（车辆工程专业论文）汽车底盘电控系统集成控制策略研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 汽车底盘系统是一个模型阶次高、输入输出变量多的复杂系统，因此针对整个底 盘系统设计单一的控制器是不可行的。随着汽车技术的发展，出现了各种针对汽车不 同的功能子系统( 单系统) 而设计的控制器。a b s 、e s p 、a s s 作为保证汽车安全性、 操稳性、平顺性的典型控制系统，成为行业研究、开发和使用的热点。 然而，汽车底盘系统是一个有机整体，随着车辆底盘系统复杂程度及人们对车辆 性能要求的日益提高，单系统的控制已经无法兼顾整车性能的提高。汽车底盘动力学 集成控制因有着传统控制无法比拟的优点，成为国际汽车研究领域的热点问题之一。 汽车底盘集成控制技术的关键是如何采取有效合理的整合控制策略，在各系统共享传 感器信息的条件下，消除各系统间的冲突和干涉，进而整体上改善车辆性能。 本文即在解析汽车底盘典型电子控制系统a b s 、e s p 、a s s 核心控制策略的基础 上，对典型的汽车底盘a b s 、e s p 、a s s 三电控系统的集成控制策略进行了探索。首 先，对底盘电控系统的发展趋势和集成控制思想进行了分析。其次，对比较成熟的a b s 、 a s s 两个典型的底盘电控系统的控制策略和控制方法进行了解析，对目前国内尚未掌 握其核心控制算法的e s p 系统进行了控制算法的探索，提出了有效的e s p 控制算法并 验证其可行性。最后，分析三个典型控制系统集成控制存在的矛盾冲突因素，提出集 成控制策略并运用a d a m s c a r - m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真技术，在多体系统动力学 模型基础上验证了控制策略的有效性。 关键词：汽车底盘系统；电控；集成控制；多体系统动力学；联合仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第f l 页 a b s t r a c t v e h i c l ec h a s s i ss y s t e mi sac o m p l e xm u l t i l e v e l ，m u l t i v a r i a b l es y s t e m t h u s ，s i m p l e x c o n t r o l l e rd e s i g n e df o rc o n t r o l l i n gt h ee n t i r ec h a s s i ss y s t e mi sn o ta p p l i c a b l e w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，v a r i o u sc o n t r o l l e r sd e s i g n e dt o c o n t r o ld i f f e r e n ta s p e c to f c h a s s i sd y n a m i cp e r f o r m a n c eh a sb e e ne m e r g e d a b s ，e s p ，a s s ，t h e s et h r e ea r ea l lt y p i c a l c o n t r o ls y s t e m sw h i c hi n d i v i d u a l l yw a sd e s i g n e dt oi m p r o v ev e h i c l es a f e t y ，h a n d l i n ga n d s t a b i l i t y , r i d ec o m f o r t ，a n dn o wt h e ya l lb e c o m eh o t s p o t so fr e s e a r c h ，d e v e l o p m e n ta n d h a v e b e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y a st h ec o m p l e xd e g r e eo fv e h i c l e si n c r e a s e da n dp e o p l ee x p e c tv e h i c l e st op e r f o r m a n c e b e t t e ra n db e t t e ri nm a n ya s p e c t s ，s i m p l e xc o n t r o l l e rc a n n o tm e e tt h ed e m a n do fi m p r o v i n g d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fv e h i c l ec h a s s i ss y s t e ma sa ni n t e g r a t e dw h o l e i n t e g r a t e dc o n t r o lo f v e h i c l ec h a s s i ss y s t e mo nd y n a m i cp e r f o r m a n c eh a si n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e sc o m p a r e dt o t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d s ，b e c a u s eo ft h a t ，i ti sn o wo n eo ft h er e s e a r c hh o t s p o t so f i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hf i e l d t h ek e yp o i n to ft h i st e c h n o l o g yi sh o wt oi m p r o v ev e h i c l e d y n a m i cp e r f o r m a n c ea s a ni n t e g r a t e dw h o l eb ya d o p t i n ge f f e c t i v ea n dr e a s o n a b l e i n t e g r a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yt od i s p e lc o n f l i c t sa n di n t e r f e r e n c e sa m o n gs e v e r a lc o n t r o l s y s t e m s ，u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a td i f f e r e n ts y s t e m ss h a r es a n l ei n f o r m a t i o nc o m ef r o m t r a n s d u c e r s t h i sp a p e re x p l o r e dt h ei n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g yo fa b s ，e s p ，a s ss y s t e m so nt h e b a s i so fa n a l y z i n gc o r ec o n t r o ls t r a t e g i e so ft h e s et h r e es y s t e m s f i r s t l y ，a n a l y z et h e d e v e l o p m e n tt r e n do fc h a s s i se l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m sa n di n t e g r a t e dc o n t r o lt h e o r y s e c o n d l y ，a n a l y z et h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n dc o n t r o lm e t h o d so fa b s a n da s s s y s t e mw h i c h a r ea l r e a d yd e v e l o p e da n dw i d e l yu s e d ，e x p l o r e dt h ec o n t r o la l g o r i t h mo fe s ps y s t e mw h i c h a r en o tc l e a r l ye n o u g ht od o m e s t i cr e s e a r c h e r s ，p u tf o r w a r da ne f f e c t i v ee s pc o n t r o l a l g o r i t h ma n dv e r i f i e di t sf e a s i b i l i t y l a s t l y ，a n a l y z et h ef a c t o r so fc o n t r a d i c t i o na nc o n f l i c t s a m o n gt h et h r e es y s t e m sw h e ni tc o m e st oi n t e g r a t e dc o n t r o l ，b r i n gf o r w a r da ni n t e g r a t e d c o n t r o ls t r a t e g ya n du s ec o s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yb e t w e e na d a m s c a rs o f t w a r ea n d m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e ，v e r i f i e di t st h ee f f e c t i v e n e s so nt h eb a s i so fm u l t i b o d yd y n a m i c m o d e ls i m u l a t i o na n da n a l y s i s k e y w o r d s ：v e h i c l ec h a s s i ss y s t e m ；e l e c t r o n i cc o n t r o l ；i n t e g r a t e dc o n t r o l ；m u l t i b o d y d y n a m i c s ；c o s i m u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可 以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手 段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、，) 学位论文作者签名：杨嫦 指导老师签名： 诵手 日期：乃加争钐玲棚目期：2 。1 。口中，a 二 j 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： l 对比较成熟的a b s 、a s s 两个典型的底盘电控系统的控制策略和控制方法进行 了解析，并在此基础上采用有效的算法用于本文后续研究。 2 对目前国内尚未掌握其核心控制算法的e s p 系统进行了控制算法的探索，提出 了有效的e s p 控制算法并验证了其可行性。 3 参考单系统a b s 、a s s 、e s p 的系统控制目标量，分析各系统之间矛盾因素， 确定不同行驶状态下集成控制系统不同的目标控制量并构建控制策略。 4 基于a d a m s c a r 建立车辆系统多体动力学模型，并在此基础上探索 a d a m s c a r - m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真技术在汽车“控制系统机械系统”协同仿真 方面的应用，建立起车辆系统和控制系统协同工作的a d a m s c a r - m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真信息交换模型，并验证控制策略的有效性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：味多嫦 日期：弘中峭硐 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 自从2 0 世纪8 0 年代以来，为了提高汽车性能，人们开发了各种各样的底盘电子 控制系统，如a b s ( a n t i 1 0 c kb r a k es y s t e m ，防抱死制动系统) 、a s s ( a c t i v es u s p e n s i o n s y s t e m ，主动悬架系统) 、e p s ( e l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n g ，电子助力转向) 、e s p ( 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 ，电子稳定程序) 、a s r ( a n t i s l i pr e g u l a t i o n ，驱动防滑控制) 、a c c ( a d a p t i v ec r u i s ec o n t r o l ，自动巡航控制) 等。汽车底盘系统是一个模型阶次高、输 入输出变量多的复杂系统，因此针对整个底盘系统设计单一的控制器是不可行的，故 而上述各系统也都是针对汽车不同的功能子系统而设计的控制器。然而，汽车底盘系 统是一个有机整体，随着车辆底盘系统复杂程度及人们对车辆性能要求的日益提高， 单系统的控制已经无法兼顾整车性能的提高。而且，因汽车各个方向的运动并非独立， 各个子系统控制目标之间是相互联系、相互影响的，当各个子系统按照各自不同的性 能指标达到最优的控制效果时，这些可控子系统的简单组合并不能获得良好的整体性 能，各系统的“组合运用”会导致如下问题：( 1 ) 各个控制系统的控制目标不一致，如 a s s 的主要控制目标是舒适性，e s p 的主要控制目标是操纵稳定性，将两者“组合运 用”时会由于控制目标不一致而冲突；( 2 ) 各个控制系统对执行器的控制存在干涉，如 制动器同时受到驾驶员、a b s 和e s p 等的控制；( 3 ) 系统的冗余如传感器、线柬冗余较 大等问趔。因此需要对各个系统进行集成控制才能提高整车综合性能。 汽车底盘动力学集成控制是国际汽车研究领域的热点问题之一。因为它有着传统 控制无法比拟的优点，具体如下：( 1 ) 消除各系统间的冲突，改善车辆性能：集成控制 能通过一定措施协调控制目标间的不一致，消除可能存在的冲突和干涉，进而改善车 辆性能；( 2 ) 减少传感器，降低系统复杂性：控制系统所需要的部分传感器信号是相同 的，可以通过集成实现传感器共享。另外随着底盘电控系统数量的不断增加，控制器、 传感器和执行器都大大增多，造成电子线路复杂，布局混乱，成本上升，还造成检修 和维护的困难。集成控制从系统工程的角度，整合现有的控制器，简化系统结构，大 大降低系统的复杂性。 随着计算机技术的发展和c a n b u s 技术( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k b u s ，控制器 局域网总线技术) 引入汽车控制技术中，降低系统复杂程度将不难解决【2 1 。汽车底盘集 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 成控制技术的关键是如何采取有效合理的整合控制策略，在各系统共享传感器信息的 条件下，消除各系统间的冲突和干涉，进而整体上改善车辆性能。 根据汽车的运动状态，电控系统的调控主要为通过纵向的制动和驱动控制、横向 的转向和横摆力矩控制以及垂向的悬架控制来对汽车运动状态进行调节。而a b s 、e s p 、 a s s 作为保证汽车安全性、操稳性、平顺性的典型控制系统，成为行业研究、开发和 使用的热点。上述三者也分别是通过纵向的制动控制来防止制动车轮抱死、通过对横 向的横摆力矩的控制来达到保证车辆转向稳定性能、通过对悬架垂向受力进行调节来 保证车辆的行驶平顺性的典型系统，因此用a b s 、e s p 、a s s 三个系统进行集成控制 策略探索，协调纵向、横向、垂向三个方向的控制目标，也具有典型意义。 在汽车底盘集成控制方面，日本以及欧、美等一些发达国家的汽车行业研究得比 较早，积累了很丰富的经验，也有比较成型的产品面世。而我国不论在控制策略还是 集成控制技术方面都相对较晚，目前也没有国产化的集成控制产品问世。 日本较早开始研究底盘集成控制。在1 9 8 7 年研制的日产a r c x 车上就有了集成 控制系统。而在丰田的f x v - i i 研究实验车上装备有主动悬架a s s 、四轮驱动4 w d 、 四轮转向4 w s 、a b s 和牵引力控制系统t c s ，控制器按照驾驶员意图，根据二定的控 制规律控制执行器，以达到优化整车性能的目的。c o n t i n e n t a l 公司在e s p 的基础上增 加主动转向系统，开发了e s p i i 3 1 ，其中集成了a b s 、t c s 、d y c ( d i r e c ty a wm o m e n t c o n t r o l ，横摆力矩控制系统) 和a f s ( a d a p t i v ef r o n tl i g h t i n gs y s t e m ，自适应前照灯系 统) 等控制系统。最基础的控制能力如制动防抱死、驱动防滑及转向功能依然由底层 的a b s 、t c s 和a f s 独立完成。汽车的转向稳定性功能则由e s p i i 控制层统一管理， e s p i i 通过网络获得a f s 、a b s 、t c s 和e s p 的所有信息，并通过网络向这些系统传 达控制指令。e s p i i 比e s p 有着更好的性能，在附着系数分离路面上能缩短制动距离， 减少驾驶员转向输入，在换道试验时也减小了驾驶员输入，提高了车辆的稳定性。b o s c h 公司正在开发车辆动力学管理系统v d m ( v e h i c l ed y n a m i c sm a n a g e m e n t ) h 】，该系统是在 车辆动力学控制系统v d c ( v e h i c l ed y n a m i c sc o n t r 0 1 ) 的基础上增加了转向和悬架控制 系统，通过控制策略将所需的横摆力矩合理分配到制动、转向和悬架控制系统中。同 样d e l p h i 公司开发了类似的统一底盘控制系统u c c ( u n i f i e dc h a s s i s c o n t r o ls y s t e m ) p j 。 国内学者在底盘集成控制技术方面也做了不少研究，如牛礼民等对多智能体理论 在车辆底盘集成控制中的应用【6 】做了阐述，为车辆底盘系统的集成控制提供了一种新的 理论方法和途径。沈晓呜、喻凡等对基于广义执行器受控对象的车辆底盘集成控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 进行了研究【7 1 ，邱绪云对汽车底盘集成控制液压系统进行了研究【8 】，武建勇等对提高车 辆操纵稳定性的底盘集成控制系统进行了设计与方法研究【9 1 ，王伟等对无人驾驶电动游 览车底盘集成控制进行了研列1 0 】。 上述研究成果，为本文的研究奠定了很好的基础。然而，国内汽车界无法获知国 外先进集成控制技术内核，而国内目前在这方面的研究尚处于探索阶段，多为针对车 辆性能某个侧面的小范围内的集成控制。本文将针对底盘a b s e s p a s s 三个典型系统， 建立一个涵盖纵向的制动控制、横向的横摆力矩控制以及垂向的悬架控制的比较完善 的底盘集成控制系统，涉及汽车操稳性、舒适性、主动安全性三大方面的改善，这在 采用主动控制技术进行整车性能改善方面具有重要意义。 1 2 典型底盘电控系统 底盘的作用是支承、安装汽车发动机及其各部件、总成，形成汽车的整体造型， 并接受发动机动力，使汽车产生运动，保证汽车正常行驶。底盘系统包含了车架( 承 载式车身) 、车轮、悬架、制动、转向等子系统，在传统意义上它影响着整车的舒适性、 安全性与操控性。 ( 1 ) 电控悬架系统】。汽车悬架作为车架( 承载式车身) 与车轴( 或车轮) 之间 的连接传力构件，在保证舒适性( 舒适性是目前乘用车重要的使用性能之一，舒适性 与汽车车体自身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性与悬架的结构有关) 的 同时，保证汽车行驶的安全性。 汽车不同的行驶状态对悬架有不同的要求： 一般行驶时需要柔软一点的悬架以求舒适感： 当急转弯、制动或行驶在凹凸不平路面时，需要硬一点的悬架以求稳定性。 从悬架控制能力的角度可将悬架分为被动悬架( p a s s i v es u s p e n s i o ns y s t e m ) 、半主动 悬架( s e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m ) 矛 1 主动悬架( a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m ，a s s ) 。 被动悬架由传统的弹簧、减振器、导向机构等组成，如图1 1 ( a ) 所示。它的主 要作用是缓和路面传给车身的冲击力，衰减由冲击力而引起的承载系统的振动。其中 弹簧主要起减缓冲击力的作用，减振器主要起衰减振动的作用。由于这种悬架是由外 力驱动而起作用，所以称之为被动悬架。被动悬架无法满足汽车不通行驶状态的不同 要求，只能采取折中的方式去解决。 半主动悬架也称无源主动悬架，它没有动力源为悬架系统提供能量输入- 。改变悬架 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ,illii ii_! 刚度要比改变悬架阻尼状态困难得多，常见的控制思路是将减振器阻尼分为两级或三 级，由驾驶员或电控单元根据传感器信号自动选择所需要的阻尼级，使悬架性能总处 于最优状态附近，如图1 一l ( b ) 所示。 主动悬架能够自行产生作用力，采用一种“以力抑力”的方式来抑制路面对车身的 冲击力及车身的倾斜力。它具备三个条件： 具有能够产生作用力的动力源； 执行元件能够传递这种作用力并能连续工作； 具有多种传感器并将有关数据集中到微电脑进行运算并决定控制方式。 毒牟 l m l 五 t 弓 ( a ) 被动悬架 l 鸩 毒牟 卜l ，兰i 之伽听o r e 寻 l m | j j 弓 ( b ) 半主动悬架 ( c ) 主动悬架 图i - i 悬架型式对比图 例如装置了主动悬架的法国雪铁龙桑蒂雅，该车悬架系统的中枢是个微电脑， 悬架上有5 种传感器，分别向微电脑传送车速、前轮制动压力、踏动油门踏板的速度、 车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。电脑不断接收这些数据 并与预先设定的临界值进行比较，选择相应的悬架状态。同时，微电脑独立控制每一 只车轮上的执行元件，通过控制减振器内油压的变化产生抽动，从而能在任何时候、 任何车轮上产生符合要求的悬架运动。因此，桑蒂雅桥车各有多种驾驶模式选择，驾 车者只要扳动位于副仪表板上的“正常”或“运动”按钮，轿车就会自动设置在最佳 的悬架状态，以求最好的舒适性能。 另外，主动悬架具有控制车身运动的功能。当汽车割动或拐弯时的惯性引起弹簧 变形时，主动悬架会产生一个与惯力相对抗的力，减少车身位置的变化。例如德国奔 驰2 0 0 0 款c l 型跑车，当车辆拐弯时悬架传感器会立即检测出车身的倾斜和横向加速 。 度，电脑根据传感器的信息，与预先设定的临界值进7 7 l 1 二较计算，立即确定在什么位 置上将多大的负载加到悬架上，使车身的倾斜减到最小。 j u 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 2 ) 制动调节系统【l i - 12 1 。汽车制动系是根据驾驶员需要，使行驶中的汽车减速或 停车，使下坡的汽车速度保持稳定以及使已经停驶的汽车保持不动的系统。汽车制动 系是保证汽车动力性能发挥和行车安全的最基本的系统，它通常必须具备让汽车在行 车过程中的及时减速甚至停车的功能；让汽车在下长坡时具有稳定车速，不使汽车速 度越来越快的功能；对已停驶( 特别是在坡道上停驶) 的汽车维持汽车停驻功能，所有 这些能力统称为汽车的制动性能。上述3 方面分别代表了汽车的行车制动、辅助制动 和驻车制动的要求。为满足这三种要求，汽车上所配置的制动系又可分别称之为行车 制动系、辅助制动系和驻车制动系。辅助制动系和驻车制动系多为机械制动装置，机 械制动工作可靠，且能满足辅助制动和驻车制动的制动要求。 但当行车在湿滑路面上突遇紧急情况而实施紧急制动时，单纯的机械制动装置可能 导致汽车在制动过程中出现车轮抱死，进而导致交通事故。为了消除汽车在紧急制动 过程中出现车轮抱死，避免由此而引发的危险状况而出现了以制动压力调节为手段的 制动防抱死系统( a n t i l o c kb r a k es y s t e m ，a b s ) 。带有a b s 的汽车制动系统由基本 制动系统和制动力调节系统两部分组成，前者是制动主缸、制功轮缸和制动管路等构 成的普通制动系统。用来实现汽车的常规制动，而后者是由传感器、控制器、执行器 等组成的压力调节控制系统，如图1 2 所示。当制动时，在制动压力调节系统中，传 感器承担感受系统控制所需的汽车行驶状态参数，将运动物理量转换成为电信号的任 务。控制器( 即e c u ) 根据传感器信号及其内部存储信号。经过计算、比较和判断后， 向执行器发出控制指令，同时监控系统的工作状况。而执行器( 制动压力调节器) 则根 据e c u 的指令，依靠由电磁阀及相应的液压控制阀组成的液压调节系统对制功系统实 施增压、保压或减压的操作，让车轮始终处于不抱死的理想的制动状态。 图1 - 2a b s 制动压力调节系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 当制动时，在制动压力调节系统中，传感器承担感受系统控制所需的汽车行驶状态 参数，将运动物理量转换成为电信号的任务。控制器( 即e c u ) 根据传感器信号及其 内部存储信号。经过计算、比较和判断后，向执行器发出控制指令，同时监控系统的 工作状况。而执行器( 制动压力调节器) 则根据e c u 的指令，依靠由电磁阀及相应的液 压控制阀组成的液压调节系统对制功系统实施增压、保压或减压的操作，让车轮始终 处于不抱死的理想的制动状态。 ( 3 ) 转向稳定性控制系统【l i b 】。汽车在行驶过程中，需要经常改变行驶方向( 转 向) 。轮式汽车行驶方向的改变是通过转向轮( 一般是前轮) 相对于汽车纵轴线偏转一 定角度来实现的。 电子稳定程序系统( 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 p ) 作为一种汽车主动安全装 置，主要作用为在车辆转向时使车辆系统很好地跟随驾驶员的驾驶意图，对于提高汽 车操纵稳定性，防止车辆失稳，预防发生行车事故亦有着十分重要的意义。 e s p 系统主要由传感器、控制单元、执行器组成。传感器负责采集车身状态的数 据；控制单元负责将传感器采集到的数据进行计算并发出控制指令；e s p 的执行器即 为4 个车轮的行车制动系统，三个系统各司其职，以保证车身行驶状态能很好地跟随 驾驶员意图，同时防止车辆失稳。e s p 对过度转向或不足转向特别敏感，例如汽车在 路滑时左拐过度转向( 转弯太急) 时会产生向右侧甩尾，传感器感觉到滑动就会迅速 制动右前轮使其恢复附着力，产生一种相反的转矩而使汽车保持在原来的车道上。 1 3 汽车底盘动力学集成控制思想及发展趋势 从1 2 节可看出，各电控系统分别是基于各底盘系统基础上针对车辆某方面性能进 行控制和调节的，各电控系统依赖于相应的机械系统来进行控制参数的获取和控制作 用的发挥。通常，在进行单一控制系统开发时，通常关心的只是能否实现该系统本身 的控制目标，不会过多考虑当将他们加入车辆总体系统中来时，对其他子系统的影响。 而对于车辆总体而言，各机械系统之间是相互关联、相互影响的。基于单一考虑某方 面性能而开发出来的单一控制系统，可能导致这个方面性能改善而另一方面性能得不 到改善甚至恶化另方面性能。比如a s s 系统很好地提高了车辆的平顺性，却可能会 引起轮胎垂直载荷的变化而对制动性能和转向时的操纵稳定性产生不好的影响。而 a b s 进行制动控制或e s p 通过制动来调节横摆力矩时，也必然对车辆的平顺性产生影 响。进步而言，以轮胎在纵向、横向及垂向的受力特性为中心，纵向的制动和驱动 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 - - i_i_ imi i 控制( a b s ) 、横向的转向和横摆力矩控制( e s p ) 以及垂向的悬架控制( a s s ) 这三类控制 可分别对应制动驱动时的安全性、操纵稳定性、乘坐舒适性3 个性能指标。由于耦合 性的存在，如果把上述各单一控制系统“组合运用”，那么系统在作用的同时，就会在 各系统之间产生相互干扰，对自身未起控制作用的其他方面性能产生不可忽视的影响 【i4 1 。为了避免单系统控制的相互干扰，以改善整个车辆的动力学特性，对各个单一控 制系统进行协调和集成就成为必要。 集成控制是一个系统工程问题。汽车是一个有机的系统，各个元素之间对立统一。 一方面，对汽车中任何一个可控子系统的控制都会对汽车对应的使用性能产生影响； 另一方面，多个可控子系统的并存，必然存在着相互协调的问题。当对各个可控子系 统按各自不同的性能指标进行优化控制时，由于各系统间相互制约、相互影响，对这 些可控子系统的简单叠加并不能获得良好的综合性能，必须从整体性、相关性加以考 虑。为了避免单独控制的相互干扰，以改善车辆的整体性能，因而产生了集成控制的 概念，也叫协调控制或综合控制【l 4 1 。 以两个子系统a 、b 的控制来说明集成控制的意义。如图1 3 所示，在控制过程中， 往往出现这样的情况，即只控制子系统a 虽然能使车辆性能a 大幅度上升，但性能b 却受子系统a 的影响而稍有降低。这对只控制子系统b 的情况也类似。而如果单纯地 把控制子系统a 和控制子系统b 组合在一起( a + b ) ，那么性能a 和b 的向量和，可能 比单独控制的a 还小。但依靠集成控制( a 木b ) 则可以尽量消除这种相互间的不利影 响，并可以使车辆达到大于向量之和给出的性能。 图l _ 3 集成控制意义 自上世纪9 0 年代以来，人们就开始关注提出车辆底盘综合集成控制系统的概念， 试图在包含多种控制功能与执行机构的车辆底盘运动控制中，设置一个控制器或者协 调器，在对执行机构和传感器信息的需求合理共享的基础上，产生一种协调机制，使 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 各子系统间的功能与动作不发生干涉和冲突，以实现最优的综合性能。而集成控制的 理论基础在于轮胎的力学特性和车体运动在各个方向的耦合关系，各种集成控制方法 均为在此基础上的对耦合关系的补偿和调节。日本学者m a s a t oa b e 等人将这种耦合关 系及以此为基础的底盘综合系统进行了概括【l 孓m 】，如图1 4 所示， 圈1 4 车辆动力学耩合关系 由图1 4 可知，单功能控制系统的“组合运用”必然导致各系统间的相互干扰，要 综合改善车辆的动力学特性，必须要对各个控制系统进行协调和集成。随着汽车技术 和电子技术的进步，车辆底盘控制系统的发展呈现出以下趋势 l ： ( 1 ) 电子技术的比重将越来越大于机械技术的比重： ( 2 ) 汽车底盘电控系统将逐步由单系统控制到多系统独立控制再到多系统集成协调 控制的方向发展，将多个针对不同性能的系统集成为个总的稳定性控制系统，然后 通过数据传输单元( 如c a n 总线等) 进行通信，由中央控制器进行集中控制和决策； ( 3 ) 电控单元和汽车电器之间的通讯方式将由现在的多方式通讯，发展成为c a n 总 线和常规信号线的联接，再到两线制，即所有的数据都通过总线交流，最终发展成为 无线通讯： ( 4 ) 传感器和执行器朝智能化发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ! m l _ 曼! ! 蔓曼! ! ! ! ! ! ! 皇曼! ! 寰寰蔓寰曼曼蔓皇寞舞舞孽孽皇鼍鼍舅鼍皇曼蔓 1 4 论文意义、主要研究内容及解决的关键问题 汽车底盘系统集成控制策略是汽车底盘动力学集成控制的核心，在整合目前已有 的单一功能控制系统( 单系统) ，进一步改善车辆性能尤其是整体上改善车辆性能方面 起着决定性的作用。a b s 、e s p 、a s s 是汽车底盘系统上分别针对纵向的制动控制、横 向的横摆力矩控制以及垂向的悬架控制来进行主动控制的典型系统。论文从工程实际 应用的角度出发，以典型车型为背景，构建出合理的a b s e s p a s s 集成控制策略并进 行仿真验证，为该领域进一步的研究和应用做初步的探索。 论文以解决单系统控制系统无法兼顾整车性能提高而多系统“组合运用”意义上 的集成控制会导致控制目标冲突及执行器干涉等问题为目标，找出单系统a b s 、e s p 、 a s s 之间矛盾因素，提出针对典型车型的基于整车性能改善的底盘集成控制策略。包 含以下研究内容： ( 1 ) 解析单系统核心控制策略：对比较成熟的a b s 、a s s 两个典型的底盘电控系 统的控制策略和控制方法进行了解析，对目前国内尚未掌握其核心控制算法的e s p 系 统进行了控制算法的探索，提出了有效的e s p 控制算法并验证其可行性； ( 2 ) 确定集成控制目标，构建集成控制策略：参考单系统a b s 、a s s 、e s p 的系 统控制目标量，分析各系统之间矛盾因素，确定集成控制系统目标控制量，并在此基 础上制定集成控制策略； ( 3 ) 仿真模型的建立：借鉴以往研究成果，建立适合本课题研究的车辆系统多体 动力学模型，探索a d a m s c a r m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真技术在汽车“控制系统一 机械系统”协同仿真方面的应用，建立起车辆系统和控制系统协同工作的 a d a m s c a r - m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真信息交换模型： ( 4 ) 控制效果检验：采用所建立的多体动力学联合仿真信息交换模型，仿真验证 所建立控制策略的正确性。 在论文完成过程中，解决了以下关键问题： ( i ) e s p 控制算法的提出： ( 2 ) 集成控制系统的目标控制量的确定：确定各单系统的目标控制量，分析各单 系统目标控制量问的相互影响关系，进而确定集成控制系统的目标控制量； ( 3 ) 分布式集成控制策略的构建：解析a b s e s p a s s 作为单系统的控制逻辑， 在此基础上构建基于行驶工况权衡的“上层管理系统9 9 7 对各单系统进行管理和协调， 解决“组合运用”的“简单集成”控制系统间存在的控制目标冲突及执行器干涉等问 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 _mm 题； ( 4 ) 用于集成控制策略验证的车辆系统多体动力学联合仿真模型的建立：根据多 体系统动力学理论及a d a m s c a r 软件相应知识，构建基于背景车型的可用于集成控制 系统联合仿真的多体系统动力学模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章各子系统控制策略解析 2 1a b s 防抱死制动系统 2 ，1 1 车轮受力分析 在良好硬路面上制动时汽车车轮受力情况如图2 1 所示。图中，z 是汽车车体作用 于车轮的垂直载荷，乃是制动器制动力矩，c 厂是地面制动力力矩，g 是地面对车轮的 法向反力，t 是地面提供的制动力。滚动阻力偶矩和减速时车轮自身的惯性力、惯性 力偶矩均忽略不计。 图2 - l 车轮受力图 地面制动力随制动器制动力矩的增大丽增大，但受轮胎与地面闻最大摩擦力即地 面附着力的限制【1 8 】。令地面附着系数为p ，有： f x “e ( 2 - 1 ) 当t b r pf z 时f x = t b ， ( 2 2 ) 当t b r pf z 时f x = ”f z ( 2 3 ) 如式2 一l 至2 - 3 所示，汽车制动过程中，要想达到好的制动效果，不仅要有足够 的制动器制动力，还要有较高的附着力才行。而在垂真载荷确定的情况下，附着力的 大小由附着系数决定。 2 1 2 附着系数与滑移率 汽车正常行驶时，可认为车速与车轮速度相同，车轮在路面上做纯滚动运动。汽 车制动时，由于地面制动力的作用，车轮速度减小，车轮处于“既滚又滑”的状态， 且随着制动强度的增加，车轮滚动成分越来越少，滑动成分越来越多，直到制动停止 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 为止。用滑移率来表征汽车制动过程中滑动成分的多少。滑移率定义为： s ：竺旦x 1 0 0 ：1 。- - w x 1 0 0 “u ( 2 4 ) 其中，u 为车速( 即车轮中心纵向速度) ，“w 为车轮速度( 车轮瞬时圆周速度) ，r 为车轮半径，w 为车轮转动角速度。 因汽车制动时，不只受纵向的路面制动力，同时还可能因受侧向力的作用而发生 侧偏或侧滑现象【憾1 ，而这也是影响汽车制动安全性的重要因素。试验表明，汽车制动 时，纵向附着系数、侧向附着系数与滑移率的关系如图2 ，2 所示。 图2 - 2 附着系数与滑移率关系曲线 汽车制动时，由于车速与车轮速度必然存在差异，滑移率从0 1 0 0 变化，当 车轮抱死时其滑移率为1 0 0 ，此时车轮抱死。此时附着系数极低，地面不能提供足够 的制动力，车辆将失去可操控性并极易侧滑，极易产生交通事故。 由图2 2 可知，制动时若将滑移率保持在最佳滑移率s 。( 一股为2 0 ) 附近，则 可同时获得较大的纵向附着系数和侧向附着系数，不仅能提供有效的地面附着力，避 免出现交通事故，而且可以获得好的制动性能和侧向稳定性。 2 1 ，3a b s 工作原理 a b s ( a n t i l o c kb r a k es y s t e m ) 防抱死制动控制系统，就是基于将滑移率控制在 最佳滑移率附近( 一般为1 0 - - , 2 5 的范围) ，以达到避免车轮失控，同时获得好的制 动性能和侧向稳定性目的装置。 一个典型的a b s 系统主要由轮速传感器、控制e c u 、制动压力调节装置组成。 制动时，由安装于车轮处的轮速传感器将各车轮的轮速信号输入给e c u ，e c u 根 据该信号计算出实际的滑移率，与最佳滑移率比较，比较表达式为： 厶2 j p j ( 2 弓) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 式中，s 。为期望达到的最佳滑移率，j 为实际滑移率。 e c u 根据血值对各车轮的运动状况进行分析判断，相应的控制逻辑如下： 血- k0 时，减小制动力； 血= 0 时，保持制动力； 血 0 时，增大制动力。 并将形成相应的控制指令，发送给制动压力调节装置对制动力进行调节，如图2 - 3 所示。 图2 - 3a b s 原理图 a b s 与常规制动系统相比，有以下特点【四l ： ( 1 ) 改善制动效能：可以充分利用纵向峰值附着系数和较大的侧向附着系数，使 车轮和地面间产生最大的地面制动力，缩短了制动距离； ( 2 ) 改善车辆制动时的方向操纵性能：车辆制动时如果前轮抱死拖滑，车辆就失 去了转向操纵能力，只能按惯性力的方向运行，无法避开行人和障碍物。可以防止前 轮抱死滑移，从而避免车辆丧失转向能力的现象发生； ( 3 ) 改善车辆制动时的侧向稳定性能：如果车轮抱死，侧向附着系数就非常小， 车辆极易侧滑。把滑动率控制在之间，横向附着系数较大，有足够的抵抗侧向干扰的 能力： ( 4 ) 减小轮胎的局部磨损：车辆抱死滑移会造成轮胎局部磨损，缩短轮胎的使用 寿命，可以防止这种情况出现； ( 5 ) 减轻了驾驶员的劳动强度，提高了乘客的乘坐舒适性和安全性； ( 6 ) 使用方便，工作可靠：制动时只要把脚踩在制动踏板上，就自动进入工作状 态，以最佳制动效果制动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 1 4a b s 控制算法 a b s 的e c u 控制算法是a b s 技术的研究核心。多年来，国内外学者对a b s 的 控制算法进行了很多研究，形成了以下几种控制算法： ( 1 ) 逻辑门限值法 目前a b s 系统多数已有产品均为采用加、减速度门限值控制的方法来进行控制。 在制动过程中，预选一个角速度门限值。，当实际的角速度国即将小于此门限值时， 控制器发出指令，减 j , f 右j j 动压力以使车轮加速旋转；再选一个角速度门限值哦：，当实 际的角速度即将超过此门限值时，控制器发出指令，增大制动压力，车轮做减速运 动。逻辑门限值控制简单方便，但其控制系统中的各种门限值及保压时间均为从反复 试验中得出的经验数据，而无充分的理论依据，系统稳定性等品质难以评价 2 0 2 1 1 。 ( 2 ) p i d 控制 p i d 控制的参数整定是建立在试凑基础上的，只要现场整定p i d 参数合适，就能 达到较好的控制效果。在a b s 中定义期望的滑移率s 。与实际滑移率s 之差厶为p i d 控 制器输入，由控制算法算出控制压力值反馈给制动系统，构成典型的反馈控制。其缺 点是控制效果好坏依赖于参数整定的精确程度，且整定参数不具备可移植性【2 02 l 。 ( 3 ) 最优控制 最优控制的方法是基于状态空间法的现代控制理论方法。它根据车辆一地面系统的 数学模型，采用状态空间的概念，在时域内研究车辆a b s 系统。最优控制方法是一种 基于模型分析的控制方法，其思路是根据a b s 系统的各项控制要求，按照最优化原理 来求得a b s 系统的最优控制目标。这种控制方法的优点是考虑了控制过程中状态变化 的历程而使控制过程平稳，缺点是控制效果的优劣依赖于系统的