、阻尼、高度，构建集成多种极限制动工况的自适应汽车稳定性控制器。
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