汽车系统动力学与仿真3课件

第1页,第3章汽车驱动动力学与仿真,3.1汽车动力性评价指标3.2汽车动力性的分析方法3.3汽车驱动防滑控制系统3.4汽车ASR系统的控制技术,第2页,3.1汽车动力性评价指标,1汽车最高车速指汽车在水平良好路面(混凝土或沥青)上，汽车能达到的最高行驶车速，它表示汽车的极限行驶能力。2汽车加速能力指汽车在水平良好路面上所能达到的最大加速度，常用汽车加速时间来表示，它对平均行驶车速有很大影响。3汽车爬坡能力指汽车满载时在良好路面上等速行驶能爬上的最大坡度，简称最大爬坡度。,第3页,3.2汽车动力性的分析方法,3.2.1汽车驱动力行驶阻力平衡图3.2.2汽车动力特性图3.2.3汽车功率平衡图3.2.4解析法求解汽车动力性3.2.5汽车动力性仿真,第4页,3.2.1汽车驱动力行驶阻力平衡图,汽车行驶方程式为：汽车驱动力与发动机转矩之间的关系为：,第5页,3.2.1汽车驱动力行驶阻力平衡图,发动机转矩与转速之间的关系是进行汽车动力性计算的主要依据，可由发动机台架试验来测定。发动机台架试验所得到的一系列发动机转速与转矩的离散数据点，用回归法找出描述转矩与转速的函数，通常用多项式来描述，即:,第6页,3.2.1汽车驱动力行驶阻力平衡图,如果找不到发动机转矩转速特性曲线的数据，若已知发动机的最大功率和所对应的转速，则可用下式估算发动机的转矩转速特性：,第7页,3.2.1汽车驱动力行驶阻力平衡图,如果已知发动机最大功率和所对应的转速、发动机最大转矩和所对应的转速，则可用下式估算发动机的转矩转速特性：,第8页,3.2.1汽车驱动力行驶阻力平衡图,传动系结构不同，传动系总传动比也不一样，应根据汽车传动系具体结构确定传动系传动比。,第9页,3.2.1汽车驱动力行驶阻力平衡图,在对汽车动力性分析时，传动系效率一般视为常数。轿车的传动系效率取0.90.92；单级主减速器的货车取0.9；双级主减速器的货车取0.85；44货车取0.85；66货车取0.8；越野汽车取0.80.85。轮胎的尺寸及结构直接影响汽车的动力性。对汽车作动力学分析时，应该用静力半径；而作运动学分析时应该用滚动半径。但在一般的分析中常不计它们的差别，统称为车轮半径，即认为车轮半径等于静力半径和滚动半径。,第10页,3.2.1汽车驱动力行驶阻力平衡图,汽车的行驶速度与发动机转速之间的关系为：汽车滚动阻力为：,第11页,3.2.1汽车驱动力行驶阻力平衡图,第12页,3.2.1汽车驱动力行驶阻力平衡图,第13页,3.2.1汽车驱动力行驶阻力平衡图,第14页,3.2.1汽车驱动力行驶阻力平衡图,汽车加速阻力为：,第15页,1.汽车最高车速,第16页,1.汽车最高车速,第17页,2汽车加速能力,第18页,2汽车加速能力,汽车由某一车速加速到某一较高车速所需要的时间为：汽车原地起步加速时间为：汽车超车加速时间为：,第19页,2汽车加速能力,第20页,3.汽车爬坡能力,汽车档最大爬坡度为：汽车直接档最大爬坡度为：,第21页,3.汽车爬坡能力,汽车爬坡时速度较低，可以忽略空气阻力，汽车档最大爬坡度为：,第22页,3.汽车爬坡能力,第23页,3.汽车爬坡能力,当发动机提供的最大驱动力大于地面附着力时，应按最大地面附着力确定汽车最大爬坡度。对于前轮驱动汽车，汽车爬坡时行驶方程式为：,第24页,3.汽车爬坡能力,第25页,3.汽车爬坡能力,第26页,3.汽车爬坡能力,第27页,3.汽车爬坡能力,第28页,3.2.2汽车动力特性图,利用汽车驱动力行驶阻力平衡图可以确定汽车的动力性，但不能用来直接评价不同种类汽车的动力性。因为汽车种类不同，其质量或外形有所不同，因此各行驶阻力也不同，也就是说即使驱动力相近的汽车，其动力性也不相近。所以表征汽车动力性的指标应该是一种既考虑驱动力、又包含汽车自重和空气阻力在内的综合性参数。,第29页,3.2.2汽车动力特性图,汽车动力因数定义为：汽车动力因数是表示单位车重所具有的克服道路阻力和加速阻力的能力。不论汽车自重等参数有何不同，只要有相等的动力因数，便能克服同样的坡度和产生同样的加速度。,第30页,3.2.2汽车动力特性图,第31页,1.汽车最高车速,汽车以最高车速行驶时，坡度阻力和加速阻力为零，汽车动力因数为：高速档动力因数曲线与滚动阻力系数曲线交点处对应的车速为最高车速。,第32页,2.汽车加速能力,评定汽车加速能力时，坡度阻力为零，则汽车动力因数为：,第33页,3.汽车爬坡能力,汽车在各档爬最大坡度时，加速度为零，汽车动力因数为：汽车最大坡度角为：汽车最大爬坡度为：,第34页,3.汽车爬坡能力,第35页,3.汽车爬坡能力,第36页,3.2.3汽车功率平衡图,利用汽车驱动力与行驶阻力的平衡关系和汽车的动力特性可以确定汽车动力性指标，但需要分析发动机特性对汽车动力性影响时，需要用到汽车的平衡功率。,第37页,3.2.3汽车功率平衡图,第38页,1汽车最高车速,汽车达最高车速时，加速阻力和坡度阻力为零，则即功率平衡图中，发动机功率曲线(直接档)与阻力功率曲线的交点对应的车速为汽车最高车速，稍大于最高档时发动机最大功率对应的车速。,第39页,2汽车加速能力,评价汽车加速能力时，坡度阻力为零，则不同车速时的加速度为,第40页,3汽车爬坡能力,评价汽车爬坡能力时，加速阻力为零，粗略计算求出汽车的爬坡度为功率平衡图上，各档功率曲线与总阻力功率曲线的功率差值称为后备功率，它可以用来使汽车加速、爬坡等。利用功率平衡的方法求解动力性问题显得麻烦。但汽车的速度越高，遇到阻力越大，克服阻力所消耗的功率就越大，因此，功率平衡是从能量转换角度研究汽车动力性的。,第41页,3.2.4解析法求解汽车动力性,第42页,3.2.4解析法求解汽车动力性,第43页,3.2.4解析法求解汽车动力性,第44页,1.汽车最高车速,第45页,2汽车加速能力,汽车在水平路面加速时，坡度角为零，汽车加速度为：,第46页,3.汽车最大爬坡度,第47页,3.汽车最大爬坡度,汽车档动力因数为：汽车最大爬坡角和最大爬坡度为：,第48页,3.2.5汽车动力性仿真,汽车动力性仿真有多种方法，例如：根据汽车动力性模型，利用VB或VC开发汽车动力性专用仿真软件；利用MATLAB强大的数学计算功能和绘图功能，进行汽车动力性仿真；利用专业软件GT-DRIVE等对汽车动力性进行仿真。这里以一个基础的汽车动力性模型为例，来说明如何通过MATLAN实现仿真。,第49页,3.2.5汽车动力性仿真,第50页,3.2.5汽车动力性仿真,第51页,3.2.5汽车动力性仿真,第52页,3.3汽车驱动防滑控制系统,汽车驱动防滑控制系统（简称汽车ASR系统）在汽车起步和加速过程中，通过调节发动机输出转矩等来防止车轮过度滑转，以获得最佳的地面驱动力和保持方向稳定性，它是汽车防抱死制动系统（ABS）控制原理在驱动工况的推广，随着ABS系统的普及，ASR系统的应用也逐渐增加。,第53页,3.3.1汽车ASR系统的作用,汽车ASR系统的作用就是防止驱动车轮在驱动过程中发生滑转现象，使驱动车轮既能获得较大的纵向附着力，又能保持较大的侧向附着力，改善和提高汽车在驱动过程中的行驶性能。汽车ASR系统主要具有以下作用：1)改善转向操纵性对于前轮驱动或四轮驱动的汽车，汽车ASR系统通过对作用于前轮的驱动力矩进行控制，将前轮的滑转率控制在侧向附着系数较大的范围之内，使前轮能够保持较大的侧向附着力，能为汽车进行转向行驶提供较大的侧向作用力，既有利于改善汽车的转向操纵性，也有利于提高汽车的方向稳定性。,第54页,3.3.1汽车ASR系统的作用,2)改善方向稳定性对于后轮驱动或四轮驱动的汽车，当汽车高速行驶时，汽车ASR系统通过作用于后轮的驱动力矩，不仅可以将后轮的滑转率控制在侧向附着系数较大的范围之内，使驱动车轮保持较大的侧向附着力，使汽车具有抵抗侧向外力作用的能力，而且可以对两侧驱动车轮牵引力的不平衡进行限制，减少由于两侧驱动车轮牵引力不平衡产生的横摆力矩，能够显著地改善汽车在高速行驶过程中的方向稳定性。,第55页,3.3.1汽车ASR系统的作用,3)提高加速性能和爬坡能力普通差速器具有平均分配驱动力矩和允许驱动车轮差速转动的传动特性，在一般情况下，普通差速器的传动特性可以避免两侧驱动车轮的牵引力出现不平衡，防止汽车因两侧牵引力不平衡产生横摆运动，使汽车具有良好的动态响应。但是，在汽车两侧驱动车轮的附着力存在较大的差异时，附着条件好的驱动车轮的附着力不能得到充分利用，汽车的加速性能和爬坡能力将受到影响。汽车ASR系统对汽车ABS进行功能扩展，使其能够自动地对附着力较小的驱动车轮进行制动介入，将能够对普通差速器传动特性的缺陷进行补偿，从而提高汽车的加速性能和爬坡能力。,第56页,3.3.1汽车ASR系统的作用,4)减轻驾驶员的紧张程度汽车ASR系统能够保证汽车在高速行驶时具有良好的方向稳定性和转向操纵能力，有助于增强驾驶员控制汽车的信心，不仅有利于在道路条件许可的前提下提高汽车的行驶速度，还能降低驾驶员在驾驶过程中的紧张程度。5)延长轮胎的使用寿命由于汽车ASR系统能够降低驱动车轮的滑转，有利于降低轮胎的磨损速度和偏磨程度，使轮胎的使用寿命有所延长。,第57页,3.3.2汽车ASR系统的组成,汽车ASR系统主要由传感器、电子控制器（ECU）、执行机构等组成。传感器主要包括车轮转速传感器和节气门位置传感器，车轮转速传感器用来检测各车轮的转速，节气门位置传感器用来检测主、副节气门位置；ECU根据车轮转速信号、发动机节气门开度信号等判断汽车的行驶状态，计算出驱动轮的滑转率，并向执行器发出控制指令；执行器包括制动执行器和副节气门执行装置，制动执行器接收ECU的指令信号，控制各制动工作缸中的制动压力，调节制动力矩，副节气门执行装置接收ECU的指令信号，控制副节气门的开启角度，调节驱动力矩。,第58页,3.3.2汽车ASR系统的组成,典型汽车ASR系统,第59页,3.4.3汽车ASR系统的工作原理,汽车行驶时必须满足驱动附着条件，即汽车在起步和加速过程中，当驱动力超过地面附着力时，驱动轮开始滑转，汽车的方向稳定性和操纵性降低，要提高汽车的驱动力，必须提高路面附着系数。但汽车在驱动时，其路面附着系数并非是一个常数，而是一个与车轮滑转程度有关的变量。,第60页,3.4.3汽车ASR系统的工作原理,驱动轮的滑转程度可用驱动轮滑转率表示。,第61页,3.4.3汽车ASR系统的工作原理,路面附着系数与车轮滑转率的关系,第62页,3.3.4汽车ASR系统的控制方式,保持驱动轮处于最佳滑转范围内的控制方式主要有：发动机输出转矩调节、驱动轮制动力矩调节、差速器锁止控制、离合器和变速器的控制以及驱动轮的载荷控制等。1发动机输出转矩调节合理地控制发动机输出转矩，就可以控制传递到驱动轮上的转矩，从而调节驱动轮的滑转率。(1)调节发动机的进气量；(2)调节发动机的供油量；(3)调节发动机的点火时间。,第63页,3.3.4汽车ASR系统的控制方式,调节发动机的进气量可以通过设置由驱动防滑转电子控制装置控制的副节气门或可变相位机构进行自适应调节来实现。该方式的优点是加速圆滑和燃烧完全，减少排气污染，易于和其他控制方式配合使用；缺点是响应较慢。对于电控汽油喷射发动机和电控柴油发动机，调节发动机的供油量可以由驱动防滑转电子控制装置与发动机电子控制装置进行通讯，再由发动机电子控制装置调节供油量。也包括中断发动机部分气缸的供油。该方式的优点是便于实现，缺点是受燃烧室废气的影响，使燃烧过程延迟，影响发动机的动力性和传动系统的寿命，排放效果恶化。,第64页,3.3.4汽车ASR系统的控制方式,对于点火实现电子控制的汽油发动机和喷油提前实现电子控制的柴油发动机，同样可以由驱动防滑转电子控制装置与发动机电子控制装置进行通讯，再由发动机电子控制装置调节点火时间，也包括中断发动机部分气缸的点火。该方式的优点是反应快，但容易造成燃烧不完全，增加排气净化装置的负担。在选择发动机转矩控制的具体实施方案时，一方面要考虑其实现的可能性，另一方面还要考虑其效能成本比，同时也要考虑其对发动机和汽车其他性能的影响。所以往往选取几种方式的组合进行控制。,第65页,3.3.4汽车ASR系统的控制方式,2驱动轮制动力矩调节发生滑转的驱动车轮如果在承受驱动力矩的同时承受制动力矩，就可使作用于驱动轮上的主动力矩有所减少，从而达到控制驱动车轮滑转率的目的。该方式响应时间最短，是防止滑转最迅速的一种控制方式，但为了制动过程平稳，并考虑舒适性，其制动力应缓慢升高。驱动轮制动力矩调节经常与其他控制模式组合使用，如德国博世公司生产的是由节气门开度调节、点火延迟调节和驱动轮制动力矩调节三种方式的组合；日本丰田公司生产的是由节气门开度调节和驱动轮制动力矩调节两种方式的组合等。,第66页,3.3.4汽车ASR系统的控制方式,3差速器锁止控制采用高摩擦差速器可以在一定范围内实现驱动力矩的变比例分配，使附着力较小的驱动车轮得到较小的驱动力矩，减小其滑转程度；而附着力较大的驱动车轮却可以得到较大的驱动力矩，使各驱动车轮获得不同的牵引力。这在汽车速度较低时有助于提高汽车的加速性能，但汽车速度较高时却会损害汽车的行驶方向稳定性，这一矛盾可以通过对防滑差速器实施电子控制予以解决。该方式的优点是高附着一侧驱动轮的驱动力得以充分发挥，缺点是成本高，影响操纵性，不利于转向。,第67页,3.3.4汽车ASR系统的控制方式,4离合器或变速器控制离合器控制是指当发现汽车驱动轮发生过度滑转时，减弱离合器的接合程度，使离合器主、从动盘出现部分相对滑转，从而减小传输到半轴的发动机输出转矩；变速器控制是指通过改变传动比来改变传递到驱动轮上的驱动转矩，以减小驱动轮滑转程度的一种驱动防滑控制。由于离合器和变速器控制反应较慢，变化突然，所以一般不作为单独的控制方式，而且由于压力和磨损等问题，使其应用也受到很大限制。,第68页,3.3.4汽车ASR系统的控制方式,5驱动车轮载荷的控制汽车装备电控悬架时，可以通过调整悬架使汽车载荷在各车轮之间得以调配。在各驱动车轮的附着条件不一致时，可以通过悬架的主动调整使载荷较多地分配在附着条件较好的驱动车轮上，使各驱动车轮附着力的总和有所增大，从而有利于增大汽车的牵引力，提高汽车的起步加速性能；也可以通过悬架的主动调整使载荷较多地分配在附着条件较差的驱动车轮上，使各驱动车轮的附着力差异减小，从而有利于各驱动车轮之间牵引力的平衡，提高汽车的行驶方向稳定性。但是，这种控制较为复杂，成本较高，在ASR系统中一般很少采用。由于各自控制方式的局限性，所以一般不仅仅使用一种控制方式，而是组合应用。现在广泛采用的控制方式是发动机节气门开度调节和驱动轮制动力矩调节的组合。,第69页,3.3.5汽车ASR系统的控制原则,汽车在不同行驶条件下对行驶性能各方面的要求有所侧重，因此，在不同的车速范围内就应以不同的原则对驱动车轮进行防滑转控制，以满足一定条件下重点性能作为主要控制目标，而对其他性能则进行适度兼顾。汽车在不同车速范围内的控制目标不同，实施驱动车轮滑转控制的途径也就不同。1汽车起步及加速初期的防滑转控制原则汽车在起步及初期加速阶段，驱动防滑转控制应以提高汽车的起步加速性能为主要控制目标，即以充分利用各个驱动车轮的附着力获得最大牵引力为控制原则。,第70页,3.3.5汽车ASR系统的控制原则,在车速较低时，即使各驱动车轮所产生的牵引力存在较大程度的不平衡，对汽车的行驶方向稳定性也不会产生太大的影响，这一阶段对各驱动车轮的滑转率控制应按独立原则进行。当各驱动车轮间的附着条件相差较大时，如果汽车装备电控悬架，可以通过电控悬架的主动调节，使附着条件较差的驱动车轮的载荷向附着条件较好的驱动车轮进行适度调配，使各驱动车轮总的附着力有所增大；如果汽车装备可控防滑差速器，在这一阶段应使其进入防滑差速状态。即使差速器不具备防滑差速功能，也可对附着条件较差的驱动车轮通过制动介入施加适度的制动力矩，使其滑转率处于最大纵向附着系数的范围内。如果附着条件较好的驱动车轮也发生了滑转，则应通过适度减小发动机的输出转矩和变速器传动比使其驱动力矩减小，必要时也可以对其施加一定的制动力矩，以加速滑转率的控制。,第71页,3.3.5汽车ASR系统的控制原则,2汽车中速行驶时的防滑转控制原则汽车以中速行驶时，驱动防滑转控制应以保证汽车的行驶方向稳定性为主要控制目标，但也要兼顾汽车的加速性能。此时，可以对各驱动车轮一同施加相同的制动力矩，使附着条件较差的驱动车轮滑转率处于侧向和纵向附着系数都较大的范围内，从而保证各驱动车轮产生相同的牵引力，并且使各驱动车轮都具有较强的抗侧滑能力，使汽车获得较好的方向稳定性。,第72页,3.3.5汽车ASR系统的控制原则,3汽车高速行驶时的防滑转控制原则汽车以高速行驶时，驱动防滑转控制应以保证汽车的行驶方向稳定性为唯一控制目标，在驱动防滑转控制过程中，应使各驱动车轮产生的牵引力始终保持一致。应通过减小发动机的输出转矩和变速器的传动比调节作用于驱动车轮的驱动力矩，将驱动车轮的滑转率控制在侧向附着系数较大的范围内，保证汽车具有较强的抗侧滑能力。,第73页,3.3.6汽车ASR系统的动力学模型,汽车ASR系统的动力学模型包括发动机、传动系、车轮（含轮胎）和整车模型。,第74页,1发动机模型,发动机建模分为静态建模和动态建模。静态建模一般采用试验建模，即将发动机稳态试验数据进行拟合和插值得到。,第75页,第76页,2传动系模型,传动系的运动方程为：左右车轮运动方程为：,第77页,3.3.1燃料电池的分类,第78页,3制动器模型,制动模型采用一阶滞后环节传递函数形式来描述压力建立及释放的动态过程，用比例环节描述制动器增益，其最大压力由制动踏板的位移来决定。制动器力学模型描述了制动轮缸压力输入及制动力矩输出间的力学特性。时域方程为：由制动压力可求得制动力矩为：,第79页,4整车模型,对整车模型做如下假设：(1)汽车上的坐标原点与汽车质心重合；(2)不计汽车绕轴俯仰角及绕轴侧倾角；(3)忽略汽车在轴方向的位移；(4)两转向轮转角相同。,第80页,4整车模型,第81页,4整车模型,汽车整车动力学模型：,第82页,4整车模型,根据运动学和几何关系，各轮胎侧偏角为：整车动力学模型中轮胎纵向力和侧向力根据轮胎模型计算。,第83页,3.4汽车ASR系统的控制技术,汽车ASR系统的控制目的是控制滑转率在一定范围内，从而在驱动时防止车轮打滑以获得更好的驱动力和更大的方向稳定性。汽车ASR系统的控制技术主要有：PID控制、逻辑门限值控制、滑模变结构控制、最优控制和模糊控制等。,第84页,3.4.1汽车ASR系统的PID控制,1PID控制基础PID控制是自动控制领域里最常用的控制算法之一，PID控制系统的主要任务是设计PID控制器。PID控制器是利用设置给定的目标值与实际输出值构成的偏差，对被控对象进行的一种线性控制，控制系统通常由被控对象和PID控制器两部分组成。PID控制器由比例环节、积分环节和微分环节构成。,第85页,3.4.1汽车ASR系统的PID控制,控制器的输入，即控制偏差为：PID控制器将控制偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为：,第86页,3.4.1汽车ASR系统的PID控制,比例系数、积分系数和微分系数这三个参数对系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面都起着不同的作用，其各自的作用如下：（1）比例环节，主要用于提高系统的动态响应速度和减小系统稳态偏差即提高系统的控制精度。该环节成比例地反映控制系统的偏差信号，一旦产生偏差，控制器立即产生控制作用，以减少偏差使实际值接近目标值。控制作用的强弱主要取决于比例系数的大小，比例系数过大，会使系统的动态特性变差，引起输出振荡，还可能导致闭环系统的不稳定；比例系数过小，被控对象会产生较大的静差，达不到预期控制的效果，所以在选择比例系数时要合理适当。,第87页,3.4.1汽车ASR系统的PID控制,（2）积分环节，在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间波动、振荡次数增加和调整时间延长，使系统的稳定性下降。通常用积分系数来表示积分作用的强弱，积分系数越大，积分作用越强，消除偏差的过程会加快，但取值太大会导致系统趋于不稳定。,第88页,3.4.1汽车ASR系统的PID控制,（3）微分环节，根据偏差信号的变化趋势对其进行修正，在偏差信号值变得太大之前，引入一个有效的修正信号，从而使系统的动作速度加快，减小调节时间。采用PID控制算法简单又方便，只要适当地调节比例系数、积分系数和微分系数，就可以得到比较理想的控制效果。目前在实际中，PID控制器的参数一般通过试验方法、凑试法以及试验结合经验公式的方法来确定。通过理论分析可知：偏差和偏差变化率与PID控制器三个参数之间存在一定的关系。,第89页,3.4.1汽车ASR系统的PID控制,凑试法调节PID参数的步骤如下：(1)当控制偏差绝对值较大时，为加快系统的响应速度，使静差在短时间内降低或消除，应将比例系数增大，这样可以使系统时间常数和阻尼系数减小。为避免系统在开始控制时可能引起的被控对象出现较大的超调量，应取较小的微分系数，以便加快系统响应时间；为避免出现较大的超调量，可取积分系数为零。(2)当控制偏差绝对值处于中等大小时，应取较小的比例系数，使系统响应的超调量变小一点；此时，选择合理的微分系数值是关键，为保证系统的响应速度，微分系数的取值要恰当，此时可适当的增加积分系数值，但不能增加过大。,第90页,3.4.1汽车ASR系统的PID控制,(3)当控制偏差绝对值较小时，为使系统具有良好的稳定性能，可取较大的比例系数和积分系数；为避免系统在平衡点出现振荡，微分系数的取值不能过大也不能太小，要合理。在PID控制器中，参数的选择并不是唯一的，可以根据需要及系统的变化有针对性地对各个参数进行有效合理的调节。比例系数、积分系数和微分系数所产生的作用各不相同，在实际控制过程中往往某个参数的减小可由其它参数的增大来补偿。因此，不同的整定参数也有可能得到同样的控制效果。,第91页,2PID控制在汽车ASR系统中的应用,采用PID控制的汽车ASR系统，是把目标滑转率与实际车轮滑转率的差作为系统的控制偏差输入，设计PID控制器，输出控制发动机的输出力矩，或者是制动系统的制动力矩，从而调节车轮的滑转率，并使得车轮的滑转率向目标滑转率靠近。对于PID控制算法，需要对被控对象建立数学模型，而汽车行驶过程的数学模型比较难准确建立，而且整个汽车系统又是一个时变非线性系统，即被控对象的参数会随时间的变化而变化，另外，利用路面识别技术获得准确的路面附着系数比较困难，因此采用普通的PID控制对于多变复杂的ASR系统，实现起来比较困难。,第92页,2PID控制在汽车ASR系统中的应用,汽车ASR系统的PID控制框图：,第93页,3.4.2汽车ASR系统的逻辑门限值控制,1逻辑门限值控制基础逻辑门限值控制是把系统分为不同的状态，每个状态设定不同的临界阀值，作为控制系统运行的门限。当系统的被控参数超过阀值时，采取相应的控制动作，使得控制对象根据设定的逻辑控制，到达特定的状态。逻辑门限值控制是一种传统的控制方法，它不需要建立具体的数学模型作为控制对象，省去了大量的数学计算，提高了系统的实时响应时间，需要控制的参数少，算法结构简单，也易于实现和维护修改，已经在实际汽车行业中得到广泛使用。这种控制算法的主要缺点在于控制逻辑复杂，控制系统的各种门限值及保压时间都是经过反复试验得到的经验数据，必须通过大量的试验数据，辨别不同路面的门限值，没有充分的理论依据，因此对系统的稳定性无法评定。由于数据是通过某一特定车型确定的，因此通用性差，车型互换性差。,第94页,2逻辑门限值控制在汽车ASR系统中的应用,对于汽车ASR系统来说，可以采用不同的控制参数，如以驱动轮滑转率作为控制参数；以驱动轮滑转率及其变化率作为控制参数；以驱动轮滑转率作为主要控制参数，以车速和驱动轮的加、减角速度作为辅助控制参数等。以驱动轮滑转率作为控制参数，控制系统根据驱动轮转速和车速计算出驱动轮的滑转率，然后将这一滑转率和设定的滑转率门限值进行比较，通过调节发动机的供油量或驱动轮制动力矩来进行控制。汽车在行驶过程中，当汽车ASR控制逻辑判断得知驱动轮的滑转率超过设定的某一门限值时，控制系统就产生动作，施加制动力矩减小驱动力矩以降低滑转率；又当判断得知滑转率回到门限值范围内，控制系统又产生动作，减小直至去除制动力矩来增加驱动轮驱动力矩，如此循环实现滑转率的控制来达到防滑驱动的目的。,第95页,2逻辑门限值控制在汽车ASR系统中的应用,为了避免基于滑转率的控制方法经常出现的频繁反复增压和减压，可以采用滑转率和车轮角加速度作为门限值的控制方法。采用驱动轮制动力矩进行控制，其门限值控制逻辑如表所示。,第96页,2逻辑门限值控制在汽车ASR系统中的应用,第97页,3.4.3汽车ASR系统的滑模变结构控制,1滑模变结构控制基础滑模变结构控制是一种以经典数字控制理论为基础的控制算法，是一种特殊的非线性控制系统。滑模变结构控制的原理是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换面，通过滑动模态控制器使系统状态从切换面之外向切换面收束。系统一旦到达切换面，控制作用将保证系统沿切换面到达系统原点，这一沿切换面向原点滑动的过程称为滑模控制。滑模变结构控制对被控系统参数变化不敏感，抗干扰能力强，动态性能好，具有很好的鲁棒性和很强的自适应性。缺点是控制效果取决于控制系统数学模型的精确程度，在控制过程中系统会由于开关器件的时滞以及控制系统固有的惯性等影响而存在抖振现象。,第98页,3.4.3汽车ASR系统的滑模变结构控制,非线性控制系统的状态方程式为：采用滑模变结构控制，需要定义切换函数为：,第99页,3.4.3汽车ASR系统的滑模变结构控制,第100页,3.4.3汽车ASR系统的滑模变结构控制,在滑模变结构控制系统中，提出各种趋近率，保证正常运动的品质。几种典型的趋近律：（1）等速趋近律,第101页,3.4.3汽车ASR系统的滑模变结构控制,第102页,3.4.3汽车ASR系统的滑模变结构控制,设计变结构滑模控制系统，基本可分为两步，一是设计切换函数，使它确定的滑动模态渐进稳定且具有良好的动态品质；二是设计滑模控制器，求控制变量，使到达条件得到满足，从而在切换面上形成滑动模态区。,第103页,2汽车ASR系统的滑模变结构控制,汽车ASR系统的滑模变结构控制框图如图所示。以驱动轮的滑转率为控制目标，以目标滑转率作为控制的输入门限值，设计滑模控制器，对控制量进行计算分析，控制量可以是制动力矩、发动机的输出转矩或节气门开度。通过滑模控制器调节制动力矩或者发动机输出转矩，从而改变驱动轮的受力情况，使得驱动轮的转速发生变化，从而使驱动轮的滑转率向目标滑转率靠近。,第104页,2汽车ASR系统的滑模变结构控制,第105页,2汽车ASR系统的滑模变结构控制,采用等速趋近律控制算法。根据滑模变结构控制的基本条件及等速趋近律控制，对驱动轮的滑转率采用一阶切换函数，对切换函数取导数有：,第106页,2汽车ASR系统的滑模变结构控制,对汽车滑转率求一阶、二阶导数有：,第107页,2汽车ASR系统的滑模变结构控制,将汽车滑转率的一阶、二阶导数代入一阶切换函数中：,第108页,2汽车ASR系统的滑模变结构控制,第109页,2汽车ASR系统的滑模变结构控制,发动机动态转矩的一阶导数为：发动机油门开度与转矩之间的关系为：,第110页,3.4.4汽车ASR系统的最优控制,1最优控制基础最优控制是现代控制理论的核心，它研究的主要问题是：在给定的数学模型和初始条件下，在满足一定约束条件下，寻求最优控制策略，使给定系统从初始状态出发达到终止状态，并使得性能指标取极大值或极小值。最优控制的实现离不开最优化技术，最优化技术是研究和解决如何从一切可能的方案中寻找最优的方案。也就是说，最优化技术是研究和解决如何将最优化问题表示为数学模型以及如何根据数学模型尽快求出其最优解这两大问题。,第111页,3.4.4汽车ASR系统的最优控制,用最优化方法解决实际工程问题可分为三步进行：（1）根据所提出的最优化问题，建立最优化问题的数学模型，确定变量，列出约束条件和目标函数；（2）对所建立的数学模型进行具体分析和研究，选择合适的最优化方法；（3）根据最优化方法的算法列出程序框图和编写程序，用计算机求出最优解，并对算法的收敛性、通用性、简便性、计算效率及偏差等做出评价。,第112页,3.4.4汽车ASR系统的最优控制,设线性系统是可控的，其状态方程式为：,第113页,3.4.4汽车ASR系统的最优控制,评价控制系统性能的二次型性能指标为：根据极小值原理，可求使性能指标最小的最优控制规律为：,第114页,3.4.4汽车ASR系统的最优控制,第115页,3.4.4汽车ASR系统的最优控制,第116页,3.4.4汽车ASR系统的最优控制,第117页,2最优控制在汽车ASR系统中的应用,首先，建立汽车ASR系统状态方程式。驱动轮上的动力学方程为：整车纵向动力学方程为：,第118页,2最优控制在汽车ASR系统中的应用,根据汽车驱动轮滑转率的一阶导数得：,第119页,2最优控制在汽车ASR系统中的应用,为分析问题方便，轮胎模型采用双线性模型，路面附着系数与车轮滑转率曲线如图所示。,第120页,2最优控制在汽车ASR系统中的应用,路面附着系数与车轮滑转率的关系曲线可写为：,第121页,2最优控制在汽车ASR系统中的应用,典型路面的峰值附着系数和滑动附着系数如表所示。,第122页,2最优控制在汽车ASR系统中的应用,第123页,2最优控制在汽车ASR系统中的应用,第124页,第125页,2最优控制在汽车ASR系统中的应用,通过油门开度的调节控制车轮的滑转率达到目标值，这是一个伺服器控制问题，即给定期望输入，使输出滑转率达到目标值。对状态方程作变换并作变分，可以把状态方程变成标准形式。,第126页,2最优控制在汽车ASR系统中的应用,第127页,2最优控制在汽车ASR系统中的应用,第128页,2最优控制在汽车ASR系统中的应用,第129页,2最优控制在汽车ASR系统中的应用,第130页,3.4.5汽车ASR系统的模糊控制,1模糊控制基础模糊控制属于一种智能控制，它是模仿人的思维方式和人的控制经验，把人的经验形式化并引入控制过程，再运用较严密的数学处理，实现模糊推理，进行判断决策，以达到满意的效果。它首先将精确的数字量转换成模糊集合的隶属度函数，然后根据控制器制定模糊控制规则，进行模糊逻辑推理，得到隶属函数，找出一个具有代表性的精确值作为控制量，加到执行器上实现控制。模糊控制主要包括模糊控制器的选择、模糊规则的选取、确定系统的模糊输出量和模糊判决等。,第131页,3.4.5汽车ASR系统的模糊控制,（1）模糊控制器的结构选择模糊控制器维数的选择与被控对象的阶数有关，有一维模糊控制器、二维模糊控制器和三维模糊控制器等，工程上应用较多的是二维模糊控制器。二维模糊控制器的输入变量一般是控制量的偏差及其偏差变化率，输出变量为被控制量，这种控制器能够较为严格地反映出被控对象的输出变量的动态特性。,第132页,3.4.5汽车ASR系统的模糊控制,（2）模糊控制规则的制定模糊控制规则是模糊控制器的核心，它用语言的方式描述了控制器输入量和输出量之间的关系，即它们之间的模糊关系。模糊控制规则是根据专家或者熟练操作人员的控制经验，以逻辑推理的方式给出的。或者首先给出一种模糊控制规则，然后经过不断调整，得到最终模糊控制规则。模糊控制规则的制定可以按以下四个步骤进行设计：,第133页,3.4.5汽车ASR系统的模糊控制,1）将精确量模糊化在模糊控制系统中,将变量的实际变化范围定义为变量的基本论域。基本论域内的量为输入、输出变量的精确量。模糊控制器的控制规则设计是在连续型变量(输入和输出)进行离散化的基础上进行的，或者说是在离散化变量的有限论域上进行的，因此，离散化论域的离散点越多，相应的模糊控制器效果就会越好，同时，如果离散点数过多将会导致控制器的运算量过大，使控制系统过于复杂，效率