（车辆工程专业论文）车辆动力学稳定性控制（vdsc）的计算机仿真研究.pdf

西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师的制导下进行的研究工作及取褥 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不含其他人已经 发表或撰写的研究成果，也不包含为获得西华大学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贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示感谢。 本学位论文的成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 研究成果归西华大学所有，特此申明。 作者签名：丁虚昭o 年争月锣日 导师签名 。7 年中月伊 西华大学硕士学位论文 车辆动力学稳定性控制( v d s c ) 的计算机仿真研究 摘要 汽车安全性技术分为汽车的被动安全性技术和汽车的主动安全性技术，被 动安全性技术，针对汽车碰撞后以后，对驾驶员和乘员的保护为主要目标。主 动安全技术，在汽车高速行驶时，避免事故的发生。近年来，随着经济和汽车 科技的大力发展，汽车出现行驶高速化，车流密集化和驾驶员非职业化的发展 趋势，因此把以传统的被动安全技术发展成为预防事故发生的主动安全技术已 成为现代交通的迫切要求。安全性技术包括汽车的制动安全性、起动安全性、 转弯安全性和汽车的行驶安全性，本论文就是基于汽车的行驶安全性而展开。 汽车高速或在低附着系数路面上转弯行驶时，由于受转向或外界干扰的影 响，侧向附着力容易达到附着极限，使汽车丧失动力学稳定性，从而造成交通 事故的发生。汽车动力学稳定性控n ( v d s c ) g 以改善汽车在这些极限情况下的 操纵性和稳定性。根据国内外对汽车动力学稳定性控制方法的研究现状，运用 模糊控制理论对汽车动力学稳定性控制进行了研究，分析控制系统对汽车性能 的改善。 首先a d a m s c a r 建立了2 2 自由度的整车动力学模型，并对模型进行了 仿真分析与验证，为汽车动力学稳定性控制( v d s c ) 的研究提供了正确的汽车模 型：应用s i m u l i n k 建立了汽车二自由度模型，能够反映不同车速和转角下汽 车理想横摆角速度和质心侧偏角；分析了单车轮制动对汽车横摆力矩贡献大小 的研究，确立控制器的边界条件；在此基础上，根据汽车动力学稳定性控制 ( v d s c ) 的基本原理，采用单轮制动产生附加横摆力矩来改善汽车在极限情况下 的动力学稳定性的控制方法；针对汽车动力学稳定性控制系统的非线形时变特 点，选择了鲁棒性强的模糊控制方法对其进行了研究。以横摆角速度误差和误 差的变化率为输入，以把汽车从不稳定的状态恢复到稳定状态所需要的横摆力 矩作为输出，建立了模糊控制器，将控制器和机械模型在s i m u l i n k 平台上联 合起来，对汽车进行单移线虚拟道路实验，方向盘阶跃虚拟实验。模拟结果表 西华大学硕士学位论文 明，有v d s c 系统的汽车其路径保持能力好，其横摆角速度得到抑制，提高了 汽车作较小半径转向的潜能。说明v d s c 系统改善了汽车的操作稳定性，提高 了汽车的主动安全性。 关键词：汽车动力学稳定性控制( v d s c ) ；动力学模型：a d a m s c a r ；s i m u l i n k 模糊控制。 西华大学硕士学位论文 c o m p u t e r s i m u l a t i o ns t u d yo fv d s c a b s t r a c t a u t o m o b i l es a f e t yt e c h n o l o g yi n d u d e sa c t i v ea n dp a s s i v es a f e t y t e c h n o l o g y g e n e r a l l ys p e a k i n g ，p a s s i v es a f e t ya i m sa tt h ep r o t e c t i o no f d r i v e r sa n dc r e wm e m b e ra f t e ra u t o m o b i l e sa r ec o l l i d e d a c t i v es a f e t yi s u s e dt op r e v e n tt r a f f i ca c c i d e n th a p p e n i n gw h e na u t o m o b i l e sa r eb e i n g d r i v e na th i g hs p e e d i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y a n da u t o m o b i l et e c h n o l o g y , h i g h w a yt r a f f i c ss h o wt e n d e n c yo fd r i v i n g a th i g hs p e e d ，d r i v i n gw i t h o u to c c u p a t i o n ，c r o w i n gi nr o a d s oi ti s u r g e n tn e e d t o c h a n g et r a d i t i o n a lp a s s i v es a f e t yi n t o a c t i v es a f e t y p r e v e n t i n gt r a f f i cs a f e t yh a p p e n i n g a c t i v es a f e t yi n c l u d e sb r a k es a f e t y , s t a r t i n gs a f e t y , t u r n i n gs a f e t ya n dd r i v i n gs a f e t y 弧es t u d yw o r ki nt h i s p a p e r i sd e v d o p e do nt h eb a s eo ft h ed r i v i n g s a f e t y 缪乃i l ec a r sa r ed r i v e nd u r i n gt u r n i n go nt h er o a dw i t hl o wa d h e s i o n c 0 e f f i c i e n to ra th i g hs p e e d ，t h el a t e r a lf o r c eo ft h et y r eu s u a l l ya t t a i n e d t ot h ep h y s i c a ll i m i ta n dt h ev e h i c l ed y n a m i c ss t a b i l i t yw i l lb el o s t b e c a u s eo ft h ee x o t e r i cd i s t u r b a n c eo r c o r n e r i n g s ot h et r a f f i c a c c i d e n t sf r e q u e n t l yh a p p e n t h eh a n d l i n ga n dt h es t a b i l i t yc a nb e i m p r o v e di nt h el i m i tc o n d i t i o n sb yu s i n gt h ev d s c a c c o r d i n g t ot h e c u r r e n tr e s e a r c hs t a t eo ft h ev d s cm e t h o d s ，t h ef u z z yc o n t r o lt h e o r yi s a p p l i e di nt h er e s e a r c ho ft h ev d s ( 、t h ec o n t r i b u t i o no fw h i c ht o v e h i c l ep e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d t h es o f ta d a m s c a ri s a p p l i e dt oc r e a t e2 2f r e e d o m sd y n a m i c s m o d e lo fv e h i c l e ，w h i c hi sv e r i f i e da n ds i m u l a t e dt op r o v i d eac o r r e c t v e h i c l em o d e lf o rt h es t u d yo fv d s c t h es i m l i n ki sa p p l i e dt o c r e a t et w of r e e d o m si d e a lv e h i c l em o d e lw h i c hi su s e dt oc o m p u t et h e y a wv e l o c i t ya n dt h ev e h i c l es l i pa n g l ei nd i f f e r e n ts t e e r i n ga n g l e sa n d 3 ， 西华大学硕士学位论文 v e h i c l ev e l o c i t i e s b a s e do nt h ec o n t r i b u t i o no ft h es i n g l ew h e e lb r a k i n g t oy a wm o m e n tw h i c hi sc o n d i t i o n a lv a l u eo ff u z z yc o n t r o l l e r , a c c o r d i n g t ot h eb a s i ct h e o r yo ft h ev d s c t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sb yu s i n gs i n g l e w h e e lb r a k i n gc a ni m p r o v ev e h i c l ed y n a m i c ss t a b i l i t ya r e b r o u g h t f o r w a r d t h e nd u et on o n l i n e a ra n dt i m e - v a r y i n gp r o p e r t yo ft h ev d s c s y s t e m t h ef u z z yc o n t r o l l e rw i t hr o b u s t n e s si ss e l e c t e d t h ei n p u to f c o n t r o l l e ri sd i f f e r e n c ea n dc h a n g i n gr a t eo fd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e a c t u a ly a wa n dt h ei d e a ly a w , t h eo u t p u ti st h ey a wm o m e n tt h a tp l a y s s t a b i l i t yr e s t o r a t i o nr o l e b a s e do ns i m u l i n kp l a t f o r m ，t h em e c h a n i c a l m o d e la n dc o n t r o l l e ra r ec o m b i n e dt oc o m p u t eo p e r a t i n gm o d e lo fa s i n g l el a n ea n dt h es t e oa n g l e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ev e h i c l e p e r f o r m a n c ew i t hv d s ci s b e t t e rt h a nw i t h o u tv d s c c o n c r e t e l y s p e a k i n g ，t h et r a c i n gp e r f o r m a n c eb e c o m e sb e t t e r , t h ep o t e n t i a lo f r u n n i n gl i t t e rr a d i u so ft u r ni si m p r o v e d g e n e r a l l ys p e a k i n gv d s c i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fh a n d i n ga n ds t a b i l i t ya n da c t i v es a f e t y k e y w o r d s ：v e h i c l ed y n a m i c ss t a b i l i t y c o n t r o l ；d y n a m i c sm o d e l ； a d a m s c a r ；s i m u l i n k ；f u z z yc o n t r o l l e r 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 车辆主动安全性的研究现状和意义 近年来随着经济和汽车科技的大力发展，公路交通呈现出行驶高速化、车流 密集化和驾驶员非职业化的趋势，但伴随着的道路交通事故也直接造成了人类 的生命财产的巨大损失，已经成为世界性的社会问题。全世界每年死于道路交 通事故，死亡人数超过5 0 万，受伤人数超过1 2 0 0 万，财产损失超过5 0 0 亿美 元。而我国则是世界上交通事故最严重的国家之一，严峻的现实使人们不得不 重视汽车安全问题“” 汽车的安全问题分为两大类，一类为汽车主动安全性，另一类为被动安全性。 早期汽车安全性研究主要是被动安全性的研究，针对以汽车碰撞时驾驶员和乘 员的保护上，随着时代的进步，这些技术和措施已经远远不能满足现代交通对 汽车安全性的要求，把以碰撞安全为核心的传统被动安全技术发展为以预防为 核心的现代主动安全技术已经成为现代交通的迫切要求。而以先进电子技术在 汽车上的应用为特征的新一轮汽车技术革命恰恰为此提供了可能。而汽车的主 动安全性是指汽车防止事故发生的能力。具体来说，汽车主动安全性包括照明 灯和信号灯的性能、汽车前后视野性能、操纵性能、制动性能以及轮胎性能等， 其中最重要的是汽车的操纵性能。因为汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶 的操纵轻便程度，而且也是保证高速行驶车辆安全的一个主要性能，所以人们 称之为“高速车辆的生命线”。目前在汽车上安装的这类主动安全系统主要有电 子控制防抱死制动系统( a b s ) 、驱动防滑系统( a s r ) 、四轮转向( 4 w s ) 和四轮驱动 ( 4 w d ) 、汽车动力学稳定性控制系统( v d s c ) 等。下面分别对这几种系统进行介绍 啦l 蝴细n o ( 一) 电子控制防抱死制动系统( h a s ) ，它在制动过程中通过调节制动缸的 制动压力，使作用于车轮的制动力矩受到控制，把车轮的滑移率控制在较为理 想的范围内，充分利用了轮胎与路面的纵向峰值附着系数和高的侧向力附着系 数，从而提高制动减速度，缩短制动距离，消除汽车打滑的危险，保证了汽车 制动时的方向稳定性。 西华大学硕士学位论文 ( 二) 驱动防滑系统( a s r ) ，它可以调节发动机的输出扭矩、差速器的锁紧 系数等，控制作用于驱动轮的驱动力矩，以及通过调节制动系统压力，控制作 用于车轮的制动力矩。实现对驱动车轮牵引力的控制，将驱动车轮滑转率控制 在较理想的范围内，防止驱动车轮发生驱动滑转。 ( 三) 四轮转向( 4 w s ) 和四轮驱动( a w o ) ，四轮转向是指前、后轮都能转向， 实现低速转向行驶时进行逆相位操作，可以减少转弯半径，提高汽车的灵活性， 而在中高速转向行驶时进行同相位操作，提高汽车转弯时的操纵稳定性。四轮 驱动是指充分利用汽车重力所产生的附着力，驱动力大，防止在的附着系数路 面或爬坡打滑，能提高汽车高速转弯时的安全性。 安装这些主动安全系统对提高汽车安全性能的确起到一定的积极作用，但是 它们使用的范围有限。以四轮转向系统为代表的转向角控制，只是在侧向加速 度较小时，轮胎侧偏角与侧偏力成线性比例范围内才起作用，当侧向加速度较 大时，侧偏力不再与方向盘转角成比例，导致过多转向。a b s 和a s r 的确提 高了汽车在极限情况下的主动安全性，但是a b s 和a s r 两者适用范围有限， a b s 只是适用于汽车制动的情况，a s r 只是适用于汽车起步和左右轮驱动力不 等的情况。而车辆动力学稳定性控制系统( v d s c ) 在任何时候都可以提高汽 车在极限情况下的动力学稳定性。 汽车在高速转弯行驶，由于转向或侧向力的干扰的影响，侧向力达到饱和 状态，汽车容易失去操纵稳定性，因此，一些专家在上世纪9 0 年代初继a b s 和a s r 之后，提出汽车动力学稳定性控制系统( v d s c ) ，通过调节汽车纵向制 动力大小及匹配旨在来提高汽车在这些极限情况下的操纵稳定性的主动安全系 统，主要是控制汽车的横向运动。该系统包含a b s 和a s r ，是这2 种系统功 能的延伸，并且可以起到强化a b s 和a s r 功能的作用。v d c 能防止汽车操纵 失控，提高在汽车在极限情况下的操纵稳定性，对高速行驶时汽车动力学性能 的改善特别显著。 综上所述，随着汽车动力性能的提高，汽车数量的增加，车速的提高，汽 车的安全性和操纵稳定性日益显得尤为重要。而汽车在高速或在低附着系数的 路面上行驶时，由于受n 夕i - 界干扰或驾驶员转向作用，侧向附着力常常达到附 着极限，容易丧失操纵稳定性和方向稳定性，造成交通事故的发生。因此，怎 西华大学硕士学位论文 样保证高速驾车，安全驾车和稳定驾驶是一个非常有价值得研究课题。 1 2 车辆动力学稳定性控制技术的研究现状 随着人们对汽车安全意识的提高，以及a b s 和a s r 系统的发展成熟和成 功的应用，上世纪9 0 年代，开始重视汽车动力学稳定性控制系统的研究。目前 已经有很多类型的汽车动力学稳定性控制系统问世，如 v d ce s p , d y c 。 v s c 等，并且越来越多汽车已经开始安装了这种系统。 b m w 与b o s c h ”】嘲公司合作，于从1 9 9 2 年开始致力于该系统( v d s c ) 的 开发，并在当年推出了第一代系统，它只是通过监测横摆角速度来调整发动机 的输出扭矩来阻止汽车进入非稳定行驶工况，该系统应用在1 2 缸的后轮驱动汽 车上，采用的是b o s c h 公司的m e l 发动机管理系统和自动传送系统。两年后， 它们在第一代的基础上推出了第二代系统，该系统是根据监测左右轮速差通过 施加制动力和改变发动机输出扭矩来改善汽车的动力学稳定性，采用的是 b o s c h 公司的m e 7 1 发动机管理系统和自动传送系统。两年后他们又推出第 三代产品，从最开始的只对横摆角速度控制，增加到也对侧偏角进行了控制， 从而使汽车行驶稳定性控制更加完善。这几年，b o s c h 公司又致力于开发大 众化的系统，许多汽车公司已经引进了v d s c 系统。到1 9 9 8 年为止，该公司 开发的v d c 可以用在所有驱动形式( 前轮驱动、后轮驱动、四轮驱动) 的汽车上。 福特汽车公司通过仿真，于1 9 9 5 1 4 5 1 年提出了其b s s ( b r a k es t e e rs y s t e m1 的 基本构想，是用横摆角速度作为反馈控制来实现自行转向的制动力矩控制。丰 田汽车公司开发出了通过主动差动控制来改善汽车在转向极限时操纵稳定性和 方向稳定性的动力学稳定性控制系统v s c 。此后，奔驰公司推出了e s p ，卡迪 拉克推出了其s t a b i l i t y s y s t e m 产品，成为北美第一个关于v d s c 系统的制造商。 此外，尼桑公司及三菱公司等也都在开发自己的动力学稳定性控制系统。 ) a 3 c 献来看t 6 1 1 2 8 】，国外许多学者也为汽车动力学稳定性控制系统的理论研 究做出了许多贡献。大多数文献都是探讨通过对汽车施加制动力和调整驱动力 来改善汽车的动力学稳定性，并对一些实际情况进行了模拟。从控制方法来看 西华大学硕士学位论文 主要有逻辑门控制、普通p i d 控制以及基于状态变量的反馈控制和最优控制： 从控制方式来看，主要有主动制动控制、发动机输出扭矩控制、控制方向盘转角 以及它们联合控制。 国内对汽车动力学稳定性控制的研究起步较晚，到目前为止，只有少许汽 车( 如奥迪a 6 、新式帕萨特) 上安装了汽车动力学稳定性控制系统，并且没有自 己的实际开发系统的能力，大多数学者只是基于理论研究。贺岩松1 4 8 j 等人根据 汽车动力学稳定性控制的基本原理，以线性二自由度汽车模型为基础，针对汽 车行驶过程中的过多转向、不足转向和中性转向情况，利用运动微分方程和汽 车几何参数，推导出控制系统工作所需的制动器制动力；程军 “j 用模拟的方法 研究了汽车动力学控制系统，采用闭环的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p i 控制算法，并且讨论了汽车动力学 稳定性控制和a b s 的结合与切换问题；王德平【9 】【1 0 】探讨了汽车动力学稳定性控 制的基本原理，提出了简单的稳定性判断准测，采用逻辑门限值控制算法，在 此基础上，对汽车动力学稳定性进行了仿真分析，并在汽车驾驶模拟器所提供 的虚拟环境下进行了试验验证；张成宝【1 5 1 从理论上对汽车动力学稳定性控制策 略进行了分析，分别采用单一变量和多变量为控制参数进行了控制，并且分别 以横摆角速度、横摆加速度、左右轮速差为单控制变量，采用了传统的p 控 制算法，多变量控制采用了以转向角和横摆角速度的反馈控制方法和以横摆角 速度和整车侧偏角为控制参数的最优控制方法；郭孔辉【1 1 1 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；赵治国对汽车动 力学稳定性控制的基本原理进行了分析，推导出两自由度汽车横向动力学方程， 视实际汽车前后轮胎侧偏刚度为有界不确定参数，为跟踪线性两自由度理想车 辆模型的稳态输出响应，并设计了汽车动力学稳定性变结构控制策略；田佳卿 【47 j 等人在汽车二自由度分析模型的基础上，设计了以横摆角速度为控制变量并 基于单神经元控制器的自适应控制系统，通过固定方向盘转角仿真，自适应控 制有更好的控制性能，但是没有考虑算法的稳定性以及制动力的具体分配问题； 刘彩志i ”时论了基于轮胎和汽车动力性试验的控制策略，把轮胎的非线性和汽 车动力性考虑在内的直接横摆力矩底盘控制，提高了汽车大侧偏角和高侧向加 西华大学硕士学位论文 速度的操纵稳定性和主动安全性。从收集到的资料来看，在控制方法上主要有 采用横摆角速度，侧偏角为控制变量的逻辑门控制，以横摆角速度为单控制变 量的p i d 控制以及基于数学模型的状态反馈控制和最优控制。 1 3 车辆动力学稳定性控制策略介绍 从国内外有关汽车动力学稳定性控制的大量文献来看【1 巧l 【1 2 - 1 3 】【1 q f 2 0 】，多数限 于理论模拟，有些己在汽车上得到实施。汽车动力学稳定性控制系统是一个复 杂的系统，考虑的问题很多。目前的主要控制方法有逻辑门限值控制、普通p i d 控制以及数学模型状态控制或最优控制。由于逻辑门原理简单，实现方便，在 汽车动力学稳定性控制中得到了应用。但是一旦控制参数确定，控制器的控制 逻辑就被确定下来，只能对某些常见的工况得到适宜的控制，当条件改变时， 就不能得到合适的控制。并且系统的控制逻辑比较复杂，控制不够平稳，控制 系统中的各种门限值，都是经过反复试验得出的经验数据，还没有充分的理论 依据。而且用逻辑门限值方式完成的汽车动力学稳定性控制系统对各类车型的 互换性不佳。当用这种控制方式为某一车型开发新的装置时，需要较大的时间 和大量的试验来确定和调整控制逻辑与控制参数，以达到最佳的控制效果。 普通p i d 也在v d c 控制系统中得到了应用，虽然从原理上讲，只要p l ，d 三参数选择合理，就能保证控制效果，但对于汽车动力学这个非线性、时变系 统是很难确定合适的参数，并且参数一旦确定，控制逻辑就被固定下来，不能 适应汽车这种强烈的非线形时变系统的控制。 基于数学模型的状态控制和最优控制在理论上很成熟，它一般将汽车动力 学模型局部线性化为二自由度模型，以横摆角速度，侧偏角为控制变量对系统 进行控制，在理论上可以取得良好的控制效果。然而，它们都是现代控制理论 中的控制方法，其应用得成功与否，关键在于数学模型是否准确，而实际上， 这种动力学模型复杂，其模型本身参数的识别精度不够准确，至关重要的车载 分布在实际操纵中也是随意的，为了获得数学模型中所需要的相关控制参数及 状态变量，需要准确实时地确定大量参数，就目前来看这是比较困难的。并且 计算量大，鲁棒性差，在动力学稳定性控制中，实际应用较少。 西华大学硕士学位论文 从以上分析可知，传统的控制方法很难对汽车这个复杂的系统进行很好的 控制，必须寻找新的控制方法，并开发具有较强抗干扰能力、高可靠性的实时 控制系统是必要的。作为稳定性控制的对象，汽车动力学系统是一个时变的高 度非线性系统，不仅源于轮胎模型即各种路面条件下轮胎滑移率和摩擦系数的 关系是非线性的。而且车辆系统本身也是一个变参数的非线性系统，再加之转 向、制动、驱动系统存在严重滞后、时变、强非线性等特点，所以用精确的模 型描述显得十分困难，所以基于模型的现代线性控制理论很难在v d c 中得到 实施。对于这类复杂系统，比较好的处理方法是结合控制理论与经验形成一种 鲁棒性强的控制方法。在这方面，将人的知识与经验引入控制系统的智能控制 以及自适应控制将起着重要作用。 由于模糊控制是不需要建立精确的数学模型，只需要根据实际的运行经验， 对系统进行实时控制，实际上是一种非线性智能控制，具有鲁棒性强、对干扰 和参数变化不敏感，适合于v d c 这种非线性、时变系统，并且实施比较简单， 而且具有很强的实用价值。另外，在建立较为接近实际的汽车动力学模型的基 础上，进一步探讨一些具有强鲁棒性的控制理论在v d c 系统的应用，可以达 到较好的控制效果，而且对于这些先进的控制理论自身的应用和发展有推动作 用。所以本文运用模糊控制理论对汽车动力学稳定性控制器进行研究。 1 4 本论文的主要研究工作 汽车动力学稳定性控匍j ( v d s q 系统是一个复杂的控制系统，需要考虑的问 题很多。本文主要针对汽车动力学系统的强烈非线性、时变特点，考虑到传统 的控制方法不能很好的反映汽车控制系统的性能要求，采用了鲁棒性较强的模 糊控制方法对汽车动力学稳定性控制进行研究，并用这种控制方法对汽车几种 典型运行工况进行仿真分析，得出了一定的结论。其主要目的是通过对汽车动 力学稳定性控制系统的模拟，为带有车辆动力性控制系统的汽车的操作稳定性 分析提供理论依据，为带有车辆动力性控制系统的汽车在高速行驶提供安全驾 驶提供一定参考意见和指导方法，为带有该系统的汽车的事故再现研究提供一 西华大学硕士学位论文 定参考意见。 本文将主要进行以下的具体研究工作： ( 1 ) 收集国内外大量的有关汽车横向动力学的资料和研究文献，了解研究 现状。熟悉仿真计算软件a d a n t s p o 状和m na b 巷i m u l i n k ，分析了应用 这些软件对汽车横向动力学分析的细节和注意事项。 ( 2 ) 应用a d a m s c a r 建立了汽车的前悬架、后悬架、前轮胎、后轮胎、 车身、发动机、转向系、制动系和横向稳定杆九个子系统模型，将这九个子系 统模型组装成2 2 自由度的整车动力学模型。对该模型采用了二种验证方法，一 是a d a m s 的自身效验法；二是移线实验法。将仿真计算的移线实验和文献中 记载的移线实验进行了对比。 ( 3 ) 建立了汽车理想的二自由度传递函数模型，以方向盘的转角和车速作 为系统的输入，车身的横摆角速度和车身质量中心的侧偏角作为输出。以该传 递函数模型为依据，应用劳斯判据对二自由度汽车模型从频域的做了稳定性分 析。 ( 4 ) 分析了单轮制动对汽车横摆力矩的贡献，主要分析汽车在单个车轮制 动时，由制动引起的横向产生的横摆力矩和由制动引起的侧向力降低所产生的 横摆力矩的方向是不是相同，与转向方向是不是一致的。 ( 5 ) 以车身横摆角速度为控制变量，以车身的横摆角速度和理想二自由度 模型输出的横摆角速度之差和差的变化率为输入，以要使汽车回到稳定工况所 需要的横摆力矩为输出，采用模糊控制的方法，建立了动力学稳定性控制器。 ( 6 ) 将2 2 自由度汽车模型、二自由度汽车模型和模糊控制器在s i m u l l n k 平台上结合起来，建立联合仿真系统。对汽车进行单移线虚拟道路实验和转向 盘角阶跃虚拟道路实验的仿真计算，对比了有v d s c 和没有v d s c 系统汽车的 运动轨迹和横摆角速度响应。 西华大学硕士学位论文 第二章车辆动力学稳定性控制系统基本原理与系统分析 汽车操纵失控导致严重的交通事故。根据对国外的统计表明，随着车速的 提高，发生汽车操纵失控的事故越多，当车速在80 k m h 和10 0 k m h 之间时， 4 0 以上的人身伤亡事故与汽车操纵失控有关，当车速达到t 6 0 k m h 时几乎绝 大多事故的发生都是由于汽车操纵失控。因为汽车操纵失控时，将不能按照驾 驶员的意图行驶，驾驶员想避免事故的发生几乎是不可能的。而现有的系统 a b s 和a s r 以及其他的安全系统都不能很好的对汽车的横向运动进行控制。 要想解决这个问题，汽车需要一个自动干预系统来阻止汽车操纵失控，并使驾 驶员能够正确的操纵汽车，避免交通事故的发生。一些专家在a b s 和a s r 的 基础上提出了一个新的系统v d s c ，其是通过调节车轮纵向制动力大小及匹配 来改善汽车在极限情况下稳定性和操纵性能的主动安全系统【协1 9 4 5 埘】f 6 1 】。 本章首先详细介绍了汽车动力学稳性控$ 1 j ( v d s c ) 的基本原理，介绍稳定性 控制系统和制动防抱死和驱动防滑转系统的区别。以及该系统的结构和工作过 程。 2 1 车辆动力学稳定性控制系统的基本思想 汽车在行驶过程中，工况复杂，如地面高低不平、急转弯以及侧向风等侧 向力的作用，当侧向力接近附着极限或达到饱和状态时，汽车失去的转向，发 生跑偏、侧滑和甩尾现象，汽车将丧失动力学稳定性。为了使汽车平稳行驶， 不产生危险现象，就必须不断地调整方向盘转角和在某一车轮上改变制动力或 改变驱动轮上驱动力，来平衡企图改变汽车行驶状态的各种力，v d c 就是基于 这一思想而发展起来的。其主要目的是当汽车处于临界稳定状态时，v d c 系统 能及时通过减少驱动力或对某一车轮施加制动力而产生横摆力矩来平衡汽车的 横向运动，使汽车回到稳定行驶工况。 轮胎力和其它外力决定了汽车运动，也由此决定了汽车的动力学稳定性， 由轮胎力学特性可以知道，轮胎侧偏特性具有非线性，当轮胎的侧偏角很小的 时候( 一般小于4 0 ) ，侧偏力与侧偏角成线性关系，这时候轮胎自2 够提供足够 西华大学硕士学位论文 的侧向力供驾驶员来操纵汽车。当轮胎的侧偏角大到一定程度的时候，侧偏力 和偏角不再成线性关系，而是基本上保持不变，即轮胎的侧向力达到附着极限 而处于饱和状态，这个时候轮胎不能提供足够的侧向力来平衡外界的侧向力， 驾驶员将不能准确的操纵汽车，汽车将失去动力学稳定性，造成交通事故的发 生。一般来说，驾驶员要想在任何情况下都能够准确的操纵汽车，汽车的响应 如横摆角速度、汽车的侧偏角等必须与方向盘转角满足一种线性关系，汽车线 性二自由度模型没有考虑轮胎的非线性特性，它们之间满足线性关系，是汽车 行驶的理想状态，它所确定的汽车响应称为期望值，如期望横摆角速度、期望 侧偏角等。而在极限行驶工况时，这种关系成了一种非线形关系，驾驶员控制 汽车十分困难，常常发生恐慌，引起事故的发生。 “驾驶员的期望值”是指在稳态行驶条件下，驾驶员所期望的行驶特性， 但是汽车在实际行驶过程中，由于轮胎的非线性特性，在汽车刚要失去操纵稳 定性的时候，实际横摆角速度和侧偏角将会偏离理想状态，我们可以根据这个 差值来判断汽车的稳定性，通过检钡4 横摆角速和侧偏角的实际值与期望值之间 的偏差来确定汽车的稳定程度。当差值较小时，认为汽车是稳定的，对汽车不 施加控制，当差值较大时，认为汽车已经进入了非稳定状态，就要对汽车施加 控制，使其回到稳定状态。 因此，汽车动力学稳定性控制的基本思想就是通过检测汽车的实际行 驶运动状态，把它与期望值比较，来判断汽车的稳定性，在汽车刚要进入非稳 定状态时，就对汽车施加控制，阻止其进入非稳定工况，保证汽车行驶的稳定 性。 2 2 车辆动力学稳定性控制系统与制动防抱死和驱动防滑转的区别 动力学稳定性控制系统( v d s c ) 和a b s ，a s r 都是属于汽车主动安全技术， 它们之间既有联系也有区别下面将从以下方面进行比较： ( 1 ) 控制对象：a b s 和a s r 是把车轮作为控制对象，把滑移率控制在理 想范围之内；v d c 是把整车作为控制对象，使实际运动与理想的名义运动之闻 的偏差尽可能小，保证汽车在极限情况下的操纵稳定性。 ( 2 ) 控制方式：a b s 只是通过制动力控制来实现；a s r 般通过发动机 输出转矩以及制动力控制来实现：v d s c 可以通过制动力控制、驱动力控制以 西华大学硕士学位论文 及方向盘转角来实现。 ( 3 ) 应用范围：a b s 只是适用于汽车制动的情况；a s r 只是适用于汽车 起步和左右轮驱动力不等的情况；v d s c 适用于任何行驶状态，如紧急制动、 部分制动、滑动、加速和载荷转移等均可使汽车稳定性和按预定轨迹行驶的能 力提高。 另外，v d s c 还有许多特点，它是在a b s 和a s r 的基础上，吸收二者的 优点，并加以系统控制，具有自动对制动力、驱动力进行修正、补偿的综合系 统控制功能。能够主动地探测和分析车况并纠正驾驶的错误，防患于未然，并 在极限情况下能主动辅助驾驶员操纵汽车，对高速行驶的汽车横向动力学能进 行很好的控制。从对汽车的安全性来说，v d s c 在某种程度上更能提高汽车的 主动安全性能，适用范围更广。 2 3 车辆动力学稳定性控制系统的工作过程 根据车辆动力学稳定性控制系统的基本原理( 2 1 中知识) ，我们可以知道 v d c 的工作过程如图2 - 1 。( 1 ) 车辆实际运动状态的检测，通过一些传感器检测 到汽车的一些运行状态参数，如横摆角速度、侧向加速度、车轮转速、方向盘 转角、制动系统压力等数据，并将数据传送给电子控制单元( e c u ) 。( 2 ) 对检 测的运动状态变量迸行计算，e c u 根据传感器检测到的数据进行处理、计算， 得到汽车实际运行状态参数，并根据事先设计的汽车在稳定行驶时建立的线性 二自由度参考模型，计算出目前理想状态下汽车运行状态的参数。o ) 判断汽车 运动状态是否处在稳定状态，e c u 根据检测计算出来实际车辆运动参数同理想 状态汽车运动的参考值作比较，并计算出它们之间的偏差，根据一定的稳定性 判断准则，判断出汽车是否处于菲稳定状态，确定是否调整莱一车轮的制动力 或通过控制发动机来减少驱动轮的驱动力。( 4 ) 处理，根据e c u 的指令对车轮 施加制动力或减少驱动力，使汽车的转向系统和制动系统以及驱动系统始终保 持最佳组合状态，同时对汽车出现的不稳定状态进行随时修正，以防止驾驶员 误操作对行驶稳定性带来的影响。 西华大学硕士学位论文 f i g u r e 2 - 1 s h e m a t i cd i a g r a m 图2 - 1 原理简图 2 4 车辆动力学稳定性控制系统的实现途径和组成 实现车辆稳定性控制( v d s c ) 的途径，文献上记载有两种，一是利用a b s ， a s r 等作为子系统，来实现v d s c 的功能，如b o s c h 公司的v d c 系统是在兼 容了a b s ，a s r 的优点基础上并加以系统控制开发而成的；二是将v d s c 与四 轮转向、四轮驱动、悬架控制系统等结合起来，形成综合的控制系统，来实现 v d s c 的功能。从收集资料和目前的发展来看，都是在a b s ，a s r 的基础上开 发v d s c 系统。 v d s c 系统组成主要有传感器、电子控制单元( e c u ) 、动作器和信号显示 装置四个部分组成。它们的具体关系如图2 2 所示。传感器主要包括有轮速传 感器、制动压力传感器、方向盘转角传感器，横摆角速度传感器、加速度传感 器、节气门开度传感器等。其中车轮轮速传感器安装在前后左右四个车轮上( 与 a b s 系统共用) ，可以检测出各个车轮的转动角速度；制动压力传感器安装在 v d s c 的油压控制器上，可检测出驾驶员操纵制动器引起的制动油压变化，采 用的应变片压力传感器，传感器的输出是与油压成比例的电信号，具有赖高油 压的特性；方向盘转角传感器安装在方向盘的右侧，可以检测驾驶员对汽车操 作的转向角，它是一种非接触式的光电传感器，使用它可以消除转向系中机械 摩擦损失，提高系统的可靠性；陀螺横摆角速度传感器安装在行李箱的墙壁上， 与车辆的纵轴平行，可以测出车辆绕其铅垂轴转动的角速度；加速度传感器水 平安装在车辆的质心附近，可以检测出车辆横向和纵向的加速度；节气门开度 西华大学硕士学位论文 传感器，它主要反映控制发动机转矩引起的节气门开度的变化，它的输出是与 节气门开度成比例的电信号。 e c u 根据车辆的跑偏、侧滑程度计算出恢复车辆稳定状态所必要的横摆力 矩和减速度。根据各种传感器输入的信号，推算出车辆的行驶状态，同时监视 各传感器和作动器驱动电路有无异常情况，当检测到车辆处于不稳定状态时， 不稳定指示器开始闪烁，v d s c 峰鸣器开始呜叫，与此同时，节气门控制器起 动，用于控制发动机的输出，并通过电磁阀电路，驱动制动液压控制器，使各 车轮产生适当的制动力控制车辆恢复到稳定状态。 v d s c 系统液压控制器安装在仪表盘前，发动机舱内，其作用是根据e c u 的计算结果控制车轮的制动力。它是v d s c 系统中最后完成避免事故出现的执 行部件，担负着供给使车辆稳定行驶所必要的各车轮制动油压的重任。当车辆 处于不稳定状态时，着不能在极短的时间内，产生合适的横摆控制力矩，就不 可能把汽车恢复到稳定状态。因此要求v d s c 液压调节器具有很高的频率响应 特性压( 原则上讲，液压系统的响应速度应大大快于汽车的横向响应速度) 。 v d s c 液压调节器主要由四大部分构成。液压供给部分，它由电动机驱动 的油泵和储存来自油泵的高压油的蓄油器所构成；制动总泵和制动助力器；转 换电磁阀在v d s c 及a b s 和a s r 起作用时，它切断与制动总泵相连的油路， 并将油压源和制动助力器的高压油输送到控制各轮缸油压的电磁阀中；控制电 磁阀它具有增减各制动轮缸油压的功能，以便在v d s c 及a b s a s r 等系统起 作用时，控制各车轮的制动力。 节气门控制器安装在发动机进气部位，其功用是根据e c u 的计算结果，控 制发动机的输出转矩，它在v d s c 系统中起着防止事故和避免事故的双重作用。 所谓的防止事故功能就是当汽车可能进入不稳定状态时，节气门控制器减小节 气门的开度，降低发动机的输出转矩，抑制发动机的加速运转，从而可防止因 驾驶员过度踩下加速踏板使车辆进入不稳定状态。所谓的避免事故，主要是高 速转弯而出现偏离车道，并已经进入不稳定状态时，关闭副节气门，降低车速f 减 小车辆的离心力1 ，使车辆恢复到稳定状态。 节气门控制器采用步进电机控制节气门的开关，具有很好的控制特性。节 气门一般都处于全开状态，只有当车辆出现不稳定状态，v d s c 判断有降低发 西华大学硕士学位论文 动机输出转矩的必要时，才驱动步进电机，关闭节气门。 信息显示装置的功用是将车辆的不稳定状态告之驾驶员，主要有滑移指示 器，当v d s c 判断出车辆进入不稳定状态时，滑移指示器开始闪烁，以视觉提 示驾驶员车辆已处于不稳定状态；v d s c 峰鸣器与滑移指示器有同样的功能， 但是以听觉告之驾驶员汽车处于不稳定状态；v d s c 警告灯当v d s c 系统发生 任何异常情况或v d s c 系统的正常功能不能发挥时，v d s c 警告灯将会闪烁。 翮f 絮曩 垄堡些i l 誊舅 霸习k = 3 墨一7 1 鲥 盘转危 l 赢 数据 苎要茎璺l 判断 矿两弭一 制单元l 可扦 不足转向 命遗 l | 0 f i g u r e2 - 2c o m p o s i t i o no fc o n t r o ls y s t e m 图2 - 2 控制系统的组成 2 5 车辆动力学状态变量及控制变量的选择 增加( 减少) 箭意( 在) 轮髓动力 j ，执 亍 陌协 l _ r i 垫竺 增加( 减少) 后定( 右 轮截动力 增加 ( 减 少) 驱动 轮的 驱动 力 横摆角速度是描述车辆横向运动的基本状态变量，采用横摆角速度控制就 是使实际车辆的横摆角速度等于名义运动的横摆角速度。图2 3 显示了方向盘 转角为阶跃输入对车辆运动轨迹，曲线3 为采用控制时，车辆在高附着系数路 面轨迹，此时车辆的横向加速度( 用重力加速度g 来计一算) 小于路面的摩擦系 数，车辆能跟踪理想名义运动。曲线1 为车辆在光滑面上的运动轨迹，这时车 辆横向加速度大于路面的摩擦系数，车辆的侧偏角迅速增加，且转弯半径将明 显大于名义运动时的转弯半径。可见，车辆横摆角速度和侧偏角必须进行界定 ( 根据名义状态变量的值) ，以适应不同附着系数的路面，因而在v d s c 系统中， 横摆角速度和侧偏角同时作为车辆名义状态变量和