李韶華 1 王偉達(dá)

（1.石家莊鐵道大學(xué)交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050043）

（2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）（3.北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心，重慶 401122）

為了進(jìn)一步提升車輛的動(dòng)力性、穩(wěn)定性、平順性和安全性，車輛動(dòng)力學(xué)與控制已經(jīng)成為了近年來相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn).作為動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)科下的一個(gè)分支，車輛動(dòng)力學(xué)與控制方向主要研究車輛在縱-橫-垂三方向上的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及其控制優(yōu)化問題.?？攒囕v動(dòng)力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)以及當(dāng)前研究中的關(guān)鍵問題作為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)控制，橫向穩(wěn)定性控制以及懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制三個(gè)方面的研究成果.這些研究成果一定程度上展示了目前車輛動(dòng)力學(xué)與控制領(lǐng)域所關(guān)注的問題及其解決方案，希望可以為該領(lǐng)域的其他研究者們提供一些借鑒.

車輛是一類典型的多系統(tǒng)耦合復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其在縱、橫、垂向上表現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)特征，因此不同方向上的研究對(duì)象和控制目標(biāo)各不相同.車輛動(dòng)力學(xué)與控制以整車及各子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為基礎(chǔ)，通過采用合適的控制算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)車速、橫擺角速度、輪胎滑移率、車身側(cè)傾角及加速度等參數(shù)的控制，是車輛獲得良好的動(dòng)力性、穩(wěn)定性、平順性以及安全性的關(guān)鍵.近些年來，隨著微電子技術(shù)、傳感技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)車輛高效、節(jié)能和智能等方面的要求日益提升，車輛行業(yè)迎來了電動(dòng)化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化的技術(shù)變革，也為車輛動(dòng)力學(xué)與控制研究帶來了新的挑戰(zhàn)［1］.在縱向動(dòng)力學(xué)與控制方面，隨著電驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展和電子制動(dòng)控制系統(tǒng)（EBS）等智能化系統(tǒng)的加入，車輛縱向動(dòng)力學(xué)與控制研究面臨新的挑戰(zhàn)，例如：電機(jī)（尤其是輪轂電機(jī)）帶來的多動(dòng)力源協(xié)同控制問題，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）對(duì)于車輛自適應(yīng)巡航功能（ACC）和緊急避障功能的應(yīng)用要求等.在車輛橫向動(dòng)力學(xué)方面，隨著線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）和分布式驅(qū)動(dòng)方案在車輛上的應(yīng)用，更多的車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以得到有效控制，車輛橫向穩(wěn)定性控制，尤其是在惡劣路面和極限附著狀態(tài)下的穩(wěn)定性控制，逐漸成為研究的重點(diǎn).而在垂向動(dòng)力學(xué)方面，當(dāng)前的研究者在分析車輛垂向響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，一方面通過優(yōu)化懸架設(shè)計(jì)參數(shù)改善平順性，另一方面通過對(duì)半/主動(dòng)懸架系統(tǒng)施加實(shí)時(shí)控制以實(shí)現(xiàn)車輛平順性的提升.除了縱-橫-垂三向相關(guān)執(zhí)行系統(tǒng)的控制問題，車身姿態(tài)與自身關(guān)鍵參數(shù)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)估計(jì)也是該領(lǐng)域當(dāng)前關(guān)注的關(guān)鍵問題，其估計(jì)效果與系統(tǒng)控制精度緊密相關(guān)［1-4］.在研究上述問題的過程中，國(guó)內(nèi)的眾多學(xué)者開展了大量的工作并取得了豐碩的科研成果［5-9］.

本次車輛動(dòng)力學(xué)與控制?？舱骷撐?2篇，縱向動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)系統(tǒng)控制方向5篇，橫向動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的穩(wěn)定性控制方向4篇，垂向動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制方向3篇.

1 車輛驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)系統(tǒng)控制

車輛在道路上正常行駛的過程中，主要通過車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛縱向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制［10］.針對(duì)AMT在換擋過程中存在的明顯沖擊和動(dòng)力中斷問題，燕山大學(xué)祁炳楠等對(duì)換擋過程的降扭和扭矩恢復(fù)兩個(gè)階段的動(dòng)力學(xué)機(jī)理和控制方法進(jìn)行了研究，從而提出了基于二階系統(tǒng)特性的扭矩控制方法.除了良好的動(dòng)力性，與行駛安全性相關(guān)的縱向控制技術(shù)研究日益受到重視［11，12］.針對(duì)車輛行駛碰到突發(fā)情況時(shí)的整車避撞控制問題，重慶大學(xué)的何柳青等設(shè)計(jì)了一種提高安全距離精度的時(shí)距模型，并提出了模糊控制與PID控制相結(jié)合的分層控制器來模擬整車的緊急避撞控制.南京航空航天大學(xué)的李宇柔等對(duì)重型車輛制動(dòng)過程中線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究，利用試驗(yàn)臺(tái)架在緩慢制動(dòng)和反復(fù)緊急制動(dòng)等典型工況下進(jìn)行了模型驗(yàn)證，保證了所提出模型的準(zhǔn)確性.由于分布式多軸車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)存在遲滯效應(yīng)，北京科技大學(xué)的申焱華等建立了分布式多軸車整車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并制定了基于規(guī)則的串聯(lián)式復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略，以實(shí)現(xiàn)充分利用地面條件及制動(dòng)能量回收最大化的效果.通過狀態(tài)估計(jì)方法獲取所需的精確狀態(tài)參數(shù)和道路信息，已經(jīng)成為車輛縱向動(dòng)力學(xué)研究的重點(diǎn)方向［13，14］.南京航空航天大學(xué)的張華達(dá)等提出了一種汽車質(zhì)量與道路坡道的串行估計(jì)算法，根據(jù)汽車質(zhì)量與道路坡度變化的快慢進(jìn)行分層串行估計(jì)，所提出的算法提升了計(jì)算效率，具有較高的精度與實(shí)時(shí)性.

2 車輛橫向穩(wěn)定性控制

車輛橫向穩(wěn)定性控制主要體現(xiàn)在車輛轉(zhuǎn)向過程中，其功能包括兩部分：首先是保證車輛在正常工況下能夠輔助駕駛員實(shí)現(xiàn)操縱意圖，其次在極限工況下能夠輔助駕駛員完成緊急操縱并防止車輛失穩(wěn)［15-17］.為了提高不同工況下整車行駛的穩(wěn)定性，重慶大學(xué)的聶小博等提出了基于模糊PID算法的車身穩(wěn)定性控制策略，以車輛質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度等多種動(dòng)力學(xué)參數(shù)作為評(píng)價(jià)量，有效提高了車輛在雙移線、正弦和角階躍工況下整車行駛穩(wěn)定性和乘員駕乘舒適性.在不同的路面附著條件下，車輛的主要穩(wěn)定性評(píng)價(jià)參數(shù)并不相同，使用單一的控制參數(shù)往往無法同時(shí)在不同附著路面獲得良好的控制效果.針對(duì)這一問題，北京理工大學(xué)的王偉達(dá)等提出了基于滑模變結(jié)構(gòu)控制理論和直接橫擺力矩控制的雙層控制器，并通過仿真驗(yàn)證了所提出的基于質(zhì)心側(cè)偏角和基于橫擺角速度滑模變結(jié)構(gòu)控制策略在高附著和低附著路面下的控制效果.為了獲得更好的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能，山東交通學(xué)院的李愛娟等研究開發(fā)了適用于智能客車轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的控制器，通過臺(tái)架試驗(yàn)和EHPS系統(tǒng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自主研制的EHPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了助力動(dòng)態(tài)變化，可以滿足客車轉(zhuǎn)向需求.為了檢測(cè)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)缺陷，山東交通學(xué)院的黃欣等提出了一種基于洛倫茲力的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)缺陷檢測(cè)方法，通過采集洛倫茲力激發(fā)的超聲信號(hào)進(jìn)行重建圖像，以檢測(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)缺陷分布.結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向節(jié)中的電流密度分布、洛倫茲力分布和洛倫茲力散度分布均能體現(xiàn)電導(dǎo)率分布，進(jìn)而有效檢測(cè)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)缺陷.

3 車輛懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制

為了改善車輛的平順性，減少路面不平度對(duì)乘員和貨物的影響，需要對(duì)車輛懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制.傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)只能被動(dòng)響應(yīng)外部激勵(lì)，自身結(jié)構(gòu)參數(shù)無法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，研究主要聚焦于通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)來改善懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng).而隨著主動(dòng)懸架技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者將控制技術(shù)引入車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，以求進(jìn)一步提升車輛平順性［18］.在常規(guī)乘用車輛的懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，但一些特種車輛由于受到其獨(dú)有的車輛結(jié)構(gòu)、行動(dòng)方式和工作環(huán)境影響，呈現(xiàn)出獨(dú)特的垂向動(dòng)力學(xué)特性.因此，石家莊鐵道大學(xué)的劉歡等分析了剛?cè)狁詈咸胤N車輛通過凸臺(tái)障礙路面時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性，并以車輛質(zhì)心垂向加速度為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)懸架進(jìn)行優(yōu)化.優(yōu)化后整車和炮管的垂向加速度都明顯降低，車輛平順性得到有效改善.在懸架控制策略的制定過程中需要重構(gòu)真實(shí)精確的路面不平度，才能獲得更好的控制響應(yīng)，石家莊鐵道大學(xué)的路永婕等建立了輪胎與路面的三維動(dòng)態(tài)接觸關(guān)系，通過仿真驗(yàn)證了提出的模糊PID控制方法在兩種接觸條件下均優(yōu)于被動(dòng)懸架和天棚阻尼控制，有效改善了半主動(dòng)懸架性能.輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛簧下質(zhì)量增加使得車輛垂向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)發(fā)生變化，這對(duì)主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制提出了新的要求.上海大學(xué)張?jiān)频葹榱诉M(jìn)一步優(yōu)化主動(dòng)懸架系統(tǒng)性能，設(shè)計(jì)了基于電磁作動(dòng)器的主動(dòng)懸架滑?？刂葡到y(tǒng)，同時(shí)采用趨近律方法降低了滑?？刂茙淼亩墩裼绊?仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的主動(dòng)懸架滑?？刂葡到y(tǒng)能夠減少車身所受影響，明顯提高車輛的駕乘舒適性和平順性.

總之，專刊的研究成果涉及了車輛動(dòng)力學(xué)與控制方向的多類問題，包括車輛傳動(dòng)系統(tǒng)換擋控制、制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制、車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與橫向穩(wěn)定性控制、車輛懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制、車輛參數(shù)估計(jì)等.這些研究成果都在相關(guān)理論方法的完善與實(shí)際問題的解決中起到了良好的作用.受篇幅所限，本?？珍浀恼撐倪€不夠全面，只能選取各個(gè)研究方向上具有代表性的問題進(jìn)行展示.其他重要方向，如智能駕駛中的動(dòng)力學(xué)控制問題、車輛主動(dòng)容錯(cuò)控制問題、基于狀態(tài)估計(jì)的自適應(yīng)控制問題等研究有待進(jìn)一步完善.