（车辆工程专业论文）基于adams和matlab的汽车esp系统的联合仿真.pdf

s i m u l a t i o no fv e h i c l ee l e c t r o n i c s t a b i l i t yp r o g r a m b a s e do na d a m sa n dm 棚a b ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：q i uj i a nh u a s u p e r v i s o r ：p r o f c h e nd i n g y u e c h a n g a l lu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 ：伽乏彳毕钿产 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：可知 导师签名 阳踊臼钼 年 年 一 w 哆砂蓼 摘要 e s p 即电子稳定系统是一种汽车新型主动安全系统。该系统是德国b o s c h 公司和 梅塞德斯奔驰( m e r c e d e s b e n z ) 公司联合开发的汽车底盘电子控制系统，是防抱死制 动系统a b s 、驱动防滑控制系统a s r 、电子制动力分配系统e b d 、牵引力控制系统t c s 和主动车身横摆控制系统a y c ( a c t i v ey a wc o n t r 0 1 ) 等基本功能的组合。汽车在高速或低 附着系数路面上转向行驶时，由于容易受到转向或外界干扰的影响，侧向附着力容易达 到附着极限，使汽车丧失动力学稳定性，从而导致了交通事故发生的可能性。e s 蝴 车电子稳定系统主要在此极限工况下工作，通过对车轮主动实施制动，来改善汽车的操 纵稳定性，从而保证了汽车行驶的稳定性和安全性。 本文首先采用a d a m s c a r 建立了汽车整车模型，并对模型进行了仿真分析与验证， 为汽车电子稳定系统( e s p ) 的研究提供正确的汽车模型；应用m a t l a b s i m u l i n k 建立 汽车二自由度模型，得到反映不同车速和转角下汽车理想横摆角速度和质心侧偏角；针 对汽车行驶稳定性控制系统的非线性变化特点选择了鲁棒性强的模糊控制方法和p i d 控制方法对其进行研究。以横摆角速度和质心侧偏角的误差及误差变化率为输入，把汽 车从不稳定的状态恢复到稳定状态所需要的制动器力矩作为输出，建立了模糊控制器和 p i d 控制器，将控制器和汽车模型在m a t l a b s i m u l i n k 平台上联合起来，对汽车进行转 向盘阶跃虚拟试验、单移线和蛇形穿越虚拟道路试验。仿真实验结果表明，有e s p 系统 的汽车其路径保持能力较好，其横摆角速度和质心侧偏角都能得到很好的控制，e s p 系 统改善了汽车操纵稳定性和行驶稳定性，提高了汽车主动安全性。 关键词：e s p ，a d a m s c a r ，横摆角速度，质心侧偏角，模糊控制，联合仿真 a b s t r a c t e s p - - t h ev e h i c l ee l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a mi san e wt y p eo fv e h i c l ea c t i v es a f e t y s y s t e m t h e e l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m i s j o i n t l yd e v e l o p e db y b o s c ha n d m e r c e d e s b e n z w h i l ec a r sa r ed r i v e nd u r i n gt u r n i n go nt h er o a dw i t hl o wa d h e s i o n c o e f f i c i e n to ri nh i 曲s p e e d ，t h el a t e r a lf o r c eo ft h et y r eu s u a l l ya t t a i n e dt ot h ep h y s i c a ll i m i t a n dt h ev e h i c l ed y n a m i e ss t a b i l i t yw i l lb el o s tb e c a u s eo ft h ee x o t e r i ed i s t u r b a n c eo r c o r n e r i n g ，s ot h et r a f f i ca c c i d e n t sf r e q u e n t l yh a p p e n e s p - - t h ev e h i c l ee l e c t r o n i cs t a b i l i t y p r o g r a mi sm a i n l yw o r k i n go nt h es i t u a t i o n , i tr e g u l a t e st h ee n g i n et o r q u ea n dt h ew h e e lb r a k e p r e s s u r e su s i n gt r a c t i o nc o n t r o lc o m p o n n e n t st om i n i m i z et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea c t u a l a n dt h ed e s i r e dm o t i o n s ot h ec a l c a l lb ec o n t r o l l e db yt h ed r i v e ra tt h ee m e r g e n c ys i t u a t i o n t ok e e pt h ec a rr u n n i n go ns a f e t y f i r s t , i nt h i st h e s i s ，t h es o f ta d a m s c a ri sa p p l i e dt oc r e a tt h em o d e lo fw h o l ev e h i c l e ， w h i c hi sv e r i f i e da n ds i m u l a t e dt op r o v i d eac o r r e c tv e h i c l em o d e lf o rt h es t u d yo fe s p , t h e m a t l a b s i m u l i n ki s a p p l i e dt oc r e a t ef r e e d o m si d e a lv e h i c l em o d e lw h i c hi su s e dt o c o m p u t et h ey a wr a t ea n dt h ev e h i c l es l i pa n g l ei nd i f f e r e n ts t e e r i n ga n g l e sa n dv e h i c l e v e l o c i t i e s b a s e do nt h ec o n t r i b u t i o no ft h es i n g l ew h e e lb r a k i n gt oy a wm o m e n tw h i c hi s c o n d i t i o n a lv a l u eo ff u z z yc o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e r , a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo ft h e e s et h ec o n t r o ls t r a t e g i e sb yu s i n gs i n g l ew h e e lb r a k i n gc a l li m p r o v ev e h i c l ed y n a m i c s s t a b i l i t ya r eb r o u g h tf o r w a r d t h e nd u et on o n l i n e a ra n dt i m e v a r y i n gp r o p e r t yo ft h ee s p s y s t e m ，t h ef u z z yc o n t r o l l e ra n dt h ev e h i c l e 蜥mr o b u s t n e s si ss e l e c t e d t h ei n p u to f c o n t r o l l e r i sd i f f e r e n c ea n dc h a n g i n gr a t eo fd i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea c t u a ly a wa n dt h ei d e a ly a w , b e t w e e nt h ea c t u a ls l i pa n g l ea n dt h ei d e a ls l i pa n g l e t h eo u t p u ti st h ey a wm o m e n tt h a t p l a y ss t a b i l i t yr e s t o r a t i o nr o l e b a s e do nm a t l a b s i m u l i n kp l a t f o r m ，t h em e c h a n i c a lm o d e l a n dc o n t r o l l e ra r ec o m b i n e dt oc o m p u t eo p e r a t i n gm o d e lo ft h es t e pa n g l e ，as i n g l el a n e da n d f i s hh o o k t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e 、析t l le s pi sb e t t e rt h a nw i t h o u te s p , t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h et r a c t i n gp e r f o r m a n c eb e c o m e sb e r e r t h e _ y a wr a t ea n d t h ev e h i c l es l i pa n g l ei sa l lc o n t r o l l e db e t t e r g e n e r a l l ys p e a k i n g ，e s pc o u l di m p r o v et h e h a n d l i n gs t a b i l i t y ，t h ed r i v i n gs t a b i l i t ya n dt h ea c t i v es a f e t y k e yw o r d s ：e s p , a d a m s c a r , y a wr a t e ，s i d es l i pa n g l e ，f u z z yc o n t r o l , j o i n ts i m u l a t i o n i i 目录 第一章绪论1 1 1 研究e s p 系统的背景及意义l 1 1 1 各主动安全系统介绍1 1 1 2e s p 系统与a b s 和a s r 系统比较2 1 2 e s p 系统国内外研究现状3 1 3e s p 系统关键技术4 1 4 本文主要研究工作5 1 5 本章小结6 第二章e s p 系统的基本理论7 2 1 e s p 的结构组成及工作过程7 2 1 1e s p 系统结构组成7 2 1 2e s p 系统工作过程8 2 2e s p 系统的作用与特点8 2 3e s p 系统的控制策略分析1 0 2 4 本章小结1 1 第三章相关软件介绍及a d a m s c a r 整车模型建立1 2 3 1 a d a m s c a r 概述。1 3 3 2a d a m s c o n t r o l s 简介1 3 3 3m a t l 心s i m u l i n k 介绍+ 1 4 3 4 利用两个软件实现控制联合仿真15 3 5 在a d a m s c a r 中建立整车模型1 5 3 6 汽车参考模型2 3 3 7 联合仿真输入、输出变量的选取。：2 4 3 8 本章小结2 5 第四章e s p 系统控制策略研究2 6 4 1 汽车e s p 控制系统的分析2 6 4 2 模糊控制2 8 4 2 1 模糊控制概述2 8 4 。2 2 模糊控制的基本原理2 9 u i 4 2 3 模糊控制规则3 0 4 2 4 模糊控制器结构3 1 4 2 5 模糊控制器设计3 2 4 3 p i d 控锘0 3 5 4 3 1p i d 控制概述3 5 4 3 2p i d 控制器的设计3 5 4 3 3p i d 参数的整定3 6 4 4 本章小结3 7 第五章a d a m s 和m a t l a b 联合仿真3 8 5 1 联合仿真概述3 8 5 2 导入a d a m s 子系统模型3 8 5 3 基于模糊控制及p i d 的e s p 仿真模块的建立、仿真分析4 0 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 研究e s p 系统的背景及意义 近年来随着汽车工业的快速发展，汽车生产量和社会保有量大幅度的增加，交通事 故也逐年上升，已经成为社会不可忽视的问题。据汽车安全协会报告，由于侧面碰撞碰 撞导致死亡事故的大约有6 0 ，由于超速，操作失误导致死亡的事故大约3 0 - - - 4 0 ， 这已经严重影响了人们的生活。因此，研究汽车行驶安全显得尤为重要，目前在汽车工 程领域及相关领域，从主动安全方面考虑，怎样最大限度地减少交通事故是需要解决的 重要科技难题。下面就目前在汽车上主要采用的几种主动安全系统做一下详细地介绍。 1 1 1 各主动安全系统介绍 随着计算机技术、电子技术、通讯技术及现代智能控制技术的迅速发展，汽车电子 控制技术也随之不断完善，使得汽车平顺性和操纵稳定性不断提高。其中操纵稳定性是 影响汽车高速安全行驶的一个主要性能。因此，对汽车操纵稳定性的研究一直是汽车主 动安全领域研究的核心内容。目前在改善汽车操纵稳定性方面，汽车上安装的主动安全 系统有：驱动防滑系统( a s r ) 、自动防抱死系统( a b s ) 和汽车电子稳定系统e l e c t r o n i c s t a b i l i t yp r o g r a m ( e s p ) 等【1 1 ，e s p 系统也有人称汽车动力学稳定性控制系统( v d c ) 。其 中e s p 系统是九十年代中期开始出现的，是继a b s 系统和a s r 系统之后，在汽车主动 安全领域的又一重大飞跃。 驱动防滑系统( a s r ) ：德国b o s c h 公司于二十世纪八十年代开始向市场投放驱动 防滑( a s r ) 产品，a s r 系统根据车况变化控制发动机的输出扭矩和差速器的锁紧系数， 来调节作用于驱动轮的驱动力矩；同时控制制动器制动力，调节作用于四个车轮的制动 力矩，实现对驱动车轮牵引力的控制，将驱动车轮的滑移率控制在合适的范围内，防止 驱动车轮发生驱动打滑，从而保证汽车平稳的起动。 自动防抱死系统( a b s ) ：德国b o s c h 公司于上世纪七十年代开始向市场提供了 a b s 产品，a b s 系统在制动过程中起作用，控制车轮滑移率保持在合适的范围内，防 止车轮抱死。在高速紧急制动时，汽车时常出现制动跑偏、侧滑，前轮失去转向操纵能 力，使汽车的操纵稳定性变得极其恶劣，失去车身稳定性，从而引发严重的交通事故。 导致汽车丧失操纵稳定的主要原因是制动时车轮抱死，车轮出现纯滑动，地面附着力迅 速变小。而a b s 系统的作用是通过对制动器制动力的控制，有效地防止车轮抱死，使 车轮始终处于边滑边滚的状态，充分利用地面附着力，保证了汽车具有良好的操纵稳定 第一章绪论 性。a b s 系统缩短了制动距离，有效减小了交通事故，提高汽车安全性。 于1 9 9 5 年德国b o s c h 公司研制的汽车电子稳定系统( e s p ) ，是一种新型主动安全 系统。e s p 系统在极短的时间内，能够识别并判断出汽车各种不稳定的行驶状态，并 可以有效控制汽车行驶，提高汽车操纵稳定性。比如由于外界的干扰，汽车可能出现侧 滑、甩尾等不稳定行驶状态，使汽车偏离预定行驶轨迹，甚至出现翻转的危险，通过 e s p 系统智能化的控制，有效去除了汽车行驶过程中各种不稳定因素，保证汽车在理想 的轨迹上行驶，确保了汽车行驶安全。据德国国家交通安全管理局公布的一项报告称， e s p 系统可以大大提高汽车行驶安全，在装配e s p 系统的汽车中，客车和轿车致命碰撞 事故减少约3 0 ，越野车交通事故率下降更快，致命碰撞事故减少了高达6 3 【3 1 。 1 1 2e s p 系统与a b s 和a s r 系统比较【5 】 a s r 系统、a b s 系统以及e s p 系统都是在汽车发生事故之前起到安全防御作用， 所以都属于汽车主动安全系统，其中e s p 系统是主动安全装置的最高级形式。 目前汽车上应用的e s p 系统实现途径主要有以下两种： ( 1 ) 第一种途径是e s p 系统将a s r 系统、a b s 系统等作为其子系统，实现e s p 系统的功能。 ( 2 ) 第二种途径是将e s p 系统与四轮驱动控制、悬架控制结合，形成集成控制模 块，实现e s p 系统的功能。 就目前汽车装配的e s p 系统来看，大多数是在a s r 系统和a b s 系统的基础上进行 汽车e s p 系统开发的。它们相互之间既有区别又有联系，从以下几个方面进行比较： ( 1 ) 控制时刻不同：a s r 系统在汽车起步或左右车轮驱动力不相等的时候起作用； a b s 系统在汽车产生制动时工作；e s p 系统在汽车任何行驶工况下任意时刻都起作用。 ( 2 ) 控制对象不同：a s r 系统和a b s 系统以汽车的四个车轮为控制对象，使车 轮的滑移率在合理的范围之内变化。而e s p 系统则是以整车的行驶状态为控制对象，既 能保证汽车的横向操纵稳定性，又能保证汽车的纵向操纵稳定性。 ( 3 ) 能动性不同：a s r 系统和a b s 系统被动作出反应，而e s p 系统能够主动探 测和分析车况来纠正驾驶员的错误信息，使交通事故防患于未然。 ( 4 ) 控制方式不同：a s r 系统控制的是发动机的输出扭矩和制动器制动力；a b s 系统控制的是四个车轮制动力；汽车e s p 系统控制转向盘转角、制动器制动力和发动机 输出扭矩等。 2 长安大学硕士学位论文 此外，e s p 系统还有很多其它的优点，除具有a s r 系统和a b s 系统的优点之外， 同时由于采用了智能控制系统，还具有了自动控制效果，控制的对象是制动器制动力、 发动机输出扭矩。e s p 系统能主动分析、判断汽车各种运行状况，同时纠正驾驶错误信 息，并能够在汽车不稳定运行的情况下辅助驾驶员控制汽车，尤其是在高速行驶时，对 汽车横向稳定性控制有很好的控制效果。所以对汽车的行驶安全性来说，e s p 系统能最 大程度地保证汽车行驶安全，因此，e s p 系统被誉为当前汽车最高级形式的主动安全装 置。 1 2e s p 系统国内外研究现状 国外现状：e s p 系统结合a b s 系统和a s r 系统，在其基础上发展起来的一种新型 主动安全装置。最初的控制方法是在a b s 系统和a s r 系统的基础上对控制算法进行改 进，在一定程度上提高了汽车的行驶稳定性，这只是汽车e s p 系统的雏形，还不能真正 称之为是汽车e s p 系统，在上世纪九十年代初，人们对车辆稳定性理论进行分析，提出 了一些对汽车横摆操纵稳定性直接进行控制的理论( 如d y c ：d i r e c ty a wc o n t r 0 1 ) ，其 原理是通过获取转向盘转角的信息分析、判断驾驶员的转向意图，并通过调节制动器制 动力和发动机驱动力分配在四个车轮上的大小，对汽车横摆运动进行控制，从而提高了 汽车的操纵稳定性，标志着汽车e s p 系统的真正出现。 最初由于技术水平不高，传感器制造成本昂贵，早期的e s p 控制系统采用的传感器 数量较少，获取的信号也不准确，横摆角速度的数值并不是直接测得的，而是由内外两 侧轮速差间接获取，因此在一些特殊的道路条件下，不能很好的保证汽车行驶稳定性， 达不到理想的控制效果。之后，b o s c h 、b m w 等各公司相继推出了新一代的汽车稳定 性控制系统，技术先进，获取的信号全面，使用的横摆加速度传感器和侧向加速度传感 器成本低、工作可靠，装配率逐年增加，形成了汽车电子稳定性控制的基本形式，同时 汽车行驶稳定性的控制算法也开始大量出现。其中最为典型的控制算法是b o s c h 的 v d c ( v e h i c l ed y n a m i cc o n t r 0 1 ) 控制算法，将采集的汽车实际横摆角速度信号与理想状 态的横摆角速度差值作为输入控制量，然后调整各个制动器的制动力分配以及调节发动 机驱动力，从而实现汽车横摆稳定性的控制，改善汽车的行驶稳定性。在汽车稳定控制 系统中，部分参数是由传感器直接获得的，也有一部分是通过间接计算得到。其中一些 比较重要的参数根本无法测得，考虑怎样由已知参数来推测位置参数，怎么设计一种传 感器来测量目前无法直接获得的参数的技术难题，已经成为近年来的汽车稳定性研究热 点问题。近年来出现些状态参数估算方法，在很大程度上改善了控制系统工作可靠性。 3 第一章绪论 国内外众多学者将现代智能控制理论和自动控制理论运用到汽车稳定性的控制上， 取得了良好的控制效果。随着汽车稳定性控制的发展，集成控制开始成为e s p 系统的主 要研究方向。e s p 系统对制动系统、传动系统、悬架系统和转向系统进行协调控制，集 成控制系统可以共用一些传感器，减少了汽车成本，同时可以协调各个子系统之间的矛 盾，提高汽车的行驶稳定性。 目前，由于各国的汽车工业发展技术水平不同，汽车e s p 系统的装配率也不同，根 据b o s c h 公司的一项统计，在2 0 0 5 2 0 0 7 年，各个国家新车e s p 装配率【5 】如图1 1 所 示。 国内现状：目前汽车e s p 系统的在新车中装配率相对还比较低，约为3 。由于成 本昂贵、技术不成熟的原因，以往汽车e s p 系统只有在中高档轿车上才作为标准配置， 如一汽大众速腾、东风雪铁龙凯旋、上海通用君越等1 3 。随着技术的成熟、成本的降低， e s p 系统的装配率继续增多，但是，由于国内技术水平有限，关键技术还主要掌握在外 国企业手中，国内企业几乎无法涉足，所以对e s p 系统的研究还处于一个起步阶段【4 】【6 】。 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 o 匣e 12 同0 0 5 1 1 1 2 0 0 6i li l 口2 0 0 7l i 一 图1 12 0 l 5 2 1 1 0 7 各国家新车e s p 装配率 1 3e s p 系统关键技术 目前，对e s p 系统的开发主要面临以下几方面关键技术【7 l ： ( 1 ) 传感器技术的改进 在e s p 系统中使用的传感器很多，主要有：纵向加速度传感器、横摆角速度传感器、 横向加速度传感器、轮速传感器、转向盘转角传感器等，都是e s p 系统的中重要零部件。 目前传感器技术改进的主要目标是提高工作可靠性，降低生产成本。 ( 2 ) 液压制动系统的优化设计 汽车是个紧凑的结构体，预留空间非常有限，所以需要采用一些体积小、质量轻及 4 长安大学硕士学位论文 成本低液压系统。因此需要对汽车的液压制动系统进行优化设计，从而满足汽车的需要。 ( 3 ) e s p 系统控制策略的优化 由于e s p 系统的e c u 工作时，需要获取大量的状态变量，所以计算处理起来的工 作量大，要求e c u 处理能力和程序容量能力要比其他系统大数倍，一般的单c p u 结构 难以满足复杂运算要求，常采用多c p u 结构。e c u 计算软件程序是e s p 系统的核心， 有些控制理论由于鲁棒性较差很难满足e s p 系统要求，因此需要采用一些鲁棒性好的非 线性控制算法来满足复杂e s p 控制系统的要求【1 2 1 。 ( 4 ) 采用c a n 总线完善控制功能 采用c a n 总线将e s p 系统的电子控制单元e c u 与发动机e c u 、传动系的e c u 连 接起来，从而使e s p 系统控制功能更好地发挥出来。例如e s p 系统获取自动变速器传 动比、液力变矩器变矩比和档位等信息，对驱动轮的驱动力进行估算，当e s p 系统识别 出汽车在低附着系数路面行驶时，它会阻止驾驶员挂入低档。若汽车在低附着系数路面 上起步时，e s p 系统会告知驾驶员应先挂入2 档，这将会显著改善大功率轿车的起步舒 适性【1 2 1 。 1 4 本文主要研究工作 目前，汽车e s p 系统是汽车主动安全领域研究的重点、热点问题，与a b s 、a s r 等主动安全装置相比较，汽车e s p 系统具有明显的优势，它能在更复杂的车况下最大程 度的保证汽车的操纵稳定性和行驶安全性。本文主要着眼于汽车e s p 系统计算机仿真研 究，通过仿真对e s p 系统进行验证、分析研究，为进一步优化e s p 系统奠定理论基础。 现将本文主要研究工作归纳总结如下： ( 1 ) 通过阅读大量的相关文献，了解了汽车e s p 系统在国内外的发展现状，然后 介绍了不同类型主动安全系统的作用以及它们使用的局限性，并对e s p 系统、a b s 和 a s r 系统做了详细比较，明确了e s p 系统的优势所在，并了解了其关键技术及难点。 ( 2 ) 对e s p 系统的作用、结构组成、工作过程以及特点等做了详细的介绍，并对 e s p 系统在两种工况下( 不足转向、过多转向) 的控制措施做了详细的分析。 ( 3 ) 详细介绍了软件a d a m s c a r 、a d 气m s c o n t r o l s 、m a t l a b s i m u l i i l l ( 的相关 知识，通过a d a m s c a r 建立了汽车整车动力学模型，并对汽车整车模型进行了验证， 推导出汽车理想参考模型，确定汽车模型的输入和输出变量，为第五章的联合仿真分析 做好前期准备工作。 ( 4 ) 以模糊控制和p i d 控制为理论基础，对汽车e s p 系统的控制策略进行分析研 5 第一章绪论 究，针对e s p 系统特点分别设计出模糊控制器和p i d 控制器。 ( 5 ) 将建立的汽车整车模型通过a d a m s c o n t r o l s 导出成为所需要m a t l a b 文 件，并导入m a t l a b s i m u l i n k 中，根据不同的控制方法建立仿真模型，对汽车e s p 系 统进行联合仿真分析，并比较模糊控制和p i d 控制两种控制策略的控制效果。 1 5 本章小结 本章首先阐述了研究汽车e s p 系统的目的、背景和意义，叙述了e s p 系统在国内 外的发展现状，介绍了各种类型主动安全系统的作用以及它们使用局限性，并对e s p 与a b s 和a s r 之间的联系与区别做了详细比较，明确了e s p 系统需要突破的关键技术 及难点，最后总结了本文的主要的研究工作。 厂 6 长安大学硕士学位论文 第二章e s p 系统的基本理论 2 1e s p 的结构组成及工作过程 由于集成了a b s 系统和a s r 系统两者的基本功能，汽车e s p 系统能够在极短的时 间内，识别并判断出汽车各种不稳定行驶状态。比如由于外界的干扰，汽车可能出现侧 滑、甩尾等不稳定行驶状态，从而发生偏离预定行驶轨迹或翻转等危险情况，通过e s p 系统智能化控制，控制制动器施加理想的制动力，使车轮迅速恢复附着力，从而及时地 消除各种不稳定因素，使汽车保持在所期望的行驶轨迹上运行，确保了行驶安全。 2 1 1e s p 系统结构组成 汽车e s p 系统主要由电子控制单元( e c u ) 、各种传感器及执行器三部分组成【8 】， 如图2 1 所示。 图2 1e s p 系统结构图 ( 1 ) e s p 系统中的传感器主要有：横摆角速度传感器、轮速传感器、转向传感器、 侧滑传感器、横向加速度传感器、制动压力传感器、纵向加速度传感器、车身翻转角速 度传感器等，采用这些传感器采集汽车行驶状况的各种信息。 ( 2 ) 电子控制单元( e c u ) ：电控单元e c u 接收上述各传感器的信号后，然后进 行分析、判断、计算从而得出汽车的运行状态，进而发出控制指令，控制一个或多个车 7 第二章e s p 系统的基本理论 轮制动器的制动力，使汽车按照驾驶员所期望的理想路线行驶。 ( 3 ) 执行器：接收电子控制单元( e c u ) 发出的命令信号，同时执行控制信号。 e s p 系统中的执行器：制动系统和发动机管理系统。 2 1 2e s p 系统工作过程 e s p 系统的工作过程可概括为信号采集、信号处理计算及e c u 判断、执行器执行 e c u 的指令四个过程，e s p 系统工作过程流程图如图2 2 所示。 ( 1 ) 信号采集：各种传感器采集汽车的运行状态信息，如：横摆角速度、侧向加 速度、横向加速度、车轮转速、转向盘转角及转速、制动力矩等数据，然后将采集到的 信号传送给电控单元e c u 。 ( 2 ) 信号处理计算：传感器采集的信号传送到电控单元e c u ，e c u 对其进行计算、 分析，获取汽车当前运行状态参数信息，同时根据汽车二自由度参考数学模型计算得出 当前理想状态下的行驶状态参数。 ( 3 ) e c u 判断：e c u 将理想状态下的参数值与汽车当前运行的实际值进行比较， 计算两者之间的偏差值，并根据行驶稳定性判断标准，判断出汽车是否处于理想工况， 由此确定是否需要调节制动器制动力和控制驱动轮驱动力。 ( 4 ) 指令执行：执行e c u 的指令，调节制动器制动力或驱动轮驱动力的大小，使 汽车的制动系统、转向系统、驱动系统始终保持在最佳组合状态，同时及时调节汽车行 驶过程中出现的不稳定因素，防止驾驶员的误操作，避免交通事故的发生。 图2 2e s p 系统工作过程流程图 2 2e s p 系统的作用与特点 ， 8 长安大学硕士学位论文 汽车在极限行驶工况下，e s p 系统作用表现在能够协助驾驶员控制车辆的行驶，在 轮胎和地面间还存在附着力的情况下，e s p 系统对路面实际情况和驾驶员操作进行分 析、判断之后，对汽车的行驶状态进行调节控制，保证汽车能够按照驾驶员预期的路线 上行驶。 e s p 系统作用主要表现在以下三方面【1 1 】： ( 1 ) 防止驱动轮在起步加速时打滑 起步时，e s p 系统对制动系统、发动机管理模块和变速换档操作进行综合管理控制， 使驱动轮保持合适的驱动扭矩，避免起步加速时打滑。在整个起步过程中，e s p 系统的 电控单元e c u 实时分析、处理传感器信号，并发出相应的控制指令。 ( 2 ) 使汽车具有良好的操纵稳定性 汽车转向时，当驾驶员操作转向盘转向过于迅速时，汽车常常不能按照预期的轨迹 行驶，实际转弯半径小于理想转弯半径，即出现转向过度情况，后轮将失去控制，发生 侧滑或甩尾现象。e s p 系统感知到即将出现此种情况时，e s p 系统对外侧前轮施加制动 力矩，前轮产生一个与车身反向扭矩，从而实现稳定车身的作用；同样，转向盘转向不 足时，e s p 系统对内侧后轮施加制动力矩，产生一个与车身转矩方向相同的转矩，以 校正汽车的行驶方向。 ( 3 ) ) 提高制动效果，并且保证制动过程的操纵稳定性 当汽车在开路面( 左右两侧车轮附着系数不同的路面) 上实施制动时，为了防止车 轮的抱死滑动，制动系统对行驶在附着系数不同路面的左右车轮施加的制动力不相同。 假如无制动器施加制动力产生一个反方向的力矩控制车身，不对称的制动力会使汽车受 到同一个转向的转矩，导致汽车在路面旋转打滑。当e s p 系统感知这种趋势后，向转向 盘转向电动机发出转角指令，此时驾驶员感觉到转向盘轻微转角的变化后，反向旋转转 向盘，稳定车身。e s p 系统通过此操作，制动力能够最大程度上利用地面附着力，大大 缩短制动距离，使制动距离减小5 1 0 。其中最为典型的是大众公司开发的转向控 制系统( e s pp l u s ) ，既能保证汽车车身稳定，同时又大大缩短制动距离。 目前，e s p 系统所使用类型有3 种：一是四通道系统，可以分别向四个车轮独立地 施n $ d 动力；二是双通道系统，其只对两个前轮或后轮独立施加制动，对角车轮施加制 动；三是三通道系统，对两个前轮独立的施加制动力，而对两后轮施加相同的制动力。 这三种系统的成本各不一样，产生的制动效果也有所不同，其中四通道系统作用效果最 好，所以大多数中高级车多采用四通道的e s p 系统。 9 第二章e s p 系统的基本理论 装配e s p 系统的汽车具有三大特点： ( 1 ) 实时监控：e s p 系统实时监控路面的反馈信息、驾驶员的操作以及汽车实时 运行状态，并且根据实时监测信息向发动机和制动系统发出控制指令。 ( 2 ) 主动控制：e s p 系统通过调控驱动轮驱动力和制动器制动力来修正汽车转向 特性( 过度或不足转向) 。 ( 3 ) 事先警示：e s p 系统具有实时警示功能，当汽车处于不稳定的行驶状态时， 除了主动保持汽车稳定性外，还通过警示灯向驾驶员发出警告。 2 3e s p 系统的控制策略分析 汽车在行驶过程中，汽车运动趋势是由制动力、驱动力以及地面作用给轮胎的力决 定的，也决定了汽车行驶稳定性状态。由于横摆力矩直接影响汽车横向稳定性，所以控 制行驶稳定性时，通常从以下两个方面进行考虑：一是通过减小汽车驱动力来增大轮胎 侧向附着能力，从而达到增强汽车抵制侧向力的目的，一般通过控制发动机输出扭矩来 实现；二是通过施加外部横摆力矩来改善汽车横向稳定性，可以通过控制制动器制动力 来实现。当汽车处于将要失去横向稳定性时，轮胎侧向力已经达到附着极限，此时，仅 仅通过驾驶员转向控制操作和减少驱动力几乎起不到任何作用，最有效的方法是利用分 配给四个车轮不同大小制动力，产生反向的制动力矩，抵消汽车的不稳定横摆力矩。汽 车行驶稳定性控制是通过精确控制每个车轮滑移率，改变各个车轮的侧向力，从而在复 杂工况下获得良好的行驶稳定性。 下面将详细讨论两种特殊工况( 过度转向和不足转向) 的控制措施： ( 1 ) 过度转向：汽车行驶稳定性控制措施如图2 3 中a 图所示。当汽车出现过度转 向时，e s p 系统会发出控制命令对弯道外侧车轮施加瞬时制动力，产生一个方向相反的 横摆力矩，使车轮侧向力迅速减少。对弯道外侧车轮进行制动，同时也会降低车速，从 而获得一个有利于稳定性的因素。 ( 2 ) 不足转向：汽车行驶稳定性控制措施如图2 3 中b 图所示，当汽车出现的不足 转向时，在e s p 系统感知之后，会发出控制命令给弯道内侧的后轮施加瞬时制动，使车 轮边滑边滚，产生一定的滑移率，车轮侧向力迅速减少，纵向制动力迅速增大，产生一 个与横摆方向相同的横摆力矩，纠正原来的不足转向趋势，实现汽车的中性转向，提高 汽车的行驶稳定性。 1 0 1 乏安大学硕士学位论文 理 侧 a 过多转向b 不足转向 图2 3 过多转向和不足转向的控制措施 2 4 本章小结 本章详细介绍了e s p 系统的结构组成、工作过程、作用以及特点等，并对e s p 系 统在两种特殊工况( 不足转向、过多转向) 下的控制措施做了详细地分析，清晰地体现 了e s p 系统在汽车行驶过程中所起的重要安全作用。 第三章相关软件介绍及a d a m s c a r 整车模型建立 第三章相关软件介绍及a d a m s c a r 整车模型建立 目前，关于汽车动力学的仿真研究内容包括两个方面：一是建立能够描述汽车动力 学性能的微分方程组，即建立数学模型( 建模) ；二是采用数学方法解微分方程，即计 算。通常创建汽车动力学模型的方法主要有三种：人工建模、图形建模和计算机自动建 模2 3 1 。 人工建模方法就是人工对机械系统进行建模和计算，此方法较为传统。它主要包括 三种方法：分析法、试验法及两者相互结合。通过对汽车力学模型进行分析简化建立汽 车运动的微分方程组，并且采用数值积分法和差分法将连续方程变为时间离散的差分方 程，并通过应用计算机语言( 例如：q b a s i c ，f o r t r a n ，v b 等) 编写相应的程序，建 立、分析汽车系统的动力学微分方程组。但是汽车系统各部件之间的连接比较复杂，要 详细地分析汽车各零部件间的相互作用十分困难繁琐瞄】。 图形建模( 混合方法) 是运用力学原理推导汽车动力学方程，采用专用的软件包进行 相关计算，如：m a t r i x 、a c s l 模拟语言及m a t l a b 等仿真语言，其中多数采用 m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱完成汽车系统的图形建模，s i m u l i n k 将各种功能模块化， 可以用鼠标直接拖放模块，进行汽车动力学系统的建模。s i m u l i n k 是一个开放的工具箱 系统，各种成熟工具箱的出现，会不断地补充到s i m u l i n k 系统中。在建立的控制系统中， 每一个功能模块可以进行参数的修改，而不影响其它功能模块运行，从而大大提高了 s i m u l i n k 系统的扩展性，为后续开发提供方便；同时将控制系统与汽车机械系统融为一 体，计算更加方便。 计算机自动建模是目前最为先进的一种建模方法，模型创建和计算都由计算机完 成，应用比较广泛，例如著名的a d a m s 软件等。a d a m s 软件是一种最适于汽车动力 学模型建立的计算机软件，a d a m s 将系统分成多个刚体，刚体的模型单独建立，即单 独建立汽车各个子系统模型，并且对刚体质量和转动惯量进行定义和赋值，最后把各刚 体系统的连接起来。在a d a m s 软件中建立的汽车模型均是三维状态，根据汽车的实际 情况定义各刚体的形状、质量、受力、约束以及连接情况等，较为真实地反映汽车动力 学特性，因此a d a m s 软件己成为众多汽车公司的主要建模分析的软件1 2 0 1 2 1 1 1 2 2 1 。 以上三种建模方法均有各自的优缺点，根据本文的需要和现有仿真软件，选择的是 计算机自动建模，运用a d a m s c a r 模块建立汽车的整车模型。下面将详细地介绍了 a d a m s c a r 、a d a m s c o