基于IEHB 系统的车辆稳定性控制研究

张祥琨， 胡君颖， 柯 栒， 池 雪， 程 前

（上汽通用汽车有限公司武汉分公司， 湖北 武汉 430200）

车辆稳定性的控制通常是针对车辆的横摆角速度和质心侧偏角，将其进行控制并跟踪期望值，能在多种工况下及时并且主动地干预汽车行驶，很大程度上提高了汽车的安全性[1-2]。

随着汽车趋向智能化，制动性能更优越的线控制动系统正逐步取代传统的制动系统[3]。因此，有必要在集成式电液制动系统（Integrated-Electro-Hydraulic Brake system，，IEHB） 的基础上对稳定性控制系统进行研究，以IEHB系统及其控制器作为底层执行机构，从而实现车辆稳定性控制。

车辆的稳定性控制具有非线性、相互耦合且较复杂的特点，传统的控制方法如PID控制、模糊控制等控制效果都不是很令人满意。滑模控制虽然在解决系统的非线性问题时比较有效，但是滑模控制存在的抖振问题也不容忽视[4]。因此，设计一种模糊滑模联合控制器获得所需的附加横摆力矩，通过模糊控制输出滑模控制的切换增益，有效地消除系统的抖振，提高车辆的转向稳定性。

1 IEHB系统组成及其控制器

本文所采用的IEHB系统如图1所示。该系统是一种集成度高且构型简单可靠的新型线控液压制动系统，能够较好地完成ESC、ABS等辅助驾驶功能的制动需求[5]。

图1 IEHB系统原理图

其主要由以下4个部分组成。

1） 踏板模拟单元：模拟踏板感并通过踏板行程传感器识别制动意图。

2） 电动主缸单元：通过电机带动减速增矩机构来推动主缸推杆建立主缸压力。

3） 液压调节单元：通过调节增压阀（常开阀） 与减压阀（常闭阀） 的开度和电动泵来调节各个轮缸压力。

4） 系统控制器：根据驾驶员的制动意图或上层控制器发出的主动制动指令对系统实施控制。

IEHB系统的工作原理如下：IEHB系统在增压时，永磁同步电机正转带动由二级齿轮和滚珠丝杠组成的减速增矩机构实现直线运动，从而推动主缸推杆前进以建立主缸压力，液压调节单元（HCU） 中的增压阀开启，减压阀和电动泵都关闭，使制动轮缸通过增压阀进行增压；保压时，助力电机停止动作使主缸压力不变，HCU中的增压阀、减压阀和电动泵都关闭，维持轮缸压力不变；减压时，助力永磁同步电机反转带动主缸推杆后退，HCU中的增压阀关闭，减压阀开启，电动泵（柱塞泵和泵电机） 进行工作，使轮缸里的制动液流到低压蓄能器中，从而实现轮缸快速减压。

该IEHB系统的压力控制策略主要采用以下控制方法。

主缸压力控制器采用单神经元PID控制，得到期望的助力电机转角位置。①针对永磁同步电机设计位置-转速-电流三闭环PI控制，建立期望的主缸压力；②轮缸压力由多个控制器联合调控，对于增压阀采用查表法PID控制；③对于减压阀采用模糊控制；④对于电动泵采用逻辑门限值控制，从而实现由主缸到轮缸的IEHB系统整体压力精确控制。

IEHB系统控制框架如图2所示，其中，pw_d为制动轮缸期望压力，pm_d为主缸期望压力，pw为制动轮缸实际压力，pm为主缸实际压力。

图2 IEHB系统控制框架

2 汽车动力学建模

在Simulink软件中搭建控制器的模型，与CarSim整车模型协同仿真，车辆模型准确，仿真结果真实有效[6]，在CarSim中选取某B型乘用车作为整车动力学模型。

线性二自由度车辆模型输入和输出响应特性良好，故选择二自由度车辆模型作为参考模型，将中性转向条件下得到的质心侧偏角和横摆角速度作为标准，并考虑汽车轮胎与路面摩擦力的约束条件，得到汽车运动二自由度的线性微分方程[7]。

由于侧向加速度ay不能超过转向时轮胎与地面的最大附着系数，即ay=ωrd·u

3 车辆稳定性控制系统设计

针对汽车转向，设计了一个基于IEHB的车辆稳定性控制系统，以横摆角速度和质心侧偏角的实际值与期望值作为控制输入，设计模糊滑模联合控制器输出主动的附加横摆力矩，并通过单轮差动制动的方式来实现附加横摆力矩，从而使得车辆具有良好的行驶轨迹和转向稳定性，ESC系统控制框架如图3所示。

图3 ESC系统控制框架

3.1 质心侧偏角估计

采用扩展卡尔曼滤波（EKF） 对质心侧偏角进行在线参数估计，在车辆线性二自由模型的基础上增加一个纵向运动自由度，从而建立一个车辆三自由度模型。二自由度车辆模型的横向、横摆运行动力学公式如式（1）和式（2）所示，对于三自由度模型，新增的纵向运动学公式如下[8]：

因此，针对上述车辆动力学模型可得本文的估计算法过程如下[9]。

可通过不计噪声的影响来获取k时刻的观测向量和状态向量的估算值，简化建立系统的状态方程和观测方程：

式中：x（k）——状态变量；u（k）——控制变量；y（k）——测量输出；w（k）——系统噪声；v（k）——测量噪声。其中，w（k）与v（k）相互独立。

将上式改写为扩展卡尔曼滤波方程。

1） 状态方程：

3.2 滑模控制器设计

滑模变结构可以使系统的结构随时间改变，使得被控系统在滑模面附近稳定，并通过切换函数的作用使被控系统收敛到滑模面上[10]。以横摆角速度和质心侧偏角作为控制变量，横摆角速度和质心侧偏角的实际值与期望值之间的误差分别为：

式中：Kr，β——横摆角速度和质心侧偏角共同控制的滑模切换增益，且Kr，β>0。

3.3 模糊滑模控制器设计

在滑模控制器中，系统的抖振振幅通常与切换增益Kr，β成正比[11]。如果切换增益Kr，β可以自适应地调整，在远离滑动面时取较大值，接近滑动面时取较小值，在到达滑模面上取零，即只采用等效控制，就可以有效地减少抖振。

因此，采用模糊规则根据滑模变量S的值来估计Kr，β，当S的绝对值较大时，Kr，β较大，当S的绝对值较小时，Kr，β较小，当S趋于0时，Kr，β为0，即仅用等效控制来减少甚至消除抖振。

系统输入输出的模糊集分别定义如下：

3.4 附加横摆力矩的实现策略

得出附加横摆力矩后通过制动车轮选择和制动压力计算模块得到对被控车轮所需施加的轮缸压力。

单个车轮制动的优点是对汽车的冲击较小，对运动性能通常没有影响[12]。由于不同车轮在相同制动力下对车辆横摆特性的影响不同，故选择高效车轮进行单轮差动制动。相关的选择策略见表1。

表1 整车参数

式中：f——摩擦系数；A——接触面积；rw——制动车轮等效半径；pw——轮缸压力（其中假设汽车各个车轮的f、A均相同）。

4 联合仿真分析

在CarSim与Simulink联合仿真环境中搭建的系统模型如图4所示。在低附着系数的路面下，对双移线工况进行了仿真实验，分别分析了在有无控制器作用下的车辆横摆角速度和质心侧偏角的响应特性，并观测了轮缸制动压力的跟随情况。

图4 ESC系统联合仿真模型

仿真条件：初始车速20m/s，湿滑的水泥路面（路面附着系数设置为0.4），方向盘转角如图5所示，转向比取20，仿真时间10s。仿真结果如图6所示。

图5 双移线工况方向盘转角

图6a和图6b分别为在双移线工况下有无控制器作用的车辆质心侧偏角和横摆角速度的响应结果。从图6a和6b中有无控制器作用的对比可以看出：以较高的车速来回打方向盘使汽车路线为双移线时，没有控制的横摆角速度和质心侧偏角都出现了较大的超调量，这很可能会导致侧滑失稳和偏离期望轨迹。而处于控制时，汽车横摆角速度和质心侧偏角可以较好地跟随期望值而不出现超调，说明被控车辆具有较高的稳定性，可以较好地接近驾驶员的期望。但是，质心侧偏角的实际值与参考值仍有一定的差异和滞后性，这也反映了使用单轮差动制动的局限性，只能在提高稳定性方面起到一定的改善作用。

图6c中体现的是控制过程中4个轮缸压力的变化，图6d中则是其中左前轮的实际压力对期望压力的跟随情况，由仿真结果可以看出，IEHB系统可以较好地实现车辆稳定性控制系统发出的制动需求，并且4个轮缸压力的变化与车辆行驶状态变化相符，说明了基于IEHB系统的ESC控制器的有效性与合理性。

图6 正弦输入下的质心侧偏角对比图

另外，从图中综合来看，仿真结果也没有出现抖振问题，说明模糊滑模联合控制对消除抖振具有良好的作用。

5 结论

为提高车辆在转向工况下的稳定性，设计一种模糊滑模联合控制器。通过扩展卡尔曼滤波进行质心侧偏角的估计，以质心侧偏角和横摆角速度为控制变量，采用模糊滑模控制得到附加横摆力矩，以单轮差动制动方式施加到被控车轮。以所设计的IEHB系统及其控制器作为底层执行机构，利用联合仿真平台对所提出的压力控制与车辆稳定性控制策略在双移线工况下进行了仿真实验。结果表明：所设计的IEHB系统压力控制器能够较好地实现压力跟踪，并验证了所提出的基于IEHB系统的车辆稳定性控制策略的有效性与合理性。