（计算机软件与理论专业论文）汽车转弯防抱死制动控制系统仿真研究.pdf

摘要 手两要 面对激烈的市场竞争，各汽车厂商都需要一套硬件在回路的仿真系统， 以提高汽车防抱制动死系统( a b s ) 的性能，缩短研发周期，降低研发成本。 本文选用转弯制动中的汽车作为控制对象，对该对象进行了专题研究并建立 一套仿真系统。 鉴于目前a b s 的物理结构及工作原理基本相同，本文将物理模型适当简 化，在前人建立的动力学模型上进行了改进，建立了仿真模型。仿真模型充 分考虑了车体的动力学模型、轮胎力学模型、液压执行器力学模型。为达到 仿真可行性与可信度的统一，本文对模型均做了合理简化。 目前，国内对制动防抱死系统( a b s ) 的理论研究还不够充分，对其在特 定工况中的具体表现缺乏足够的认识。为解决制动器制动力的控制问题，本 文在建立的仿真模型上采用控制滑移率的方式对汽车进行紧急转弯制动过 程仿真。由于仿真系统将检验不同的控制策略，所以本文首先运用简单实用 的p i d 控制器在理想工况下进行仿真，将控制结果作为衡量其他控制策略的 标准，进而研究了鲁棒性较强的模糊控制器及兼顾鲁棒性、控制精度的双模 控制器。仿真结果表明双模控制器达到理想的控制效果。 最后，本文选用a r m 系列的3 2 位单片机实现了a b s 的核心部分一电子控 制单元，并连接仿真模型进行了仿真验证。在a b s 研发过程中，可以依据本 文建立的仿真模型通过更改参数的方式对不同路况、不同车型进行仿真，并 可以在单片机中加载不同控制策略以检验其控制效果。 关键词防抱死制动系统；滑移率；模糊控制：双模控制；嵌入式系统 燕山大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t e v e r yv e h i c l em a n u f a c t u r e rn e e d sah a r d a r e i n l o o ps i m u l a t i o n s y s t e ma c c o r d i n gt o t h ek e e n m a r k e tc o m p e t i t i o nt oe n h a n c et h ea b s p e r f o r m a n c e ，s h o r tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp e r i o da n dr e d u c et h er e s e a r c h c o s t t h i sp a p e rs e l e c ts w e r v i n gv e h i c l ea sc o n t r o lo b j e c tt a k i n gas p e c i a l r e s e a r c ha n db u i l das i m u l a t i o ns y s t e m 功ep h y s i c sp r o t o t y p ei sm o d e s t l yp r e d i g e s t e da n dt h ek i n e t i c sm o d e l s f o u n d e db yp r e d e c e s s o r si sa d a p t e dt ob u i l ds i m u l a t i o nm o d e lb e c a u s eo fa b s p h y s i t sm a c h i n e r ya n dw o r kp r i n c i p l eb e i n ga l m o s ts a m e a t p r e s e n t t h e s i m u l a t i o nm o d e lt a k e si n t oa c c o u n tt h ev e h i c l ek i n e t i c sm o d e l t i r em e c h a n i c s m o d e l m e c h a n i c sm o d e lo fh y d r o m e c h a n i c a le x e c u t i v e s a l it h em o d e l sa r e m o d e s t l yp r e d i g e s t e dt or e c o n c i l es i m u l a t i o nf e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h et h e o r yr e s e a r c ha n dt h ek n o w l e d g eo fa b sc o n c r e t er o l ei ns p e c i a l s i t u a t i o na r en o te n o u g ha tp r e s e n ti nd o m e s t i c t of i n das o l u t i o nc o n t r o l l i n gt h e d e t e n tb r a k ef o r c e ，e m e r g e n c yb r a k ep r o c e s si ss i m u l a t e db a s i n go nt h ef o u n d e d s i m u l a t i o nm o d e lt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h es l i pr a t i o 1 1 1 es i m u l a t i o ns y s t e mw i l l t e s td i f f e r e n tc o n t r 0 1s t r a t e g y s ot h es i m p l ea n dp r a c t i c a lp i dc o n t r o l l e ri sf i r s t l y a p p l i e dt os i m u l a t i o ni ni d e a lw o r kc o n d i t i o na n dt a k et h er e s u l ta sc r i t e r i o nt o e v a l u a t et h eo t h e rc o n t r o l l e r sq u a l i t y m o r er o b u s tf u z z yc o n t r o l l e ra n dd o u b l e m o d e lc o n t r o l l e rb e i n gr o b u s ta n dh a v i n gc o n t r o lp r e c i s i o na r ea l s oa p p l i e di n t h i sp a p e lt h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a td o u b l em o d e lc o n t r o l l e rh a si d e a l c o n t r o le f f b c t a tl a s t t h i sp a p e ri m p l e m e n t st h ea b sc o r e - - - e c uu s i n g3 2b i t sa r mc h i p a n dp u t si ti n t ot h es i m u l a t i o nm o d e lt ov a l i d a t ei t t h es i m u l a t i o nm o d e lc a l lb e u s e dt os i m u l a t ed i f i e r e n tv e h i t i ei nd i f i e r e n tw o r kc o n d i t i o n sd u r i n gt h et i m e s o fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i tn e e d so n l yd i f f e r e n tp a r a m e t e r s d i 脯r e n t c o n t r o ls t r a t e g i e sc a nb ed o w n l o a d e di nt h ec h i pt ot e s ti t sc o n t r o le f f e c t k e y w o r d sa n t i l o c kb r a k es y s t e m ；s l i pr a t i o ；f u z z yc o n t r o l ；d o u b l em o d e l c o n t r o l ；e m b e d d e ds y s t e m 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 汽车防抱死制动控制系统( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ，简称a b s ) 被公认 为继安全带之后汽车安全性方面最重要的技术成就，是一种提高汽车制动 安全性的高技术装置。自二十世纪九十年代来，随着人们对车辆安全性、 排放、舒适性要求的提高，特别是近年来，国内车辆激增，交通事故也呈上 升趋势，所以交通安全受到社会各界的广泛关注。而a b s 对减少交通事故 具有很重要的意义，国内外已开始在车辆上普遍装用a b s ，国外有很多著 名的a b s 厂商，国内也正在积极加紧研制a b s 。国内许多科研机构及院校 都投入人力、物力进行研究开发，国家“九五”科技攻关项目也对这一课题 进行了资助。 a b s 是制动时防止车轮抱死，以期获得最有效的制动效率和制动稳定 性，从而尽可能地避免交通事故的发生和减轻事故造成的损害的一种机电 一体化系统。对这一系统的开发与研究一直受到国内外学者与工程师的重 视。 a b s 是一个综合的学科，既涉及比较基础的控制理论及车辆动力学的 内容，又涉及机械、电子控制、计算机模拟技术等大量的工程实践，同时 它又与使用、维修、法规等社会问题密切相关。它既有比较基础的理论背 景，又有广泛的应用问题。 1 2 研究现状 自2 0 世纪8 0 年代以来，人们对车辆性能提出越来越高的要求，基于 提高和改善安全性、排放、舒适性等性能的车辆电子控制系统成为现代汽 车制造业开发的新热点。由于安装a b s 是保证安全性的重要措施之一，因 燕山大学工学硕士学位论文 而备受生产厂家与科研单位的关注。 1 2 1 研究内容 目前关于a b s 的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) a b s 的仿真包括a b s 制动管路的压力和安装a b s 的汽车运动仿 真，其中硬件在回路( h a r d w a r e i n l o o p ) 仿真技术逐渐受到重视。 ( 2 ) a b s 结构许多厂家热衷于申请a b s 专利，同时发表了大量的文 章，这些文章主要来自国外。 ( 3 ) a b s 控制参数的研究主要有逻辑门限法、控制加速度法、控制滑 移率法。 ( 4 ) a b s 与其它制动传动系统综合开发的研究随着汽车技术的发展， 许多人使a b s 与a s r ( a c c e l e r a t i o ns l i pr e g u l a t i o n ) 等其它制动传动部件结 合在一起。 ( 5 ) 车辆一动力学模型的研究由于目前a b s 受地面自然条件的影响 较大，因此很多专家致力于这方面的研究。 目前多数产品采用自适应逻辑门限值控制策略。虽然基于滑移率的模 糊控制、神经网络控制及其它复合控制策略在理论研究上优于逻辑门限控 制，但研究结果还仅限于仿真研究和实验室内。 1 2 2 研究与开发方式 a b s 开发涉及到机械、电子、液压、车辆建模、软硬件的开发以及最 后的实车试验等多方面的工作。由于市场竞争的缘故及资金周转的缘故， 如何建立高效的a b s 开发系统成为研发a b s 的关键。随着计算机技术和 软件技术的发展，将逻辑a b s 及车辆运动规律结合的纯仿真技术和将实物 a b s 及车辆运动规律结合的h a r d w a r e i n l o o p 仿真技术逐渐成为热 点，并且在a b s 的开发中广泛应用i l 5 】。随着硬件数据处理能力的增强， 其发展趋势是主处理器微机化，汽车的数学模型复杂化，如文献1 1 1 中作者 第1 章绪论 利用d e cv a xs t a t i o ni i ，f e n n e l i s 和s a i l e r 【7 1 则利用混合机群建立了仿真环 境，文献【2 中作者用p c 机实现了a b s 的实时仿真。二者的区别在于a b s 是逻辑上的纯软件还是硬件产品，后者对系统的实时性要求较高。 普通的纯仿真技术一般是在辅助软件如m a r l a b s i m u l i n k 的帮助 下，利用软件提供的模块和控制工具箱进行车辆动力学建模，并将a b s 各 器件及其控制算法用自己的模块表示。这种仿真方式检验了程序的逻辑是 否正确并得到逻辑结果，整个仿真结构如图1 1 所示。 实时纯仿真是将程序编译链接，下载到仿真机如d s p a c e 中，通过监 视器实时观测变量，并可在线修改参数。这种仿真方式进一步检验了在实 时运行时程序的时序是否正确，如控制器能否及时得到运行参数并及时下 达控制指令。 圈1 1 普通a b s 仿真结构 f i g 1 - 1n o r m a la b ss i m u l a t i o nf r a m e 实时混合仿真是把控制器与车辆动力学模型分开，将仿真机的i 0 模块 与实际数据采集卡对应连接，数据采集卡与实际传感器和执行机构连接。 仿真机中运行车辆动力学模型，根据离散化后的执行器压力信号进行运算， 输出车辆运行状态的模拟信号供数据采集卡采集。这种仿真方式检验了传 感器及执行机构的性能。仿真结构如图1 - 2 所示。 现代的e c u ( e l e e t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 开发流程是采用计算机辅助工具 来进行的，可以支持从需求定义直到最终产品的全过程。国外著名的汽车 电子开发商( 如：a u d i ，a v l ，b mw b o s c h ，r i e a r d oe n g ，s i e m e n sv d o ，f o r d 等) 普遍采用这一设计开发流程：离线功能仿真一快速控制原型一自动代 码生成一硬件在环仿真一台架及装车实验所构成的“v 模式”【8 l ，如图1 3 燕山大学工学硕士学位论文 所示。“v 模式”符合国际汽车行业标准( a s a m a s a p ) ，构成统一的从开 发、测试到标定的一体化方案。 我国a b s 研究开始于8 0 年代初期，至今研究水平与开发手段已接近 图1 2 实时混合仿真结构 f i g 1 2r e a lt i m e a b ss i m u l a t i o nf r a m e 验 目动代玛生成 图1 - 3e c u 的v 模式开发流程 f i g 1 - 3t h ev m o d e lo f e c ud e v e l o p m e n tf l o w 国外先进水平。近年来国家持续加大研究的投资力度，a b s 研究成果较多。 重汽集团技术发展中心自1 9 9 4 年获得福特一中国研究与发展基金资助后， 对防抱制动规律进行了系统而深入的研究和验证，在国内率先开发出实时 硬件闭环仿真系统【9 】，并有载重汽车专用的a b s 产品投产。清华大学也在 液压混合仿真试验台的研究上取得一定成果，并在国内a b s 仿真中首先应 用了驾驶员模型1 0 l 。 第1 章绪论 1 2 3a b s 与其他控制器的通信 目前，汽车已不再是纯机电的交通工具，人们在汽车中大量采用了微 处理器，将汽车带入智能化时代。目前，某些汽车己使用了7 0 多个微控制 器。在生产出质量更高、效率更高和更加安全的汽车的同时，为解决汽车 中软件含量增加、在操作系统和通信网络方面重复开发、软件工程师的工 作效率不能满足高质量产品的要求等诸多问题，欧洲汽车行业在2 0 世纪9 0 年代中期开发了一个用于汽车电子、带有接口的开放式系统o s e l 洲d x ( o f f e n es y s t e m eu n dd e r e ns c h n i t t s t e l l e nf u rd i ee l e k t r o n i ki mk r a f t f a h r z e u g v e h i c l ed i s t r i b u t e de x e c u t i v e ) 。这是用于分布式实时结构的一组标准，这些 标准是欧洲汽车行业先进开发技术的总结，提供了将各种先进汽车电子设 备有机集合在一起的网络化嵌入式计算机系统的开发规范，使汽车行业的 各种软件能够兼容与协作开发，有利于提高汽车软件的开发效率【i ”。 a b s 可以通过上述o s e k v d x 系统与其他控制器通信，而目前应用较 多的通信方式是采用符合i s o 有关标准的c a n 总线。c a n 总线被设计作 为汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置e c u 之间交换信息， 形成汽车电子控制网络【l “。 国外汽车厂商已广泛采用总线技术构建车载网络，国内，汽车总线的 开发研究网0 刚起步。北京恒润科技有限公司近几年来在汽车车载网络系统 开展了广泛而深入的合作。 1 3 研究意义及本课题的研究内容 普通的纯仿真作为实时纯仿真和实时混合仿真的基础，应给以充分的 重视。此部分包括车体物理参数的搜集，路面工况的设定，执行机构数学 模型的确定及控制策略的选取。将控制算法在硬件中实现得到e c u ，可将 e c u 作为节点挂载到c a n 总线上测试，实现e c u 与其他控制器的通信。 本文在查阅相关文献的基础上，采用燕山大学汽车工程学院韩宗奇老 燕山大学工学硕士学位论文 师的论文中提出的动力学模型，并进行适当的改写，对多种控制策略进行 了仿真，根据仿真结果分析不同控制策略的优缺点。 本课题主要完成以下几方面的工作： ( 1 ) 选用十一自由度汽车动力学模型并进行适当补充改写，用m a t l a b 建立系统仿真模型。 ( 2 ) 在仿真模型上加载不同的控制器进行仿真，对不同控制策略的仿真 结果进行对比分析。 ( 3 ) 用3 2 位单片机实现e c u ，并放在仿真回路中进行仿真实验。 1 4 本文结构 本文主要包括：仿真系统数学模型的建立、仿真系统仿真模型的建立、 不同控制器的设计及仿真分析、硬件控制器的实现等几个部分。本文结构 如图1 - 4 所示。 蛩壤 r 1 嚣算剿 系境仿真h 广一 l 冈蹰i 真 l l r b c u 虫现方案 鄹网l l = = 在硬件中件叫 u c o s l i 的实现l l = = = = = = 卜一 r - 拘舟 i ! = = = = = = l - 一仿真结辈丹析 图l _ 4 论文结构 f i g 1 - 4d i s s e r t a t i o n ss t r u c t u r e 6 兰票萧 第2 章仿真模型 第2 章仿真模型 2 1a b s 的型式及其特点 图2 1 是由四个液压控制通道和四个轮速传感器组成的系统，这就是通 常所说的四传感器四通道式a b s 系统。 按照传感器数量和控制通道数可将a b s 系统分为如下几种型式。 ( 1 ) 四传感器四通道式根据两个传感器信号分别控制汽车两前轮，后 轮可采用两种方式进行控制。一是分别控制方式，另一个是将后轮的两个 传感器的信号加以综合处理后同时进行控制的同步控制方式。这种型式具 有四个传感器和四个控制通道，各个车轮独立控制。即根据各车轮的需要 1 ：轮速传感器2 ：电子控制器3 ：液压调节器 图2 - 1四传感器四通道式a b s f i g 2 - 1f o u rc h a n n e l sa b sw i t hf o u rs e n s o r s 分别控制制动压力。因此，这种系统的制动距离和操纵性最好，但在不对 称路面上的方向稳定性不太好。这是因为作用于前后左右轮上的制动力不 同，汽车偏转力矩较大，一般的驾驶员很难控制汽车的旋转。 ( 2 ) 三传感器三通道式采用两个传感器分别控制汽车两前轮，用个 传感器( 装于差速器上) 和一条液压管路控制两后轮。该系统前轮独立控 制，后轮按照选择方式控制，以易抱死的车轮即轮胎转矩较小的车轮为标 燕山大学工学硕士学位论文 准，给两后轮施加相等的制动力矩控制车轮转动。 ( 3 ) 四传感器三通道式采用两个传感器分别控制汽车两前轮，把后轮 的两个传感信号加以综合处理后，用同一条液压管路控制两后轮。该系统 用于后驱动汽车，因测出的是左右后轮的轮速，所以可以实现完全低选择 控制。 2 2 液压控制装置 汽车制动系统随车型的不同有多种形式。不同的a b s 系统，调节器也 有几种主要形式。大体分为真空式、液压式、机械式、空气式和空气液压 加力式。下面主要对液压式控制装置进行介绍。 液压式调节器是用电磁阀和液压泵产生的压力控制制动力的。每个车 轮或每个系统内部都有电磁阀，通过电磁阀直接或间接地控制制动压力。 通常把直接控制制动压力的形式称为循环式，把间接控制制动压力的形式 称为可变容积式。 a b s 液压控制装置是在普通制动系统的液压装置上经设计后加装a b s 液压调节器而形成的，装在制动总泵( 主缸) 与制动分泵( 轮缸) 之间。 如果与总泵装在一起的，我们称之为整体式，否则是非整体式。 整体式a b s 液压控制装置，除了普通制动系统的液压部件外。通常由 电动泵、蓄压器、主控制阀、电磁控制阀体和一些控制开关等组成。 电动泵是一个高压泵，它可在短时间内将制动液加压( 在蓄压器中) 到1 4 0 0 0k p a - 1 8 0 0 0k p a ，并给整个液压系统提供高压制动液体。电动泵的 工作独立于a b s 控制器，如果控制器出现故障或接线有问题，电动泵仍能 正常工作。 蓄压器内部充有氮气，可存储高压和向制动系统提供高压。蓄压器被 一个隔板分成上下两个腔室，上腔室充满了氮气，下腔室充满了来自电动 泵的制动液( 蓄压器下腔与电动泵泵油腔相通) 。电动泵给蓄压器下腔压入 制动液，使隔板上移，在蓄压器上腔的氮气被压缩后产生压力，反过来推 动隔板下移，会使蓄压器下腔的制动液始终保持大约1 4 0 0 0k p a - 1 8 0 0 0k p a 第2 章仿真模型 的压力。主控制阀是电操纵的一种开关阀。在防抱死制动控制的时候，它 接通液压助力器的压力腔与总泵内部的油室，关闭通向储油箱的回油路， 这样可提供连续的高压制动液，使a b s 系统正常有效地工作。防抱死制动 系统停止工作，主控制阀就关闭液压助力器与总泵之间的油路，打开通向 储油箱的回油油路，蓄压器的压力不再经过总泵到制动分泵，而直接到回 油油路。 当给螺线管通电时，在螺线管中心产生磁场，磁场强度与线圈匝数和 通电电流之积成正比。若线圈带有铁芯，铁芯就会变成磁力很强的磁铁， 产生吸引力。电磁阀就是根据这个原理制成的。它由螺线管、固定铁芯和 可动铁芯组成。通过改变螺线管的电流改变磁场力，可以控制两铁芯之间 的吸引力，该力与弹簧力的方向相反，从而控制了柱塞的位置。柱塞上设 有液体通道，柱塞位置决定了液体通道的开闭。根据电流的大小，可将柱 塞控制在三个位置，改变三个阀口之间的通路。 2 3a b s 工作原理 图2 2 所示为某丰田轿车装载的a b s 原理图 1 3 1 。 在普通制动模式( a b s 不起作用) 时，a b s 的e c u 单元不发出指令， 电磁阀的电磁线圈和液压原电动机电源断开，电磁阀在回位弹簧作用下使 制动主缸和制动轮缸的通道接通，而电磁阀到液压泵的通道关闭。当踩下 制动踏板时，来自制动主缸的制动液经电磁阀进入制动轮缸：放松制动踏 板时，制动轮缸内的制动液可经电磁阀和与电磁阀并联的单向阀两个通道 流回制动主缸。装在液压泵出口侧的上t 回阀使制动液不能从制动主缸流回 液压泵。在此制动模式下，制动轮缸内的制动压力随踏板力产生的制动主 缸内压力的变化而变化。 在防抱死制动模式( a b s 起作用) 时，a b s 的e c u 单元根据所接收 到的信号向执行机构发出指令，控制各制动轮缸内的制动压力，以使各车 轮保持理想的制动状态。 当某一车轮的滑移率过大需减小制动压力时，e c u 接通相应电磁阀的 燕山大学工学硕士学位论文 电磁线圈电源，电磁阀在磁力作用下动作，使其到制动主缸的通道关闭， 圈2 - 2 液压a b s 原理i f i g 2 - 2h y d r a u l i ca b se l e m e n t s 而电磁阀到制动轮缸和储液器的通道接通，这样制动轮缸内的制动液经电 磁阆流回储液器，从而减小该车轮上的制动压力，防止车轮抱死；同时， e c u 接通液压泵电动机电源，将储液器内的制动液送到制动主缸。制动液 不能经单向阀从制动主缸流向制动轮缸或回流到液压泵，也不能经单向阀 从液压泵回流到储液器。此工作过程称为“减压”。 当某一车轮滑移率过小而需增大制动压力时，e c u 切断相应电磁阀的 电磁线圈电源和液压泵电动机电源，液压泵停止工作，电磁阀回到普通制 动模式时的工作位置，来自制动主缸的制动液经电磁阀进入制动轮缸，以 增大该轮上的制动压力。此工作过程称为“增压”。 当车轮滑移率在控制范围内时，e c u 给相应电磁阀的电磁线圈提供一 个较小的电流，使电磁阀处于中间位置，电磁阀到制动主缸和储液器的通 第2 章仿真模型 道均关闭，同时切断液压泵电动机电源，使液压泵停止工作，从而使制动 轮缸内的制动压力保持现有状态。此工作过程称为傈压。 2 4 动力学模型 在各国学者的不懈努力下，汽车动力学这门学科逐渐发展成熟。s e g e t 在1 9 9 3 年举行的题为“车辆平顺性和操纵稳定性”的会议上发表的论文， 对1 9 9 0 年以前汽车动力学的发展做了较为全面的总结【1 ”，见表2 1 。近年 来汽车动力学又有了进一步发展，大量的高水平学术论文和经典的汽车动 力学专著相继被发表，而且开发出许多专为汽车动力学研究建立模型的软 件，如美国密西根大学开发的a u t o c a r 、a u t o s i m 等商业软件。汽车是一复 杂的连续体系统，要想对其进行动力特性的预测和优化需建立经合理简化 的抽象汽车模型。汽车动力学最为核心的是平顺性和操纵稳定性这两大领 域，一般认为平顺性主要研究影响车身的垂向跳跃、俯仰、侧倾振动的因 素，而操纵稳定性主要研究车辆的横向、横摆和侧倾运动。建模时一般假 设平顺性和操纵稳定性之间无偶合关系m 1 。本文主要研究汽车的操纵稳定 性。 表2 1 汽车动力学模型的发展 第l 阶段第2 阶段第3 阶段 ( 2 0 世纪3 0 年代前)( 3 0 年代至1 9 5 2 年)( i 9 5 2 年至1 9 9 0 年) 对汽车动力特性进行实对轮胎侧偏现象的基本通过台架实验和模型分析对轮胎 验观察，关注轮胎摆振，理解，不足转向过度转向特性有了进一步认识，发展了3 自由 认识到平顺性的重要性的定义，稳态转向的理解，度操纵稳定模型，深入分析车辆稳态 2 自由度操纵稳定模型的建转向特性，应用随机振动理论对平顺 立，平顺性的研究引起广泛 性进行预测 关注，独立前悬挚的产生 建立正确的操纵稳定性模型的关键是对轮胎特性的充分了解。3 0 年代 b e c k e t 和r d e v a n s 等人初步研究了轮胎特性，然而直到9 0 年代中期较为 健全的理论才被建立e 1 6 ) ，使分析车辆稳定性成为可能。 最初建立的操纵稳定性模型多为侧向加速度小于0 ：3 9 的低自由度线性 燕山大学工学硕士学位论文 模型。这种集中了汽车的主要性能，把影响汽车性能的参数减至最少，可 求出数学模型的解析解，因而能得出普遍适用的结论，所以它至今仍然被 广泛应用。 6 0 年代到8 0 年代，计算机技术的发展促进了汽车操纵稳定性研究的发 展。各国学者们建立了许多复杂的车辆模型和相应的仿真程序。这些模型 多为1 5 1 8 个自由度 1 7 , 1 8 , 1 9 】，可以描述汽车的非线性特性和更精确的整车运 动动态响应。模型中一般采用抗侧倾力、抗纵倾力和举升力等非线性特性 来等效悬架特性，避免了求解复杂的运动学方程，适用于实时仿真。但是， 这类模型中许多总成特性是通过试验或人为的方法经过简化，用一组拟合 参数来代替的，与汽车运动状态中的动态特性参数有一定的误差，影响了 模型的准确度。近年来，随着多体系统动力学的诞生和发展，汽车建模方 法出现了新的改变。由于对汽车模型的精确度要求越来越高，大型的多体 系统动力学方程推导十分困难，因而通用的多体仿真软件( 如a d a m s 等) 逐渐被应用。应用多体仿真软件建模是将汽车每一部件看作是刚性体或弹 性体，它们的连接是通过各种约束来描述，多体动力学软件自动生成运动 学和动力学方程，并利用软件内部的数学求解器准确地求解。然而，多体 模型包含部件较多，有些参数难以测量，因而不能从整体上保证系统的准 确性；另外，复杂的模型在计算机上求解时运行速度相对较慢；使实时仿 真运算有一定困难。 2 4 。1 车体动力学模型 十一自由度转弯制动模型f 2 0 】假设在制动过程中司机保持方向盘不动， 以去除人为因素，完全反应汽车性能。如图2 3 所示，取圆周轨道中心o 为 极点，制动起始线o a 为极轴建立极坐标系。 设t 时刻汽车位于图示位置，以质心c 为原点建立固定在车身的动坐 标系c x y 。汽车作为平面运动的刚体有三个自由度，用质心r 、巾来描述 质心运动，用方向偏离角0 描述相对转动( 0 定义为汽车纵轴线与垂直于 质心径向的直线之间的夹角) 。巾和0 均以逆时针为正。取四个车轮绕自转 移，| t 一。 ，j ? f f ! l ! i 缈一如一。j 。一7 羔至兰：一一r 塑堡燮一上立 图2 - 3固定极坐标系及固定于车身的动坐标系 f i g 2 - 3f i x e dp o l a rc o o r d i n a t ea n dm o v i n gc o o r d i n a t ef i x e do nv e h i c l e 质心的径向和切向速度分别为： v 。= r ( 2 1 ) v ，= r ( 2 - 2 ) 径向和切向加速度分别为： a 。= r - r 妒2 a 。= r e + 2 r 投影到车身坐标系上分别为： 阱瞄 设汽车横摆角为1 l r ，横摆角速度为y = ，则 y = + 0 1 3 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 露 面卟 ? 器黼。、 仿一度用 、 燕、 磊磊 ：喜| 础 一 c 、rj q v 儿 旧日出 一 c毋p 拿址 c s ，l = ，lr，j j y 口 口 ，、l 燕山大学工学硕士学位论文 y = 庐+ 目( 2 - 8 ) ，= + 臼 ( 2 9 ) 设汽车作左转弯运动，其平面受力如图2 - 4 所示，其中占为前轮转角( 设 左右轮相等) 。 1 x l 堪 j f x 2 jj 、 n 一 、。0 p c 瞽 f “ 一 7 j f y 3 f y 图2 4 汽车平面受力图 f i g ，2 - 4h o r i z o n t a lf o r c eo nv e h i c l e 对制动过程进行分析时，汽车作为质点进行宏观运动，在固定极坐标 系中描述，微观运动在固定于车身的动坐标系中描述。宏观运动与微观运 动通过滑移率联系在一起，使整个制动过程得到详细描述。 描述此系统运动的微分方程如下： = 志( 一c o s 8 + 倒呐一半 ( 2 _ l o ) 爱2 去( ：s i 肌细s 町舻 占= 尝一乒 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 第2 章仿真模型 妒半扣1 “ ( 2 _ 1 3 ) 式中i ：为汽车绕过质心的铅垂轴的转动惯量，1 w ，为车轮的转动惯量， f i ( i = l ，2 ，3 ) 为汽车受外界的广义力，m b i ( t ) 为制动力矩。 2 4 2 轮胎力学模型 轮胎的力学特性，特别是附着特性，是决定汽车操纵稳定性的最主要 因素。国内外的学者们在研究轮胎的力学特性过程中，建立了各种各样的 轮胎模型。轮胎模型大致可以分为理论模型、经验模型和半经验模型三种。 理论模型是在对轮胎进行力学简化的基础上建立轮胎纯物理模型，从 而得出的解析公式。1 9 5 4 年，f i a l a 就通过简化的轮胎理论模型推导出无量 纲的轮胎力特性公式。实验证明，这个模型的侧偏力值精度较好，但回正 力矩的误差较大【2 j l 。后来，通过对计入胎体弹性的轮胎力学模型进行深入 研究，f i a l a 与s a k a i 提出了梁模型，b e r g m a n 提出了三维弹簧模型【2 2 1 ， h b p a c q k a 提出了弦模型1 2 3 l ，g o i m 在此基础上推出了完整的轮胎力学特 性公式【2 4 啪1 ，并被作为理论模型的代表而采用2 7 j ”。g g i m 的轮胎模型提出 了外倾、侧偏和纵滑同时作用下的轮胎模型，其纵向力特性和侧向力特性 为 只= c ，s s l 。2 + 以f a l 3 l 。2 + 2 厶2 ) 分以下几种情况讨论。 ( 1 ) 吖 0 ： 当s ， s ，s 。 s 。，s 。 s 。时： = 巴。2 + ，“只( 1 - 3 l 。2 + 2 “2 ) + c ，s ， 当s r s 。，s ，s 。，咒s 。时： f x = 雒：m i f ：。fv = y f ： ( 2 ) 巴s 。c ，s ，： 当s 。 s 。，s a s 。时 煎出盔堂二堂堡主堂壁监塞 = c 。s 。l2 + p y ( m ) f ：0 3 l 2 + 2 l 2 ) 一c ，s ， 当只s s 。s 。时： f 。= “：m 。fz ，f v = uv fz ( 3 ) 巴s 。 c r s ，： 当s ， s 。，s ， s 。时： b = c ，s ，( 3 。2 - 2 l 3 ) 一c 。s 。2 + y c ( 1 3 l 。2 + 2 l 2 ) 一c ，s ， 当s ，s 弦，s ，s w 时： f x = u ：“i f ：。fv = uy fz 上述公式中的y 为轮胎侧倾角，1 ，为纵向最大附着系数，。m 1 为侧 向最大附着系数，厶为轮胎接地线长度的无量纲值，e 为轮胎侧倾剐度， c 。为轮胎侧偏刚度，c ，为轮胎纵向刚度。 经验模型是在对轮胎力学特性实验数据进行回归分析基础上而得出的 含有拟合参数的经验公式。1 9 7 0 年，d o g u f f 等人根据试验数据，建立了表 示驱动力、侧偏力、滑移率、侧偏角和轮胎其它设计参数间关系的表达式1 2 9 】， 曾得到广泛的采用。近年来，b a k k e r 和p c e j k a 的“魔术公式”1 3 0 , 3 ”成为更 为精确和简洁的轮胎经验公式，在汽车操纵动力学研究中比较流行，它是 用特殊正弦函数建立的轮胎纵向力、侧向力和回正力矩模型。表达如下 y = y + s ，( 2 - 1 4 ) y = d s i n ( c a r c t g ( b x e ( b x a r c t g ( 占z ) ) ) )( 2 - 1 5 ) 石= 爿+ s h( 2 1 6 ) 上述公式中的y 表示侧向力、纵向力或回正力矩，x 表示侧偏角甜或 滑移率s ，b 为刚度因子，c 为形状因子，决定公式表示的曲线的形状，d 为峰值因予。e 为曲率因子，在最大值保持不变的前提下造成曲线附加的 伸展或压缩。轮胎制造中的影响因素( 例如锥度使轮胎在侧偏角为零时仍 有侧向力和回正力矩) ，滚动阻力和车轮外倾都会使曲线发生纵向或横向的 平移，在公式里用s h 和s v 表示它们的影响。 半经验模型是指在理论模型基础上结合试验统计数据分析而得出了含 第2 章仿真模型 有拟合参数的半经验公式。1 9 6 1 年和1 9 6 8 年日本普利司通轮胎厂发表了对 理论袭达式的试验修正表达式1 3 2 】。1 9 8 5 年我国的郭孔辉在f i a l a 简化轮胎模 型的基础上，建立了半经验的“幂指数公式”和轮胎理论模型p “1 。郭孔辉 提出的轮胎纯工况及联合工况下的力学特性半经验公式，纯工况下“幂指 数公式”为： 侧向力 ， 詈= 1 一e x p ( 一办一e y 丸3 ) 肿， 回正力矩 m ：= 只d 。 d 。= d m e x p ( 一d l 办一d 2 办2 ) + ( 见o + d 。i 办) 纵向力 ， ! = l e x p ( 一疵一e y 以) 坩 缸：坠 胪： 上述公式中的d ，为气压拖距，为附着系数，k ，为纵向刚度，其它参 数都可表示为垂直载荷的多项式。 通过上面的分析可以看出，以往所建的轮胎模型所需参数繁多，求解 方程非常复杂，特别是应用在转弯制动这种联合工况下，实用性很差。简 便可行的方法是通过对现有的轮胎实验数据进行拟合而得到更为精确的轮 胎模型。 本文在计算汽车制动前的初始条件时用到了经验模型，而在仿真过程 中则采用了查表法，即事先给出足够多的关键点值，计算时采用插值法计 算。 2 4 3 滑移率的计算 本文所研究的控制策略都是基于车轮的滑移率进行的。车轮滑移率定 义为s = i ur v ，式中s 为车轮滑移率；r 为车轮滚动半径；v 为车辆速度： 燕山大学工学硕士学位论文 为车轮角速度。 对每个车轮来说，除受制动力矩的作用外，还受地面摩擦力的作用。 地面摩擦力受轮胎附着系数的影响，而附着系数是车轮滑移率的函数，如 图2 - 5 所示，图中表示纵向附着系数，表示横向附着系数，s l i p 表示滑 移率。由图2 - 5 可知，随着滑移率的增大，纵向附着系数先迅速增大，然后 逐渐减小，而横向附着系数则随着滑移率的增大而逐渐减小。只要将滑移 率控制在图中a 、c 两点之间就可以同时获得较大的纵向附着系数和横向 附着系数。对应于不同的工况，a 、c 两点的位置不同。 图2 - 5 滑移率与附着系数的关系 f i g 2 - 5r e l a t i o nb e t w e e nf r a c t i o nm o d u l u sa n ds l i pr a t i o 安装a b s 的目的之一是为了保证操纵稳定性，二是为了获得较短的制 动距离。由图示可知，使车辆滑移率维持在峰值附着系数。附近就可以得 到较大的纵向摩擦力，即可得到较短的制动距离。同时在峰值附着系数附 近也可获得较大的横向摩擦力，从而保证了操纵稳定性。 要确定车轮的实际滑移率，首先要确定车轮中心的实际纵向速度( 车 体速度) ，在制动过程中，确定车轮中心的实际纵向速度相当困难，因此， 目前大多数a b s 都是由电子控制装置根据车轮转速传感器输入的信号按照 一定的逻辑确定汽车的参考速度，再计算出车轮的参考滑移率。参考车速 只是实际车速的一种近似p “。 本文中的车体速度是通过宏观运动分析计算得到的。尽管实际中的车 辆速度大都是靠传感器采集到的关于轮速的数据推算得到，然而宝马公司 已率先在车上装载了车速传感器，代表了未来车速测量的发展方向，为本 第2 章仿真模型 文关于车速的计算提供了依据。 由滑移率的定义可知，当汽车做直线制动时，滑移率的确定较简单， 当汽车做转弯制动时，由于前轮转向角及车轮侧偏角的影响，滑移率的确 定较烦琐。由汽车的宏观运动可知，车体由于横摆运动的影响，沿制动轨 道切线方向的速度通常不是汽车的纵向速度，而是汽车的纵向速度和横向 速度的矢量和，用公式可表示为v t = v x c o s0 。由于轮胎侧偏角和前轮转 角的影响，前轮轮心速度的计算相当烦琐。本文在建立模型时忽略掉这两 个因素，即认为轮心速度矢量与汽车质，心纵向速度矢量平行。这样虽然会 给滑移率带来一定计算误差，但控制本身并不是要严格控制滑移率维持在 一确定值上，而是在某一给定值附近。因此得到滑移率的计算公式 s = 1 一w r 玖，式中r c 表示轮胎的有效半径，v x 表示汽车的纵向速度。 应给以充分注意的是车轮永远不会逆转，最多抱死。忽略此物理限制将 出现数学上合理但与物理相悖的现象。因为滑移率是定义量，不是物理量。 2 5 对象模型 a b s 模型包括控制策略和执行机构。目前多数a b s 产品为液压执行机 构，因此本文要对液压执行机构进行建模，包括传动机构建模和制动器建 模。传动机构要考虑的参数较多，包括柱塞泵的流量、制动分泵的容积变 化率、管路的容积变化率、制动主缸的压力及制动分泵的压力等。图2 2 为本系统建模依据的物理模型。 由流体力学可知，柱塞泵的排量为 q p = mp $ p p + bp 式中q p 为泵的排量，m p 为泵压力与流量曲线的斜率，p p 为出口压力，b p 为泵压力与流量曲线在压力为零时的流量。 流过控制阀口、节流孔与液阻的流量为 q ：觚，f 业型 鎏堂盔堂：! ：堂堡堂垡丝塞 式中q 为液体流量，a 为阀口通流面积，a 为流量系数，p 为液体密体， p l 和p 2 分别为阀进出口压力。 比例控制采用p w m 开关阀实现，用p w m 信号近似建立阀口通流面积 的线性变化，即 a = a o ，。 式中a o 为阀口的最大开口面积，i 。为p w m 信号的修正系数，在( o 1 ) 之间取值。 制动分泵中的压力可由试验数据拟合求得，公式为 p l = a ：? + a 2 y ；| ：l 十。c 式中al 、a2 、a3 为拟合系数，p i 为制动分泵中的压力，v 。，为制动分泵中 的液体容积。 将以上关于流量压力的公式联立可解得制动分泵中的压力。若充分考 虑众多参数的影响，则需要求解方程组的数值解。 为简化系统，本文建模时忽略电