基于滑模理论的高速车辆侧风稳定性控制研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.01.015

汽车工程 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (1): 123-130.doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.01.015

所属专题：底盘&动力学&整车性能专题2022年

基于滑模理论的高速车辆侧风稳定性控制研究

梁宝钰^1,²,汪怡平^1,²(),刘珣^1,²,张倩文^1,²,熊建波^1,²,胡兴军³,王靖宇³

^1.武汉理工大学汽车工程学院，武汉 430070
^2.武汉理工大学，现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉 430070
^3.吉林大学汽车工程学院，长春 130025

收稿日期:2021-10-09 修回日期:2021-11-02 出版日期:2022-01-25 发布日期:2022-01-21
通讯作者: 汪怡平 E-mail:wangyiping@whut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51775395);吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室开放基金(20201204)

Study on Crosswind Stability Control of High-speed Vehicle Based on Sliding Mode Theory

Baoyu Liang^1,²,Yiping Wang^1,²(),Xun Liu^1,²,Qianwen Zhang^1,²,Jianbo Xiong^1,²,Xingjun Hu³,Jingyu Wang³

^1.School of Automotive Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070
^2.Wuhan University of Technology，Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automobile Components Technology，Wuhan 430070
^3.College of Automotive Engineering，Jilin University，Changchun 130025

Received:2021-10-09 Revised:2021-11-02 Online:2022-01-25 Published:2022-01-21
Contact: Yiping Wang E-mail:wangyiping@whut.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对高速车辆侧风稳定性问题，搭建了汽车多体动力学（multi-body dynamics，MBD）和计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）双向耦合平台，并基于该平台设计了一种侧风稳定性控制系统。该系统的上层控制器基于滑模理论计算出侧风干扰下的高速车辆为维持稳定所需的附加横摆力矩，下层控制器将上层控制器输出的横摆力矩分配到各个车轮，从而完成车辆的抗侧风干扰控制。分析了未受控制车辆与直接横摆力矩控制（direct yaw-moment control，DYC）车辆在阶跃侧风下的运动特性和气动特性。研究结果表明，在阶跃侧风中，未受控制车辆的最大横摆角为5.7°，最大侧向位移为4.0 m，而施加DYC后，车辆横摆角基本为0，最大侧向位移为0.41 m，较好地维持了直线行驶状态。表明在此侧风稳定性控制系统下，高速车辆的抗侧风干扰能力得到有效提升。

关键词: 侧风稳定性, 动态双向耦合, 滑模理论, 直接横摆力矩

Abstract:

For crosswind stability of high-speed vehicles， a two-way coupling platform of multi-body dynamics （MBD） and computational fluid dynamics （CFD） is built， and a crosswind stability control system is designed based on the platform. Based on the sliding mode theory， the upper controller calculates the additional yaw moment required for the stability of high-speed vehicle under crosswind disturbance， and the lower controller distributes the yaw moment to each wheel， so as to complete the anti-crosswind control of the vehicle. The kinematic and aerodynamic characteristics of uncontrolled vehicle and direct yaw-moment control （DYC） vehicle under step crosswind are analyzed. The results show that the maximum yaw angle of the uncontrolled vehicle is 5.7° and the maximum lateral displacement is 4.0m in the step crosswind. After DYC is applied， the yaw angle of the vehicle is basically 0 and the maximum lateral displacement is 0.41m， with the vehicle maintaining the straight driving state well. It shows that the crosswind interference resistance of high-speed vehicles is improved effectively under the crosswind stability control system.

Key words: crosswind stability, dynamic two-way coupling, sliding mode theory, direct yaw-moment

梁宝钰,汪怡平,刘珣,张倩文,熊建波,胡兴军,王靖宇. 基于滑模理论的高速车辆侧风稳定性控制研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(1): 123-130.

Baoyu Liang,Yiping Wang,Xun Liu,Qianwen Zhang,Jianbo Xiong,Xingjun Hu,Jingyu Wang. Study on Crosswind Stability Control of High-speed Vehicle Based on Sliding Mode Theory[J]. Automotive Engineering, 2022, 44(1): 123-130.

图/表 14

图1

图2

图3

图4

图5

表1

整车参数表"

参数	数值
整车整备质量/kg	1 792
前轮轮距/m	1.525
后轮轮距/m	1.530
整车轴距/m	2.82
质心高度/m	0.538
质心到前轴距离/m	1.227
绕x轴转动惯量/（kg·m²）	901
绕y轴转动惯量/（kg·m²）	5 910
绕z轴转动惯量/（kg·m²）	5 584
前悬刚度/（N·m）	24 000
后悬刚度/（N·m）	24 570
前悬阻尼/（ $N ? s ? m - 1$ ）	3 918
后悬阻尼/（ $N ? s ? m - 1$ ）	4 310

表1

图6

图7

图8

图9

表2

DYC下层控制策略"

需求横摆力矩方向	依据	控制策略
向左	$T x f l ≤ 800 ? N · m$	$T x f l$
向左	$T x f l > 800 ? N · m$	$T x f l = 800 ? N · m, T x r l$
向右	$T z r r ≤ 600 ? N · m$	$T r r$
向右	$T x r r > 600 ? N · m$	$T x r r = 600 ? N · m, T x f r$

表2

图10

图11

图12

参考文献 9

1	ZHANG Q ， SU C ， WANG Y. Numerical investigation on aerodynamic performance and stability of a sedan under wind–bridge–tunnel road condition［J］. Alexandria Engineering Journal， 2020， 59（5）：3963-3980.
2	田杰，高翔，陈宁．基于AFS和DYC协调控制的车辆稳定性研究［J］．机械设计，2010，27（10）：18-27．
	TIAN Jie， GAO Xiang， CHEN Ning. Research on vehicle stability based on AFS and DYC coordinated control ［J］. Journal of Machine Design， 2010，27 （10）： 18-27.
3	KLIER W， REINELT W. Active front steering （part1）： mathematical modeling and parameter estimation［C］. SAE World Congress. Detroit， USA： 2004.
4	王伟达，张为，丁能根，等. 汽车DYC系统的二阶滑模控制［J］. 华南理工大学学报（自然科学版）， 2011（1）：145-150.
	WANG Weida, ZHANG Wei, DING Nenggen, et al. Second order sliding mode control of vehicle DYC system [J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2011（1）:145-150.
5	李舒雅，谷正气，黄泰明，等. 不同侧风工况下汽车稳定性双向耦合研究［J］. 中国机械工程， 2019， 30（19）：2276-2286.
	LI Shuya，GU Zhengqi， HUANG Taiming， et al. Bidirectional coupling of vehicle stability under different crosswind conditions［J］. China Mechanical Engineering， 2019， 30（19）：2276-2286.
6	刘翔宇. 基于直接横摆力矩控制的车辆稳定性研究［D］. 合肥：合肥工业大学，2010.
	LIU Xiangyu. Research on vehicle stability based on direct yaw moment control ［D］. Hefei：Hefei University of Technology， 2010.
7	WANG Yiping， ZHANG Ziyi， ZHANG Qianwen， et al. Dynamic coupling analysis of the aerodynamic performance of a sedan passing by the bridge pylon in a crosswind［J］. Applied Mathematical Modelling， 2020， 89：1279-1293.
8	彭亚美. 中气轿车气动特性模型风洞试验研究［D］. 长沙：湖南大学， 2010.
	PENG Yamei. Wind tunnel test research on aerodynamic characteristics model of china gas car［D］. Changsha： Hunan University， 2010.
9	袁侠义，陈林，黎帅，等.汽车侧风稳定性的仿真与评价［J］.汽车工程，2019，41（11）：1286-1293.
	YUAN Xiayi， CHEN Lin， LI Shuai， et al. Simulation and evaluation of vehicle crosswind stability ［J］. Automotive Engineering，2019，41（11）：1286-1293.

[1]	李子先,潘世举,徐友春. 8轮分布式电驱动车辆AFS和DYC协同控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(3): 409-420.
[2]	张新荣,谭宇航,贾一帆,黄晋,许权宁. 四轮独立驱动电动汽车路径跟踪鲁棒控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 253-262.
[3]	袁志群,刘宇峰,林立. 强风环境下跨海桥梁行车安全评价与管控方法[J]. 汽车工程, 2022, 44(9): 1456-1468.
[4]	陈路明,廖自力,张征. 多轮分布式电驱动车辆双重转向分层控制系统设计[J]. 汽车工程, 2021, 43(9): 1383-1393.
[5]	袁志群,吕恒庆,林立,林晓波,高秀晶. 跨海大桥上厢式货车侧风稳定性的研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(8): 1238-1247.
[6]	袁侠义, 陈林, 黎帅, 王文源. 汽车侧风稳定性的仿真与评价^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(11): 1286-1293.

基于滑模理论的高速车辆侧风稳定性控制研究

Study on Crosswind Stability Control of High-speed Vehicle Based on Sliding Mode Theory

RichHTML

PDF (PC)

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 14

参考文献 9

相关文章 6

Metrics

本文评价

推荐阅读 10