（车辆工程专业论文）基于直接横摆力矩控制的汽车esp控制系统研究.pdf

摘要 汽车在低附着系数路面上高速行驶时，由于汽车转向或受到外界干扰的影响，侧向 附着力容易达到附着极限，使汽车丧失动力学稳定性，从而造成交通事故的发生。汽车 电子稳定程序( e s p ) 是一种新型主动安全性控制系统，它能够根据驾驶员的意图、路面 状况及汽车运动状态等控制车辆的运动，防止车辆出现危险状况，从而更有效、更显著 地提高汽车的操纵稳定性和行驶安全性。 本文首先从理论上研究了汽车稳定性控制的基本原理，包括e s p 系统的发展概况、 结构组成以及工作过程等。深刻地揭示了汽车电子稳定程序控制系统对汽车操纵稳定性 的影响。其次，考虑到轮胎的非线性特性对汽车的转向特性与行驶稳定性的重要影响， 采用计算速度快、工况适应性强、精度比较高的g i m 轮胎模型，并在此基础上建立了 七自由度汽车模型和二自由度的汽车参考模型。然后，建立基于横摆角速度和质心侧偏 角的二维模糊控制器，运用m a t l 让s 汛，i n k 软件实现数学模型到仿真模型的转换， 并在转向盘角阶跃输入和正弦输入等极限工况下对汽车的操纵稳定性进行仿真验证研 究。 研究结果表明，所设计的模糊控制器符合控制要求，并且在e s p 系统的控制下， 汽车的质心侧偏角以及横摆角度被限定在一个比较小的范围内，汽车能够按照前轮转角 轨迹行驶，从而提高汽车的操纵稳定性。 关键词：汽车电子稳定程序，建模仿真，横摆角速度，质心侧偏角，模糊控制，横摆力矩 a b s t r a c t w h e na u t o m o b i l es t e e r so nl o wa d h e s i o nc o e f f i c i e n ta th i g hs p e e d ，t h es i d e p i e c ea d h e s i o n f o r c eo fa u t o m o b i l ee a s i l yr e a c hh i g h p o i n t ，w h i c hw i l lh a v et h ev e h i c l el o s ed y n a m i c s s t a b i l i t ya n dl e a dt oa c c i d e n t s ，b e c a u s eo fi n f l u e n c i n go fm o t o rt u r n i n go ro u t s i d ed i s t u r b a n c e e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m e s pi san e wi n i t i a t i v es e c u r i t yc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a n c o n t r o lt h em o t i o no ft h ev e h i c l ea v o i da c c i d e n t s ，a c c o r d i n gt ot h ed r i v e r sp u r p o s e ，r o a d s u r f a c ec o n d i t i o na n ds t a t u so fv e h i c l e ，a n dt h ee s pc a nm a x i m u ml i m i ti m p r o v et h e m a n i p u l a t i o ns t a b i l i t ya n ds t e e r i n gs e c u r i t y f i r s t l y ，t h ep a p e rt h e o r e t i c a l l yr e s e a r c ht h ep o s t u l a t eo ft h ee s p , i n c l u d i n ge s ps y s t e m s d e v e l o p m e n ts u r v e y , s t r u c t u r ec o m p o s i t i o na n dw o r kp r o c e s sa n ds o0 1 1 p r o f o u n dr e v e l a t i o n h o wt h ea u t o m o b i l ee l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a mc o n t r o ls y s t e ma f f e c t st h em a n i p u l a t i o n s t a b i l i t y s e c o n d l y , c o n s i d e r i n gt h ei m p o r t a n c eo ft u r i n gc h a r a c t e r i s t i cs t e e r i n gs e c u r i t yb y t y r e sn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c ，t h ep a p e ra d o p tg i mt y r em o d e l ，w h i c hi ss p e e d l y , b e t t e r a d a p t a b i l i t ya n dh i g hp r e c i s i o n b e s i d e s ，u p b u i l d i n gs e v e nl i b e r t yd e g r e ea u t o m o b i l em o d e l a n dt w ol i b e r t yd e g r e ea u t o m o b i l er e f e r r e n c em o d e l t h e n ，f o u n d i n gp l a n a rf u z z yc o n t r o l l e r a b o u tt r a n s v e r s es w i n gc o m us p e e da n dc e n t r o i ds e c u n dc o m u ，a n da c o m p l i s hc o n v e r s i o n f r o mm a t h e m a t i c a lm a t h e m a t i c sm o d e lt oe m u l a t i o n a lm o d e lu e i n gm a t l a b s i m u l i n k f i n a l l y , i ns t e e r i n gw h e e la n g l el i m i to p e r a t i n gm o d e sa n du n d e rs t e p i n p u ta n ds i n ei n p u t c o n d u c t s ，c o m p l e t i n gs i m u l a t i o nc o n f i r m a t i o nr e s e a r c ht oa u t o m o b i l e so p e r a t i o ns t a b i l i t y t h ef i n d i n g si n d i c a t e d ，t h ef u z z yc o n t r o l l e ra c c o r d st h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t ，a n du n d e rt h e e s ps y s t e m sc o n t r o l ，a u t o m o b i l e sc e n t e ro fm a s ss i d ea n g l eo fd e f l e c t i o na n dt h es w a y a n g u l a rs p e e dw a sd e f i n e dt oaq u i t es m a l ls c o p e ，t h ea u t o m o b i l ec a nt r a v e ld e f e r i n gt ot h e f r o n tw h e e lc o m e rp a t h ，t h u st h ee s pc a ne n h a n c ea u t o m o b i l e so p e r a t i o ns t a b i l i t y k e y w o r d s ：e s p , m o d e l l i n ga n ds i m u l a t i o n ，t h es w a ya n g u l a rs p e e d ，c e n t e ro f m a s ss i d ea n g l e o fd e f l e c t i o n ，f u z z yc o n t r o l l e r , s w a ym o m e n to ff o r c e 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。 论文作者签名：弦谚瞒矿9 净厂月1 日 l 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 导师签名： 诗 7 。9 7 年舌月7 日 砷年月弓日 长安人学硕士论文 1 1 论文的研究背景及意义 第一章绪论 随着我国国民经济和汽车工业的高速发展，汽车的产销量均有大幅度的增加，截止 2 0 0 8 年年底，我国生产汽车9 3 4 5 1 万辆，销售汽车9 3 8 0 5 万辆，同比分别增长5 2 1 和6 7 0 ，超过日本位居世界第二位。与此同时，每年我国由于交通事故造成的人员伤 亡和经济财产损失也呈逐年上升的趋势，汽车交通安全成为一个广泛关注的社会性问 题。 简单而言，汽车的安全性包含两方面的内容：即，主动安全性( a c t i v es a f e t y ) 和被 动安全性( p a s s i v es a f e t y ) 。主动安全性又称为事故预防性能，是指如何通过车辆的设计 尽量减少或避免交通事故的发生，是汽车能够帮助驾驶员在各种复杂交通状况下尽可能 地避免交通事故的一种性能。被动安全性，是指通过车辆的设计使车辆在发生事故时尽 量减小对乘员的伤害。那么，如何提高汽车的安全性以及如何减少交通事故的发生就成 为汽车厂家、交通管理者、汽车设计人员以及使用者所要面对的首要问题。 早前，汽车设计主要考虑被动安全，即：只在特定的时间提供特定环境的保护且绝 大部分针对碰撞状态，以碰撞安全为核心。汽车发生碰撞事故时，被动安全防护装置确 实能最大限度地减轻人员伤亡以及汽车损坏程度。但是，随着时代的进步，传统的被动 安全技术已经不能满足现代交通对汽车安全性的要求。而现代安全技术则是以预防为核 心，就是要防患于未然。以先进电子、通讯、控制及信息技术在汽车上的应用为特征的 新一轮汽车技术革命为汽车有传统被动安全向现代主动安全提供了契机。汽车主动安全 性能中最重要的是操纵稳定性。汽车的操纵稳定性，不仅影响到汽车驾驶的操纵轻便程 度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能指标，被称之为“高速车辆的生命 线”。因此，汽车操纵稳定性的研究是汽车安全技术研究的核心。 汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶 者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保 持稳定行驶的能力【i 】。很久以来，如何使所设计的汽车在行驶中有良好的安全性，尤其 是操纵稳定性，一直是各国汽车行业以及设计者的主要研究的方向。对于各汽车生产厂 家来说，如果不想在激烈的竞争环境中被淘汰，那么就必须解决好这个大问题。另外， 汽车的操纵稳定性是汽车理论的重要组成部分，它通常包含互相联系的两个方面，即操 第一章绪论 纵性( h a n d l i n g ) 和稳定性( s t a b i l i t y ) 。前者反映了汽车实际行驶轨迹与驾驶员主观意图在 时间上和空间上吻合的程度；后者描述了汽车运行状况的稳定程度。但是两者很难分开， 汽车操纵性能的丧失往往导致整车的侧滑，激转甚至倾覆；而汽车稳定性的丧失，常常 又导致整车失控。因此，汽车技术文献中常把两者统称为汽车操纵稳定性【2 捌。 汽车操纵失控可能导致严重的交通事故。奥迪公司1 9 9 6 年的统计数据表明【4 】，车 速在8 0 k m h 到1 0 0 k m h 之间行驶的车辆发生的交通事故中，有大约4 0 的事故与车辆 失去稳定有关；车速越高，由于汽车失稳引发的交通事故所占的比例越大，当车速超过 1 6 0 k m h 时几乎所有的事故都与车辆失稳有关。研究还表明【5 】，在发生严重交通事故失 去控制的车辆中8 2 的车辆在失控后还行驶了4 0 米以上。因此，寻找一种能够在汽车 复杂行驶工况下，特别是在轮胎附着极限下直接保障汽车稳定的控制系统对于减少交通 事故，特别是减少造成严重伤害的交通事故非常有效。于是，在a b s a s r 的基础上增 加了测量汽车运行姿态的传感器来直接监测汽车运行姿态的汽车稳定性控$ u ( a pe s p ) 在 上世纪九十年代初被提出，并成为国际上汽车主动安全领域研究的热点问题。 汽车的操纵稳定性与轮胎、悬架、转向系统以及传动系统等有关，过去一直只限于 在这些方面进行改进来提高汽车固有的操纵稳定性。8 0 年代中叶以来，随着支持控制 系统的计算机与传感器、执行机构的迅速发展，各汽车公司陆续开发、生产了多种显著 改善操纵稳定性的电子控制系统。目前在汽车上安装的这类改善操纵稳定性的主动安全 系统主要有电子控制防抱死制动系统( a b s ) 、驱动防滑系统( a s r ) 、四轮转向( 4 w s ) 、四 轮驱动( 4 w d ) 、电动助力转向系统( e p s ) 以及电子稳定程序控制系统( e s p ) 等。 当侧向加速度较小时，轮胎侧偏角与侧偏力成线性比例关系图，这时以四轮转向系 统( 4 w s ) 为代表的转向角控制系统才会起作用；但是，当侧向加速度较大时，侧偏力不 再与方向盘转角成比例，导致过多转向，四轮转向系统显然不能解决问题。汽车在极限 状况下行驶时，a b s 和a s r 的确能提高汽车的安全性，但是，由于a b s 只是汽车制动 时控制汽车的滑移率防止车轮抱死，它不能解决车辆在湿滑路面上起步或加速时出现的 车轮打滑问题，更不能避免车辆发生侧滑；a s r 只是适用于汽车起步和左右轮驱动力 不等的情况。所以说a b s 、a s r 等系统主要改善的是汽车的纵向行驶稳定性而对汽车 的横向稳定性改善不大。而e s p 控制系统是德国b o s e h 公司于1 9 9 5 投放市场的提高操 纵稳定性的新型主动安全系统，其主要控制处于极限工况下的汽车运动，使驾驶者可以 按正常驾驶方法顺利通过原本令人难以驾御的危急状态。由于汽车高速转弯行驶或在低 附着系数路面上行驶时，侧向力很容易达到附着极限，汽车容易侧滑而失去操纵稳定性， 长安犬学硕七论文 进而引发交通事故。这时，e s p 就可以通过调节汽车纵向制动力大小及发动机状态来改 变汽车的横摆力矩，防止汽车侧滑，提高汽车稳定性。汽车e s p 控制系统是在a b s 和 a s r 的基础上发展而来的，它结合了a b s 和a s r 的主要功能，能够最大限度的保证汽 车的横向操纵稳定性，同时又能保证汽车的纵向操纵稳定性。有e s p 系统的与只有a b s 的汽车相比，它们之间的差别在于a b s 只能被动地做出反应，而e s p 则能够控测和分 析车况，并纠正驾驶错误，防患于未然。实际上，e s p 系统不但能控制驱动轮，而且可 控制从动轮。如后轮驱动汽车出现转向过度时，e s p 便会慢刹外侧的前轮来稳定车子， 防止后轮失控而发生甩尾现象；在转向过小时，为了校正行驶循迹方向，e s p 则会慢刹 内侧后轮，从而校正行驶方向，防止车辆滑移。 一些国家的研究表明【6 】，采用e s p 系统后，单车的碰撞事故发生率可以下降5 0 ； 美国l o w a 大学的项研究结果显示，面对汽车失控现象，有1 3 的汽车能够通过安装 e s p 系统来保持汽车的稳定性。根据统计，在发生的的交通事故中，驾驶员能够做出躲 避的约占4 8 ，在碰撞交通事故中，驾驶员做出反应的占5 0 ，在汽车驶离行驶轨道 的事故中，驾驶员做出反应的约为6 4 。绝大多数导致伤亡的交通事故中，汽车的侧滑 是主要原因。当发生侧滑时，轮胎很容易达到附着极限，汽车的操纵特性进入非线性区 域，驾驶员往往会因为恐慌而做出错误地操作，从而使车辆出现转向过度的情况。另外， a b s 和a s r 分别只能在汽车制动抱死和驱动打滑的行驶工况下对汽车进行控制，保证 汽车具有可操纵性，但是，不能在路面和轮胎的附着极限工况下对汽车进行控制，来防 止汽车侧滑。为此，经过研究，人们提出了建立在a b s 和a s r 基础之上的e s p 系统， 来防止车辆侧滑，保证汽车在高速转弯或者低附着路面上急转等极限工况下汽车具有良 好的操纵稳定性。 1 2e s p 系统发展概况 1 2 1 国外研究现状 随着现代汽车技术的发展，车辆的主动安全性大大提高。为了防止车轮抱死，避免 车辆在紧急制动时因车轮抱死而失控，1 9 7 8 年博世公司开发了世界首套a b s ，并在1 9 8 5 年投产。据统计在2 0 0 4 年欧洲生产的新车a b s ，装备率已达到8 5 ，而欧洲生产协会 更保证对2 0 0 4 年7 月起生产的新车1 0 0 装备a b s 系统。 由于a b s 不能解决车辆在湿滑路面上起步或加速出现的车轮打滑问题，更不能避 免车辆发生侧滑。因此，在a b s 的基础上，德国b o s c h 公司于1 9 8 6 年开始向市场投放 第一章绪论 a s r 产品，该产品可以调节发动机的输出扭矩、差速器的锁紧系数等，控制作用于驱 动轮的驱动力矩，以及通过调节制动系统压力，控制作用于车轮上的制动力矩，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较理想的范围内，防止驱动车轮发 生驱动滑转。 e s p 是汽车电子稳定系统( e l e c t r o n i cs t a b i l i t y p r o g r a m ) 的简写，由德国博世公司 ( b o s c h ) 和梅赛德斯一奔驰( m e r c e d e s - - b e n z ) 公司联合研制，它集成了防抱死制动 系统( a b s ) 和驱动防滑控制系统( a s r ) 的基本功能，能够在很短时间内，识别出汽车 不稳定的行驶趋势。最初的e s p 系统是在a b s 和a s r 的基础上在算法上加以改进，使 之能部分解决汽车的稳定性问题，但此时的系统还不能称之为汽车稳定性控制系统，它 只是在a b s 和a s r 基础上的改进。直至上世纪9 0 年代初，人们通过对车辆稳定性的 理论分析，提出了直接对汽车横摆运动进行控制的概念( 如d y c ) ，它通过采集方向盘转 角的信息来判断驾驶员的转向意图，然后改变内外侧车轮间驱动力分配比例，换句话说 就是通过对横摆力偶矩的控制来控制汽车的横摆运动，从而保障汽车能够稳定行驶，这 标志着汽车稳定性控制概念的出现【7 ，8 1 。考虑到成本问题，最早的稳定性控制系统采用 的传感器比较少，且横摆角速度大多是由内外车轮的转速差间接估计的，因此在一些汽 车行驶的复杂工况下很难保证系统控制的精度和可靠性。1 9 9 5 年之后，b o s c h 、b m w 、 f o r d 、t o y o t a 等公司相继推出了使用横摆角速度和侧向加速度传感器的新一代汽车 稳定性控制系统，这标志着汽车稳定性控制基本形式的确认【1 1 。近几年来，有一些学 者开始尝试用现代控制理论的一些控制方法进行汽车稳定性控制，并取得了一定的控制 效梨1 2 1 。随着汽车底盘动力学控制的不断发展，综合考虑制动系统、悬架系统和转向系 统的协调控制的集成控制成系统成为以后发展的必然趋势，并且随着传感器技术的不断 提高，汽车稳定性控制的效果会更加明显。 从1 9 9 5 年至今，由于性能的不断改进以及成本的不断降低，e s p 获得了很快的发 展，并开始作为选装件装备于一些中、高档轿车上。从2 0 0 0 年起，德国大众公司在其 几乎所有轿车车型上均可选装e s p 系统。通用、福特和戴姆勒一克莱斯勒公司也开始 在其新车型中选装汽车稳定性控制系统。随着先进底盘控制技术的不断发展，将四轮转 向控制和车辆稳定性控制系统有机结合起来，获得最佳的综合控制效果将是汽车技术发 展的一个重要方向。 4 长安大学硕十论文 1 2 2 国内研究现状 在国内，现在还是外资品牌主导着我国汽车a b s 市场的配套与生产。虽然国内有 3 0 多家企业从事汽车a b s 的研发和生产，但是有一定配套生产规模的企业不足1 0 家。 对汽车稳定性控制系统e s p 的应用与研究起步更晚，到目前为止，只有少数汽车( 如奥 迪a 6 、帕萨特) 上安装了汽车稳定性控制系统，自主品牌的汽车基本上还是空白，并且 没有自己的实际研发能力。现在吉林大学、清华大学等高校以及中国重汽集团、上海汇 众汽车制造有限公司等企业也正在开展这方面的研究工作，而且由于缺少试验条件，研 究还不十分深入。但是，不可否认的一点是，我们的研究大多数只是基于理论研究，真 正开发出产品以及量产还有很长的一段路要走。文献【”q 9 1 分别从汽车的动力学模型、 控制方法、控制策略及算法、模拟方法、仿真分析、试验验证等各个方面进行了一系列 的研究。并且讨论了汽车动力学稳定性控制的基本原理以及汽车动力学稳定性控制和 a b s 的结合与切换问题。 在我国生产的新车中装备a b s 系统也达到6 6 。a b s 主要是在汽车制动过程中起 作用，主要用于防止车轮抱死。当汽车在紧急制动时，往往会出现制动跑偏、侧滑或前 轮失去转向能力，这将使汽车的操纵稳定性变得很差，甚至失去，从而引发交通事故。 a b s 系统通过对车轮滑动率的控制，能够有效的防止车轮抱死，使汽车具有一定的操 纵稳定性，并能充分利用轮胎与地面的附着系数，有效缩短制动距离，从而有效的提高 汽车紧急制动时的安全性。据预测，到2 0 1 0 年，我国汽车a b s 的总需求量将超过6 0 0 万套，未来几年市场年平均增长速度将超过3 0 。要推动我国汽车a b s 产业的发展，还需 要社会各界共同的努力。政府需要加强执法力度、环节监管，企业需要提高技术开发能 力和产品质量，加强对a b s 知识的宣传。从博世公司于1 9 9 5 年第一个把e s p 技术投入 量产以来的若干年中，e s p 产品已经发展到第8 代。e s p 8 0 系统这一世界领先的技术 已在中国苏州实现国产化。随着中国汽车电子技术的持续不断发展，我们完全可以掌握 e s p 系统的全部技术，并最终完全实现国产化。 1 2 3 汽车e s p 系统与a b s 、a s r 的比较 表1 1 所示，为汽车电子稳定性控制系统e s p 与a b s 和a s r 系统的区别，从表中 可以看出，汽车电子稳定装置需要更多的传感器，对执行机构的要求更高，其功能也是 a b s a s r 系统无法比拟的。可以说，汽车e s p 系统的出现，极大地改善了汽车在行驶 过程中的安全性和操纵性。 第一章绪论 表1 1a b s 、a s r 与e s p 的比较【2 0 ，2 1 】 系统需要的传感器执行机构辅助系统 主要功能 a b s 液压调防止车轮抱死，提高制动稳定 a b s轮速传感器( 4 个) 无 节器性 a b s a s r 液发动机管理 防止车轮过度滑转，提高驱动 a s r 厂r c s 轮速传感器( 4 个) 能力，提供电子差速锁功能， 压调节器系统( e m s ) 提高驱动稳定性 轮速传感器( 4 个) 、方除了具备a b s a s r 的功能 向盘转角传感器、侧向改进的 发动机管理 外，还实时检测汽车的运行姿 e s p 加速度传感器、横摆角a b s a s r 液 系统( e m s ) 态，保证汽车在极限转向、制 速度传感器及制动主缸压调节器动、驱动以及复杂工况下的稳 压力传感器等 定性 1 2 4e s p 控制策略介绍 从国内外有关汽车操纵稳定性控制的大量文献来看，主要的控制方法有：逻辑门限 值控制、普通p i d 控制、状态控制或最优控制以及模糊控制。这些控制方法各有优劣， 下面简单地分析它们的特点。 1 逻辑门限值控制：原理简单，实现方便，在稳定性控制中得到了广泛应用。但 是，也有缺点。控制参数一旦确定，控制逻辑就确定下来，只能对常见的工况控制，当 条件改变时，控制并不理想。且系统控制逻辑复杂，控制不平稳，控制系统中的各种门 限值，都是经验数据，没有充分的理论依据。而且互换性不佳。用这种控制方式开发新 的装置时，需要大量的时间和试验来确定和调整控制逻辑与控制参数。 2 普通p i d 控制：在e s p 控制系统中也有应用。理论上，只要p 、i 、d 三参数选 择合理，就能保证控制效果，但对于非线性时变系统很难确定合适的参数，并且一旦参 数确定，控制逻辑就固定下来，不能适应汽车这种非线性时变系统。 3 基于数学模型的状态控制和最优控制：理论上很成熟，都是现代控制理论中的 控制方法，应用得成功与否，关键在于数学模型准确与否。实际上，这种理想的模型几 乎不存在，模型本身参数的识别就是很大的问题。为了获得数学模型中所需要的相关控 制参数及状态变量，需要准确实时地确定大量参数，这是比较困难的。另外，该控制方 法计算量大，鲁棒性不强，所以在实际中应用不多。 通过分析比较，可以看出上述的控制方法很难对汽车的操纵稳定性进行很好的控 制，必须寻找新的控制方法，并开发抗干扰能力强、可靠性高的实时控制系统是必要的。 由于模糊控制是不需要建立精确的数学模型【2 2 ，2 3 1 ，只需要根据实际的运行经验，对系统 6 长安人学硕士论文 进行实时控制，实际上是一种非线性智能控制，具有鲁棒性强、对干扰和参数变化不敏 感等优点，非常适合于e s p 这种非线性、时变系统。另外，在建立较为接近实际的汽 车动力学模型的基础上，进一步探讨一些具有强鲁棒性的控制理论在e s p 系统的应用， 不仅对于开发实用且具有高可靠性的e s p 控制器产品，具有一定的理论指导意义，而 且对于这些先进的控制理论自身的应用和发展有推动作用。所以本文运用模糊控制理论 对汽车电子稳定程序控制系统进行了研究。 1 3 汽车e s p 系统研究目前存在的问题及今后发展方向 如上面所述，汽车e s p 系统研究目前存在的问题包括控制策略方面，再有就是e s p 系统自身的结构问题。对于一个典型的汽车e s p 控制系统，它包括：传统制动系统( 真 空助力器、管路和制动器) 、传感器、液压调节器、汽车稳定性控制电子控制单元( e c u ) 和辅助系统【2 1 】等。对于今后汽车e s p 系统的发展方向，首先就是控制方法会向着集成 控制的方向发展，随着计算机技术的发展这是可以实现的。另外就是软硬件技术的发展 问题。综合来看，主要有这样几个方面【2 4 1 ： 传感技术的改进。提高传感器的可靠性是一个很重要的问题，这直接关系到整 个系统的稳定性。如果在提高可靠性的同时能降低生产成本也不失为一个好的选择； 液压制动系统的改进。就液压系统来说，目前有四通道的、三通道的、双通道 的等，它们各有特点，而且技术也很成熟。问题是，我们要从结构设计上入手，对其结 构进行改进和提高，使其体积更小、重量更轻、成本更低； 中央控制单元软、硬件设计问题。e c u 是e s p 控制系统的心脏，整个系统能否 工作的关键就在于此，它就像人的大脑。对e c u 的研究，结合控制策略的软件设计是 重中之重； c a n 总线与e s p 控制功能的连接问题。通常发动机、传动系等通过c a n 与 e c u 互联，它们之间结合的好坏直接关系的系统的控制成败，所以是必须要研究的重 要问题。 1 4 本文的主要研究工作 汽车e s p 控制系统是一个复杂的系统，它能使汽车的横摆角速度以及质心侧偏角 被限定在一个比较合理的范围内，从而提高了汽车的侧向稳定性。对于这样的一个复杂 系统，首先要考虑的就是控制策略问题。由于汽车动力学系统有很强的非线性时变特点， 第一章绪论 且汽车的运行环境及参数处于不断变化之中，因此在选择控制策略时应使系统要求测量 及估计辩识的参数较少，计算量不大，且具有很强的鲁棒性。针对这个问题，本文主要 通过建立车辆动力学数学模型及图形模型，并采用了鲁棒性较强的模糊控制方法建立了 二维模糊控制器，最后在m a t l a b s m i u l 玳k 软件环境下对汽车e s p 系统汽车稳定性 控制进行仿真验证研究，为汽车稳定控制的理论研究提供些许思路和方法。 本文围绕汽车e s p 控制系统建模及其控制方法等问题主要研究了以下几方面的问 题： 建立了用于汽车e s p 控制系统仿真研究的动力学模型，包括：七自由度的整车 模型和二自由度汽车参考模型。其中，整车模型包括车身模型和轮胎模型。 使用m a t l 也s m ，姗 软件，将汽车动力学数学模型，如车身模型、轮胎 模型、参考模型等，转化为s i m u l i n k 图形仿真模型。 运用模糊控制理论，建立了以横摆角速度和侧偏角为输入变量，以补偿横摆力 矩为输出变量的二维模糊控制器模型。 结合汽车动力学数学模型及差动制动理论，建立了以补偿横摆力矩、车辆垂直 载荷为输入，制动力矩为输出的车辆制动器制动力分配模型。 在以上各个模型的基础上，建立汽车e s p 稳定性控制系统s i m u l i n k 仿真模型 图，并以此为平台对汽车整车模型进行典型工况的仿真验证分析。 长安人学硕+ 论文 第二章汽车e s p 系统的控制原理与结构分析 2 1e s p 系统的基本工作原理 e s p 系统通常由传感器、e c u ( 电子控制单元) 和执行器三大部分组成，在e c u 实时 监控汽车运行状态的前提下，对发动机及制动系统进行干预和调控。无论是汽车发生侧 翻、滑移还是失去转向能力，系统都会有选择地对汽车车轮实施制动，必要时还会同 时增加或者减少发动机转矩 2 5 ，2 6 】。 e s p 系统能在汽车突然转向等极限工况下持续准确地监控汽车的运行姿态，将收集 到的数据与标准技术数据进行比较。一旦汽车偏离标准技术数据的认可范围，e s p 系统 将自动接替驾驶员控制汽车，阻止潜在的危险情况发生。简单的说就是，在汽车行驶过 程中，方向盘转角传感器监测驾驶者转弯方向和角度，车速传感器监测车速、节气门开 度，制动主缸压力传感器监测制动力，而侧向加速度传感器和横摆角速度传感器则监测 汽车的横摆和侧倾速度。e c u 根据这些信息，将传感器测量的相关数据与预先储存在控 制程序中的标准技术数据进行比较，通过计算后确定轿车行驶状态不稳定的程度及其原 因，以此判断汽车要正常安全行驶和驾驶者操纵汽车意图的差距，然后由e c u 发出指令， 调整发动机的转速和车轮上的制动力，如果实际行驶轨迹与期望的行驶轨迹发生偏差， 贝j j e s p 系统自动控制对某一车轮施加制动，从而修正汽车的过度转向或不足转向，以避 免汽车打滑、转向过度、转向不足和抱死，从而保证汽车的行驶安全。 ( 1 ) 过度转向( 2 ) 不足转向 图2 1e s p 对不足转向和过度转向的控制 图2 1 所示为e s p 系统根据汽车转弯时的行驶状况对各车轮精确施加制动力的情行。 假设驾驶员突然进入左转弯，汽车的转向半径过小，汽车的转向半径小于弯道的弯曲 9 第二章汽车瞄p 系统的控制原理与结构分析 半径，这种情况称为过度转向，这种状态下的汽车很可能因为离心力而导致翻转。在 同样的路线上，假设在进入弯道时由于驾驶员过于谨慎，转动方向盘的角度不足，汽 车的转向半径大于弯道的半径，即所谓的不足转向，这种状态下的汽车很容易冲出路 面。在这两种工况下，e s p 控制系统就会执行电子控制系统发出的指令给液压控制器， 液压控制器会根据指令合理的分配各个车轮的制动力，那么汽车叉可以回到预定路线上 了，从而使汽车始终保持在安全的路线上。 圈2 2 汽车越障行驶 如图22 所示，当汽车越障行驶时，有e s p 控制的汽车能够很好的躲避障碍，并安全 行驶；而无e s p 控制的汽车，由于车速较高很难控制，则出现了交通事故。 急转弯( 无e s p 系统)息转弯隋e s p 系统) 图2 3 汽车高速急转弯行驶 从图23 也可以看出，当汽车进行蛇形道路行驶的时候，没有e s p 控制的汽车发生甩 尾，出现交通事故。而有e s p 控制的汽车却能在蛇形道路上安全的行驶。 通过以上分析可以知道e s p 系统不但能在干燥路面上提高了汽车的稳定性还可 以在路面附着性比较差的时候，诸如结冰、湿滑，以及碎石等情况f 起作用。汽车在 l o 长安大学硕士论文 复杂的不利状况下行驶，由于车轮与路面之间的附着力比较低，即使是最好的驾驶员也 很难将高速行驶的汽车保持在预定的路线上，汽车容易发生侧滑和跑偏，失去方向稳定 性，甚至在急转弯的时候发生翻车事故，而e s p 系统能很好的解决这些问题。虽然e s p 系统是汽车主动安全技术一个称得上里程碑式的突破，但也不可能突破物理规律的约 束。换句话说，不可能因为使用了e s p 系统，驾驶员就可以粗心大意地驾驶车辆，因为 e s p 系统并不能在任何情况下都能保持汽车的行驶稳定性。 2 2e s p 系统的结构组成及各组成部分的工作原理 l 一车轮制动器；2 轮速传感器；3 一带c a n 接口的发动机管理e c i j ，4 一节气 门作动器5 一带进气压力传感器的预充气泵；6 一转向盘转角传感器；卜带主泵 的制动助力器；8 - 帝制动压力传感器并装有e c u 的液压系统；9 - - 带集成式侧向 加速度传感器的横摆角速度传感器 图2 4 汽车e s p 系统组成部件及电气连接 图2 4 是b o s c h 公司汽车稳定性控制系统硬件组成示意图，它包括：传统制动系统( 真 空助力器、管路和制动器) 、传感器( 4 个轮速传感器、方向盘转角传感器、侧向加速度传 感器、横摆角速度传感器、制动主缸压力传感器) 、液压调节器、汽车稳定性控制电子 控制单元( e c 和辅助系统( 发动机管理系统) 等【2 1 1 1 2 7 1 。 1 传感器：车轮转速传感器、转向角速度传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度 传感器、制动压力传感器等。这些传感器负责采集车辆状态参数。 2 e s p 电脑：将传感器采集到的数据进行计算，算出车身状态然后跟存储器里面预 先设定的数据进行比对。当电脑计算数据超出存储器预存的数值，即车身在临近失控或 者已经失控时命令执行器工作，以保证车身行驶状态能够尽量满足驾驶员的意图。 第二章汽车e s p 系统的控制原理与结构分析 3 执行器：e s p 的执行器就是4 个车轮的刹车系统，精确实现一个或者多个车轮的 制动，即帮助驾驶员踩刹车。e s p 的刹车系统具有蓄压功能，就是电脑可以根据需要， 在驾驶员还没踩制动踏板的时候向某个车轮的制动油管加压，好让这个车轮提前产生制 动力，这样可以缩短执行刹车的时间，提高安全性。另夕b e s p 还能控制发动机的动力输 出和改变自动变速器的档位。 目前e s p 有3 种类型： 1 ) 能向4 个车轮独立施加制动力的四通道或四轮系统； 2 ) 能对两个前轮独立施加制动力的双通道系统； 3 ) 能对两个前轮独立施加制动力和对后轮同时施加制动力的三通道系统。 现在高端车型使用的大都是第一种类型，即能向4 个车轮独立施加制动力的四通道 或四轮系统。如a u d ia 6 ，东风雪铁龙凯旋等。 4 c a n 控制器：通过c a n 总线把传感器、e s p 电脑、制动装置( a b s ) 、自动变速 器等连接在一块，达到综合控制的目标。发动机管理系统并不属于e s p 的组成范畴，只 是通过c a n 总线将其和e s p 系统联系在一块，共享汽车状态信息，但是e s p 的控制权 限要高于发动机管理系统。 l 一轮速传感器；2 一制动压力传感器；3 一转向盘转角传感器；4 一横摆角速度传感器； 5 一侧向加逡度传感器i6 - - 压力调节器；7 一发动机管理系统；8 一供给e s p 的传感器 信号；a 轮胎侧偏角；6 旃一车轮转向角；xn o 一名义轮胎滑转 2 观测器 车辆运动变量的估算值 e s p 控制器 a 侧偏角控制和横摆 角速度控制 _ 一 一_ l - 一一l _ 一一一，h 一：罗| 侧偏控制器l 一芽7 豫 带有与e s p 的接口i ，l鹣 ：= ：e 丁：_ 。= l = 三一一一一一j ! ； 4 卧= i j | i 5 l ：po ，o 一- - o 一、 a 王盎篓曩j 8 图2 5e s p 的完整控制系统 图2 5 所示为b o s c h 公司e s p 的完整控制方案，传感器( 1 - - - 5 ) 用来确定控制器的 输入变量，而执行器( 6 和7 ) 用来影响驱动力和制动力。图中还显示分级构成的控制器， 1 2 k 安人学硕十论文 包括上面的车辆动力学控制器a 和卜而的侧偏控制器b 。控制嚣a 按照名义侧偏的形 式将名义值输入给摔制器b 。而观测器决定被控制对象的状态变量( 车辆的侧偏角p ) 。 为了确定期望的性能，对于取决于驾驶员输入的那些信号要进行评定。这些包括从 转向盘传感器( 3 ，驾驶员的输入) 、制动压力传感器( 2 ，期望的减速度输入) 和发动机管 理系统( 7 ，期望的驱动力矩) 传来的信号。除了车速之外，对期望性能的计算还要考虑轮 胎和路面的摩擦系数。该系数是从轮速传感器( 1 ) 、侧向加速度传感器( 5 ) 、横摆角速度 传感器( 4 ) 和制动压力传感器( 2 ) 的输出信号柬估计的。然后，按照控制偏差值，来计算 除为使实际状态变量逼近期望状念变量所需的横摆力矩。为了产生所要求的横摆力矩， 必须根据车辆动力学摔制器所确定的期望值，束改变车轮的侧偏角。借助于“制动一滑 转量控制器”，并和“制动液压系”执行器( 6 ) ，以及“发动机管理系统”执行器( 7 ) 一起来 完成的。 2 2 1e s p 系统中的主要传感器 2 2 1 1 轮速传雅器 轮速传感器用于检测轮速信号。目前采用的轮速传感器有电磁感应式和霍尔式两 种。电磁感应式轮速传感器的低速响应比较差，而霍尔式传感器有较好的低速响应特性。 轮速传感器用于检测轮速信号【2 。 圉2 6 电磁感应式转速传感器结构及实物图 图26 所示为电磁感应式的车轮转速传感器结构及实物图，在汽车上检测轮速信号 时，一般做法是将传感器安装在车轮总成的非旋转部分( 如转向节或轴头) a - ，与随车轮 起转动的导磁材料制成的齿圈相对。“齿网相对传感器转动叫，由于磁阻的变化，在 传感器上激j 劢出交变电蚯信号，这种交变电压的频率与车轮转速成j f 比，e c u 采用专fj 第一章汽个e s p 系统的控制原理o 纠i 钩分 j _ 的信号处理电路将传感器信号转换为同频率的方波，再通过测量方波的频率或周期束计 算车轮转速。 最初的e s p 系统中纵向、横向加速度传感器和横摆角速度传感器都是单独实现的， 现在基奉都使用了传感器总成( s e n s o r c l u s t e r ) 的模式，将这3 个传感器设计为一体，通过 c a n 总线与e c u 通讯。 博世公司为了增加新的e s p 功能和为了更好的控制整车的稳定性系统如山地保持 控制( h h c ) 和线控( s b 、v ) ，提了模块化的h w 和s w 概念，开发了第三代高度灵活和低 成本的传感器总成d r s m m 3 x 。 2 , 2 1 2 方向盘转角传感器 方向盘转角传感器用以测量方向柱的转角。通常分为光学编码嚣和电位计式两种。 光学编码器式传感器的测量精度高，使用寿命长，但是它通常测量的是丰f i 对位置因此 需要对零点进行识别，而电位计町以直接测量绝对位置但是它的使用寿命低。方向盘 转角传感器的结构和安装如图27 和图28 f ) 际 2 8 】。 图2 7 磁电式转向角传感器 b o s c h 公司生产的l w s3 型磁电式转向角度传誊器，l n 个齿的齿轮，2 m 个齿的齿轮 ( n ) m ) ，3 磁铁，扣是求值电路，5 a m r 传感嚣，6m + 1 个齿的齿轮。 e s p 通过计算方向盘转角的大小和转角变化速率柬议别驾驶员的操作意蚓。方向盘 转角传感器将方向盘转角转换为一个n r 以代表驾驶员期望的行驶方向的信号，方向盘转 角搬是根据光电编码束确定的，安装在转向柱上的编码盘上包含了经过编码的转动方 向、转角等信息。这一编码彘二的信息山接近武光i 乜耦合器进行扫描。接通点火开关井 且方向盘转角传感器轼过定龠 度后，处理器可以通过脉冲序列来确定当前的方向髓绝 埘转角。玎向盘转角传堪器j e c u 的通i t 收通过c a n 总线完成。 k 安大学硕土论文 ( d ) 安装位置 f b ) 结构 图2 8 方向盘转角传感器的安装位置和结构简图 2 2 1 3 横摆角速度传感器 横摆角速度传感器主要测量车辆绕质心垂直轴的角速度。汽车横摆角速度传感器是 种振动陀螺仪，应片j c o l i o l i 效果，采用硅素超微精密环掣传感元件设计而产牛个耐 震动的高精度戋比输出电压。随