（车辆工程专业论文）汽车线控转向系统动力学分析与控制方法研究.pdf

学位论文版权使用授权书 r r r l p lgifi i hr删iiilliil|j|f(ri | l y 1 8 9 5 4 4 5 。 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密初。 学位论文作者签名：妒众、 为if 年月b 日 指导教师签名： y f7 年月哆日 指导教师高翅教授 申请学位级别 蝗 专业名称奎塑工程 论文提交日期2 q ! q 生羔! 且论文答辩日期2 q ! ! 生垒且 学位授予单位和日期江苤太堂生且 答辩委员会主席 评阅人 2 0 1 1 年4 月 p h d d i s s e r t a t i o n r e s e a r c ho nd y n a m i c a n a l y s i sa n dc o n t r o l m e t h o do fs t e e r - b y - - w i r es y s t e mf o rv e h i c l e b v j t i a nj 1 7 l e m a j o r ：v e h i c l ee n g i n e e r i n g 一 一 一 s u p e r v i s o r ：p r o f g a ox i a n g j i a n g s uu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 1 1 线控转向系统( s t e e r i n gb yw i r e ，s b w ) 是未来具有无人驾驶功 能的智能汽车必不可少的重要组成部分。它取消了转向盘和转向轮之 间的机械连接，可以任意设计转向系统的角传动比和力传动比，因此 从根本上解决传统转向系统的固定传动比造成的汽车转向特性随车速 而变化的缺陷。更重要的是线控转向系统能够在驾驶员转向角的基础 上叠加一个附加转向角，优化车辆对驾驶员输入的响应或提高车辆在 紧急情况下的稳定性，所以近年来成为国内外研究的焦点之一。 本文首先针对前轮转向模块的控制目标和控制要求，将控制系统 分成前轮转角控制( 上层控制) 系统和转向执行电机控制( 下层控制) 系统两个部分。针对下层控制系统，对前轮转向模块进行了动力学分 析及建模，设计了一种基于分数阶微积分理论的新型分数阶p i 九d 控制 器，仿真结果表明：该控制器在实现前轮正常转向和回正功能的同时， 对提高转向系统性能的鲁棒性也是有效的。针对上层控制系统，设计 了基于模糊控制的前轮转角控制算法，仿真结果表明：基于模糊控制 设计的理想传动比能满足设计要求。并将上层和下层控制系统结合在 一起，选取典型工况，对所建立的模型及控制算法控制系统进行了仿 真分析，验证了所提出的分层控制系统是有效的，可行的。 其次，为了防止车辆在行驶的过程中出现诸如严重的过多转向或 不足转向，本文提出了一种基于主动前轮转向( a c t i v ef r o n ts t e e r i n g ， a f s ) 和横摆力矩( d i r e c ty a wm o m e n tc o n t r o l ，d y c ) 协调控制的非 线性控制策略，并设计了基于滑模变结构控制的a f s 控制器、d y c 控 制器和统一协调a f s 币i d y c i 作的协调控制器。仿真结果表明采用协 江苏大学博士学位论文：汽车线控转向系统动力学分析与控制方法研究 调控制策略的车辆具有更好的响应特性。 控制系统中存在着不适当的时滞，对于高速行驶的汽车、性能有 着不利的影响。本文在车辆稳定性研究的基础上引入控制时滞，对线 性时滞系统的稳定性、时滞对车辆系统动态特性的影响以及系统的时 滞补偿问题等方面进行了具体的研究。并对时滞对车辆稳定性控制系 统的影响以及系统的时滞补偿进行了仿真分析。结果表明，控制系统 的稳定性得以提高。 最后本文还从硬件和软件两个方面入手开发了线控转向系统的台 架试验装置，并利用此试验装置对前轮转向模块的基于分层结构的控 制系统进行了验证。试验研究与理论模型研究结果基本相符。 本论文的创新点在于：首先对分数阶控制理论进行了研究，通过 优化方法实现了分数阶p i 九d 控制器中五个参数的整定。构造了分数阶 p i 九d u 控制器的仿真模型，解决了分数阶系统不能直接在m a t l a b 仿 真环境中直接进行仿真的问题。并将分数阶控制理论应用在了前轮转 向模块的转向和回正控制中。其次将分数阶p i 九d 控制器和模糊控制器 有机地结合在一起，实现了该模块的分层结构控制。提出了基于a f s 和d y c 协调控制的车辆稳定性控制策略，克服了各系统单独工作时的 缺陷。并对装备线控转向系统的车辆进了车辆稳定性的时滞影响和补 偿研究。本文的研究为线控转向系统的研究和开发提供了新的思路和 方法。 关键词：线控转向系统，前轮转向模块，动力学分析与建模，分数阶 微积分理论，理想传动比，滑模变结构控制，稳定性控制， 时滞 u t h ed r i v e r si n p u to ri m p r o v et h es t a b i l i t yi nc a s eo fe m e r g e n c y s or e c e n t l y i tb e c o m e st h er e s e a r c hf o c a l 。 f i r s t l y ，t h ec o n t r o la i m sa n dd e m a n d so ft h ef r o n tw h e e ls t e e r i n g m o d u l ew e r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r a n dt h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do n h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ，w h i c hi n c l u d e dt h ec o n t r o ls y s t e mo ff r o n ts t e e r i n g a n g l e ( t h eu p p e rc o n t r 0 1 ) s y s t e ma n dt h ec o n t r o ls y s t e mo fs t e e r i n ga c t u a t o r m o t o r ( t h el o w e rc o n t r 0 1 ) s y s t e m ，w a sp r o p o s e d f o rt h el o w e rc o n t r o l s y s t e m ，t h ed y n a m i c se q u a t i o n so ft h ef r o n tw h e e ls t e e r i n gm o d u l ew e r e e s t a b l i s h e da n dan e wp i 九d 肛c o n t r o lm e t h o db a s e do nf r a c t i o n a lc a l c u l u s w a sd e s i g n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h en o r m a ls t e e r i n g f u n c t i o na n dt h ea l i g n i n gf u n c t i o nc o u l db er e a l i z e db yt h ep i 九d c o n t r o l l e r a n dt h er o b u s to ft h es t e e r i n g - b y w i r es y s t e mc o u l db ei m p r o v e d f o rt h e u p p e r c o n t r o ls y s t e m ，af r o n t w h e e ls t e e r i n ga n g l ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do n f u z z yc o n t r o lw a sd e s i g n e dt oo v e r c o m et h ep i t f a l l so ft h et r a d i t i o n a l s t e e r i n gs y s t e m a n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei d e a l t r a n s m i s s i o nr a t i ob a s e do nf u z z yc o n t r o lc o u l dm e e tt h ed e m a n d s t h e c o n t r o ls y s t e mb a s e do nh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ei ss i m u l a t e df o rt h em o d e l a n dt h ec o n t r o la l g o r i t h mw i t h t y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s a n dt h e ! i i 江苏大学博士学位论文：汽车线控转向系统动力学分析与控制方法研究 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh i e r a r c h i c a lc o n t r o l s y s t e m w a s e f f e c t i v e t h e nac o o r d i n a t e dc o n t r o ls t r a t e g yf o ra c t i v ef r o n ts t e e r i n g ( a f s ) a n d d i r e c ty a wm o m e n t ( d y c ) w a sp r o p o s e dt oa v o i ds e r i o u so v e r - s t e e r i n ga n d u n d e r s t e e r i n g a n da f sc o n t r o l l e ra n dd y c c o n t r o l l e rb a s e do nv a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o lw e r ed e s i g n e d ac o o r d i n a t e dc o n t r o l l e rw a sa l s o d e s i g n e dt oa d j u s tt h ec o n t r o l l e r s - - - a f sa n dd y ca c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l l o g i c s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ev e h i c l ew i t hc o o r d i n a t e dc o n t r o lo f a f sa n dd y ca c h i e v eb e t t e rt h es t a b i l i t yw h e ns t e e r i n g i m p r o p e rt i m e d e l a yw h i c he x i s t si nt h ec o n t r o ls y s t e m s ，w i l lh a s u n f a v o r a b l ee f f e c to nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o ls y s t e m s oc o n t r o l t i m e d e l a yw a si n t r o d u c e dt ot h es t u d yo fv e h i c l ea t a b i l i t yw h i c hh a db e e n d i s c u s s e di nt h ep a p e r s o m er e s e a r c h e so nt h es t a b i l i t yo fl i n e a rt i m e d e l a y s y s t e m ，t h ee f f e c t so ft i m e d e l a yo nv e h i c l ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e t i m e - d e l a yc o m p e n s a t i o no ft h ec o n t r o l l e ds y s t e mw e r ec a r r i e do u t t h e s i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h et i m e d e l a ye f f e c t sa n dc o m p e n s a t i o nw e r e p e r f o r m e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ec o n t r o l l e d s y s t e m w i t h t i m e - d e l a yc o m p e n s a t i o nc a na c h i e v eb e t t e rs t a b i l i t y a tl a s t ，t h i s p a p e rd e v e l o p e ds b wb e n c ht e s t d e v i c e sf r o mt w o a s p e c t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e w i t ht h i st e s td e v i c e ，t h ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo ft h ef r o n tw h e e ls t e e r i n gm o d u l ew a s v e r i f i e d t h er e s u l t so ft e s ta n ds i m u l a t i o nw e r eb a s i c a l l ya g r e e d t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri sa st h ef o l l o w i n g f i r s t l y , t h ef r a c t i o n a l o r d e rc o n t r o lt h e o r yh a sb e e ns t u d i e d ，t h ef i v ep a r a m e t e r so ff r a c t i o n a l p i 九d pc o n t r o l l e rw e r ea c h i e v e dt h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d t os o l v e t h ei s s u et h a tf r a c t i o n a lo r d e rs y s t e mc a nn o tb ed i r e c t l yi nt h em a t l a b s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，s i m u l a t i o nm o d e lo ff r a c t i o n a lp i 九d uc o n t r o l l e r w a sc o n s t r u c t e d a n dt h ef r a c t i o n a lo r d e rc o n t r o lm e t h o dw a ss u c c e s s f u l l y i v a b s t r a c t a p p i e dt ot h en o r m a ls t e e r i n ga n dt h ea l i g n i n gc o n t r o lo ft h ef r o n tw h e e l s t e e r in gm o d u l e s e c o n d l y ，t h ef r a c t i o n a lp i 九d “c o n t r o l l e ra n dt h ef u z z y c o n t r o l l e rw e r ec o m b i n e do r g a n i c a l l yt oa c h i e v et h eh i e r a r c h i c a lc o n t r 0 1 v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o l s t r a t e g yb a s e do na f sa n dd y cc o o r d i n a t e d c o n t r o lw a sp r o p o s e dt oo v e r c o m et h ed e f e c t sw h e na f sa n dd y cc o n t r o l w o r k e da l o n e t h et i m e d e l a ye f f e c t sa n dc o m p e n s a t i o nw e r ep e r f o r m e d f o rt h ev e h i c l ew i t ht h es t e e r i n gb yw i r es y s t e m t h i ss t u d yp r o v i d e sn e w i d e a sa n dm e t h o d sf o rt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ft h es t e e r i n gb yw i r e s y s t e m k e yw o r d s ：s t e e r i n gb yw i r es y s t e m ，f r o n tw h e e ls t e e r i n gm o d u l e ， d y n a m i ca n a l y s i s a n d m o d e l i n g ，f r a c t i o n a l o r d e r c a l c u l u s ，i d e a lt r a n s m i s s i o nr a t i o ，s l i d em o d ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o l ，s t a b i l i t yc o n t r o l ，t i m e d e l a y v 江苏大学博士学位论文：汽车线控转向系统动力学分析与控制方法研究 v i 第一章绪论 1 1 1 概i z 睦1 1 2 线控转向系统1 1 2 1 线控转向系统的结构及工作原理2 1 2 2 线控转向系统的特点。3 1 3 线控转向系统的研究现状。4 1 3 1 国外研究概况4 1 3 2 国内研究概况。7 1 3 3 主要研究方向：8 1 4 本文研究的主要内容1 0 第二章线控转向系统控制方法的研究1 3 2 1 分数阶p i 九d 控制理论的发展1 3 2 2 分数阶微积分基础1 4 2 2 1 几种特殊函数1 4 2 2 2 分数阶微积分定义1 5 2 3 分数阶p i 九d p 控制器1 8 2 3 1 参数对系统性能的影响2 0 2 3 2 分数阶p i 九d p 控制器的参数整定2 1 2 3 3 分数阶p p d 惕! 制器的数字实现。2 5 2 4 本章小结2 9 第三章前轮转向模块的控制研究3 l 3 1 前轮转向模块的控制要求3 1 3 1 1 前轮转向模块分层结构控制系统的提出3 1 3 1 2 前轮转向模块的控制目标3 1 3 1 3 前轮转向模块的基本控制策略3 2 3 2 前轮转向模块转向功能的实现3 2 3 2 1 前轮转向模块的动力学模型3 2 3 2 2 基于分数阶微积分的转向控制器设计3 4 3 2 3 分数阶p i 九d p 控制器的参数整定3 4 3 2 4 分数阶p i 九d 啦制器的数字实现3 6 v n 江苏大学博士学位论文：汽车线控转向系统动力学分析与控制方法研究 3 2 5 转向控制器的仿真验证3 7 3 3 前轮转向模块回正功能的实现4 1 3 3 1 回正力矩的动力学模型4 1 3 3 2 转向盘力矩的仿真验证4 3 3 3 3 基于分数阶微积分的回正控制器设计4 3 3 3 4 回正控制器的仿真验证4 4 3 4 本章小结4 6 第四章前轮转角控制算法的研究。4 7 4 1 机械转向系统的特点4 7 4 2 前轮转角算法设计4 8 4 2 1 理想传动比的定义4 8 4 2 2 基于理想传动比的前轮转向控制算法4 8 4 2 3 基于模糊控制的前轮转角算法的提出5 3 4 3 基于模糊控制的前轮转角控制算法5 3 4 3 1 模糊控制理论5 3 4 3 2 模糊控制器的设计5 4 4 4 前轮转向模块的转向仿真分析5 7 4 4 1 前轮转向模块的转向仿真模型5 7 4 4 2 前轮转向模块的转向仿真验证5 7 4 5 本章小结5 9 第五章线控转向汽车的车辆稳定性控制研究6 l 5 1 滑模变结构控制理论6 1 5 1 1 滑模变结构控制的三要素6 2 5 1 2 滑模变结构控制系统的几个性质6 4 5 1 3 滑模变结构控制器中切换面的设计6 5 5 2 基于a f s 的车辆稳定性控制6 7 5 2 1 车辆系统动力学模型6 7 5 2 2 参考模型6 7 5 2 3a f s 滑模变结构控制器的设计6 8 5 2 4a f s 滑模控制系统仿真分析6 9 5 3a f s 和d y c 协调控制系统的提出7 5 5 4 转向特性以及制动车轮的识别7 6 5 5 基于滑模变结构的d y c 控制器设计7 8 5 5 1 车辆系统动力学模型7 8 v i i ! 7 8 7 9 5 7 本章小结8 4 第六章计入时滞的车辆稳定性控制研究。8 5 6 1 线性时滞系统的稳定性8 5 6 1 1 广义s t u r m 理论8 5 6 1 2 全时滞稳定性判据8 6 6 1 3 时滞稳定性与临界时滞的计算一8 7 6 2 时滞对车辆稳定性的影响8 8 6 2 1 计入时滞的车辆稳定性控制系统模型8 8 6 2 2 计入时滞的控制系统的稳定性8 8 6 2 3 控制系统临界时滞的计算8 9 6 2 4 仿真结果及分析。8 9 6 3 时滞问题的解决方法，9 2 6 3 1 直接设计法9 2 6 3 2 预估补偿控制法9 4 6 4 时滞补偿的仿真及结果分析9 5 6 5 本章小结9 8 第七章 线控转向系统台架试验装置开发及试验鲫 7 1 线控转向系统台架试验的总体设计9 9 7 1 1 总体设计要求9 9 7 1 2 物理模型9 9 7 2 线控转向系统台架试验的硬件设计1 0 0 7 2 1 单片机的选择。1 0 1 7 2 2 输入信号的调理电路1 0 2 7 2 3 转向执行电机的驱动电路一1 0 5 7 2 4 转向执行电机的脉宽调制。1 0 6 7 3 线控转向系统台架试验的软件设计1 0 6 7 3 1 线控转向系统台架试验的软件流程图。1 0 7 7 3 2 转向盘转向状态识别子程序。1 0 7 7 4 线控转向系统台架试验的结果及分析1 0 8 7 4 1 前轮转向模块的转向功能测试一1 0 9 7 4 2 前轮转向模块的前轮回正功能测试1 1 0 7 5 本章小结1 1 1 江苏大学博士学位论文：汽车线控转向系统动力学分析与控制方法研究 第八章总结与展望。 8 1 本文的主要研究工作1 1 3 8 2 论文工作的主要创新点1 1 4 8 3 研究工作展望1 1 4 参考文献 致谢1 2 5 博士期间发表的论文。 x 1 2 7 确保 工作 ( h y - d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，h p s t l l 、电控液压助力转向系统( e l e c t r o n i ch y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n g ，e h p s ) 1 2 - 3 】以及电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，e p s ) 【撕】几种 类型。虽然后两者改善了汽车转向力的传递特性，有效地降低了驾驶员的转向负 担，f j i 是其中的转向轮和转向盘仍处于机械连接的状态，而这仍导致汽车的转向 特性仍然会随汽车行驶速度、转向盘转角以及路面附着条件的变化而变化，操纵 这类汽车的驾驶员需要时刻通过调整自己来控制汽车按其意愿行驶，这势必会增 加驾驶员，尤其是非职业驾驶员的体力和精神负担，使汽车转向行驶存在很大的 不安全隐患【7 1 。因此，众多国内外学者都在不断研究新的转向技术，以期解决上述 问题。随着科学技术的不断进步，辅助驾驶系统和无人驾驶汽车成为新兴的热门 研究领域【d 们，汽车智能转向成为一种必然趋势，这就需要有一种更高性能的转向 系统，线控转向系统( s t e e r i n gb yw i r e ，s b w ) 于是应运而生。 1 2 线控转向系统 所谓线控转向系统是指通过通讯网络连接各部件的电子控制转向系统，它替 代了传统的机械或液压连接，取消了转向盘和转向轮的机械连接【1 1 , 1 2 。这样做的好 处是不需要依靠驾驶员的体力而是直接用转向执行电机来实现车轮的转向，驾驶 员的体力消耗大大降低；同时路面冲击也不会传到驾驶员手上，但线控转向系统 需要增加路感模拟电机以产生合适的路感提供给驾驶员，并实现方向盘的回正 1 3 , 1 4 】。当系统发生故障时，线控转向系统通过主要零部件的冗余设计来保证车辆 的安全性。线控技术已经很成功的用在许多商用或军用飞机上，使得飞机的机动 江苏大学博士学位论文：汽车线控转向系统动力学分析与控制方法研究 性和稳定性得到了空前的提高【1 2 1 。同样，该系统与主动前轮转向( a c t i v ef r o n t s t e e r i n g ，a f s ) 系统一样也具有可变传动比的功能阴。 1 2 1线控转向系统的结构及工作原理 线控转向系统主要由转向盘模块、前轮转向模块、控制器( e c u ) 以及故障容错 系统等几部分组成【1 5 l 。典型结构如图1 - 1 所示。 转向盘模块一 图1 1 线控转向系统结构示意图 f i g 1 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fw i r es t e e r i n gs y s t e m 转向盘模块主要包括转向盘组件、转向盘转角传感器、转向盘扭矩传感器、 路感模拟电机及减速器、电机电流传感器等。其主要功能是将传感器采集到的信 号输送给e c u ，e c u 通过分析处理后，向路感模拟电机发出控制指令，产生转向 盘回正力矩，给驾驶员提供相应的路感信息【1 n 1 踟。 前轮转向模块主要包括齿轮齿条式转向器、前轮转向机构、前轮转角传感器、 转向执行电机及减速器等。其功能是将测得的前轮转角信号反馈给主控制器，并 接受主控制器的命令，控制转向电机完成要求的前轮转角，实现驾驶员的转向意 2 接测量前轮转角 e c u 主要对采集到的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向路感模拟 电机和转向执行电机发出指令，控制两个电机为驾驶员提供合适的路感，并完成 前轮的正常转向。它主要包括硬件和软件两部分。e c u 还可以对驾驶员的操作指 令进行识别，判定当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状 态或驾驶员发出错误指令时，线控转向系统将自动进行稳定控制或将驾驶员错误 的转向操作屏蔽，以合理的方式自动驾驶车辆，使汽车尽快恢复到稳定状态1 1 5 】。 e c u 还包含故障容错和故障诊断系统。故障容错系统包括一系列的监控和实 施算法，针对不同的故障形式和等级做出相应处理，最大限度地保持汽车的正常 行驶【2 1 例。主要用于监测传感器、e c u 等电子元件是否工作。一旦出现故障，会 立即启动冗余设计，确保车辆具有基本的转向功能【刎。 当驾驶员操纵转向盘时，转动信息通过转向盘转角传感器传送给e c u ，e c u 根据各种车辆当前状态的信息进行分析计算，向前轮转向模块发出控制指令，启 动转向执行电机。电机拖动前轮转向横拉杆，驱动前轮转向。前轮转向系统控制 车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和轮胎回正力矩反馈给系统的其他部分， 以使驾驶员获得路感，这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统计算， 传给转向盘子系统中的路感电机，模拟“路感 。 1 2 2 线控转向系统的特点 理论上，线控转向系统可以自由设计地汽车转向角传递特性和力传递特性， 实现许多传统机械转向系统所不具备的功能。国内外大量文献表明陋2 5 侧，s b w 系统具有了如下性能特点。 l 、汽车的安全性能得以进一步提高。由于取消了转向盘和转向轮之间的机械 连接，可以完全避免在发生撞车事故时转向系统中机械连接装置对驾驶员造成的 伤害。线控转向系统还可以在驾驶员转向角的基础上叠加一个附加转向角，优化 车辆对驾驶员输入的响应或在紧急情况下提高车辆的稳定性。 2 、驾驶特性和操纵性得以改善和提高。由于机械连接装置的取消，可以任意 设计转向系统的传动比，从根本上解决传统转向系统的固定传动比造成的汽车转 向特性随车速而变化的缺陷。这样，驾驶员就不必根据车速不停地调整车辆的转 3 江苏大学博士学位论文：汽车线控转向系统动力学分析与控制方法研究 向特性【3 1 1 。例如，在低速大转弯时，驾驶员不必转过很大的转向盘转角，转向盘 自然就变“轻了，驾驶员的体力负担也因而减小；孑e 高速运行时，驾驶员不必 对转向盘输入误差过于敏感而紧张，从而减少了驾驶员的精神负担，提高了车辆 的操作性。 3 、汽车的舒适性得以提高。由于消除了机械连接装置，地面的不平和转向轮 的不平衡不会传递到转向轴上，驾驶员的疲劳得以减缓，驾驶员的腿部活动空间 和汽车底盘的空间可以明显增大。 4 、驾驶员“路感得以改善。线控转向系统自身的特点决定了驾驶员的“路 感”必须通过模拟才能得到。这就完全可以从相关信号中提出最能反映汽车实际 。 行驶状态和路面状况的信息作为转向盘回正力矩的控制依据，使转向盘仅向驾驶 员提供有用的信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感 。 5 、底盘综合开发成本得以降低。采用线控转向系统后，在底盘开发过程中就 不必考虑左侧驾驶和右侧驾驶车辆的区别，可以底盘开发成本。并且该系统只需通 过修改部分参数就可以应用于其它的车型上，可以为新车型的设计和开发节省大 量的时间，有利于生产厂家在竞争日益激烈的汽车行业中尽快发布新车型，抢得 市场先机。 6 、有利于整合底盘技术。采用线控转向系统后有利于整合底盘技术，综合利 用主动悬架、a s r 、d y c 或e s p 等系统的传感器，实现数据共享。控制软件可以综 合考虑车辆弯道行驶和车身横向稳定性控制，进一步提高车辆操纵稳定性和安全 性。 综上所述，s b w 系统是一种全新的转向系统，具有无可替代的优势，对该系 统进行研究和开发是国内外广泛研究的热点之一。 1 3 线控转向系统的研究现状 1 3 1 国外研究概况 早在上世纪五十年代，t r w 等转向系统开发商就做了大胆的假设，将转向盘 与转向车轮之间用控制信号代替原有的机械连接。六十年代末，德国的k a s s e l m a n n 等就设计了与此类似的主动转向系统。德国奔驰公司在1 9 9 0 年将它开发的线控转 4 第一章绪论 向系统应用于概念车f 4 0 0 - c a v r i n g 上。z f 公司在1 9 9 8 年开发出电动助力转向系 统( e p s ) 之后积极进行了线控转向系统的开发研究，目前已经有整套的线控转向 系统上市。九十年代中期美国d e l p h i 公司成功开发出s b w 系统的原型样机， 并与意大利的菲亚特公司合作进行了实车s b w 系统匹配试验研究。 由d a i m l e r c h r y s l e r 开发的用操纵杆操纵的线控转向系统被列为2 0 0 0 年汽车 十大新技术之一。在2 0 0 1 年的第7 1 届日内瓦国际汽车展览会上，意大利的b e r s t o n e 汽车设计及开发公司展示了新型概念车f i l o 。f i l o 的电传驱动系统( d r i v eb yw i r e s y s t e m ) 的核心是机电一体化控制系统( 智能机电单元) ，其转向、加速、制动、 换档和离合均由电传系统控制完成。2 0 0 2 年1 1 月在德国慕尼黑举行的t r a 组织的 论坛上，展出了奥迪s 8 的线控转向系统，道路识别系统将路线轨迹的信息通过1 曙 总线传给计算机，计算机控制汽车的转向系统沿着道路行驶，驾驶员可以随时对线 控转向系统进行纠正【3 2 1 。2 0 0 3 年日本本田公司在纽约国际车展上推出了l e x u sh p x 概念车，该车也采用了线控转向系统，在仪表盘上集成了各种控制功能，实现车辆的 自动控制。在2 0 0 5 年北美车展上，通用推出了新一代氢燃料电池和线控技术概念车 s e q u e l ，集轮毂电机、线控技术和燃料电池等最新技术于一身，将几乎所有的驱动 和控制组件都安装在2 8 厘米厚的底盘结构中，并在可驾驶性方面取得了突破性的进 展，其动力表现与驾驶特性都堪与目前内燃发动机汽车相媲美【3 2 1 。 国外学者也针对线控转向技术做了许多研究工作。如文献f 3 3 1 通过模糊控制方 法设计了转向传动比与车速、转向盘转角的关系，实现了汽车的低速转向灵敏和 高速转向平稳，仿真结果表明s b w 系统相对于传统转向系统而言能提高汽车的乘 坐舒适性。文献3 4 1 开发了包括转向器、路感模拟装置和e c u 等在内的s b w 系 统原型样机，并采用f l e x r a y 技术实现了e c u 之间的通信，目前已将所开发的 s b w 系统成功地应用于燃料电池汽车中。文献3 5 1 提出了基于试验建模的理想传 动比。文献3 6 1 设计了基于状态反馈的闭环控制策略，并建立了状态观测器实现了 对质心侧偏角的估算，通过主动转向校正了汽车的运动状态，提高了汽车的操纵 稳定性和主动安全性。文献3 7 1 估算了轮胎侧偏刚度和路面附着系数，对汽车极限 行驶状态( 即轮胎侧向力达到峰值) 进行了判断，并通过主动转向提高了汽车的 操纵稳定性和主动安全性。文献f 3 8 1 应用键合图方法建立了s b w 系统的动力学模 型，并进行了主动转向和路感模拟控制研究。其中主动转向控制策略是在汽车处 5 江苏大学博士学位论文：汽车线控转向系统动力学分析与控制方法研究 于非中性转向时通过修正前轮转向角的方法提高车辆的稳定性。路感模拟控制策 略也设计成了车速和转向盘转角的函数。文献3 9 1 研究了车辆在低附着系数路面上 转向时，基于预测轮胎侧向力的主动转向控制方法，设计了模糊控制器，并进行 硬件在环仿真，证明了该控制方法的有效性。文献 4 0 l 考虑轮胎滑移率与侧向力之 间的非线性关系，研究了基于模型参考自适应非线性控制的主动转向系统，仿真 结果表明该方法是有效性。文献 4 1 j l 恿过横摆角速度的反馈控制来实现系统的主动 转向。文献 4 2 1 1 1 臣过对横摆角速度和前轮转角的反馈控制来协调车辆转向时侧向力 和横摆力矩之间的关系，改善了主动转向系统的操纵稳定性。文献 4 3 1 采用全球定 位系统和惯性导航系统来测量车辆的状态，并通过车辆的全状态反馈来实现系统 的主动转向。试验结果表明，其效果完全等同于改变前轮侧偏刚度。文献 4 4 1 采用 模型预测控制方法对主动前轮转向系统进行了控制，试验结果证明了此方法的可 行性。文献 4 5 1 采用降阶的方法建立了转向盘总成的动力学模型，应用鲁棒控制方 法实现了系统的闭环控制，并对s b w 的路感模拟控制策略进行了研究。通过仿真 和实车试验结果表明，该控制策略