纵向动力学控制讲义-2014

1、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：

2、舒红宇 教授023-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)( tfkxxcxm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

3、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简化、抽象、分解为典型的力学组件和元素：质点（质量）、弹簧、件和元素：质点（质量）、弹簧、阻尼、激励；阻尼、激励；MKC力学参数及元件的力学参数及元件的物理意义：物理意义：刚度刚度/弹簧元件：振动系统抵抗位移或变形的能力。弹簧元件：振动系统抵抗

4、位移或变形的能力。阻尼阻尼/减振元件：振动系统抵抗变形速度的能力。减振元件：振动系统抵抗变形速度的能力。质量质量/惯性元件：振动系统抵抗加速度的能力。惯性元件：振动系统抵抗加速度的能力。XR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！YA(x,y)Xol222sincosyxllylx系统自由度2.1 单自由度系统的自由振动ox mgsk弹簧自由状态s(2)-1确定广义坐标并建立其坐标系统；km(2)-2将惯性质量隔离出来，进行平衡位置受力分析：0skmg(2-1)(2)-3进行任意振

5、动位置受力分析，利用牛顿定律建立振动微分方程并整理;xkmgxms (2-2)kxxm (2-3)02xpx (2-4)mkp (2-5)其中：其中：mgxsxk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！)(tfkxxcxm振动系统参数响应激励 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

6、。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”。动和力_数量关系汽车纵向动力学整体模型T2FT4FT3FT1F轮胎路面轮胎路面作用力作用力GF坡度阻力坡度阻力DF空气阻力空气阻力汽车纵向动力学模型汽车纵向动力学模型GDTiFFFXm汽车纵向动力学方程汽车纵向动力学方程-数学模型数学模型V决定于轮胎与路面的作用决定于轮胎与路面的作用作为路面交通工具的汽车，作为路面交通工具的汽车，其复杂性和重要性怎么强调其复杂性和重要性怎么强调都不过分！都不过分！又与驱动和制动力矩直接相关，进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、一步与燃

7、油、传动系统和制动系统、甚至转向系统紧密联系在一起！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动与横向运动又发生关联，又涉及到汽车

8、稳定性的深入研究。深入研究。汽车制动力学模型与数学模型力学模型力学模型bdzwwMRFI数学模型数学模型制动力学基本方程制动力学基本方程车轮车轮转动转动惯量惯量车轮车轮角加角加速度速度车轮车轮路面路面附着附着系数系数车轮车轮路面路面间正间正压力压力车轮车轮滚动滚动半径半径车轮车轮制动制动力矩力矩对于单独的一个车轮，在制动时对于单独的一个车轮，在制动时可以简化为：可以简化为：沙堆沙堆VVABS的概念车辆制动依靠路面对车轮的作用力。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。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

9、所示。车轮与路面的附着系数又与滑转率有关，如图所示。纵向纵向横向横向纯滚动纯滚动纯滑移纯滑移纵向附着系数较大，而侧向附着系数纵向附着系数较大，而侧向附着系数又不太小又不太小纵向附着系数小且侧向附着系纵向附着系数小且侧向附着系数最小数最小Anti-lock Brake System%100VrVsABS作用：调节车轮制动压力、控制作用：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。死，提高纵向制动能力和侧向稳定性。GDTiFFFXmzTFFABS_最佳滑动率影响因素最佳滑动率受到路面最佳滑动率受到路面/轮胎轮胎/载荷载荷/

10、车速等诸多要素影响车速等诸多要素影响汽车，制动工况）轮胎路面汽车，制动工况）轮胎路面,(,(yyxxff侧偏侧偏角的角的影响影响ABS_最佳滑动率影响因素汽车，制动工况）轮胎路面汽车，制动工况）轮胎路面,(,(yyxxff最佳滑动率受到路面最佳滑动率受到路面/轮胎轮胎/载荷载荷/车车速等诸多要素影响速等诸多要素影响轮胎轮胎与路与路面特面特性影性影响响ABS_最佳滑动率影响因素最佳滑动率受到路面最佳滑动率受到路面/轮胎轮胎/载荷载荷/车车速等诸多要素影响速等诸多要素影响垂直垂直载荷载荷与车与车速影速影响响ABS_最佳滑动率影响因素最佳滑动率受到路面最佳滑动率受到路面/轮胎轮胎/载荷载荷/车车速等

11、诸多要素影响速等诸多要素影响ABS_最佳滑动率结论最佳滑移率是一个变值，轮胎、路最佳滑移率是一个变值，轮胎、路面、载荷、车速、侧偏角不同，对面、载荷、车速、侧偏角不同，对应的最佳滑移率也不同。应的最佳滑移率也不同。必须对滑移率进行检测，以实现制必须对滑移率进行检测，以实现制动力的控制。动力的控制。%100车速车速rS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！难！滑移率检测方法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车轮角加速度背景沙堆沙堆制动过程中制动过程中经常会碰到经常会碰到沙堆、水、沙堆、水、油

12、迹、杂物油迹、杂物等特殊情况，等特殊情况，附着系数可附着系数可能瞬间发生能瞬间发生较大变化！较大变化！ABS的控制目标与检测wwdzbIRFM 地面附着系数变化地面附着系数变化与与车轮角速度瞬态变化车轮角速度瞬态变化几乎几乎是同步的。因此车轮角速度的陡然变化反应了路是同步的。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。进行制动力矩控制的重要信息和目标参数。力学分析相对变化缓慢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通过测

13、量轮胎剖面单元的变形间接测量轮胎与路面间的附着率。胎与路面间的附着率。ABS的多目标控制方法相对滑移率滑移率车轮角减速度wwdzbIRFM附着系数轮胎变形 由于由于地面与轮胎作用的复杂性以及环境的多变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性，实际的制动力控制往往采用多目标控制的方法。方法。ABS的控制过程1.驾驶员踩下制动踏板，开始制动，制动压力不断增加。车轮线速度比车速下降变化更快。2.车轮角减速度超过-a门限值,说明制动压力已经足够而附着力接近最大值，因而保持不变。3.车轮转速Sb1(滑移率门限值对应的值),说明制动力超限(但还没有抱死)，须减小制动压

14、力。4.随着制动压力的减小，车轮角减速度也减小，当车轮角减速度大回到-a门限值,说明制动压力已经足够而附着力接近最大值，因而保持不变。5.尽管制动力矩保持恒定，但汽车惯性推动车轮旋转，因此车轮从角减速度转变为角加速度，若加速度值大等于+A门限值,增加制动压力6.车轮角加速度小等于+A门限值,制动压力不变7.车轮角加速度小等于a门限值,制动压力缓慢抖动增加8.车轮角加速度小等于-a门限值,减小制动压力9.进入下一个循环48%100车速车速rS滑滑转转率率wwdzbIRFMABS联合控制方式-控制策略1.单轮控制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。附每个车轮分别独立进行控制，以

15、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。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。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，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。车辆稳定性差。两轴四轮车AB

16、S组合型式两轴四轮车ABS组合型式ABS实现的关键技术传感器传感器控制器控制器执行元件执行元件电磁阀电磁阀ABS实现的关键技术增压位置增压位置保压位置保压位置减压位置减压位置ABS组成结构ABS实现的关键技术离合器、制动助力、离合器、制动助力、ABS执行单元一体化执行单元一体化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汽车电子太难，望太难，望而却步！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汽车电子设计开发容易陷入

17、两大误区：容易陷入两大误区：汽车电子汽车电子容易，盲容易，盲目介入！目介入！使用环境非常复杂！可靠性要求很高！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汽车特点温、湿、振动、干扰温、湿、振动、干扰 等等等等人身安全！人身安全！难点：不在于解决问题，而在于发现问题！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汽车电子产品的设计开发 至少是这样的：至少是这样的：1/5时间在时间在design设计、在想办法解决设计、在想办法解决Resolve问题，在问题，在How！4/5时间在时间在Debug调试，在找调试，在找Find问题究竟出在哪儿，在问问题究

18、竟出在哪儿，在问why？看不见，问题的潜在性！软件更重要！看不见，问题的潜在性！软件更重要！电子特点电子特点汽车电子汽车电子太难，望太难，望而却步！而却步！吸引人才、引进外智！目前两大误区：目前两大误区：汽车电子汽车电子容易，盲容易，盲目介入！目介入！吸取别人失败的经验！吸取别人失败的经验！不良品解析！不良品解析！正确之道正确之道TCS的概念2.路面切向作用力路面切向作用力轮胎与路面的作用环境和状态轮胎与路面的作用环境和状态(滑转率滑转率)纵向纵向横向横向纯滚动纯滚动纯滑移纯滑移纵向附着系数较大，而纵向附着系数较大，而侧向附着系数又不太小侧向附着系数又不太小纵向附着系数小且纵向附着系数小且侧向

19、附着系数最小侧向附着系数最小车轮转动中的车轮转动中的2个作用力个作用力1.驱动驱动/制动力矩制动力矩TCS/ASR的作用和意义调节的不是车轮制调节的不是车轮制动压力而是发动机动压力而是发动机输出扭矩等输出扭矩等Traction Control System /Anti-slip RegulationTCSTCS/ASR的概念Traction Control SystemTCS:驱动驱动/牵引牵引/循迹循迹控制系统控制系统TCS/ASR的概念Anti-Slip RegulationASR：防滑控制系统：防滑控制系统TCS/ASR的概念 车辆在起步、加速、爬坡、制动时车辆在起步、加速、爬坡、制动时

20、通过控制作用在车轮上的力矩通过控制作用在车轮上的力矩防止驱防止驱动轮发生过度滑转，以获得最大牵引力动轮发生过度滑转，以获得最大牵引力和最佳操纵稳定性的一种控制系统。和最佳操纵稳定性的一种控制系统。ASR：防滑控制系统：防滑控制系统TCS:驱动驱动/牵引牵引/循迹控制系统循迹控制系统TCS/ASR驱动防滑控制方法Traction Control System /Anti-slip Regulation发动机、传动、制动控制系统间能够通讯,实现联合控制减小点火提前角，减小点火提前角，响应速度快，相响应速度快，相应速度可达到应速度可达到10_100ms10_100ms容易实现，与发容易实现，与发动机

21、电喷系统动机电喷系统ECUECU通信即可实现但通信即可实现但排放和发动机寿排放和发动机寿命受到影响。命受到影响。 串联一个副节串联一个副节气门，响应速度气门，响应速度慢，无污染慢，无污染TCS/ASR驱动防滑控制方法Traction Control System /Anti-slip Regulation发动机、传动、制动控制系统间能够通讯,实现联合控制随着电子燃油喷射随着电子燃油喷射EFIEFI系统广泛采用系统广泛采用机械式节气门的缺点越来越明显，动态特性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

22、机的经济性下降、果很差，从而导致汽车发动机的经济性下降、排放量增加。排放量增加。全电子节气门控制（全电子节气门控制（Electronic Throttle Electronic Throttle ControlControl，简称，简称ETCETC）系统。）系统。ETCETC系系统的节气门开度在任何工况下都直接由电机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

23、度，改变发动机扭矩输出，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。实现牵引力控制。TCS/ASR驱动防滑控制方法Traction Control System /Anti-slip Regulation发动机、传动、制动控制系统间能够通讯,实现联合控制PWM控制电机转速Electronic Throttle Control TCS/ASR驱动防滑控制方法Traction Control System /Anti-slip Regulation发动机、传动、制动控制系统间能够通讯,实现联合控制TCS/ASR驱动防滑控制方法Traction Control System /Anti-

24、slip Regulation发动机、传动、制动控制系统间能够通讯,实现联合控制信号前处理过程TCS/ASR驱动防滑控制方法Traction Control System /Anti-slip Regulation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的核心是轮速识别系统的核心是DSPDSP处理器和数字滤波算法处理器和数字滤波算法TCS/ASR驱动防滑控制方法Traction Control System /Anti-slip Regulation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

25、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通过左右车轮的制动力或驱通过左右车轮的制动力或驱动力之差控制车辆的横摆力矩，动力之差控制车辆的横摆力矩，限制车轮侧偏角在一定范围内，限制车轮侧偏角在一定范围内，防止车辆在高速转弯或制动控制防止车辆在高速转弯或制动控制中失控。一般主要在大侧向加速中失控。一般主要在大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下工作。度、大侧偏角的极限工况下工作。 更好的方法是增加感测方向盘转更好的方法是增加感测方向盘转角、横摆角速度、横向加速度以角、横摆角速度、横向加速度以提高转弯过程的稳定性控制效果。提高转弯过程的稳定性控制效果。

26、Vehicle Stability /Dynamic Control=ABS+TCS+YSC(Yaw stability ControlESPVSC车辆稳定性控制Vehicle Stability /Dynamic Control=ABS+TCS+YSC(Yaw stability ControlVSC车辆稳定性控制Vehicle Stability /Dynamic Control=ABS+TCS+YSC(Yaw stability Control方向盘转角、方向盘转角、横向偏摆率横向偏摆率传感器传感器增加增加+VSC车辆稳定性控制Vehicle Stability /Dynamic Control=ABS+TCS+YSC(Yaw stability ControlVSC车辆稳定性控制Vehicle Stability /Dynamic Control=ABS+TCS+YSC(Yaw s