纵向动力学控制讲义

漫谈汽车系统动力学与控制,1.“动力学”,运动力学！,速度远小于光速的宏观物体、对象、系统的运动均遵循动力学普遍定理：动量定理、动量矩定理、能量守恒定律。这是许多工程学科的基础。,力学：Mechanics,机械：Mechanical,运动,力,目的,设计,控制,研究动态：系统、对象越来越复杂！其组成、结构、材料多种多样。机、电、液、气、人、环境的综合；不同尺度上的运动（宏观、细观、微观）相互作用、耦合、相互影响！如汽车整体的低频振荡运动与发动机高速运转产生的振动、噪声，还有电子控制系统中电流、电压、光、波、电磁干扰等等相互联系在一起！,迷惑,？,几十年来，我们周围都没有离开动力学这个词。究竟研究内涵是什么？动态？,主讲：舒红宇教授shycqu,汽车纵向系统动力学,漫谈汽车系统动力学与控制,3.正确的研究方法,(1)系统思想,(2)力学模型,(3)动/力分析,(4)数学模型,(5)数学分析,设计,控制,2.正确的研究、生活观点和态度,分析,综合,实际,理论,感性,理性,漫谈汽车系统动力学与控制,3.正确的研究方法,(1)系统思想,系统,输入激励,输出响应,面向实际的对象，观察、思考，在头脑中建立、明确对象的结构和特性、运动的形式，然后从环境中隔离出来，考察它与外界的相互作用！,力学研究最重要的概念：质点/质点系！系统均是由质点/质点系的物体所组成的。我们首先看的是物体块，然后再看它们的连结，再看它与外界的作用！,系统是有机的多体，多体之间连接关系多种多样。只有彻底弄清这种连接关系，才能组成所需要功能的产品。所以组成结构非常重要，其中一个元件或连接失效，整个系统的运动就完全不同！,隔离是关键！,漫谈汽车系统动力学与控制,3.正确的研究方法,(2)力学模型,明确物体、系统对象及其结构特性的基础上，对现实的复杂对象进行简化、抽象、分解为典型的力学组件和元素：质点（质量）、弹簧、阻尼、激励；,力学参数及元件的物理意义：,刚度/弹簧元件：振动系统抵抗位移或变形的能力。,阻尼/减振元件：振动系统抵抗变形速度的能力。,质量/惯性元件：振动系统抵抗加速度的能力。,漫谈汽车系统动力学与控制,3.正确的研究方法,(3)运动描述,动力学研究运动和力的关系！在面向对象的观察思考基础上，要明确运动的时空描述方法：自由度和坐标系统！,确定系统位置的独立（广义）坐标数目,系统自由度,2.1单自由度系统的自由振动,(2)-1确定广义坐标并建立其坐标系统；,(2)-2将惯性质量隔离出来，进行平衡位置受力分析：,(2-1),(2)-3进行任意振动位置受力分析，利用牛顿定律建立振动微分方程并整理;,(2-2),(2-3),(2-4),(2-5),其中：,漫谈汽车系统动力学与控制,3.正确的研究方法,(4)数学模型,动力学分析基础上建立数学模型！,常微分方程有深刻而生动的实际背景。它在生产实践与科学技术中产生，而又成为现代科学技术中分析问题与解决问题的一个强有力的工具；数学应用于实际问题的关键是要找出具有特定性质的函数，而很多的实际问题中，往往不能直接找出所需要的函数，有时我们需要建立含未知函数的导数或微分方程，如果这些方程可求解，就可以求得所需的函数。这就是我们所要讨论的微分方程。,列宁：自然界的统一性显示在各种现象领域的微分方程式的“惊人相似中”。,汽车纵向动力学整体模型,轮胎路面作用力,汽车纵向动力学模型,汽车纵向动力学方程-数学模型,决定于轮胎与路面的作用,作为路面交通工具的汽车，其复杂性和重要性怎么强调都不过分！,又与驱动和制动力矩直接相关，进一步与燃油、传动系统和制动系统、甚至转向系统紧密联系在一起！,内燃机汽车的驱动力矩来源于燃油的燃烧，并经过复杂的传动系统传递到车轮上。其动力的供应链涉及燃油经济性、汽车动力性、驱动效率等的深入研究。与发动机、传动系统的结构、控制紧密相连!,当有侧向风、横向斜坡、转弯等情况，汽车纵向运动与横向运动又发生关联，又涉及到汽车稳定性的深入研究。,汽车制动力学模型与数学模型,力学模型,数学模型制动力学基本方程,车轮转动惯量,车轮角加速度,车轮路面附着系数,车轮路面间正压力,车轮滚动半径,车轮制动力矩,对于单独的一个车轮，在制动时可以简化为：,ABS的概念,车辆制动依靠路面对车轮的作用力。,路面对轮胎的作用力又决定于车轮与路面的附着系数。,车轮与路面的附着系数又与滑转率有关，如图所示。,Anti-lockBrakeSystem,ABS作用：调节车轮制动压力、控制制动强度以获得最佳滑转率，防止抱死，提高纵向制动能力和侧向稳定性。,ABS_最佳滑动率影响因素,最佳滑动率受到路面/轮胎/载荷/车速等诸多要素影响,侧偏角的影响,ABS_最佳滑动率影响因素,最佳滑动率受到路面/轮胎/载荷/车速等诸多要素影响,轮胎与路面特性影响,ABS_最佳滑动率影响因素,最佳滑动率受到路面/轮胎/载荷/车速等诸多要素影响,垂直载荷与车速影响,ABS_最佳滑动率影响因素,最佳滑动率受到路面/轮胎/载荷/车速等诸多要素影响,ABS_最佳滑动率结论,最佳滑移率是一个变值，轮胎、路面、载荷、车速、侧偏角不同，对应的最佳滑移率也不同。,必须对滑移率进行检测，以实现制动力的控制。,制动时车速变化快，瞬态车速难以测量准确,影响要素和环境/工况的复杂性：难！,滑移率检测方法,车轮转速检测和轮胎半径测量,容易,推算得到参考车速,相对滑移率,ABS的控制的关键技术,车轮角加速度,背景,沙堆,制动过程中经常会碰到沙堆、水、油迹、杂物等特殊情况，附着系数可能瞬间发生较大变化！,ABS的控制目标与检测,地面附着系数变化与车轮角速度瞬态变化几乎是同步的。因此车轮角速度的陡然变化反应了路面状态的偶然变化，车轮角速度瞬态变化是我们进行制动力矩控制的重要信息和目标参数。,相对变化缓慢,ABS的控制目标与检测,轮胎地面作用力的测量方法,通过测量轮胎剖面单元的变形间接测量轮胎与路面间的附着率。,ABS的多目标控制方法,由于地面与轮胎作用的复杂性以及环境的多变性，实际的制动力控制往往采用多目标控制的方法。,ABS的控制过程,ABS联合控制方式-控制策略,1.单轮控制,每个车轮分别独立进行控制，以最大地利用附着系数。附着系数利用率高，但容易产生横摆力矩，车辆稳定性差。,2.低选控制,以附着系数低的那侧车轮来决定施加到同一车轴两侧车轮飞轮制动压力。车辆稳定性好，但附着系数利用低。,3.高选控制,以附着系数高的那侧车轮来决定施加到同一车轴两侧车轮飞轮制动压力。附着系数利用率高，但容易产生横摆力矩，车辆稳定性差。,两轴四轮车ABS组合型式,两轴四轮车ABS组合型式,ABS实现的关键技术,ABS实现的关键技术,ABS组成结构,ABS实现的关键技术,离合器、制动助力、ABS执行单元一体化,ABS的关键零部件-液压调压器,ABS的关键零部件-气压调压器,ABS的关键零部件-轮速传感器,ABS测速改进-G传感器,ABS的电子控制总体结构,ABS的电子控制总体结构,汽车电子太难，望而却步！,吸引人才、引进外智，加快我国汽车电子产品设计开发的步伐！促进公司成功转型,汽车电子设计开发容易陷入两大误区：,汽车电子容易，盲目介入！,使用环境非常复杂！可靠性要求很高！,吸引人才、引进外智，促进公司成功转型,汽车特点,温、湿、振动、干扰等等,人身安全！,难点：不在于解决问题，而在于发现问题！,汽车电子产品的设计开发至少是这样的：1/5时间在design设计、在想办法解决Resolve问题，在How！4/5时间在Debug调试，在找Find问题究竟出在哪儿，在问why？,看不见，问题的潜在性！软件更重要！,电子特点,汽车电子太难，望而却步！,吸引人才、引进外智！,目前两大误区：,汽车电子容易，盲目介入！,吸取别人失败的经验！不良品解析！,正确之道,TCS的概念,2.路面切向作用力,轮胎与路面的作用环境和状态(滑转率),车轮转动中的2个作用力,1.驱动/制动力矩,TCS/ASR的作用和意义,调节的不是车轮制动压力而是发动机输出扭矩等,TractionControlSystem/Anti-slipRegulation,TCS/ASR的概念,TractionControlSystem,TCS:驱动/牵引/循迹控制系统,TCS/ASR的概念,Anti-SlipRegulation,ASR：防滑控制系统,TCS/ASR的概念,车辆在起步、加速、爬坡、制动时通过控制作用在车轮上的力矩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控制系统。,TCS/ASR驱动防滑控制方法,TractionControlSystem/Anti-slipRegulation,1.发动机输出扭矩控制:最简单、最主要的控制方式，但排放和发动机寿命受到影响。,发动机、传动、制动控制系统间能够通讯,实现联合控制,点火调节,节气门调节,减小点火提前角，响应速度快，相应速度可达到10_100ms,供油调节,容易实现，与发动机电喷系统ECU通信即可实现但排放和发动机寿命受到影响。,串联一个副节气门，响应速度慢，无污染,TCS/ASR驱动防滑控制方法,TractionControlSystem/Anti-slipRegulation,发动机、传动、制动控制系统间能够通讯,实现联合控制,电子节气门,随着电子燃油喷射EFI系统广泛采用,机械式节气门的缺点越来越明显，动态特性差，冷起动、低负荷等特殊工况下的控制效果很差，从而导致汽车发动机的经济性下降、排放量增加。,全电子节气门控制（ElectronicThrottleControl，简称ETC）系统。ETC系统的节气门开度在任何工况下都直接由电机驱动控制，其控制器可以配合发动机管理系统工作，具有良好的怠速、加速及减速等工况过渡性能，同时也可按牵引力控制系统的要求调节节气门开度，改变发动机扭矩输出，实现牵引力控制。,TCS/ASR驱动防滑控制方法,TractionControlSystem/Anti-slipRegulation,发动机、传动、制动控制系统间能够通讯,实现联合控制,节气门调节,电子节气门结构,ElectronicThrottleControl,TCS/ASR驱动防滑控制方法,TractionControlSystem/Anti-slipRegulation,发动机、传动、制动控制系统间能够通讯,实现联合控制,轮速识别系统,TCS/ASR驱动防滑控制方法,TractionControlSystem/Anti-slipRegulation,发动机、传动、制动控制系统间能够通讯,实现联合控制,轮速识别系统,信号前处理过程,TCS/ASR驱动防滑控制方法,TractionControlSystem/Anti-slipRegulation,发动机、传动、制动控制系统间能够通讯,实现联合控制,轮速识别系统,轮速识别系统的核心是DSP处理器和数字滤波算法,TCS/ASR驱动防滑控制方法,TractionControlSystem/Anti-slipRegulation,1.发动机输出扭矩控制:最简单的方式，一般ASR中采用，但排放和发动机寿命受到影响。（1）点火参数调节:减小点火提前角，相应速度可达到10100ms（2）燃油量调节:减少供油（3）节气门调节:串联一个副节气门，响应速度慢，无污染2.驱动轮制动力矩调节一般与发动机输出扭矩控制方式配合使用，主要是两侧驱动轮输出扭矩有差别时使用。3.差速器锁止控制差速器是差速，进一步地通过锁止阀控制两侧驱动轮的扭矩分配4.离合器/变速器控制控制离合器摩擦片的接合和变速器的传动比，但响应较慢，辅助方式,发动机、传动、制动控制系统间能够通讯,实现联合控制,VSC车辆稳定性控制,ABS/TCS/ASR的中心：控制到最佳的滑转率，以获得较大地面制动力和驱动力。但没有顾及左右车轮的制动力和驱动力的平衡问题。纵向稳定性横向稳定性,VSC车辆稳定性控制,VehicleStability/DynamicControl=ABS+TCS+YSC(YawstabilityControl,VSC车辆稳定性控制,VehicleStability/DynamicControl=ABS+TCS+YSC(YawstabilityControl,增加+,VSC车辆稳定性控制,VehicleStability/DynamicControl=ABS+TCS+YSC(YawstabilityControl,VSC车辆稳定性控制,VehicleStability/DynamicControl=ABS+TCS+YSC(YawstabilityControl,主要的传感器,VSC车辆稳定性控制,VehicleStability/DynamicControl=ABS+TCS+YSC(YawstabilityControl,ESP工作过程,TCS/VSC/ESP相关硕博论文,动力传动系统的扭转振动模型,动力传动系统的惯性、阻尼、弹性元件组成,=,发动机某个气缸产生的交变转矩：,变速器齿轮啮合及变速冲击,万向节角速度波动,轮胎扭矩载荷变化,+,+,+,力学模型,自激振动,+,动力传动系统的扭转振动参数识别,车辆平动质量的当量转动惯量：动能相等的原则,传动系统振动阻尼确定是难点。如发动机单缸的阻尼可用下式估算：,半轴、轮胎的当量扭转刚度：弹性能相等的原则,动力传动系统的扭转振动模型的参数识别,传动系统振动阻尼确定是难点。轮胎刚度和阻尼可采用试验和拟合的方法：,汽车传动系统低频阻尼相对较大，而高频阻尼相对较小。,动力传动系统的扭转振动分析,1.固有频率和振型分析：