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汽车驱动防滑控制系统的控制规律研究 摘要 汽车驱动防滑控制系统( a s r ) 是一种在汽车驱动起步或加速时能够自动控 制驱动车轮的驱动力矩，使驱动轮不致过度滑转，以提高汽车的动力性和行驶 安全稳定性能的汽车电子控制系统。在本文中，简述了汽车防滑控制在国内外 的发展现状、基本原理和结构；探讨了汽车驱动防滑转( a s r ) 控制理论，分别 从理论上介绍了汽车驱动防滑转控制方式、汽车驱动防滑转控制策略、汽车驱 动防滑转控制算法：并且重点介绍了p i d 控制算法、模糊p i d 控制算法和滑模 变结构控制算法在汽车驱动防滑控制中的应用及p i d 控制算法和滑模变结构控 制算法参数的选择。 在本论文中，以6 8 2 0 客车为研究对象，建立了汽车驱动防滑控制的数学模 型，包括汽车驱动时整车动力学数学模型、发动机数学模型、传动系数学模型、 轮胎一地面数学模型以及制动器数学模型。在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建 立了6 8 2 0 客车的理论仿真模型，根据模型建立各个工况下的控制模型，主要包 括：p i d 控制模型、模糊p i d 控制模型、滑模变结构控制模型。在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下，采用不同的控制算法对低附着路面( 附着系数为 0 2 ) 和对开路面( 附着系数为0 2 0 8 ) 进行仿真，低附着路面采用发动机油门 控制，对开路面采用制动控制，使驱动轮的滑动率控制在目标值附近。并对各 控制策略的仿真结果进行比较和分析，通过比较和分析可以得出：滑模变结构 控制算法相对其他两种控制算法的效果要好。通过和常规驱动仿真结果的比较 和分析，可以看出：在本论文中，建立的基于p i d 、模糊p i d 和滑模变结构三 种汽车牵引力控制算法的f 确性；通过常规试验和仿真结果的对比，验证了仿 真模型的可靠性和正确性。 关键词：汽车；驱动；防滑控制：控制规律 t h e r e g u l a t i o nc o n t r o lr e s e a r c ho nt h ea u t o m o b i l ea n t i s l i p r e g ul a t i o nc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t a n t i s k i dr e g u l a t i o n ( a s r ) i sak i n do fa u t o m o b i l ee l e c t r o n i ce q u i p m e n tt h a t u s e di nd r i v i n go ra c c e l e r a t i n go fv e h i c l e ，w h i c hc a nc o n t r o la u t o m o b i l ed r i v i n g w h e e l s s k i dt oe n h a n c et h ea u t o m o b i l ed r i v i n gp e r f o r m a n c ea n dt r a f f i cs a f e t y i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n d s t r u c t u r eo fa n t i s k i dr e g u l a t i o nw e r eb r i e f l yd e s c r i b e d ；t h ec o n t r o lt h e o r yo f a n t i - s k i dr e g u l a t i o nw a sd i s c u s s e d t h ev e h i c l e sc o n t r o lf o r m s c o n t r o ls t r a t e g i e s a n dc o n t r o la l g o r i t h m so fa s ra n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h ea s ro fp i dc o n t r o l a l g o r i t h m ，f u z z y p i dc o n t r o la l g o r i t h ma n dt h es l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r e c o n t r o la l g o r i t h ma n dt h es e l e c t i o no fp a r a m e t e r so fp i dc o n t r o la l g o r i t h ma n d t h es l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o la l g o r i t h mw e r ef o c u s e di n t r o d u c e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a s rm a t h e m a t i cm o d e l sw e r ep r o v i d e da c c o r d i n gt ot h e 6 8 2 0b u s ，s u c ha s ：v e h i c l em o d e l ，e n g i n em o d e l ，t r a n s m i s s i o nm o d e l ，w h e e l sm o d e l a n db r a k es y s t e mm o d e l i nt h ep a p e r , t h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o nm o d e lw a ss e tu p u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n ka n dt h ec o n t r o l l e rm o d e l sw e r e a l s oc r e a t e da c c o r d i n gt od i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s s u c ha s ：p i dc o n t r o l m o d e l ，f u z z y - p i dc o n t r o lm o d e la n dt h es l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r e c o n t r o lm o d e l d i f f e r e n tc o n t r o la l g o r i t h m sw e r eu s e di nt h i sm a t h e m a t i cm o d e l a c c o r d i n g t od i f f e r e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n so fl o wl o w f r i c t i o nr o a d ( f r i c t i o n c o e f f i c i e n to fo 2 ) a n do f fr o a d ( f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f0 2 0 8 ) u n d e rt h e e n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n k ，d i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d sw e r eu s e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h er e s u l t sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d a n dt h es l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o la l g o r i t h mw a sp r o v e dt ob e c o r r e c t t h r e ek i n d so fc o n t r o lt h e o r yh a v eb e e np r o v e dt ob ec o r r e c tt h r o u g ht h e c o m p a r i s o no ft h e r e s u l t sb e t w e e nt h en oc o n t r o l l e ra n dc o n t r o l l e r ；a n dt h e s i m u l a t i o nm o d e la l s oh a v eb e e np r o v e dt oc o r r e c ta n dr e l i a b l ea c c o r d i n gt ot h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt e s tr e s u l t s k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e ；d r i v e ；a n t i s l i pc o n t r o l ；r e g u l a t i o nc o n t r o l 插图清单 图1 1滑动率与附着系数的关系曲线3 图2 i 车辆动力仿真框图9 图2 2 发动机静态特性曲线图1 0 图2 3整车动力学模型1 4 图2 4 系统仿真研究基本步骤16 图2 5车辆动力学仿真模型框图16 图3 1p i d 控制系统结构框图2 0 图3 2 模糊控制原理示意图2 1 图3 。3 模糊逻辑控制器的一般原理框图2 2 图3 4 模糊p i d 控制系统结构框图2 3 图3 5 模糊变量e 、耳及k ，、k 。、畅的隶属度函数图2 5 图3 6 滑模变结构控制框图2 7 图3 7 零阶切换函数向平面图2 8 图3 8 一阶切换函数向平面图2 8 图4 1滑动率曲线3 2 图4 2 汽车车速曲线3 2 图4 3 轮速及车速曲线3 2 图4 4 右后驱动轮滑动率曲线3 3 图4 5 汽车车速曲线3 3 图4 。5 左右驱动轮轮速曲线3 3 图4 6p i d 油门控制模块图3 4 图4 7 不同k 。值的滑动率曲线变化图3 5 图4 8不同k 值的滑动率曲线变化图3 5 图4 9 不同蟛值的滑动率曲线变化图3 5 图4 1 0 滑动率变化曲线3 6 图4 11 车速变化曲线3 6 图4 1 2 车速及轮速变化曲线3 6 图4 13油门开度变化曲线3 7 图4 1 4p i d 制动控制模块图3 7 图4 1 5 滑动率变化曲线3 8 图4 1 6 车速变化醯线3 8 图4 17 车速及轮速变化曲线3 8 图4 1 8 制动力矩变化曲线3 8 图4 1 9f u z z y - p i d 油门控制模块图3 9 图4 2 0 滑动率变化曲线3 9 图4 2 1 车速变化曲线4 0 图4 2 2 车速及轮速变化曲线4 0 图4 2 3 油门开度变化曲线4 0 图4 2 4f u z z y - p i d 油门控制模块图4 1 图4 2 5 滑动率变化曲线4 l 图4 2 6 车速变化曲线4 1 图4 2 7 车速及轮速变化曲线4 2 图4 2 8 制动力矩变化曲线4 2 图4 2 9 滑模变结构油门控制模块图4 3 图4 3 0 不同c 下滑动率的变化曲线图4 3 图4 3 1 不同占下滑动率的变化曲线图4 4 图4 3 2 不同k 下滑动率的变化曲线图4 4 图4 3 3 滑动率变化曲线4 5 图4 3 4 车速变化曲线。4 5 图4 3 5 车速及轮速变化曲线4 5 图4 3 6 油门开度变化曲线。4 5 图4 3 7 滑模变结构制动控制模块图4 6 图4 3 8 滑动率变化曲线。4 7 图4 3 9 车速变化曲线。4 7 图4 4 0 车速及轮速变化曲线4 7 图4 4 l 制动力矩变化曲线4 7 图4 4 2 不同控制方法下滑动率变化曲线4 9 图4 4 3不同控制方法下节气门开度变化曲线4 9 图4 4 4 不同控制方法下滑动率变化曲线5 0 图4 4 5 不同控制方法下制动力矩变化曲线5 1 图5 16 8 2 0 客车实物图5 3 图5 2 道路试验设备布置框图5 4 图5 36 8 2 0 客车低附着路面试验图5 5 图5 46 8 2 0 客车对开路面试验图5 5 图5 4 左前轮角速度5 5 图5 5 右前轮角速度5 5 图5 6 左后轮角速度5 6 图5 7 右后轮角速度。5 5 图5 8 加速度及位移5 6 图5 9 左后轮滑动率5 6 图5 1 0 右后轮滑动率5 6 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 左前轮角速度一一5 6 右前轮角速度5 6 左后轮角速度5 7 右后轮角速度5 7 加速度及位移5 7 左后轮滑动率5 7 右后轮滑动率5 7 表格清单 表3 1k 。的控制规则表2 4 表3 2k 的控制规则表2 4 表3 3k ，的控制规则表2 4 表4 1 仿真客车整车参表3 l 表5 16 8 2 0 客车参数表5 3 表5 2 试验设备表5 4 表5 3 试验结果与仿真结果比较表5 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 盒月垦：! = 些厶堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：多袭 幸位 签字目辫：酶名爿群智 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金旦曼工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金筐王些太堂可 以将学位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、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在鳃密后适用本授权书) 学位敝作者虢煞 签字日期a 缸年蚴也妒 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：狐久 签字b 期：弘肜年纪月旺日 电话： 邮编： 致谢 本文是在尊敬的导师孙骏教授的悉心指导下完成的。在我研究生三年的学习时间 里，孙老师不论是在学业上还是生活上都给予了我极大的支持和帮助。研究生三年的 时光不仅提升了我的专业理论知识，也提高了我实际动手能力，更重要的是使我学会 了分析问题和解决问题的能力。在此，我向导师致以衷心的谢意。 孙骏导师在学业指导及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的治学态 度和道德情操，老师广博的学识、严谨的作风、诲人不倦的教育情怀、对教育事业以 及对汽车产业的热情必将使我受益匪浅，并激励我勇往直前。 感谢刘杰、蒋维龙、郝东辉、汪东斌、王磊及格物楼4 1 0 室所有的兄弟姐妹们在 我的研究课题及论文写作期间给予我的帮助。 在硕士研究生学习期间，汽车教研室各位老师不断给予我成长的机会和无私的关 怀。在此向各位老师表示衷心的感谢。同时，真诚感谢机汽学院的全体老师，他们的 教诲为本文的研究提供了理论基础，并创造了许多条件和学习机会。 最后，感谢多年来所有给予我帮助、关心和支持的亲朋好友，祝大家万事如意! 作者：熊小根 2 0 1 0 年3 月 第一章绪论 1 1汽车防滑控制的发展及研究现状 驱动防滑控制系统，即a s r ( a n t i s k i dr e g u l a t i o n ) 系统，又称为牵引力控制系 统( t c s ) 。其作用就是防止汽车在起步加速阶段驱动轮出现过度滑转的现象， 使驱动轮的滑动率维持在最佳范围内，维持车辆行驶方向稳定，保证车辆具有 良好的操纵稳定性和动力性，提高汽车的行驶安全性。随着汽车电子技术的发 展及人们对汽车安全性能要求的提高，汽车的主动安全技术成为人们关注的焦 点。驱动防滑控制系统是国际上八十年代就发展起来的新型主动安全控制技术。 目前汽车上所采用的主动安全控制技术有a b s 、a s r 和e s p 等电子装置。 1 9 7 2 年，日本研究出了第一款汽车驱动防滑控制装黄，这个系统主要是通 过控制发动机气缸点火为手段来控制汽车驱动防滑控制装置 6 1 。这种装置是通 过变速器从动轴上的传感器测定汽车驱动轮加速度的瞬时值，把测定出来的结 果与给定的轮胎和路面附着系数下产生的结果的某一极限值进行比较，确定获 得相当于极限加速度的加速时间和极限加速度，当测定的车轮加速度超过确定 的极限加速度时，控制系统就会发出停止气缸点火的信号，使发动机暂时处于 不工作状态，使驱动轮加速度控制在极限加速度以下。 1 9 7 8 年，德国研究出了一种汽车驱动防滑控制装置，主要是通过减少气缸 供油量来实现汽车驱动防滑控制的系统。通过把轮速传感器测得的轮速信号放 大后送入到一个运算控制系统中，控制系统对数据进行分析和处理，计算出驱 动轮与非驱动轮的速度差，当二者的差值超过预先设定的门限值时，控制系统 就发出控制指令，使进入到发动机气缸的油量减少，使滑动率控制在目标范围 内 7 1 。 1 9 81 年，日本又研制出了一种防止汽车驱动出现过度滑转的驱动防滑装 置，并且申请了专利。此装置是通过调节离合器接合程度来限制驱动轮的过度 滑转 i - s 。此后，汽车驱动防滑控制系统的专利越来越多，在结构、控制方式等 方面也各不相同。1 9 8 5 年，v o l v o 汽车公司首次将驱动防滑控制系统应用在 实车上，这在世界上是第一次。v o l v o 汽车公司将一种称为e t c 的电子驱动 防滑控制系统安装在v o l v 0 7 6 0 t u r b 汽车上，该系统是通过调节燃油供给量来调 节发动机的输出扭矩，使驱动轮的滑动率控制在最佳范围内并获得最佳驱动力 f 1 8 j 。 1 9 8 6 年，在底特律汽车巡回展中，美国通用汽车公司的个分部在其生产 的克尔维特英迪牌轿车上安装了牵引力控制系统，把驱动防滑控制系统很好 的展现在人们面前，并为驱动防滑控制系统的发展作了良好的宣传。同年9 月， b e n z 公司与w a b c o 公司联合开发出了应用在货车上的驱动防滑控制系统，并 在芬兰的北极圈内做了性能试验，试验表明汽车驱动防滑控制系统在改善车辆 牵引性、操纵稳定性等方面具有良好的效果。同年1 2 月，博世公司第一次将制 动防抱死( a b s ) 控制技术与驱动防滑( a s r ) 控制技术结合起来应用到m e r e c d e s 的s 级轿车上，并开始了小批量生产 i - i s 。 1 9 8 7 年，b o s c h 公司在原有a b s a s r 的基础上开始大批量生产两种不同 控制方式的汽车驱动防滑控制系统，一种是完全通过控制发动机输出扭矩的 a b s a s r 系统，其能够保证汽车行的驶方向稳定性；另一种通过控制驱动轮的 制动力矩与发动机输出扭矩的综合控制的a b s a s r 系统，此系统既可保证汽 车行驶的方向稳定性，又可改善汽车的动力性娜。引。 在国内，a s r 技术的研究与开发起步比较晚。目前a s r 技术还处在初期 的理论研究和探索阶段。a s r 技术的研究工作之所以到现在还没有取得充分的 进展，一方面是由于我国在a b s 独立自主的研究方面没有取得实质性突破，另 一方面是由于我国在汽车电子产品领域起步研究较晚；到目前仍然没有进行实 用化a s r 产品的研究与开发【l o - ls 。国内a s r 技术研究主要是以理论研究为主， 其研究方向的重点主要倾向于控制算法方面的理论研究，且理论方面大多以制 动力控制为主、发动机扭矩输出控制为辅，在离合器、屯子控制变速器、电子 控制防滑差速器方面的研究还没有实质性的进展。就现在大多数a s r 控制策略 的研究来看，还存在控制精度和其他诸多问题，距离产品化研究还有一定的差 距。所以说，国内a s r 技术的研究与开发和国外比起来还属于刚刚起步阶段。 根据目前汽车行业的发展趋势及人们对汽车安全性要求的提高，驱动防滑 控制系统也许在不久的将来就会像汽车上的安全带一样，被安装在各种车型上， 变得极为普及。一方面顾客对汽车电子装置和汽车舒适性要求的提高，促进了 驱动防滑控制系统的发展，汽车驱动防滑控制系统也必将和a b s 一样逐渐成为 车辆的标准配置。 1 2 驱动防滑系统( a s r ) 的基本原理 汽车在加速或行驶的过程中，驱动轮上驱动力的大小取决于发动机输出扭矩的大 小、传动系的速比、传递效率的大小及轮胎与路面之间的附着条件等。而轮胎与路面 之间的附着极限是个不确定量，其变化范围很大，主要与轮胎结构、路面状况、天 气条件和车速等诸多因素有关。大量的研究试验表明，轮胎与路面之间的附着系数与 车轮的滑转率呈现出一定的关系f l 钟。当汽车在起步或加速过程中，驱动轮的滑动率从 零开始增加，随着滑动率的增加，附着系数也随着增大，当滑转率增加到s r 值时，此时 轮胎与路面间的附着系数达到峰值妒。，。到达峰值附着系数之后，随着驱动轮滑动率 的进一步增大，轮胎与路面之间的附着系数开始下降，如图1 1 。当滑动率处在0 与s ，之 间的这段区域内，在这段区域内附着系数稳定上升，这段区域为稳定区，汽车在起动或 行驶过程中，当滑动率处在该区域内的时候，汽车在纵向和横向都能获得较大的附着 力。当滑动率处在s ，与1 0 0 之间的这段区域时，在这段区域内轮胎与地面之间的附着 系数处于下降阶段，此区域为不稳定区，当滑动率处在该区对，汽车的行驶时不稳定 2 的，要对其施加必要的控制措施。所以从牵引性能方面来考虑时，为了使汽车在加速行 驶过程中具有良好的加速性能和操稳性，就要将驱动轮的纵向滑动率控制在s ，值附 近。此外，轮胎与路殛之间的侧向附着系数与滑动率也成一定的关系，即随滑动率的 增加而急剧减小。所以从汽车的行驶稳定性方面考虑，驱动轮的纵向滑动率则应越小 越好，前轮驱动的汽车在侧向附着系数小的时侯，将失去转向操纵能力；后轮驱动的汽 车在侧向附着力较小的情况下，将失去方向稳定性，且易发生甩尾和侧滑。由上面的内 容可以知道，要想汽车即具有较大的纵向附着力又具有较大侧向附着力，在选择驱动 轮滑动率的时候应该略小于峰值s ，【2 0 】。如图1 1 中阴影部分。 汽车在起步或加速的过程中，当驱动车轮上的驱动力超过轮胎与路面的最 大附着极限时，驱动轮就会产生过度滑转。特别是当汽车处在附着条件较恶劣 的路面上时，像在软、弱附着路面上，由于轮胎与路面间的附着系数较小，所 能提供给驱动轮的最大附着力也变小，在这种情况下驱动轮很容易出现过度滑 转的现象，使得轮胎与路面间的纵向和侧向附着力大大降低，从而导致车辆丧 失通过性或稳定性。 图1 1 滑动率与附着系数的关系曲线 1 3驱动防滑控制方式及控制策略 1 3 1驱动防滑控制方式 汽车在起步或加速时会出现驱动轮的过度滑转，这种现象的产生一方面是 由于路面的附着系数过低，另一方面是由于发动机输出的扭矩过大，使得驱动 轮上的驱动力超过了轮胎与地面之间的附着极限【2 4 1 。汽车在行驶的过程中为了 防止驱动轮出现过度滑转的现象就要采取合理的控制措施来减小或降低驱动轮 上的驱动力矩，使驱动轮的滑动率控制在最佳范围内。目前所采用的控制方式 主要有以下几种： ( 1 ) 发动机输出扭矩调节方式【 】【4 5 1 发动机输出转矩调节方式是目前比较常见且实用的控制方式，这种控制方 式主要有三种：一是发动机节气门开度调节，通过控制发动机节气门的开度角 来控制进气量来达到调节发动机的输出扭矩。这种调节方式有机械式调节和电 子式调节两种，且这两种控制方式目前都被广泛应用，特别是和其他控制方式 联合使用更能达到更好的控制效果。这种控制方式的优点在于工作平稳，能够 实现连续控制；缺点在于响应慢。 二是发动机点火参数调节，通过对发动机的点火提前角实施有效合理的控 制使点火提前角减小来暂时中断发动机的点火，从而达到控制发动机的输出扭 矩。这种控制方式的优点在于响应迅速，缺点在于噪音大，抖动厉害，影响发 动机的正常工作，还会燃烧不充分等。 三是发动机供油量调节，通过减少或暂停给发动机供油，这种调节方式是 通过电子油门调节装置来自动减少或停止给发动机供油，从而实现发动机输出 扭矩的调节。这中调节方式响应快，但会引起抖动和发动机的工作不正常。 ( 2 ) 驱动轮制动力篱! 调节方式f 婚】1 4 9 j 驱动轮制动力矩调节也是目前较常用的一种控制方式，尤其是和发动机扭 矩进行联合控制能取得较理想的控制效果。这种控制方式响应快，是防止驱动 轮出现过度滑转最迅速的一种方式。通过控制驱动轮上的制动力矩，将驱动车 轮的滑动率控制在最佳范围内。对于有单通道系统的车辆来说，这中控制可以 对单个驱动轮实施有效控制，尤其是在分离路面上这种控制方式效果更明显。 这种调节方式的缺点在于制动系统长时间制动时会使制动器发热过快和过度磨 损导致热衰退，因此这种控制方式不能长时间使用；另外采取制动控制可能产 生额外的横摆力矩，因此在车速较高时这种控制方式一般不宜使用。 ( 3 ) 差速器锁止控制【2 5 1 f 4 3 l 汽车在行驶的过程中，普通差速器分配给左右驱动轮的扭矩都是相等的， 所以当汽车行驶在左右附着系数相差较大的路面上时，则处于高附着路面的驱 动轮的驱动力就不能充分发挥出来，这样就会影响汽车行驶的动力性。差速器 锁止控制可以根据左右驱动的驱动情况及路面条件实施合理锁止，防止左右驱 动轮出现过度滑转，使驱动轮的滑动率维持在合理范围内。该控制方式成本较 高且不适合于前轮驱动的车辆。 ( 4 ) 离合器或变速箱控制f 4 6 j 【4 7 j 当汽车驱动轮出现过度滑转时，可以通过控制离合器的结合程度，使离合 器主、从动盘处于相对滑转状态，从而减小或降低发动机的输出扭矩来达到防 止驱动轮过度滑转的目的；当汽车驱动轮出现过度滑转时，也可以通过减小变 速器的传动比来降低传递到驱动轮上的驱动力矩，使驱动轮的滑动率控制在最 佳范围内。这种控制方式的缺点在于响应慢，变化突然，而且由于压力和磨损 等问题，这种控制方式一般不单独使用。由于其控制对车辆行驶影响较大，所 以这种控制方式在应用上受到很大限制。 1 3 2 驱动防滑控制策略 汽车驱动防滑控制根据汽车在不同行驶条件下所采用的控制策略也不同。 4 目前，驱动防滑所采用的控制策略是根据不同的车速采取不同的控制策略。主 要控制原则有：汽车起步及加速阶段的防滑转控制原则、汽车中速行驶时的防 滑转控制原则、汽车高速行驶时的防滑转控制原则。根据汽车在不同行驶阶段 实施有针对性的控制，使车辆的行驶状况达到最佳。 ( 1 ) 汽车起步及加速阶段的控制原则 汽车在起步加速阶段，这一阶段是以提高汽车的加速性能为主要目标，通 过对驱动轮采取控制措施，使驱动轮的滑动率维持在最佳滑动率范围内，以达 到充分利用各巧动车轮的附蓿力求提高汽车的牵引，陆，使汽车的动力性增强 【l 引。汽车在起步加速阶段，各个驱动轮上的驱动力矩不会出现较大差异，汽车 的行驶方向处于相对稳定的状态。如果各驱动车轮问的地面附着条件不一致或 相差较大，就要按照独立控制的原则对驱动轮实施控制，此时，如果汽车装有 主动悬架，可以通过调节主动悬架将载荷适度分配给附着条件较好的驱动车轮 上，来增加各驱动车轮的总附着力：同时也可采用差速器锁止控制。当上面两 种装置都没，此时最好的控制方法是采用控制制动力矩来控制驱动轮的过度滑 转，使驱动轮的滑转率处于目标滑动率附近。在此阶段，也可以通过适度减小 发动机的输出转矩和变速器的传动比来降低驱动轮上的驱动力矩，来防止驱动 轮出现过度泔转【2 5 1 。 ( 2 ) 汽车中速行驶时的防滑转控制原则 汽车在中速行驶时，这一阶段是以保证汽车的行驶方向稳定性为主，以汽 车的加速性能为辅1 7 j 【8 】。主要通过制动力矩柬实施有效控制，通过对各驱动车轮 同施加一致的制动力矩，使处于附着条件较差的路面上的驱动车轮滑动率保持 在合理范围内来提高驱动轮的纵向附着力和侧向附着力，从而保证汽车在行驶 过程中各驱动车轮具有相同或近似相等驱动力，在这种情况下即可以保证汽车 有较强的抗侧滑能力，又能使汽车具有较好的行驶稳定性。但是在制动过程中， 制动时间过长会使制动器制过度发热和过度磨损而导致制动性能衰退或丧失， 所以要对制动时间进行合理控制，制动时间不能太久。如果要想控制效果更好 或者单靠制动满足不了控制要求，此时可以通过适度减小发动机的输出转矩和 改变变速器的传动比来进行辅助控制，防止驱动轮出现过度滑转现象。主动悬 架和差速器锁l 卜装胃侄这一阶段一般不进行工作【垤1 。 ( 3 ) 汽车高速行驶时的防滑转控制原则 汽车在高速行驶的过程中，这阶段是以保证汽车的行驶方向稳定性为主 要目标，保证驱动轮的驱动，j 维持在桐m 或近似相等状念| 27 - 3 0 j 。主要通过减小 发动机的输出转矩和改变变速器的传动比来降低作用在驱动车轮上的驱动力 矩，使处于附着条件较差的路面上的驱动车轮滑动率保持在合理范围内来提高 驱动轮的纵向附着力和侧向附着力，从而提高汽车行驶的方向稳定性和抗侧滑 能力。由于汽车车速过高，为了避免制动器过度发热和过度磨损，在这阶段 一般不采用制动力矩对驱动轮实施控制。如果要想控制效果更好或者光靠控制 发动机和变速器满足不了控制要求，在这一阶段可以通过主动悬架将载荷从附 着条件较好的驱动车轮调配给附着条件较差的驱动车轮，这将有助于减小驱动 车轮之间的附着力差异，提高各驱动车轮之间牵引力的平衡性。为了保证各驱 动轮之间的牵引力分配出现过大差异及使汽车在行驶过程中能够获得良好的方 向稳定性，此时，差速防滑装置在这一阶段一般不进入防滑差速工作状态。 1 4 驱动防滑的控制方法 驱动防滑的控制方法比较多，逻辑门限控制是目前使用最普遍的控制方法。 随着人们对汽车安全性要求的提高及发动机技术、软硬件技术、电子技术和自 动控制技术的发展，很多国内外的学者和专家都开始着手对驱动防滑控制方法 进行研究，以探索和寻求更为有效、简单可行的控制方法。经过大量的理论研 究和分析，汽车驱动防滑控制正向着实用化和多元化的方向发展。目前主要的 控制方法有：简单逻辑门控制、p i d 控制、最优控制、滑模变结构控制、模糊 控制和神经网络控制等。下面分别介绍各种控制方法在驱动防滑控制中的应用。 1 4 1 逻辑门限控制 逻辑门限值控制是现在实车控制中使用最多的一种控制方式，这是一种传 统的控制方法，其控制结构简单，运算量小，时间滞后小。现在防滑控制中普 遍都采用逻辑门限值控制方法。其控制方法是：先设置目标值，再将驱动轮的 滑转率与目标值进行比较，汽车在行驶中，如果驱动轮的滑动率超过设定的门 限值或目标值，则控制系统就会根据接收到的信号进行分析和处理，调节输出 信号，使驱动轮的滑动率或车轮的加速度维持在目标值附近，以至达预期的控 制效果。当驱动轮再次出现过度滑转的现象，控制系统又开始工作，如此往复 循环使驱动轮的滑动率控制在目标值左右。这种方法在硬件上易于实现，但控 制波动较大，控制稳定效果差，没有自适应调节能力。所以，要想获得更好的 控制效果则需要寻求更好的控制方法，这就需要对控制理论做进一步的研究和 分析，找到合理、+ 简单、有效的控制方法【2 l 】。 1 4 2p i d 控制 p i d 控制算法的控制过程是对误差信号进行加权、积分与微分运算，最后 将它们之和送给受控对象。在汽车驱动防滑控制中，采用p i d 控制方法即可控 制发动机的输出扭矩也可以控制制动系的制动力矩，从而达到控制驱动轮滑动 率的目的。其控制方法是：在驱动防滑控制中就是把目标滑转率与实际车轮滑转 率的差值作为系统的输入，根据滑动率的变化情况计算出节气门的开度角反馈 给发动机来调节发动机的输出扭矩，或者通过控制制动系统来控制制动力矩， 6 使目实际滑动率维持在标滑动率附近。在p i d 控制中，主要是通过调节其三个 参数来调节系统的输出，要想得到合理的、理想化的结果就要对控制参数进行 分析和整定，使系统能够快速稳定地达到目标状态。相对于简单的逻辑门限值 控制来说，p i d 控制器也具有结构简单、实现容易的特点，且能对相当一部分 工业对象进行有效的控制，所以p i d 控制也是工业过程控制中最常用的控制方 法。但常规p i d 控制具有一定的局限性：当被控对象具有复杂的非线性特性时， 难以建立精确的数学模型，而且由于对象和环境因素的影响，往往在控制过程 中难以达到满意的效果。所以要想得到更加满意的控制效果，可以将常规p i d 控制与其他控制联合使用1 3 7 。 1 4 3 模糊控制 模糊集合的诞生，为处理客观世界中存在的一类模糊性问题提供了有力的工具。 模糊控制就是建立在这种理论基础上的新型控制算法。 模糊控制是一种反映人类智慧的智能控制方法，由于它的适应面广和易于普及， 使它成为智能控制领域最活跃、最重要和最实用的控制方法之一。尤其是它作为传统 控制的补充和改进方法，常与传统控制相结合被应用于各种复杂系统的控制中，像化 工、人文系统、汽车控制系统、经济系统等多领域中。并且在各个领域解决了传统控 制方法无法或者难以解决的实际问题。模糊控制器的控制策略是将精确的输入量模糊 化，通过模糊处理和模糊判决将模糊的输出量精确化，从而达到精确有效的控制效果 4 0 1 。模糊控制理论不需要获得被控对象清晰精确的数学模型，其对系统参数变 化并不敏感，所以其对那些时变的、非线性的复杂系统可以得到良好的控制效 果。在模糊控制器中，自动提取模糊规则、自动生成和优化模糊变量的隶属函 数，一直是模糊控制算法的一大难题【3 9 】【4 。 由于模糊控制的优越性，所以模糊控制理论适用于复杂的实际工程系统。 汽车不仅自身是一个复杂的系统而且其运行在一个复杂的环境中，而牵引力控 制又是一个复杂的非线性控制，所以采用常规控制方法很难达到预期的控制效 果。由于模糊控制理论不需要获得被控对象清晰精确的数学模型，往往和其他 控制方法一起使用来解决实际中复杂的控制问题，所以模糊控制理论适用于汽 车驱动防滑控制系统。 1 4 4 滑模变结构控制 变结构控制实质上是一种特殊的非线性控制方法，其主要表现在控制的不 连续性上。变结构控制系统具有参数的变化会引起各环节问的联接方式发生改 变或者引起一些信号发生极性变化的特征。变结构控制中的“结构”并不是固 定不变的，在动态过程中，它可以随当前系统的变化而有目的地发生相应的变 化，使系统按照预定的状态轨迹运动，这种变结构控制也叫滑模变结构控制。 要实现变结构控制就要建立起切换函数，切换函数其实就是一个开关平面，也 称为滑模面，它是系统状态量的函数，可以根据控制的需求来进行选择【2 3 1 。 在系统的变化过程中，滑模变结构控制系统的输出不停在切换面上作小幅 度、高频率的上下运动，即沿着开关面作滑模运动，使系统能在短时间内回到 滑模面1 3 引。系统所作的滑模运动取决于系统本身的特性，系统的固有结构和参 数会影响系统到达滑模面之前的运动规律。当系统处于滑模运动状态时，具有 较强的抗干扰能力，参数的变化和外界条件的变化都不会对其有干扰。所以滑 模控制具有良好的自适应能力，并且其动态响应速度和稳定性之间具有良好的 协调性。 滑模变结构控制多用于不稳定系统的控制中，因为被控系统处于滑模运动 时，参数的变化和外部环境的干扰都不会对其产生影响，具有良好的鲁棒性。 由于具有良好的控制特性，所以滑模变结构也被应用在汽车驱动防滑控制中。 但是滑模变结构控制也存在一个显著的缺点就是在控制过程中系统会出现抖 动，正确的处理方法就是抑制或削弱【2 5 1 。 1 5本文的主要研究内容 ( 1 ) 以6 8 2 0 客车为研究对象，建立6 8 2 0 客车驱动防滑转控制的车辆系统数 学仿真模型。此模型主要包括：整车模型、发动机模型、传动系模型、轮胎力 学模型、制动器模型等。整车模型考虑三个方向的自由度：汽车沿x 轴方向的 位移、汽车沿y 轴方向的位移、汽车绕z 轴的横摆运动。轮胎模型考虑四个车 轮的回转运动，各控制子系统是对整车动特性响应效果的基础。 ( 2 ) 根据模型建立各个工况下的控制模型，主要包括：p i d 控制，模糊p i d 控制，滑模变结构控制。并对各控制算法进行参数选择。 ( 3 ) 分别在低附着均一路面( 附着系数为o 2 ) 和对开路面( 高附着路面附着 系数为0 8 ，低附着路面附着系数为o 2 ) 对模型进行仿真。在低附着路面上均采 用控制发动机节气门的开度来控制驱动的滑动率；在对开路面上均采用控制制 动力矩来控制驱动的滑动率。 ( 4 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对各工况进行仿真，并对各控制策略的 仿真结果进行比较和分析。 ( 5 ) 常规驱动下对6 8 2 0 客车进行道路试验，包括：低附着路面、对开路面。并 对试验结果和仿真结果进行比较，从而验证仿真模型的正确性。 第二章车辆系统动力学数学仿真模型的研究与建立 正确建立车辆系统动力学模型是研究汽车驱动防滑的基础。驱动防滑采用 的仿真方法主要是离线仿真，在汽车驱动防滑系统的研究阶段可以对其控制算 法进行有效的调试。汽车动力学仿真软件为模拟车辆驱动过程提供了