（车辆工程专业论文）基于发动机输出扭矩与制动力控制的汽车tcs研究.pdf

k 西华大学学位论文独创性声明 i i i i i i i i l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l 瑚 y 17 5 0 2 2 1 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名椭, - j 日期：弘勿多瑶 指导教师签名：兰珧么 日期d 2 矶d ，谚 西华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，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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，西 华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。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：千寻薅 日期： 凇。岁万 指导教师签名：c 三琵埘；众 日期乒秒7 口f 谚 西华大学硕士学位论文 摘要 汽车t c s 是一种主动安全控制系统，通过对汽车驱动轮滑转率进行控制，防止汽 车在起步、加速、爬坡时驱动轮的过度滑转，保证其充分利用地面提供的纵向附着力和 侧向附着力，使汽车获得最大牵引力和最佳操纵稳定性，提高整车稳定性能。 在m a f l a b s i m u l i n k 软件中建立了整车动力学模型、发动机模型、轮胎模型、传动系 模型，控制器模型等，选取汽车驱动轮的滑转率作为控制变量，采用p i d 和模糊p i e ) 两 种控制方法，基于发动机输出扭矩和制动扭矩相互调节的方式，对汽车仿真总体模型分 别在均一路面、分离路面和对接路面进行仿真，分析了驱动轮滑转率、驱动轮速度、车 身速度等参数。结果表明，采用p i d 和模糊p i d 两种控制方法都能够使驱动轮的滑转率 控制在期望的目标滑转率( 2 0 ) 附近，能够抑制驱动轮的过度滑转，驱动轮速度和车 身速度相比没有施加控制时提高了很多，验证了所建模型及使用的控制方法的正确性与 合理性。在原有t c $ 控制器基础上，进一步完善了外围电路的调试，包括电源模块、模 拟信号处理模块、脉冲信号处理模块、输出驱动模块。以c o d e w a r r i o r l d e4 6 为开发平 台，使用c 语言完成了系统初始化模块、数据采集模块、数据处理模块和控制功能模块 程序的编写，完成调试。结合模糊p i d 控制，进行了模拟试验，以不同占空比的方波的 信号作为车轮速度信号，通过对驱动轮滑转率的计算，经过模糊p i d 控制来改变电子节 气门驱动电机的高低电平，从而改变节气门开度的大小，实现对发动机输出扭矩的控制。 由于实车行驶中，路面状况等外界条件更复杂，用模型的仿真分析只是在理想的情况下 进行的，为了更好的验证控制的合理性，提出了汽车牵引力控制系统实车试验方案，为 后续的进一步研究奠定基础。 基于驱动轮滑转率的p i d 和模糊p i d 两种控制方法，在均一、分离、对接路面上都 能够获得良好的牵引性和通过性，对汽车牵引力控制的进一步研究有一定的参考价值。 关键词：汽车牵引力控制系统；滑转率；模糊p i d 控制；f r e e s c a l e 单片机 基于发动枉输出扭矩与制动力控制的汽车t c s 研究 a b s t r a c t t c s ( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ) i sak i n do fi 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 mo fv e h i c l e ， w i t hc o n t r o l l i n gt h es l i pr a t i oo nt h ev e h i c l ed r i v i n gw h e e l ，w h i c hc a np r e v e n td r i v i n gw h e e l s l i d i n ge x c e s s i v e l yw h i l et h ev e h i c l ei ss t a r t i n g ，a c c e l e r a t i n g ，c l i m b i n g , a n d 朗i s u r et h ev e h i c l e t a k i n gf u l la d v a n t a g eo ft h el o n g i t u d i n a la n dl a t e r a la d h e s i o nc o m i n gf i o mg r o u n d ，a tl a s t , w h i c hm a k e st h ev e h i c l eg e t t i n gt h em a x i m u mt r a c t i o na n db e s th a n d l i n gs t a b i l i t ya n d i m p r o v i n gv e h i c l es t a b i l i t y hm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ee n v i r o n m e n t ，i tc r e a t e dav e h i c l ed y n a m i c sm o d e l ，e n g i n e m o d e l ，t i r em o d e l ，t r a n s m i s s i o ns y s t e mm o d e la n dt h ec o n t r o l l e rm o d e l s ，a n dc h o s et h ed r i v e w h e 1 ss l i pr a t i oa st h ec o n t r o lv a r i a b i c s ，t h e na d o p t e dt w ok i n d so fp i da n df u z z yp i d c o n t r o lm e t h o d ，b a s e do ne n g i n et o r q u ea n db r a k et o r q u eo u t p u tm e a n sm u t u a la d j u s t m e n t , t h eo v e r a l ls i m u l a t i o nm o d e lo ft h ec a rw e r ei nt h eu n i f o r mp a v e m e n t ，s e p a r a t i n gt h er o a d s u r f a c ea n dd o c k i n gs i m u l a t i o no ft h ed r i v es l i pr a t i o ，d r i v i n gw h e e ls p e e d ，v e h i c l es p e e da n d o t h e rp a r a m e t e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt w ok i n d so fp i da n df u z z yp i dc o n t r o l m e t h o dc a nk e e p i n g d r i v i n gw h e e ls l i pr a t i on e a r b yt h ed e s i r e dt a r g e ts l i pr a t i o ( 2 0 ) ，a n di t a l s oc a ni n h i b i tt h ee x c e s s i v es l i po f d r i v i n gw h e e l ，f u r t h e r m o r e ，d r i v i n gw h e e ls p e e da n d v e h i c l es p e e dr a i s e dal o tc o m p a r e dw h e nd o n te x e r tc o n t r o l 。w h i c hv e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s s a n dr e a s o n a b l e n e s so ft h eu s e ds i m u l a t i o nm o d e la n dc o n t r o lm e t h o d w h a t sm o r e ，b a s e do n t h eo r i g i n a lt c sc o n t r o l l e r , t h i sp a p e rf u r t h e ri m p r o v e dt h ee x t e r n a lc i r c u i t d e b u g g i n g ， i n c l u d i n gp o w e rm o d u l e s ，a n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e , p u l s es i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e , t h eo u t p u td r i v e rm o d u l e u s i n gc o d ew a r r i o ri d e4 6a s 也ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h i s p a p e ra p p l i e dt h ecl a n g u a g et ow r i t et h ep r o g r a mo ft h es y s t e mi n i t i a l i z a t i o nm o d u l e , d a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e , d a t ap r o c e s s i n gm o d u l ea n dc o n t r o lf u n c t i o n a lm o d u l e s ，a n dc o m p l e t e d d e b u g g i n ga l lo ft h e m c o m b i n e dw i t hf u z z yp i dc o n t r o l ，i tc a r r i e do u ts i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sw i t hd i f f e r e n td u t yc y c l es q u a r ew a v es i g n a la st h ew h e e ls p e e ds i g n a l ，、) i ，i t h c a l c u l a t i o no ft h ed r i v es l i pr a t i o t h ef u z z yp i dc o n t r o lc h a n g et h eh i g ha n dl o w v o l t a g eo f t h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ed r i v em o t o rs oa st oc h a n g et h ep o s i t i o no f t h r o t t l e ，a n di ta c h i e v e d c o n t r o lo ft h ee n g i n et o r q u e a st h er e a lv e h i c l er u n n i n g ，t h er o a dc o n d i t i o n ss u c ha st h e o u t s i d ee n v i r o n m e n ti sm u c hm o r ec o m p l e x ，b u tm o d e ls i m u l a t i o n j u s ti sc a r r i e do u to ni d e a l c i r c u m s t a n c e s ，c o n s e q u e n t l y , i no r d e rt ov e i l f yt h er e a s o n a b l ec o n t r o l ，t h i sp a p e rp r e s e n t e d r e a lv e h i c l et e s t i n gp r o g r a mo fa u t o m o b i l et r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n dl a y st h ef o u n d a t i o nf o r f u r t h e rf o l l o w u ps t u d y i i 西华大学硕士学位论文 t h ep i da n df u z z yp i dc o n t r o lm e t h o db a s e d0 1 1t h ed r i v i n gw h e e ls l i pr a t i o ，c a l lo b t a i n g o o dt r a c t i o na n dp a s s i n gw h e nv e h i c l ew a sr u n n i n go nt h eu n i f o r m ，s e p a r a t e , d o c k i n gr o a d , i t h a ss o m er e f e r e n c ev a l u ef o rf u l t h e l s t u d yo ft h ev e h i c l et r a c t i o nc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：v e h i c l et r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ；s l i pr a t i o ；f u z z yp i dc o n t r o l ； f r e e s e a l e s i n g l ec h i p h i 基于发动机输出扭矩与割动力控制的汽车t c s 研究 目录 摘j i l 县。i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1t c s 系统简介1 1 1 1t c s 的发展历史及研究现状1 1 1 2t c s 的基本原理3 1 1 3t c s 研究的意义5 1 2t c s 研究的关键技术及难点6 1 3 本文研究的主要内容。7 1 4 本章小结7 2 车辆系统动力学模型的建立8 2 1 发动机模型8 2 2 制动器模型9 2 3 轮胎模型10 2 4 四轮驱动传动系模型：1 2 2 5 整车模型：13 2 6 其它辅助计算模块1 4 2 6 1 轮胎动载荷的计算1 4 2 6 2 轮胎侧偏角的计算。1 5 2 6 3 车轮中心速度的计算1 6 2 7 本章小结l6 3 汽车牵引力控制策略及其算法的研究1 7 3 1 汽车牵引力控制方式及其控制的原则1 7 3 1 1 汽车牵引力控制方式的选择1 7 3 1 2 汽车牵引力控制的原则1 9 3 2 汽车牵引力控制算法的研究2 0 3 2 1 逻辑门限值控制2 l 3 2 2p i d 控制2 1 3 2 3 滑膜变结构控制2 2 西华大学硕士学位论文 3 2 4 模糊控制。2 3 3 3 本童小结2 4 4 汽车牵引力控制系统的计算机仿真研究2 5 4 1 汽车牵引力控制系统动力学仿真模型的建立2 5 4 1 1 仿真总体模型2 5 4 1 2 发动机模型。2 6 4 1 3 整车动力学模型。2 7 4 1 4 轮胎模型2 7 4 1 5 传动系统模型2 8 4 2p i d 控制的汽车t c s 研究。2 9 4 3 模糊p i d 控制的汽车t c s 研究3 0 4 3 1 模糊p i d 控制器的设计3 1 4 3 2 模糊控制规则3 2 4 3 3 模糊p i d 控制器的建立3 4 4 4 仿真结果及其分析3 5 4 4 1 均一附着系数路面上的仿真结果及其分析：3 5 4 4 2 分离附着系数路面上仿真结果及其分析4 0 4 4 3 对接附着系数路面上仿真结果及其分析：4 3 4 5 本章小结。4 6 5 汽车t c s 控制器的实现及调试与结果分析4 7 5 1 控制器硬件的介绍4 7 5 2 控制器软件设计4 8 5 2 1 软件开发平台4 8 5 2 2 主程序流程4 9 5 3 软件的调试。5 4 5 3 1 轮速信号输入捕捉采集方式选择：5 4 5 3 2a d 转换模拟信号获取方式5 5 5 4 硬件电路的调试5 5 5 4 1 电路调试设备5 5 5 4 2 电路调试结果及其分析5 6 5 5 模拟试验及其结果分析：5 9 5 5 1 试验的准备工作5 9 v 基于发动机输出扭矩与制动力控制的汽车t c s 研究 5 5 2 实验结果及其分析6 0 5 6 本章小结6 l 6 汽车牵引力控制系统试验方案6 2 6 1t c s 试验方案的提出6 2 6 2 试验数据的处理6 3 6 3 本章小结6 5 7 结论与展望6 6 论文参考文献。6 7 附录at c s 控制器外围电路图7 0 附录b 参考汽车模型主要参数7 1 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况k 7 2 致 射7 3 v l 西华大学硕士学位论文 1 绪论 汽车牵引力控制系统( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，缩写为t c s ) 又称为驱动防滑系统 ( a c c e l e r a t i o ns k i pr e g u l a t i o n ，简称a s r ) ，是车辆在起步、加速、爬坡时防止驱动轮 发生过度滑转，以获得最大牵引力和最佳操纵稳定性的一种主动控制系统。 1 1 t c s 系统简介 随着汽车技术和电子技术的发展，汽车的主动安全技术成为人们关注的焦点。牵引 力控制是国际上八十年代中期发展起来的一种新型主动安全控制技术。它能够提高车辆 加速性能和爬坡能力，使得汽车在附着系数不高的路面上能顺利起步和行驶，同时它还 能够提高车辆行驶方向的稳定性、转向操纵能力，增加安全性。因此，这项技术从2 0 世纪8 0 年代在瑞典沃尔沃汽车公司诞生以来，获得了快速地发展【i 】【2 】【3 】【4 】。 1 1 1t c s 的发展历史及研究现状 2 0 世纪初，由于汽车发动机功率小，汽车行驶速度低，驱动轮过度滑转的现象并不 常见。近年来，随着汽车发动机功率的不断增大，车速越来越大，车轮经常出现过度滑 转的情况。自2 0 世纪7 0 年代，人们开始重视车轮的滑转问题，牵引力控制技术得到迅 速发展1 5 j 【6 】【7 1 。 二十世纪初，汽车设计师们都把汽车在低附着系数路面上的牵引力控制着眼于轮胎 技术，所以在当时出现了大量有关防滑链、防滑轮胎的专利，但是由于当时汽车发动机 的功率较小、速度较低，驱动轮发生过度滑转的情况并不多见，所以一直没有引起人们 的特殊注意，特别是四轮驱动车的研制成功，仿佛使这一问题得到的解决，但是人们很 快发现，四轮驱动虽然能够大大提高车辆的牵引性，但驱动系统结构复杂、汽车整车整 备质量大、成本高、振动噪声明显，尤其是在低附着性能路面上，车辆的行驶稳定性较 两轮驱动车还要差，所以人们认识到全轮驱动并不是解决汽车在低附着系数路面上驱动 能力与驱动稳定性的最佳方案。而且，随着汽车发动机功率的不断提高，车速的不断增 大，特别是前轮驱动方式的广泛采用，使驱动轮过度滑转的现象经常出现，所以自上世 纪七十年代起，汽车设计师们便逐渐开始重视这一问题的研究，并相继有人在日本、德 国和美国申请了汽车驱动防滑控制的专利。 1 9 7 2 年日本首次登记了一种以停止发动机气缸点火为控制手段的汽车驱动防滑控 制装置【8 】。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， 然后与给定的轮胎和道路附着系数的某一可能极限值进行比较，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，发出停 基于发动机输出扭矩与制动力控制的汽车t c s 研究 止气缸点火的信号。 1 9 7 8 年德国注册了一种以减少气缸供油来实现汽车驱动防滑控制的装置它是把轮 速传感器测得的信号经放大后送入一个运算装置中，在运算装置中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，控制器就发出控制指令，减少 进入发动机气缸的油量，直到滑转现象消失【9 】f l o 】。同年，美国登记了一种以在驱动轮上 施加制动力矩的汽车驱动防滑控制装置。它是在车架上安装一个电动机，电动机的轴上 装有一个曲柄，曲柄通过钢丝绳与一个杠杆相连，杠杆上固定着与手制动操纵机构相连 的钢丝绳。当司机发现驱动轮发生过度滑转时，作用操纵机构，使钢丝绳拉紧，杠杆向 前移动，同时拉紧与驱动轮相连的钢丝绳，这时两后轮均制动，当汽车驱动轮遇到低附 着系数路面时，司机接通电动机，曲柄向前和向后拉紧钢丝绳，并交替地向相反方向转 动杠杆，时而拉紧一个驱动轮的钢丝绳，时而拉紧另一个驱动轮的钢丝绳，使驱动轮交 替被制动。 然而，真正意义的牵引力控制系统是从八十年代中期才开始的。1 9 8 5 年v o l v o 公 司将一种称为e t c ( e l e c t r i ct r a c t i o nc o n t r 0 1 ) 的电子牵引力控制系统安装在v o l v o7 6 0 t u r b o 汽车上，这是世界上第一次将电子牵引力控制系统应用在实车上。1 9 8 6 年9 月， b e n z 与w a b c o 联手开发出应用在货车上的t c s 系统。同年1 2 月，b o s c h 公司第一次推 出同时具有制动防抱死和驱动防滑转两项功能的t c s _ _ b o s c ha b s a s r2 u ，并将其应 用在奔驰s 级轿车上，开始小批量生产。1 9 8 9 年，德国奥迪公司将t c s 安装到前置前 驱的奥迪轿车上，这是世界上首次将t c s 装置安装在前置前驱动轿车上。此后，t c s 技 术迅速发展并逐渐成熟，进入2 0 世纪9 0 年代后，得到了迅速普及推广。目前，牵引力 控制系统已发展为利用传感器进行信号的采集，然后通过微型计算机进行逻辑运算并发 出控制指令从而使执行机构产生相应动作、实时地控制车轮滑转状况的电子控制系统 l l l 】【1 2 】【1 3 1 。 截止1 9 9 0 年底，世界上己有2 3 个厂牌的5 0 余种车型安装了驱动防滑控制装置， 并且许多厂家开始削减四轮驱动车型号，而改为发展t c s 系统。进入二十世纪九十年 代，许多新的技术和控制方法应用到了t c s 上。丰田公司开发出了一种新型的牵引力 控制系统，它仅通过控制节气门开度来控制发动机输出扭矩，而不涉及制动力调节。此 系统有下列特征：节气门最初开度角自适应设定、节气门开度角自动调节、输出扭矩的 有效控制。通过这些方式，系统达到了与制动压力调节几乎相同的效果，而其成本却大 大降低。并且，由于这一系统既不影响转向，又不会增加噪声和振动从而减轻了驾驶 员的负担，增强了驾驶轻便性。另外，新的牵引力控制系统采用了模糊控制逻辑，它大 大增强了汽车在各种不同路面上行驶的稳定性。由于车轮的滑转率随着不同路面和不同 2 西华大学硕士学位论文 车速而不断变化，模糊控制能够适时的获取最佳滑转率，从而使得汽车制动性和加速性 最佳，并且轮胎磨损减小。 在我国，t c s 的研究与开发起步较晚。由于我国在a b s 独立自主的研究方面尚未 取得实质性突破，致使t c s 技术的研究工作亦没有充分的进展。国内t c s 技术研究的 侧重点主要倾向于控制算法方面的理论研究，且控制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、电子控制变速器、电子控制防滑差速器的研究方 面还没有明显的进展。就现在大多数t c s 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。国内t c s 技术的研究与开发和国外比起 来还属于刚刚起步阶段。 综上所述，汽车牵引力控制技术自产生以来，获得了广泛迅速的发展。t c s 能够很 好的改善汽车的牵引性、操纵性、稳定性和舒适性，因此，研究汽车牵引力控制系统对提 高汽车整体性能具有着重要的现实意义。 1 1 2t c s 的基本原理 在人一车一环境组成的闭环系统中，车辆与环境两者之间韵最基本联系是轮胎与路 面间的相互作用力。车轮的纵向附着力决定了汽车的加速和制动能力，而横向附着力则 决定了汽车的转向操纵和抵抗外界横向扰动的能力【7 1 。 车轮相对于路面的运动状态对附着力有着重要的影响，特别是在弱附着系数路面上， 其影响更为显著【1 4 】【”】。车轮在路面上的纵向运动可分为滚动和滑动两种形式，于是人们 引入了车轮滑动率s 来表征车轮纵向运动中滑动成分所占的比例1 2 】f 1 3 1 。 巨 o o o o ( 车轮滑移时) ( 车轮自由转动时) ( 1 1 ) ( 车轮滑转时) 其中，一车轮的自由滚动半径； 彩一车轮的转动角速度； v 一车轮中心的纵向速度。 实验研究结果表明，滑动率s 与附着系数之间存在如图1 1 所示的关系，在各种 不同路面上的大小不同，但其随j 的变化都有相同的变化趋势，如图1 2 所示。 3 基于发动机输出扭矩与制动力控制的汽车t c s 研究 动纵向附着系数 一- ，一， a b s 控制范围 不稳定 竺受 譬莨 撼慧 稳定 、 、 j l ， i ， f 1 f 耵 百 羲 牵引纵向附着系数 ，- 一a s r 控制范围 冬 不稳定 横向p f 陛系数 鬈凳 痰砖 蓉下 图1 1 附着系数与滑动率关系 f i g 1 1t h er e a l a t i o no fa t t a c h me n ta n ds l i pr a t e lllr i 多二：臌 干柏油路 l 1w 、乡村l 厂 一酽礤j_ 生 f 一 一 湿柏油路 l f 湿卵石磁 乡村1 r l ： ll _ l_ 雪地 r 1 一 【 一 i冰而 o0 8 1 0 s 图1 2 不同路面上的一s 曲线 f i g 1 2 - - $ c l l r v eo nd i f f e r e n tr o a d s 由图1 1 中可以看到，当滑转率j 从0 开始逐渐增大时，纵向附着系数也随之增大， 当滑转率达到品( 通常品= 0 0 8 ，0 3 0 ) 时，纵向附着系数同时达到最大段一，此后如果 s 继续增大，纵向附着系数反而随之减小，当s 达到l o o o 寸，即车轮发生纯滑转时，其 附着系数要远远低于以一。所以从牵引性角度考虑，驱动轮的滑转率最好处于s r 的一 个小区域范围内，但同时考虑到车辆侧向附着系数一随纵向滑转率的增大而急剧减小， 4 下= ! m 吣 眈o 西华大学硕士学位论文 因而从侧向力上考虑，应需同时注意到车辆的方向稳定性，一般认为驱动轮的最佳滑转 率在略小于s r 的范围内( 如图1 1 中右侧阴影部分所示) ，可取在0 0 8 0 2 5 之间。t c s 正是利用它们之间的这种关系，所以在驱动过程中将驱动轮的滑转率控制在0 0 8 - - - 0 2 5 区域内，此时，由于车轮的纵向附着系数和侧向附着系数都相对较高，因此可以保证汽 车充分利用道路所提供的纵向附着力和侧向附着力，使得汽车无论在哪种路面上都能获 得比较高的起步、加速、爬坡、转向操纵以及方向稳定性。 1 1 3t c s 研究的意义 牵引力控制系统是通过调节驱动轮上的滑转率以实现驱动车轮的最佳牵引性能。它 的原理是使汽车能够自动地将车轮控制在纵向和横向附着系数都很大的滑转率范围内： 在硬路面上，驱动车轮的最佳滑转率一般为1 5 - - - 3 0 左右。t c s 是能够在起步、加速 转弯、通过软地面等驱动过程中，使车辆充分利用地面的最大附着力，防止驱动轮发生 过度滑转，从而使汽车的牵引通过性、方向稳定性、转向操纵性都得到提高的系统【l 】。 牵引力控制系统对汽车的性能的影响如下： ( 1 ) 提高牵引性能 t c s 提高牵引性能的功用之一就是将车轮的滑转率控制在一定范围内从而保证汽 车具有良好的附着和牵引性能。之二是能起到柔性差速锁的作用。当有驱动轮滑动时， 它可以非等扭矩分配工作。当滑转驱动轮扭矩减小至某值时，t c s 对其实施限滑控制， 则另一侧车轮仍可有较高的驱动力工作。这种动力特性决定了可以将发动机扭矩更多地 传递给非滑转轮，从而提高扭矩利用率和整车驱动性能，这在附着系数分离路面上或一 侧驱动轮悬空时显得非常重要。 ( 2 ) 提高加速和爬坡能力 车辆在压实雪地、冰雪路面、湿滑路面上爬坡或加速时，车轮的过度滑转会使地面 提供的牵引力迅速变小，使爬坡能力或汽车加速急剧变差。而t c s 能保障车辆充分利 用地面提供的最大牵引力，使汽车获得更大的驱动力，从而提高汽车的爬坡能力和加速 性能。并且汽车在分离路面上行驶的时候，装备有t c s 系统的汽车可以对处于低附着 路面的驱动车轮施加一定的制动力矩，以便使处于高附着系数路面的驱动车轮产生更大 的驱动力【1 6 】【1 7 1 。 ( 3 ) 改善主动安全性能 t c s 可以增加汽车的侧偏力矩。 这对处于低附着路面的汽车在轮胎滑转或急剧减速时的主动安全性的改善是明显 的。 5 基于发动机输出扭矩与制动力控制的汽车t c s 研究 保持转向操纵能力。 汽车在进行转向行驶时，需要通过偏转的转向车轮从路面获得足够的横向作用力， 如果转向车轮的横向附着力不足以提供汽车转向所需的横向作用力，此时，即使转向车 轮已经发生了偏转，汽车也不会按预期的方向行驶，汽车就丧失了转向操纵能力。对于 前轮驱动的汽车，如果作为转向和驱动车轮的前轮发生驱动滑转，会导致前轮的横向附 着力大幅度减小，也会严重影响汽车在驱动过程中的转向操纵能力，t c s 可以保证车轮 具有相当大的横向附着力，从而提高汽车在驱动过程中的转向操纵能力。 保持稳态转弯和行驶方向稳定性。 装备t c s 的汽车，可以保证在驱动过程中后轮具有足够大的横向附着力，使汽车在 驱动过程中也具有良好的方向稳定性。汽车在分离附着系数路面上行驶时这点尤为重 要。 1 2t c s 研究的关键技术及难点 t c s 研究的关键技术及其难点主要包括下列几点： ( 1 ) 节气门开度调节与制动力矩控制协同工作【18 】【1 9 1 。与a b s 控制的系统不同，t c s 控制是由反应时间不同的制动控制和发动机控制等组成的多环系统。各个环节怎么样协 同工作才能使驱动力调节效果达到最佳，这需要经过反复的试验和分析研究。 ( 2 ) 执行机构的滞后问题【2 0 】【2 l 】【2 2 】【2 3 1 。t c s 在各个传递环节上需要消耗时间，所以 制动驱动力矩就存在时间上的滞后，累积后就会脱离我们所要求的控制的范围。 ( 3 ) e c u 的抗干扰问题【2 0 】【2 l 】。在t c s 控制的过程中，一些路面、环境等的各种干 扰通过各种途径侵入到控制系统，从而造成控制信号的混乱，导致一系列严重后果。 ( 4 ) 路面识别技术。汽车t c s 技术在不同材料，不同情况的路面上，最佳滑转率 和路面峰值附着系数具有不同的曲线特征。附着系数取决于车轮和地面本身的状况以及 二者之间的运动情况、包括路面质量、干湿程度、运动速度等因素。如何确定路面是在 干旱、湿滑、冰雪等不同路面状态，显得尤为重要。所以正确识别路面状况就成为了t c s 领域一个重要的课题。 ( 5 ) 车辆运行速度的实时准确估计问题口4 】【2 5 】。在t c s 中，无论是对基于车轮加、 减速度和参考滑转率的逻辑门限控制，还是对基于最佳滑转率的控制，都需要实时获取 车辆的运行速度。同样的问题也存在于a b s 的研究中，仅依赖四个轮速传感器而不附 加任何传感器的条件下，a b s 研究中车辆运行参考速度的估计，一直被各a b s 生产厂 家视为商业机密并加以格守。近年来采用非接触式传感器进行车身速度的精确测量一直 是各a b s 厂家探寻的热点。光电传感器虽然在很多工况下可以实现对车身速度的精确测 6 西华大学硕士学位论文 量，但它对环境的要求较为苛刻，而且在冰雪路面上其功效要受到影响。多普勒雷达测 速仪采用电磁波进行测量，具有测量精度高、受环境影响小等优点，但其成本较高，在 一定程度上限制了其普及应用。而在t c s 系统中，一般认为非驱动轮的线速度即为车 辆速度，并由此来近似计算驱动轮的滑转率。另外由于路面状况、轮胎动力半径变化等 外部因素的影响，使采集到的轮速信号携带很大的噪音，因此必须进行相应的滤波或补 偿，使参考车速和参考滑转率更接近于实际车速或滑转率，以便进一步提高控制精度。 ( 6 ) 强鲁棒性、非线性控制理论及其在t c s 中的应用【2 6 】【2 7 】是另外一个难点。目前 国内外学者在该领域进行了大量的研究，也获得了一定成果，但许多理论所基于的模型 甚至包括算法本身都还有不完善的地方，这就决定了其无法进行适时、精确的控制，更 谈不上实用了。 1 3 本文研究的主要内容 目前汽车牵引力控制系统已进入实用开发阶段，国外一些汽车公司已将t c s 系统作 为其产品的标准或选装装备。汽车牵引力控制系统已经成为汽车上越来越重要的主动安 全系统，对汽车的加速以及牵引性有着非常重要的作用，鉴于此本文主要开展以下几个 方面的研究工作： ( 1 ) 通过查阅分析相关资料，掌握国内外汽车牵引力控制系统的发展和研究现状。 ( 2 ) 建立牵引力控制的汽车七自由度动力学模型，包括发动机模型、轮胎模型、传 动系模型等。 ii ( 3 ) 对牵引力控制的方式和算法进行研究，确定所用到的牵引力控制的方式和控制 的算法。 ( 4 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，分别采用p i d 和模糊p i d 控制对汽车牵引力控制 系统进行仿真研究，选取驱动轮的滑转率、驱动轮的轮速、汽车的车身速度以及制动轮 缸的压力作为评价参数，对牵引力控制系统的性能进行评价，分析仿真结果。 ( 5 ) 基于f r e e s c a l e 公司的m c 9 s 1 2 x d t 5 1 2 单片机，对汽车牵引性控制器进行相应 的软硬件设计与调试，并进行模拟试验。 ( 6 ) 提出实车试验方案，通过对实验方案进一步完善，为以后实车试验奠定基础。 1 4 本章小结 本章主要介绍了t c s 发展的历史和研究的现状，研究的意义以及在t c s 研究过程 中的关键技术和难点并提出了本文所要研究的主要内容。 基于发动机输出扭矩与制动力控制的汽车t c s 研究 2 车辆系统动力学模型的建立 汽车牵引力控制是对汽车沿轮胎方向纵向力的控制，其中包括汽车的驱动力和制动 力。驱动力是汽车的发动机输出扭矩经过传动系统传递到汽车驱动轮后，从而使轮胎和 路面之间产生正向的相互作用形成的；制动力是通过制动力矩引起的轮胎与路面之间的 反向的相互作用形成的。汽车的牵引力控制的研究是建立在汽车动力学模型的基础上 的，本章以七自由度车辆模型为基础，围绕其建立了发动机模型、制动系统模型、轮胎 模型、传动系统模型，整车模型及相应的辅助计算模块，为汽车牵引性能的研究奠定理 论基础。 2 1 发动机模型 发动机是汽车的心脏部分，是汽车动力提供的源泉，其输出的扭矩经过传动系统传 递给汽车的驱动轮，为汽车提供向前行驶的驱动力，所以正确的建立发动机模型是整个 动力传动系统模型的基础。但是，由于发动机的工作过程是一个极其复杂的过程，汽车 在行驶过程中，由于载荷不稳定、发动机转速、节气门开度等参数不断的发生变化，致 使发动机大部分时间处于非稳态工况下工作。所以要建立非常精确的发动机模型是很困 难的事情，既缺乏足够的实验基础的支撑又缺少数学方法的描述，再加上对物理过程机 理的研究和认识不够。对发动机最常用的模型的描述方法是利用发动机的稳态试验数 据，构造发动机稳态输出转矩与油门开度和发动机转速关系的数据表。 发动机建模分为稳态建模和动态建模，发动机稳态工况是指发动机各运行参数均处 于稳定状态时的工况，如节气门开度、发动机转速、输出转矩及有效油耗等均达到相对 稳定状态，这个参数之间的关系特性曲线称之为稳态特性曲线，其数学表达式称为稳态 模型 2 8 】。 发动机在每一个工况下，各个参数之间存在着由发动机工作工程理论所确定的函数 关系。无论是发动机的速度特性曲线还是外特性曲线均是发动机转速c o 和发动机节气门 开度口的函数，即t = f ( a ，c o ) ，在节气门一定的开度下，发动机的输出转矩丁随着发动 机的转速成抛物线状，所以可采用三次样条插值的方法，利用在试验台上获得的发动机 稳态实验数据，来构造关于发动机节气门开度和发动机转速的发动机输出扭矩的模型， 如图2 1 所示。 汽车在行驶的过程中由于发动机转速、节气门开度、负载不稳定等参数不断的发生 变化，所以汽车的发动机在大部分时间处于不稳定工况。当节气门从一个位置变化到另 一个位置时，它的输出特性不能随着节气门的瞬时变化从一个稳态输出到另一个稳态输 8 西华大学硕士学位论文 出，中间要经历一个动态响应的过程。要建立发动机的这种动态特性模型很困难，为了 简化分析，可将这一动态过程简化为带滞后的一阶惯性系统【2 9 1 ，即： 式中： 耻篇 丝一发动机的动态扭矩； m ，一此油门开度下稳态扭矩； 互一系统滞后时间常数； 互一系统时间常数； s 一拉氏变换变量； 图2 1 发动机转矩转速油门开度m a p 图 f i g 2 1e n g i n