（车辆工程专业论文）汽车电子稳定系统控制方法的研究和仿真.pdf

at h e s i si nv e h i c l e e n g i n e e r i n g t h er e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no nc o n t r o l m e t h o do fv e h i c l ee l e c t r o n i c s t a b i l i t y p r o g r a m b ys u ny i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a n gy i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 r 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谓 的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：寻啦 日 期：2 d h o p 7 学位论文版权使用授权书一 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校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。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年面一年半口 学位论文作者签名：寻d j 陵 签字日期：跏了7 1 两年口 导师签名：城 签字目期：砂正z 7 东北大学硕士学位论文 摘要 汽车电子稳定系统控制方法的研究和仿真 摘要 汽车电子稳定系统是目前车辆主动安全领域研究的热点，它是继汽车防抱死制动 系统( a b s ) 和驱动防滑系统( a s r ) 发展起来的。不仅整合了a b s 和a s r 的所有功能， 而且还能在更加复杂的工况下提高车辆的稳定性。随着技术的进步和成本的降低，汽 车电子稳定系统将成为现代轿车的标准配备。在我国，对汽车稳定性控制系统的研究 工作处于起步阶段，开展汽车电子稳定系统的研究对于掌握自主知识产权、打破国外 技术垄断具有重要的意义。 首先，本文考虑了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，采用非线性轮胎模型( 魔术公式) ，计算侧向力，在此基础上建立了二自由度四 轮汽车模型及汽车参考模型。 其次，本文通过对车辆失稳原因进行研究，得到了质心侧偏角和横摆角速度这两 个影响车辆稳定性的主要参数，并选择这两个参数作为稳定性控制的主要控制变量， 深入分析了两种控制变量与车辆稳定性的关系。 再次，研究汽车稳定性的控制算法，采用一种基于横摆力矩直接控制的汽车稳定 性控制算法，并根据汽车的横摆角速度和汽车的质心侧偏角这两个描述汽车运动状态 的重要参数，得出三种具有针对性的控制策略。 最后，通过以上模型的建立，汽车失稳原因的研究，控制变量的选择和控制算法 的研究，建立m a t l a b s i m u l i n k 仿真模块，通过前轮阶跃输入，单周期正弦输入 和多周期证弦输入，对质, o n 偏角p i d 控制，横摆角速度p i d 控制和模糊p i d 控制方 法进行仿真研究，研究表明这三种控制方法可以很好的控制汽车的质心侧偏角和横摆 角速度，提高汽车的稳定性。 关键词：电子稳定系统；主动安全性；模糊p i d 控制；仿真 l-_11111 ， k t h er e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no nc o n t r o lm e t h o d o fv 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 m a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h er e s e a r c ho ne l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a mi s t h ef o c u si nv e h i c l e a c t i v es a f e t yr e s e a r c hf i e l d ，w h i c hi s d e v e l o p e da f t e ra n t i l o c kb r a k i n gs y s t e ma n dt r a c t i o n c o n t r o ls y s t e m i tn o to n l yc o n t a i n sa l lt h ef u n c t i o n so fa b sa n da s r ，b u ta l s oi m p r o v e s t h ev e h i c l es t a b i l i t yi nm o r ec r i t i c a lc o n d i t i o n s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g ya n d t h er e d u c t i o no f c o s t ，e sps y s t e mw i l lb et h es t a n d a r de q u i p m e n to ft h em o d e mc a r s w h i l e i nc h i n a ，t h er e s e a r c hi nt h i sf i e l di sa tt h ev e r yb e g i n n i n g ，s ot h i sk i n do fr e s e a r c hi so f g r e a ts i g n i f i c a n c et om a s t e ro u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ，a n db r e a kt h em o n o p o l yo f f o r e i g nt e c h n o l o g y f i r s t l y , t h ep a p e rc o n s i d e r e dt h ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo fn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so ft i r e o nc o r n e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dd r i v i n gs t a b i l i t yo fv e h i c l ew a sc o n s i d e r e da tf i r s t t h e n o n l i n e a rt i r em o d e l ( m a g i cf o r m u l a ) w a sa d o p t e d ，a n dt h ef o u rw h e e l sv e h i c l em o d e lw i t h t w od e g r e e so ff r e e d o ma n dv e h i c l er e f e r e n c em o d e lw e r es e tu po nt h i sb a s i s s e c o n d l y , t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h ec a u s e so fv e h i c l e s i n s t a b i l i t y ，t h ep a p e rg a i n e d t h em a i ns t a b i l i t yp a r a m e t e r so fv e h i c l e s ，t h e nt h r o u g ht h es t u d y i n go nt h ev e h i c l es t a b i l i t y c o n t r o ls y s t e mi nt h e o r y , t h es i d es l i pa n g l ea n dy a wr a t ea r ec h o s e nt ob et h em a i nc o n t r o l v a r i a b l e s ，t h e nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h e ma r ea n a l y z e dd e e p l y t h i r d l y , t h ep a p e rr e s e a r c h e do nv e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o l a l g o r i t h m s ，a d o p t i n ga c o n t r o la l g o r i t h m sb a s e do nt h ey a wt o r q u ed i r e c t l yc o n t r o lo ft h ev e h i c l es t a b i l i t y , a n di n a c c o r d a n c ew i t ht h et w oi m p o r t a n tp a r a m e t e r sw h i c hi st od e s c r i b ea u t o m o t i v e m o v e m e n t s t a t u s 。t h ey a wr a t ea n dt h es i d es l i pa n g l e ，r e s p e c t i v e l yp u s h e do u tt h r e et a r g e t e dc o n t r o l s t r a t e g y f i n a l l y , t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to ft h em o d e l ，t h es t u d yo fv e h i c l en o n s t a b i l i t y r e a s o n ，t h ec h o i c eo fc o n t r o lp a r a m e t e ra n dt h er e s e a r c ho fc o n t r o lm e t h o d ，t h ep a p e r e s t a b l i s h e dm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nm o d u l e s ，t h r o u g ht h es t e pi n p u t ，s i n g l e c y c l e s i n ei n p u ta n dm u l t i c y c l es i n ei n p u to ft h ef r o n t w h e e l s ，t os i m u l a t et h es i d es l i pa n g l ep i d c o n t r o l ，y a wr a t ep i da n df u z z yp i dc o n t r o lm e t h o d s a n dr e s e a r c hs h o w st h a tt h et h r e e m e t h o d sc a nw e l lc o n t r o lt h ev e h i c l es i d e s l i pa n g l ea n dy a wr a t e ，s oa st oi m p r o v et h e 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t v e h i c l es t a b i l i t y k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ；a c t i v es a f e t y ；f u z z y - p i dc o n t r o l ；s i m u l a t i o n i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 中文摘要i i a b s t r a c t 。i i i 第1 章绪论l 1 1 研究汽车电子稳定系统的意义一l 1 2e s p 的国内外发展情况3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状3 1 3 电子稳定系统介绍4 1 3 1 汽车电子稳定系统的结构一4 1 3 2 汽车电子稳定系统的关键技术7 1 4 本文的主要工作8 第2 章车辆动力学模型的建立9 2 1 车辆动力学建模方法介绍9 2 2 轮胎模型10 2 2 1 轮胎坐标系1 1 2 2 2h b p a c e j k e 轮胎模型( 魔术公式) 1 2 2 3 整车动力学模型的建立14 2 4 理想线性二自由度车辆模型1 6 2 5 本章小节18 第3 章稳定性控制变量的选择1 9 3 1 汽车失稳原因的初步探讨1 9 3 2 控制参数的选择2 0 3 3 汽车横摆角速度对汽车稳定性的表征一2 0 3 4 汽车质心侧偏角对汽车稳定性的影响2 3 3 5 本章小结2 5 v 东北大学硕士学位论文目录 第4 章稳定性控制算法的研究2 7 4 1 汽车电子稳定控制系统分析2 7 4 2 横摆角速度p i d 控制2 9 4 2 1p i d 控制的基本原理2 9 4 2 2 横摆角速度p i d 控制3 l 4 3 质心侧偏角p i d 控制3 2 4 4 联合模糊p i d 控制3 2 4 4 1 模糊控制的基本原理3 2 4 4 2 联合模糊p i d 控制基本原理3 7 4 5 在m a t l a b s i m u l i n k 中建立仿真模型3 8 4 5 1 横摆角速度p i d 控制3 8 4 5 2 质心侧偏角p i d 控制4 l 4 5 3 联合模糊p i d 控制4 l 4 6 本章小节一4 2 第5 章汽车电子稳定控制系统的仿真一4 5 5 1 横摆角速度p i d 控制系统仿真分析4 5 5 1 1 转向轮阶跃输入4 5 5 1 2 单周期正弦输入4 7 5 1 3 正弦输入4 8 5 2 质心侧偏角p i d 控制系统仿真分析5 0 5 2 1 转向轮阶跃输入5 0 5 2 2 单周期j 下弦输入一5l 5 2 3 正弦输入5 2 5 3 联合模糊p i d 控制系统仿真分析5 4 5 3 1 转向轮阶跃输入5 4 5 3 2 单周期正弦输入5 5 5 4 本章小结5 6 第6 章结论与展望5 7 6 1 结论5 7 v i 东北大学硕士学位论文 目录 6 2 展望5 8 参考文献5 9 致谢6 3 v l i 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究汽车电子稳定系统的意义 随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，消费者对汽车安全性的关注越来越 多，如何提高安全性是现代汽车研究的重要课题之一。汽车的安全性包括两个方面： 主动安全性和被动安全性。主动安全性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；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。当今微电子技术和控制技术的发展使得越来越多的电子控制装置应用于汽车， 大大提高了汽车的主动安全性。 从上世纪七十年代开始，汽车制动防抱系统( a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m ，简称 a b s ) ，开始在汽车上使用，它通过对车轮制动滑移率的控制来防止车轮抱死，提高 制动车轮的附着能力，在很大程度上改善了汽车制动性能和侧向稳定性1 2 】。随着电子 技术的发展，a b s 的可靠性不断增强而成本不断降低，在上世纪八、九十年代得到了 普遍的推广。现在，a b s 己经成为现代汽车的标准装备。与a b s 工作原理类似，汽 车驱动防滑系统( a n t is l i pr e g u l a t i o n ，简称a s r ) 通过对驱动车轮驱动滑转率的限 制提高汽车的驱动能力，并改善汽车驱动时的稳定性1 3 j 。 a b s 和a s r 系统都不直接保证汽车的侧向稳定性，而是通过对轮胎纵向滑移率 的控制来间接保证提高车轮侧向附着能力，因此在汽车行驶的很多复杂工况下并不一 定能保证汽车的稳定性。而汽车发生交通事故前的行驶状况往往比较复杂，此时的轮 胎处于附着极限附近，仅靠a b s a s r 的功能不一定能保证汽车按照驾驶员的意图行 驶，这对于躲避危险十分不利。这时由于轮胎处于附着极限附近，车辆具有较强的非 线性特性，而驾驶员普遍没有操纵非线性特性车辆的经验，容易引起慌乱而发生事故。 奥迪公司1 9 9 6 年的统计数据表明【4 j ，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【4 】，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 m 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 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 通事故非常有效。于是，在a b s a s r 的基础上增加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制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，它就是汽车电子稳定系统，简称为e s p 。 电子稳定系统的出现，极大地改善了汽车在行驶过程中的安全性和操纵性，特别 是在路况很差，路面被雨水和冰雪覆盖时，电子稳定控制系统在车辆行驶过程中，始 终监测车的运动状态，尤其是与转向相关的运行状态，一旦出现不稳定的预兆，弟子 稳定控制系统便实时予以修正，从而使汽车的行驶安全性大大提高，驾车人员感觉更 灵活，更快捷，更安全。系统使汽车在极限状况下更容易操纵，它可以降低汽车突然 转向时的危险，提高方向稳定性。e s p 系统可以辩识汽车的趋向，并且做出反应，它 可在单个车轮上施加制动力，从而产生附加横摆调节力矩，帮助汽车回到j 下确的方向 上来。 汽车电子稳定系统可以降低事故风险，当不得不采取紧急避让动作时，也许弯道 比预料的还要急拐，或者路面状况突然发生变化时。德国保险公司协会推荐所有尺寸 规格的乘用车都将电子稳定系统作为标准装置；电子稳定系统避免打滑，德国保险公 司协会通过对受调查事件碰撞之前情况的研究，显示2 5 导致严重人员伤害事故的车 辆发生了打滑。电子稳定系统极大地提高对车辆的操控机会；电子稳定系统避免侧面 碰撞，研究也证实了碰撞死亡事故中有6 0 因侧面碰撞所致。电子稳定系统意识到打 滑的危险，并在车道上稳定车辆，因此能帮助驾驶者保持操纵，以避免危险；电子稳 定系统增强被动驾驶安全性，德国保险公司协会事故分析得出结论：装备电子稳定系 统后发生打滑的风险很小，车辆能够保持循迹及前向行驶。如果安装了电子稳定系统 的车辆发生了碰撞事故，它常常也是由车辆前端吸能区的溃变来吸收碰撞能量，而不 是自身安全防护措施较少的车身侧面( 车辆发生打滑碰撞时，所有的冲击能量都集中 在车身侧面上了) 。电子稳定系统因此能大大降低碰撞风险和保障车内乘员的安全。 电子稳定系统综合a b s 和a s r 两个系统功能，目前主要应用在高端车型，比如 奔驰、宝马、奥迪。可以预见，电子稳定系统汽车安全产品不久将成为多款中、高轿 车和其它车型的标准配制，掌握电子稳定系统技术，就掌握了竞争未来汽车安全技 术的主动权。所以，攻克e s p 设计的理论与关键技术，对提高国产汽车的自主开发能 力、缩短与发达国家的差距具有重要的现实意义【5 l 。它将为我国汽车工业的繁荣发展 以及促进其它相关工业的繁荣发展起到重要作用，并能带来巨大的社会效益和经济效 益。 2 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2e s p 的国内外发展情况 1 2 1 国外研究现状 在国外，汽车电子稳定系统是在a b s 和a s r 的基础上发展起来的。最初的汽车 电子稳定程序的概念是在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电子稳定程序，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 ：d i r e c ty a wm o m e n tc o n t r 0 1 ) ， 它通过采集方向盘转角的信息来判断驾驶员的转向意图，并通过制动力或驱动力在车 轮上的分配来调节汽车的横摆运动，以保障汽车的稳定性，这标志着汽车稳定性控制 概念的出现【6 】。但考虑到系统的成本，最早出现的稳定性控制系统所采用的传感器很 少，汽车的横摆角速度大多是通过内外车轮的转速差间接估计得到的，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，随着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，汽车稳定性控制的基本形式才得已确认。在这一时期，基 于上述结构的汽车稳定性控制算法丌始大量出现1 9 d 们，其中b o s c h 的v d c 是其中比较 典型的控制方法之一，它采用汽车实际运行状态与汽车理想运行状态的误差反馈来控每 制汽车的横摆力矩，并通过差动制动或对发动机的控制实现对汽车横摆运动的调节 i h 3 】，这一控制方法也是现在汽车稳定性控制中较为常用的方法。由于在汽车稳定性 控制中所需要的车辆运行状态无法完全由传感器直接测量得到，因此如何通过传感器 测量的车辆状态信息推测出不易被测量的车辆状态或路面的状态信息一直是近几年 汽车稳定性控制的研究热点，目前已经有不少的状态估计方法出现，一定程度上改善 了控制系统的可靠性。近几年来，有一些学者丌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果【1 4 。引。随着汽车底盘动力学控制的 不断发展，集成控制是今后发展的必然趋势，汽车稳定性控制将综合考虑对制动系统、 悬架系统和转向系统的协调控制，并共享传感器信号，进一步提高控制效果。 1 2 2 国内研究现状 国内对汽车动力学稳定性控制的研究起步较晚，大多数学者只是基于理论研究， - 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 目前还没有成熟产品问世。国内的研究大都通过模拟仿真的形式，来揭示系统的设计 中所具体遇到的问题，如刘彩志等人【l6 l 基于轮胎和汽车动力性试验的控制策略，采用 直接横摆力矩来提高了汽车的操纵稳定性和主动安全性程军f l7 l 的方法研究了汽车动 力学控制系统，采用横摆角速度及汽车侧偏角控制，用它们之间的相平面来确定稳定 性区域，采用控制算法，并且讨论了汽车动力学稳定性控制和的结合与切换问题。郭 孔辉l i 酬以纵滑侧偏联合工况的稳态轮胎模型为基础，分析了汽车极限转向条件下制 动力作用于不同车轮时对汽车横摆力矩的影响，并通过整车动力学仿真进行了验证。 赵治国【1 9 】等提出了车辆侧滑速度的种实时估计方案，视实际车辆前后轮侧偏刚度为有 界不确定性参数，设计了车辆动力学稳定性变结构控制策略来跟踪线性两自由度理想 车辆模型的稳态输出响应，通过仿真验证了该方案的可行性。王德平理进行了简要分 析，并提出了车身侧偏角的控制准则，采用逻辑门限值控制算法f 2 0 】f 2 j 1 定性进行了仿真 分析，并在汽车驾驶模拟器所提供的虚拟环境【2 2 】下进行了试验验证。在环境下建立了 整车虚拟样机模型，采用汽车侧偏角估计期望横摆角速度的边界，以横摆角速度为控 制变量，对系统进行了仿真研究。国内许多高校都积极开展了对系统的研究工作，大 多通过软件仿真或硬件在环仿真对系统进行了研究，着重点有所不同，有的重在对控 制算法进行验证，有的重于探讨系统的具体实现问题。上海交通大学，承担的上汽基 金会的重点公关项目的“汽车动力学控制系统开发与实车试验”项目己经得到顺利完 成，为国内系统的深入研究提供了很好的参考。此外，吉林大学、清华大学、同济大 学、西北工业大学等高校，中国重汽集团、上海汇众汽车制造有限公司等企业和济南 捷特汽车电子等研究所也在这方面开展了研究工作。 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，电子稳定系统获得 了很快的发展，并丌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。 1 3 电子稳定系统介绍 1 3 1 汽车电子稳定系统的结构 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 1 是现在比较典型的汽车电子稳定系统的结构，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 u ) 和辅助系统( 发动机管理系统) 。 1 3 1 1 附e c u 的液压模块 液压模块执行e c u 指令，并通过电磁阀调整各车轮制动缸的制动力。它位于发 动机舱，布置在制动主缸与车轮制动分缸之间，因此，确保了制动主缸与车轮制动分 缸之间的制动管路能得以缩短。如同担当系统控制功能一样，e c u 也接管了系统所有 电气和电子的控制职能。 博世e s p 构件： i 附e c u 的液压调节模块 2 轮速传感器 3 方向盘转角传感器 4 横摆角速度和侧向加速度传感器 5 发动机调节模块 1 3 1 2 轮速传感器 图1 1 博世电子稳定系统的硬件结构 f i 9 1 1t h eb o s c he s pc o m p o n e n t s 图i 2 附e c u 的液压调1 7 器 f i 9 1 2h y d r a u l i cm o d u l a t o rw i t ha t t a c h e de c u - 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 e c u 根据来自轮速传感器的信号计算车轮的转速。有两种不同工作原理的传感 器：被动式( 感应) 和主动式( 霍尔) 速度传感器。主动式传感器正变得越来越为普 及。它们应用磁场对轮速进行非接触式检测，同时还具备识别车轮旋转方向和停转的 能力。 图1 3 轮速传感器 f i g 1 3w h e e l s p e e ds e n s o r s 1 3 1 3 转向角度传感器 它监测转向盘旋转的角度，帮助确定汽车行驶方向是否正确。结合来自轮速传感 器和转向角度传感器的输入信息，e c u 计算出车辆的目标动作。转向角度传感器的工 作范围( 量程) 为7 2 0 0 。在方向盘满舵转动范围内，其误差在5 0 之内。 图i 4 转向角度传感器 f i g i 4s t e e l i n g - a n g l es e n s o r 1 3 1 4 侧滑率和加速度传感器 侧滑率传感器记录汽车绕垂直轴线的旋转，确定汽车侧滑与否。旋转的角度取决 于由e c u 测得的横向加速值，并且监测车辆转向的数据。并将从其它传感器传来的 6 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 信号整合，判定驾驶者的意图与实际车辆动态，进而取用修币后的参数，以示刹车力 或减低动力的方式调整。 抖 图1 5 侧滑率和加速度传感器 f i g 1 5y a w r a t ea n dl a t e r a la c c e l e r a t i o ns e n s o r 1 3 1 5 电子控制单元 电子控制单元( e c u ：e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 是汽车电子稳定控制系统的核心 部件，它是控制逻辑的载体，且用来处理各种传感器信号，驱动执行机构动作，从而 构成控制闭环。e c u 一般具有两个微处理器，一个用来计算控制逻辑，一个用于故障 诊断和处理，两个微处理器通过内部总线相互交换信息。除了微处理器以外，e c u 还 包括电源管理模块、传感器信号输入模块、液压调节器驱动模块、各种指示灯接口以 及c a n 总线通讯接口等。现在的e c u 大多与液压调节器安装在一起，通过电磁线圈 与电磁阀阀芯之间的电磁耦合连接，这样不仅减少了连线的长度，又能使结构紧凑。 1 3 2 汽车电子稳定系统的关键技术 电子稳定系统的开发有赖于以下几个关键技术的突破： ( 1 ) 传感技术的改进。在电子稳定系统中使用的传感器有汽车横摆角速度传感器、 侧向加速度传感器、方向盘转角传感器、制动压力传感器及节气门丌度传感器等，它 们都是电子稳定系统中不可缺少的重要部件。提高他们的可靠性并降低成本一直是这 方面的开发人员追求的目标。 ( 2 ) 体积小、重量轻、低成本液压制动作动系统的结构设计。 ( 3 ) e c u 的软、硬件设计。由于电子稳定系统的e c u 需要估计车辆运行的状态变 量和计算相应的运动控制量，所以计算处理能力和程序容量要比a b s 系统大数倍。 7 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 一般采用多c p u 结构。而e c u 软件计算的研究则是研究的重中之重，基于模型的现 代控制理论已经很难适应电子稳定系统这样一个复杂系统的控制，必须寻求鲁棒性较 强的非线性控制算法。 ( 4 ) 通过c a n 完善控制功能。电子稳定系统的e c u 与发动机、传动系的e c u 通 过c a n 互联，使其能更好地发挥控制功能。例如自动变速器将当前的机械传动比、 液力变矩器变矩比和所在档位等信息传给电子稳定系统，以估算驱动轮上的驱动力。 当电子稳定系统识别出是在低附着系数路面时，它会禁止驾驶员挂低档。在这种路面 上起步时，电子稳定系统会告知传动系e c u 应事先挂入二档，这将显著改善大功率 轿车的起步舒适性。 1 4 本文的主要工作 汽车稳定性控制是当今汽车主动安全领域的研究热点，与a b s 相比，汽车稳定 性控制具有很大的优势，能在更复杂的工况下提高汽车的安全性，因而得到了广泛的 重视。在国外，汽车稳定性控制在最近几年得到了很快的发展，并丌始大量装备于中、 高档轿车。我国在此领域的研究才刚刚起步，还没有建立完善的研究方法和试验手段。 本文在借鉴国外研究成果的基础上，以提高我国在此领域的自主开发能力为宗旨，围 绕着汽车稳定性控制系统的建模、理论分析、控制策略研究这一车辆控制系统研究的 主线进行系统地分析，着重在以下几个方面进行研究： 本文建立用于汽车稳定性控制仿真研究的数学模型。由于汽车稳定性控制往往发 生在汽车的极限行驶工况下，因此，此模型不仅能仿真汽车在常规工况下的车辆特性， 还能仿真汽车在轮胎附着极限下的车辆特性。将利用魔术公式建立非稳念工况下的轮 胎力学模型，在此基础上建立整车模型，并对建立的车辆系统模型进行仿真验证。 本文对汽车失稳的原因进行初步探讨，分析质心侧偏角和横摆角速度对稳定性的 影响，确定控制变量。 本文着重研究汽车稳定性的控制算法，提出一种基于横摆力矩直接控制的汽车稳 定性控制算法，并根据汽车的横摆角速度和汽车的质心侧偏角这两个描述汽车运动状 态的重要参数，分别推导出三种具有针对性的控制策略。 本文将对三种控制方法在m a t l a b s i m u l i n k 中进行仿真分析，得出结论。 本文对全文的工作进行总结，并得出结论及今后工作的努力方向。 8 东北大学硕士学位论文 第2 章车辆动力学模型的建立 2 1 车辆动力学建模方法介绍 在车辆动力学的仿真研究中，一般包括两个方面的内容：一是建立描述车辆动力 学性能的微分方程组，即建模：二是采用数值方法解微分方程，即计算。目前车辆动 力学建模的方法主要三种【2 3 l ：人工建模、计算机自动建模和图形建模。 人工建模的方法是通过人工对整个系统进行建模和计算，包括三种方法：分析法、 试验法及两者相结合的方法。人们通常通过对车辆的力学分析建立汽车运动的微分方 程组，采用差分的方法和相应的数值积分方法将连续方程变为时间离散的差分方程， 并通过计算机语言( 主要有f o r t r a n 、q b a s i c 、v b 等) 变为相应的程序。 计算机自动建模方法是一种比较先进的建模方法，建模和计算完全由计算机来完 成。如著名的a d a m s 软件近年来被证明是一种十分适用于车辆动力学模拟的工具。 它采用多刚体力学的方法，将系统分成多个刚体，对刚体的质量和各个方向的转动惯 量及连接方式进行定义和赋值。从物理系统的刚体结构出发，定义每一个构建的形状、 质量、受力、约束和连接情况，可以在三维状态下建立模型，能比较真实的反映车辆 动力学特性。所以a d a m s 软件已经成为许多汽车公司的主要分析软件。但是a d a m s 控制系统工具箱不够丰富，很多控制系统不容易实现。 图形建模( 混合方法) 是用力学原理推导出车辆运动方程，计算采用专用的软件 包，如：a c s l 模拟语言、m a t l a b 及m a t r i x x 仿真语言。m a t l a b 语言是由美国 m a t h w o r 公司于1 9 6 7 年推出的“m a t r i xl a b o r a t o r y ”软件包，并在不断的更新和扩充， 目前最新m a t l a b 7 0 版本是一种功能强、效率高、便于科学和工程运算的交互式软 件。它带有十几个工具箱，可以用于不同的专业领域，其中s i m l i n k 工具箱可完成 系统图形建模。该方法将各种功能模块化，可以直接用鼠标拖放模块，建立信号连结， 进行建模。它是一个开放的系统，各种成熟的工具箱能够不断扩充加入到系统中去， 每一个子模块的参数可以自由的修改，不影响别的模块运行，给系统扩展带来方便， 并且控制系统与汽车动力学系统可融化为体。例如：m a t l a b 可以用s 函数来计 算轮胎力，制成可执行文件加入到模型中，封装起来，计算方法可以任意选择，计算 很方便。 9 - 东北大学硕士学位论文 第2 章车辆动力学模型的建立 综上所述，三种建模方法都有自己的优缺点，由于车辆动力学模型的应用领域不 同，对模型的精度要求也不一样。在车辆稳定性控制系统的研究中，一方面要求对车 辆的动力学性能进行模拟，另一方面要求有控制系统，这时人工建模的方法比较复杂， a d a m s 软件虽然附加了一个线性系统软件包用于控制，但功能较少与主系统的交互 工作不灵活。而m a t l a b s i m u l i n k 中各种线性和非线性模块既可用于车辆动力学 系统，又可用于控制系统，其中还有控制软件包，较适合于汽车稳定性控制系统的研 究。因此本文采用m a t l a b s i m u l i n k 软件进行建模和仿真。 2 2 轮胎模型 汽车依靠轮胎与地面的相互作用产生各种运动，轮胎的特性对汽车有着举足轻重 的作用。轮胎的侧偏特性是汽车操纵稳定性的基础，轮胎的非线性特性对汽车的转向 特性及行驶稳定性有重要影响。进行汽车e s p 控制系统的研究首先要建立它的精确的 数学模型。目前应用比较广泛的轮胎模型有：f i a l a 轮胎模型、u a 轮胎模型、郭孔辉 轮胎模型( 幂指数公式) 、h b p a c e j k e 轮胎模型( 魔术公式) 2 4 - 2 6 l 。 f i a l a 轮胎模型是f i a l a 在1 9 5 4 年由简化的轮胎理论模型导出的无量纲解析式。这 种模型比较简单，在不把内倾角作为主要因素并且把纵向滑移和横向滑移分开对待的 情况下，对于简单的操纵稳定性分析可以得到合理的结果。u a 轮胎模型是在1 9 8 8 年 由美国a r i z o n a 大学的n i k r a v e s h 和o i m 等人研制丌发的一种更精确的轮胎模型，它 使用摩擦圆概念计算由侧偏角、滑移率、外倾角及垂直方向变形等综合影响下的力和 力矩，在计算中，该模型考虑了纵向和横向综合滑移的情况【2 6 2 7 j 。郭孔辉在f i a l a 简 化的轮胎理论模型的基础上，建立了半经验的“幂指数公式和轮胎理论模型。其理 论模型不考虑胎体形变的物理特征，从胎体的一般变形模式和垂直载荷分布的一般模 式出发，推导出侧向力和回正力矩的一般表达式。表达式是无量纲侧滑率之间的函数 关系。这样，可以首先从一般原理上研究胎体形变特征对轮胎侧偏力学特性的影响， 然后通过试验来识别胎体变形特征参数。在大量的试验基础上，郭孔辉提出了轮胎纯 工况及联合工况下的力学特性半经验公式“幂指数公式 2 7 - 2 8 】。h b p a c e j k e 轮胎 模型( 魔术公式) 是1 9 8 7 年荷兰d e l f t 理工大学的h b p a c e j k e 教授提出，后被称为“魔 术公式”的轮胎模型，这是一个基于试验数掘的经验轮胎模型，通过对试验数据拟和 而得到的。这种试验通过专用的试验台架或试验车进行。这些试验设备能够排除次要 因素模拟出特定的轮胎行驶条件，准确地再现轮胎的各种工作情况。用于试验过程中 1 0 1iijiiiiiiijiij 东北大学硕士学位论文 第2 章车辆动力学模型的建立 检测各类数据的仪器具有很高的精度和灵敏度，并配有功能强大的数据处理系统，从 而保证了试验数据准确可靠。h b p a c e j k e 轮胎模型是目前汽车操纵动力学研究中最为 流行的经验公式。本文采用h b p a c e j k e 轮胎模型【2 8 枷】。 2 2 1 轮胎坐标系 在轮胎力学的研究中，为了描述方便，或出于习惯，曾经产生了很多不同的坐标 系，其中包括用于轮胎力学理论分析的坐标系，如美国汽车工程师学会提出的用于描 述轮胎六分力的坐标系，以及用于与车辆系统动力学和多体系统动力学软件连接的 i s o 坐标系【3 1 儿3 2 1 。轮胎模型的试验数据和拟合结果就是在s a e 坐标系中定义的。标 准的轮胎坐标系如图2 1 所示1 3 3 - 3 5 1 。 轮 渡曲融l ，j 如 图2 i 轮胎坐标系 f i 9 2 it i r ec o o r d i n a t es y s t e m 图中