辛乾 班兵 楊洋 阮加良 管媛媛

摘 要：近些年來，隨著高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）在商用車領(lǐng)域的逐漸興起，為實現(xiàn)車道保持輔助系統(tǒng)（LKAS）及無人駕駛等，對車輛的橫擺運動控制要求也越來越高。文章基于模型預(yù)測控制（MPC）算法，設(shè)計了一種用于半掛牽引車循跡的車輛前輪轉(zhuǎn)角控制算法。最后通過Trucksim與Matlab聯(lián)合仿真，實現(xiàn)了不同車速下對雙移線路徑的良好循跡。

關(guān)鍵詞：橫擺動力學;模型預(yù)測控制;聯(lián)合仿真

中圖分類號：U471.15? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-45-04

Abstract： In recent years， with the gradual rise of Advanced driver assistance system（ADAS） in commercial vehicle field， in order to implement Lane Keeping Assistance System（LKAS） and autonomous vehicle ect， the requirements for vehicle yaw motion control are also getting higher and higher. Based on the model predict control（MPC） algorithm， this paper proposed an algorithm to control the front wheel angle of semi-trailer tractor tracking. Finally， Under the operation conditions of double lane change， co-simulation of Trucksim and Matlab ， the results show that the tracking effect is good.

Keywords： yaw motion dynamic; model predictive control; co-simulation

前言

隨著我國物流業(yè)的飛速發(fā)展，物流市場日趨繁榮，半掛牽引車由于其高效性及較低的噸公里油耗，成為了中長途公路運輸?shù)慕^對主力。而隨著LKAS等高級駕駛輔助系統(tǒng)在商用車領(lǐng)域的逐漸興起，對車輛主動轉(zhuǎn)向的控制要求也越來越高。本文的主要內(nèi)容是MPC算法在半掛牽引車轉(zhuǎn)向控制策略中的應(yīng)用研究。

1 被控對象建模

本文基于Trucksim建立車輛多體動力學模型用于被控對象的仿真，按照整車實際狀態(tài)及參數(shù)對模型的整車質(zhì)量、慣量及尺寸參數(shù)、空氣動力學參數(shù)，懸架結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及K&C特性參數(shù)，輪胎參數(shù)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比參數(shù)等進行設(shè)定，建立的動力學模型如上圖所示。

2 控制策略的理論依據(jù)

2.1 模型預(yù)測控制簡介

典型的模型預(yù)測控制過程主要包含以下三個步驟：

（1）預(yù)測模型：根據(jù)已有的模型、系統(tǒng)當前的狀態(tài)和未來的控制量去預(yù)測未來的輸出。

（2）滾動優(yōu)化：輸出的長度是控制周期的整數(shù)倍，通過優(yōu)化條件進行優(yōu)化求解，得到未來的控制量序列。

（3）反饋校正：每一個控制周期結(jié)束后，系統(tǒng)根據(jù)當前實際狀態(tài)重新預(yù)測系統(tǒng)未來輸出[1]。

MPC工作原理可由上圖表示：

控制器結(jié)合當前時刻k的測量值和預(yù)測模型，預(yù)測未來一段時域內(nèi)[k，k+Np]（Np即預(yù)測時域）系統(tǒng)的輸出，通過求解滿足目標函數(shù)以及各種約束的優(yōu)化問題，得到在控制時域內(nèi)的一組最優(yōu)控制序列，并將該控制序列的第一個元素作為受控對象的實際控制量，來到下一個時刻k+1時，重復(fù)上述過程?？梢奙PC中每次起作用的只是當前狀態(tài)下最優(yōu)控制序列的第一個值，其余值是為了對未來狀態(tài)的有效預(yù)測而給出的，并不直接參與當前時刻控制量的輸出。

模型預(yù)測控制中有兩個關(guān)鍵核心參數(shù)即控制步長Nc和預(yù)測步長Np，傳統(tǒng)觀念上會認為預(yù)測的步長越大越好，實際控制過程中筆者發(fā)現(xiàn)預(yù)測周期過長不僅顯著增加了計算任務(wù)量導(dǎo)致結(jié)果輸出變慢，同時由于預(yù)測模型的誤差累計原因，當Np，Nc超過一定閾值時其循跡效果反而出現(xiàn)了下降。所以對被控對象進行合理簡化并建立預(yù)測模型是影響控制效果的決定性因素。

2.2 模型預(yù)測控制的應(yīng)用

2.2.1 預(yù)測模型建立

半掛牽引車是一個多連接形式、非常復(fù)雜的多自由度空間運動系統(tǒng)。本文是車輛在橫向受力、運動基礎(chǔ)上建立單軌雙質(zhì)心數(shù)學模型，建立的模型基于以下規(guī)則進行簡化和假設(shè)：

（1）根據(jù)1/2模型的單軌特性，在前、后軸中心分別作用一個軸載荷。

（2）汽車做小曲率運動，車輪轉(zhuǎn)向角和側(cè)偏角都較小。

（3）側(cè)偏角在小于5度的范圍內(nèi)，輪胎側(cè)偏特性處于線性范圍，即側(cè)偏剛度為常數(shù)。

（4）牽引車與半掛車為兩個相互耦合的剛體。

（5）將由于懸架側(cè)傾引起的車輪側(cè)傾轉(zhuǎn)向角、因轉(zhuǎn)向系和懸架導(dǎo)向桿系彈性造成的側(cè)向力轉(zhuǎn)向角與輪胎本身的側(cè)偏角一同視為前輪或后輪的綜合側(cè)偏角，從而可以將懸架和轉(zhuǎn)向系彈性的影響包含在前、后輪的側(cè)偏剛度中。半掛牽引車行駛時，牽引車和半掛車既組成一個運動整體，又通過鞍座上的牽引銷存在著相互運動的關(guān)系，如下圖所示[2]：

對連接點進行受力分析并附加轉(zhuǎn)向阻力矩，得到下圖：

根據(jù)車輛運動學和動力學方程，建立橫擺運動方程。牽引車y向和x向速度計算方程如下：

牽引車橫向力平衡方程式為：

牽引車橫擺運動方程為：

掛車橫向力平衡方程式為：

掛車橫擺運動方程式為：

2.2 多次噴射、組合噴射

多次噴射即根據(jù)燃燒需求，在不同工況下控制噴油器進行一次或者多次缸內(nèi)直噴的情況;組合噴射技術(shù)即采用缸內(nèi)直噴與歧管噴射的雙噴射技術(shù)[4]。由于進氣道噴射和缸內(nèi)直噴針對發(fā)動機不同工況各有利弊，若能根據(jù)發(fā)動機所處狀態(tài)巧妙進行組合噴射，對改善油耗和排放顯得很有意義。一方面，可以兼顧發(fā)動機在不同工況下的效率，另一方面，可以降低排放，滿足日益苛刻的排放法規(guī)。

如，大眾EA888第三代發(fā)動機為了降低碳煙排放、改善油耗降低爆震趨勢，采用組合噴射和多次噴射技術(shù)。當發(fā)動機處于熱怠速或者低速小負荷時，缸內(nèi)氣體流動特性較差，溫度低，燃油霧化效果較差，采用氣道噴射工作模式，使燃油在歧管內(nèi)蒸發(fā)霧化后與空氣充分混合進入缸內(nèi)燃燒，改善燃燒性能，使得降低排放、效率更高;當發(fā)動機冷起動或中低速大負荷時，使用缸內(nèi)多次噴射方式來工作，實現(xiàn)均質(zhì)稀燃，改善油耗和排放;在中高負荷，缸內(nèi)氣體流動加強，切換為缸內(nèi)單次噴射，精確控制燃油，燃油霧化更加精致，提高發(fā)動機經(jīng)濟性，同時，可以有效降低缸內(nèi)溫度，提高充氣效率，從而提高汽油機的動力性，且同時降低爆震趨勢。若兩種噴油系統(tǒng)的一種出現(xiàn)故障，則另一種系統(tǒng)將會執(zhí)行應(yīng)急運行功能，保證車輛仍能正常行駛。

3 先進換氣技術(shù)

換氣系統(tǒng)將合適質(zhì)量、溫度、成分和運動狀態(tài)的充量提供給發(fā)動機，換氣系統(tǒng)的性能相當大程度決定了發(fā)動機的性能[5]。為了適應(yīng)車用發(fā)動機的不同工況，各種先進換氣技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，包含可變進氣歧管、可變氣門正時、可變氣門升程、廢氣再循環(huán)、停缸技術(shù)等。

3.1 可變進氣歧管

為了提高充氣效率，在汽油機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)更有效地利用進氣慣性效應(yīng)，達到改善發(fā)動機經(jīng)濟性及動力性的目的。在汽油機上應(yīng)用較多的有可變進氣管長度、可變進氣容積腔和可變進氣道等[5]。

3.2 可變氣門正時

目前，可變氣門正時技術(shù)已在發(fā)動機上得到廣泛應(yīng)用，分為進氣VVT、排氣VVT、進排氣同時調(diào)節(jié)VVT和進排氣獨立調(diào)節(jié)VVT[5]，在不同發(fā)動機上可變氣門正時的應(yīng)用，能在不同轉(zhuǎn)速下優(yōu)化缸內(nèi)氣流，特別可在部分負荷下改善發(fā)動機燃油效率和性能。

3.3 可變氣門升程

可變氣門升程技術(shù)可通過調(diào)整凸輪升程高低來調(diào)整氣門開度，以適應(yīng)發(fā)動機高、低轉(zhuǎn)速和負荷下不同的工況要求，低轉(zhuǎn)速和小負荷下升程低，以優(yōu)化油耗和輸出充沛轉(zhuǎn)矩;在高轉(zhuǎn)速和高負荷下使用高升程凸輪驅(qū)動氣門，以提供燃燒室最佳的進氣流量和進氣流速，實現(xiàn)更加強勁的動力輸出。且連續(xù)可變氣門升程可在各個工況下實現(xiàn)無節(jié)氣門負荷控制，降低泵氣損失，減小油耗[5]。目前，在豐田、本田、寶馬、奔馳和奧迪等車系上，該技術(shù)都在不同程度上使用。

3.4 廢氣再循環(huán)

汽油機在部分負荷時，存在進氣節(jié)流，產(chǎn)生較大的泵氣損失，影響發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，采用廢氣再循環(huán)，可以有效改善進氣門后的真空度，減小泵氣損失，從而提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性;缸內(nèi)混合氣經(jīng)廢氣稀釋，減慢燃燒速度，使得缸內(nèi)燃燒溫度降低，抑制了NOx排放的生成。在暖機過程、怠速、低負荷和全負荷時，為保證汽油機正常著火和輸出足夠動力，一般不進行廢氣再循環(huán)[6]。

3.5 停缸技術(shù)

汽車發(fā)動機在部分負荷時，當系統(tǒng)檢測到輸出動力有冗余時，ECU會自動判斷關(guān)閉部分氣缸的進、排氣門和噴油，以降低油耗和排放。當發(fā)動機處于大負荷等任何需要大功率輸出的工況，汽車發(fā)動機全部氣缸又會都投入工作，保證強勁的動力輸出。

4 先進熱管理技術(shù)

各汽車廠商針對日益嚴格的排放法規(guī)和消費者的需求，應(yīng)用不同發(fā)動機先進技術(shù)，其中，也包含先進熱管理技術(shù)，其包括分流冷卻控制、集成式排氣歧管、進氣歧管集成水冷式中冷器等。

4.1 分流冷卻控制

分流冷卻控制，即通過兩個節(jié)溫器分別控制缸蓋、缸體冷卻液流向，通過控制發(fā)動機不同區(qū)域水溫，使發(fā)動機各部件工作在最佳溫度，降低相應(yīng)摩擦副運動阻力，滿足低油耗的要求[7]。目前，分流冷卻已成為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)開發(fā)的主流技術(shù)。

4.2 集成式排氣歧管

集成式排氣歧管使得發(fā)動機結(jié)構(gòu)緊湊，使廢氣進入增壓器的距離縮短，增壓器響應(yīng)更靈敏，降低渦輪增壓發(fā)動機遲滯效應(yīng);冷啟動階段，集成式排氣歧管結(jié)構(gòu)可以很好地利用排氣熱量對冷卻液進行快速加熱，加速冷卻液達到工作溫度，減少暖機時間，降低該過程油耗和排放;在發(fā)動機熱態(tài)運轉(zhuǎn)時，缸蓋內(nèi)部冷卻液可以快速降低排氣歧管內(nèi)氣體溫度，有利于提高進氣密度，增加進氣量，尤其在高溫高負荷工況下，集成式排氣歧管結(jié)構(gòu)可以利用冷卻液降低排溫，將其很好地控制在零部件所承受的臨界溫度以下，減小增壓器熱負荷，防止燃燒混合氣加濃策略過早，獲得強勁動力的同時也改善油耗。

雖然，集成排氣歧管對缸蓋鑄造提出了更高的工藝要求，但是，基于以上眾多優(yōu)點，集成式排氣歧管技術(shù)已在發(fā)動機上得到大量應(yīng)用。

4.3 進氣歧管集成水冷式中冷器

進氣歧管集成水冷式中冷器結(jié)構(gòu)緊湊，大幅度縮短了進氣管路，減小空間占用和管內(nèi)壓損;更短的管路意味著空氣能更快地到達中冷器，同時水冷的冷卻效果也明顯優(yōu)于風冷式中冷。進氣歧管集成水冷式中冷器能更好地滿足了小排量增壓發(fā)動機結(jié)構(gòu)緊湊的需要，又具備更精準的控溫能力，因而具備明顯的優(yōu)勢[8]。

5 其他先進技術(shù)

為了滿足節(jié)能、環(huán)保等的總體需求，汽油機廣泛應(yīng)用大量的先進技術(shù)，除以上提到的先進燃燒技術(shù)、先進電控技術(shù)、先進換氣技術(shù)、先進熱管理技術(shù)，還包含高滾流比氣道、可變截面增壓、能量回收、怠速啟停、全鋁缸體、變排量機油泵、電子節(jié)溫器等先進技術(shù)，使發(fā)動機向著低功耗、低排放、輕量化、小型化方向發(fā)展，另外，還有受廣大廠商青睞的混合動力技術(shù)等。

6 結(jié)語

面對國六排放法規(guī)從測試循環(huán)到污染物排放限值全面加嚴、國家四階段油耗加嚴和雙積分政策的挑戰(zhàn)[9]，汽車行業(yè)對發(fā)動機先進技術(shù)進行研究應(yīng)用顯得尤其重要。本文簡要分析了影響發(fā)動機能耗和排放的部分先進技術(shù)，包含燃燒技術(shù)、電控技術(shù)、換氣技術(shù)和先進熱管理技術(shù)等，為開發(fā)工程師提供參考。不同先進技術(shù)之間可能存在關(guān)聯(lián)或制約的關(guān)系，可根據(jù)所研發(fā)機型需求采用最優(yōu)配置。

參考文獻

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