四轮驱动汽车驱动防滑控制系统的设计_图文

1、国内图书分类号：U461.6 学校代码：10213 国际图书分类号：629 密级：公开工学硕士学位论文四轮驱动汽车驱动防滑控制系统的设计硕士研究生：王良良导 师：边文凤教授申请学位：工学硕士学科：车辆工程所 在 单 位：汽车工程学院答 辩 日 期：2009年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Dissertation for the Masters Degree in EngineeringDESIGN OF ACCELERATION SLIPREGULATION FOR FOUR WHEEL DRIVEVEHICLECandidate ：Wang Liangliang Supervisor ：

2、Prof. Bian Wenfeng Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality ： Vehicle Engineering Affiliation ：School of Automobile EngineeringDate of Defence： June, 2009Degree-Conferring-Institution ：Harbin Institute of Technology摘 要驱动防滑控制系统ASR 的基础是 ABS，是在 ABS 为基础上的延伸，ABS 和 ASR 统称为防滑控制系统。驱动防滑控制

3、系统通过调节作用于驱动轮的驱动力矩来控制驱动轮的滑转率，从而使汽车的操纵性、横向稳定性、动力性以及燃油经济性都得到提高。四轮驱动汽车与二轮驱动汽车相比，因为其每个轮胎所受的驱动力只有二轮驱动汽车的一半，故具有更好的越野性能，然而，四轮驱动汽车本身存在许多不足，比如：短时四轮驱动汽车操作繁琐；常时四轮驱动汽车由于前后驱动桥之间以及左右驱动轮之间通过差速器连接，只要一个车轮处于低附着系数路面上时，整车驱动力几乎丧失。将驱动防滑控制系统用于四轮驱动汽车将有可能解决四轮驱动汽车打滑的问题。本文主要从轮胎的滑转以及整车的动力性等方面来分析驱动防滑控制系统对于四轮驱动汽车的影响，主要内容包括以下几个部分：

4、1、分析四轮驱动汽车的驱动特点，制定出四轮驱动汽车驱动防滑控制系统的控制策略。通过调节发动机的输出扭矩以及控制制动器来控制车轮的相对滑转。原始输入参考模型车发动机输出数据。2、建立四轮驱动汽车驱动的简化数学模型。本文主要为控制算法的研究，故数学模型可适当简化，并将汽车行驶的条件设置为相对简单的路面情况。3、进行 ASR 系统的控制算法研究。并主要探讨了模糊控制在四轮驱动汽车 ASR 系统上的应用。分别设计了发动机输出扭矩控制器和制动力矩模糊控制器。4、根据所建立的数学模型在 MATLAB/SIMULINK 环境下建立仿真模型，并进行了不同路面上的仿真分析。仿真结果表明驱动防滑控制系统对于四轮驱

5、动汽车的驱动轮滑转起到了较好的抑制作用，并且使得四轮驱动汽车的动力性得到一定的提高，同时也验证了控制策略的正确性以及控制算法的可行性。关键词：驱动防滑；四轮驱动；轮胎模型；MATLAB 仿真；模糊控制AbstractAcceleration slip regulation (ASR was developed based on Anti-lock Brake System (ABS. It is the extension of ABS to the driving course. So ABS and ASR are called a control system preventing sl

6、ide by a joint name. ASR can control the slippages of the driving wheels by adjusting the driving moments acting on the driving wheels. Accordingly improves the handling performance、transverse stability 、dynamic performance and economics.Four wheel drive vehicle has better cross-country performance

7、than two wheel drive vehicle. So it usually passes for SUV. However, four wheel drive vehicle has many shortages. To drive a short-time four wheel drive vehicle is very troublesome. Because the front and rare driving bridges of a long-time four wheel drive vehicle are connected through a differentia

8、l as well as the left and right driving wheels, certain wheel on the road with low coefficient of friction will result in else wheels driving power descend much, so the power to drive the car become almost zero. ASR can possibly solve the four wheel drive vehicles problem of slip. So this paper main

9、ly analysis the ASRs effect on the four-wheel-drive vehicle from the angle of dynamic performance. This paper mainly includes several parts as follows:1. The control strategies were set down by analysis the character of four wheel drive vehicle when driving. That is, the exceed slips of driving whee

10、ls are regulated by controlling the gun, and the relative slips of driving wheels are regulated by controlling the brake. The means of estimating the vehicles velocity used on the ABS was used for reference.2. The mathematic model of a four wheel drive vehicle was established. Establish a simple 、co

11、nvenience 、obvious 、accurate systems mathematic model. In this paper, the model of the system was established and the state-space of the system was deduced.3. Made some researches of the ASRs control algorithms. Then discuss the application of fuzzy control means on the ASR of four wheel drive vehic

12、le. The gun controller and brake controller were designed.4. The simulation model was established under the circumstance of MATLAB/SIMULINK according to the established mathematic model. And three different road conditions were simulated and analysis. The results of simulation have shown that ASR ca

13、n effectively regulated the driving wheels slippages, furthermore, the dynamic performance be improved. At the same time, it proved the control strategies were correct and the control algorithms were feasible.Keywords: acceleration slip regulation, four wheel drive; bond graph, simulation,fuzzy cont

14、rol目 录摘要. I Abstract.II第1章 绪论.11.1 课题背景及研究的目的和意义.11.2 四轮驱动汽车的驱动防滑及其相关理论的发展.41.3 ASR在我国的现状及本课题研究的内容.6第2章 ASR的基本原理及控制策略的研究.92.1 ASR的基本原理及其基本结构.92.2 四轮驱动汽车的ASR 控制策略的研究.102.3 模型汽车参数的确定.132.4 本章小结.14第3章 汽车运动模型建立.153.1 轮胎力学模型.153.2 制动系统模型.173.3 滑转率的计算模型.173.5 汽车整车模型的建立.203.6 本章小结.21第4章 模糊控制器的设计.234.1 模糊控制

15、方法.234.2 模糊控制器的设计.254.3 模糊系统的建模.304.4 本章小结.30第5章 不同路面情况下的仿真及结果分析.315.1 ASR的控制器模型.315.2 仿真以及结果分析.345.3 本章小结.43结论.44参考文献.46哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.49哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.49致谢.50第1章 绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义汽车技术在近一个世纪以来得到了快速的发展和提高，目前，ABS 对于大众来说已经是一个很熟悉的名词了。而以ABS 为基础上衍生出来的 ASR 的概念对于人们来说则显得相对陌生得多，这两者之间有着密不可分的联系。ABS 是

16、 ANTILOCK BRAKE SYSTEM 的简称，意思就是制动防抱死系统。这是一项在 20 世纪 80 年代末才兴起应用的新技术，其发展非常快，现在已经成为绝大多数汽车尤其是乘用车辆的必装件了1。据统计汽车突然遇到紧急情况刹车时百分之九十以上的驾驶者往往会一脚将刹车踏板踩到底来个急刹车。这时候的车子十分容易发生因为抱死而发生的滑移，因为横向力会急剧减小，从而汽车失去操纵性，严重影响汽车的稳定性。这是一种非常容易造成车祸的现象。造成汽车滑移的原因很多，例如行驶速度，地面状况，轮胎结构等都会造成打滑2。但最根本的原因是汽车在紧急制动时车轮轮胎与地面的滚动摩擦会突然变为滑动摩擦，轮胎的侧向附着力

17、几乎丧失。此时，车辆有可能发生诸如侧滑，甩尾，失去转向能力等一系列的现象。针对这种现象，汽车专家早在上个世纪 60 年代就研制出车用 ABS 这样一套防滑制动装置，很好地解决了制动时车轮容易被抱死的问题3。不仅如此，ABS 装置还使得汽车制动时的制动距离得到缩短。这样，ABS 的运用使得汽车的主动安全性大为提高，事故发生率明显降低。在车辆的制动过程中，由于制动力过大会引起车轮抱死现象的发生。同样的，在车辆的驱动的过程中，如果驱动力过大，将会导致驱动轮的过度滑转。因此，人们很自然地将 ABS 的思想延伸到车辆的驱动过程，这样就研制出了驱动防滑系统 ASR（ACCELERATION SLIP RE

18、GULATION）。由于驱动防滑系统是通过调节驱动车轮的牵引力实现驱动车轮防滑转控制的，因此，也被称为牵引力控制系统，简称 TCS（TRACTION CONTROL SYSTEM）。ASR 的应用对于驱动时驱动轮的过度滑转起到了很好的抑制效果。因此，ASR 系统也正在逐渐地被用于各种车辆上，尤其是轿车等动力性能较好的车辆4。ASR 的应用使得汽车的防滑控制更加合理，不仅在制动的过程中能够减小制动距离降低危险，而且能在驱动过程中防止过度滑转，因为，ASR 和ABS 合称防滑控制系统5。防滑控制系统的发展可以追溯到20世纪初期，早在1928年制动防抱死理论就被提出，在 30 年代机械式制动防抱死系

19、统在火车和飞机上获得应用，博世公司(BOSCH在 1936 年第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获取车轮转速的制动防抱死系统的专利权。50 年代以后，专门用于汽车的防滑控制系统开始受到广泛关注并逐渐在这个领域得到应用。这一时期的各种防滑控制装置采用的都是机械式的车轮转速传感器和机械式的制动压力调节装置，因此获取的车轮转速信号不够精确，控制系统的适时性和精确性也得不到保证，控制效果并不理想。从60年代后期到70年代初期，在ABS 领域一些电子控制的制动防抱死系统开始进入产品化阶段。这一时期的各种防滑控制系统都是采用模拟式电子控制装置，存在着反应速度慢、控制精度低、易受干扰等缺陷。进入到70年代后

20、期，数字式电子技术和大规模集成电路的迅速发展，为防滑控制系统走向实用化奠定了基础6。别克(BUICK公司在1971年研制了由电子控制装置自动中断发动机点火，以减小发动机输出扭矩，从而防止汽车驱动轮发生滑转的驱动防滑控制装置，这可以说是现代驱动防滑控制系统的最初雏形。进入到80年代中期以后，由于ABS 技术在国际汽车界得到了长足的进步并有了突破性进展，所以ASR 技术也不断地得到完善，世界上最早的产品化的汽车电子驱动防滑装置是1985年由瑞典沃尔沃汽车公司试制生产的，并安装在Volvo 760 Turbo汽车上，该系统称为电子牵引力控制(ETC。它由车轮上的4个转速传感器、ETC 控制仪和用来控

21、制燃油喷射量的附加装置Motronic 组成。轮速传感器测出的转速信息在ETC 控制仪中计算出车轮的滑转率，如果车轮上的驱动滑转率超过给定域值，那么首先断开涡轮增压器，并借助Motronic 逐级节制喷油。在第1级中对气缸1每隔一个工作冲程喷油一次，在第 2 级中对气缸 1完全停止喷油。ETC 逻辑系统计算轮胎与路面之间的摩擦状况，允许 5%25的滑转率，以达到最大可能的牵引力。1986 年在底特律汽车巡回展中，美国GM 汽车公司雪佛兰部在其生产的克尔维特英迪牌轿车上安装了牵引力控制系统，为驱动防功能的防滑控制系统ABS/ASR 2U，并首先装备在 Mercedes S 级轿车上，而且开始了小

22、批量的生产。目前，已经有许多高级轿车将具有制动防抱死和驱动防滑转功能的防滑控制系统作为标准装备或选择装备。与此同时，Benz 公司与WABCO 公司也开发出了驱动防滑控制系统，并应用于货车上7。1987 年Bosch 公司在原有的 ABS/ASR的基础上开始大批量生产两种不同形式的汽车驱动防滑系统：一种是可保证方向稳定性的完全通过发动机扭矩控制的 ABS/ASR；另一种是既可保证方向稳定性，又可改善牵引性的驱动轮制动力调节与发动机输出扭矩调节综合控制的ABS/ASR。同年9月，日本Toyota 公司在其生产的Crown 牌轿车上安装了TCS ，它采用了发动机副节气门调节和驱动轮液压调节联合控制

23、的方式。后来，Toyota 公司又在Lexus Ls400 轿车上发展了这一技术。它通过对节气门和制动控制方式进行改进，使得轿车在低附着路面上获得更好的加速性能，特别是当轿车行驶在附着性能不同的路面上时，该系统能够独立调节左右轮的制动压力，通过在阿拉斯加、加拿大、瑞典等地实验，系统运行良好7。1989 年，德国Audi 公司首次将驱动防滑调节装置安装在前置前驱动的 Audi 轿车上。截至1990年底，世界上已有23个厂牌的50余种车型安装了驱动防滑装置，并且许多厂家开始削减四轮驱动车型号，而改为发展ASR 系统。进入90年代，许多新的技术和控制方法应用到了ASR 上。丰田公司开发出了一种新型的

24、牵引力控制系统，它仅通过控制节气门开度和发动机输出，而不涉及制动力调节。此系统有以下特征：节气门最初开度角自适应设定；节气门开度角自动调节；输出扭矩的有效控制。通过这些方式，系统实现了与制动压力调节几乎相同的功能，而其成本却大大降低。而且，由于这一系统既不影响转向，又不会增加噪声和振动，从而减轻了驾驶员负担，增强了在各种不同路面上的操纵能力8。1993年，Bosch 公司又开发出了第5代ASR 系统，其结构更加紧凑，可靠性有所增强，而且其成本也大大降低了。另外，新的牵引力控制系统采用了模糊控制逻辑，它大大增强了汽车在各种不同路面上行驶的稳定性。由于车轮的滑转率随着不同路面和不同车速而不断变化，

25、模糊控制能够获取最佳滑转率，从而使得汽车制动性和加速性最佳，并且轮胎磨损减小。以前这一技术存在两个问题，其一是机械部件结构复杂，其二是当车轮滑移率超出限定值时，系统无法正常运行。而现在这些问题都得到了很好的解决，所以这一技术应用前景很好9。韩国汽车工程师开发出了一种用于牵引力控制的节气门调节器控制系统。这一系统仅由一个成本较低的单节气门阀体构成，并使用了可快速而精确反应的直流伺服电动机。基于节流阀角度逐步调节的不同参考模式，进行时间延时控制，对于超调保护可做出快速而准确的瞬时反应，实车试验效果良好10。汽车牵引力控制这一国际上 80 年代中期开始发展的新型实用安全技术，在国外获得了广泛迅速的发

26、展，目前这项技术正由豪华轿车向普通轿车和中型货车上普及，并将它与 VDC（Vehicle Dynamic Control）等技术相结合。ABS/ASR系统成功地解决了汽车在制动和驱动时的方向稳定性问题，但不能解决转向行驶时的方向稳定性问题。为此，汽车发达国家在 ABS/ASR 系统的基础上研制开发了 VDC 系统。这一系统把汽车的制动、驱动、悬架、转向、发动机等主要总成的控制系统在功能和结构上有机地结合在一起，可使汽车在各种恶劣工况下，都有最佳的行驶性能。宝马公司于 1995 年在BMW950i 和850ci 轿车上引入了VDC 技术。通过在不同的行驶条件下，比较带有VDC 系统的轿车和普通轿

27、车（未装VDC ）的性能，带有VDC 系统的轿车的操纵稳定性显著提高，而牵引力没有受到丝毫损害11。1.2 四轮驱动汽车的驱动防滑及其相关理论的发展四轮驱动，就是将发动机发出的扭矩通过传动系统分别传递到四个车轮，使得四个车轮同时驱动汽车12。由于四个车轮同时作为驱动车轮，分配到每个轮子上的驱动力更小，所以动力能够利用的更充分，使得汽车具备了更好的越野性能。四轮驱动又分为短时四轮驱动和常时四轮驱动。在短时四轮驱动汽车上，驾驶员必须时时判断汽车的行驶状态，把汽车切换成二轮驱动或者四轮驱动13。正因为短时四轮驱动汽车操作起来相当麻烦，汽车设计者首先考虑的肯定是常时四轮驱动汽车。实际上也是如此，在历史

28、上早期出现的四轮驱动汽车几乎全是常时四轮驱动汽车14。但是达到实用化的四轮驱动汽车又为什么是短时四轮驱动汽车呢？这是因为常时四轮驱动汽车的发动机和车轮是直接连在一起的，这种连接将产生许多机械上的问题。四轮驱动和二轮驱动相比，表面上只是驱动轮增加了一倍，实际上技术上要复杂得多。对于四轮驱动汽车而言，许多二轮驱动根本不是问题的问题却成了大问题。除此之外，还出现了四轮驱动所固有的新问题。在这些四轮驱动的问题和现象中，特别重要的有以下四点：急转弯制动现象；前后轮互相干涉；动力传动效率低；传动系的振动和噪声大14。产生上述现象的很重要的原因就是前后传动轴的转速相同。因此，只要在前后传动轴之间加上一个差速

29、器就可以解决。这个差速器叫做中间差速器，中间差速器是四轮驱动汽车一个非常关键的部件。这样，在四轮驱动汽车上，就出现了 3 个差速器。即原车固有的前差速器和后差速器，再加上这个中间差速器。按前后轮扭矩分配比分类的话，中间差速器有两种形式，一种和前后差速器一样，分配给前后轮的扭矩大小相等。另外一种，是利用行星齿轮机构，将扭矩按一定比例分配给前后轮。在四轮驱动汽车上布置了中间差速器，可以解决四轮驱动汽车的许多问题，但同时也给四轮驱动汽车带来了许多新问题15。因为四轮驱动汽车布置了三个差速器，即前后差速器和中间差速器，所以汽车的四个驱动车轮上的驱动力矩相等（假设中间差速器的前后扭矩分配比例为 11）。

30、这时，只要有一个车轮打滑空转，由于差速器的作用，其它三个车轮所产生的驱动力将大幅度下降，整车的驱动力矩几乎为零。这样则严重影响了四轮驱动汽车的越野性能，有违四轮驱动提高汽车越野性能的初衷。为了彻底解决关于四轮驱动汽车上述的一系列的问题，人们提出了各种各样的方案，主要的有以下几种：短时四轮驱动防止车轮打滑；采用单向超越离合器防止急转弯制动现象；用湿式多片离合器控制驱动力矩；使用差动限制装置补偿差速器的缺点；使用等速联轴节降低驱动系振动和噪声16。正如之前所说的，四轮驱动汽车与二轮驱动汽车相比，具备了更加优越的越野性能。然而由于四轮驱动汽车本身的结构原因又使得四轮驱动汽车出现了一系列的问题。虽然通

31、过设置更多的机械部件和增加操作步骤如增加单向超越离合器粘性联轴节差动限制装置等等，使问题在一定程度上得到解决。但是这些改进性的工作使得四轮驱动汽车的传动系统的结构更加复杂，操作起来也更加繁琐。这些都是我们所不愿意看到的，也不符合简单化的设计原则。既然采用纯机械式的方法必然会增加结构的复杂程度和操作难度，不如另辟蹊径，摒弃上面的看似巧妙实则繁琐的设计方案，采用最新的电子控制技术，使四轮驱动汽车在驾驶过程中不需要增加任何的操作步骤，并且达到四轮驱动汽车所预期的驱动效果17。ASR 系统恰巧满足了四轮驱动汽车这两方面的要求。首先，ASR 系统是一自动控制的系统。它能够自动地识别路面情况车辆行驶状况，

32、然后根据制定好的控制策略，做出相应的动作来控制车轮的滑转。其次，当汽车行驶在坏路面上有车轮发生打滑时，ASR 系统会通过控制驱动力矩来控制车轮的滑转。这样使得其他的驱动轮不至于扭矩和打滑的车轮一道迅速地降低，保证了汽车的动力性。同时，由于 ASR 系统能够控制车轮的滑转率，使车轮具有较大的纵向和横向的附着系数，因此使得汽车具备了更良好的动力性和操纵稳定性。在近时期的发展，汽车的控制系统已经很大程度的开始集中化了，以ESP 系统为例，其实就是各种控制系统的综合，而ASR 系统本身就是防滑控制系统中的一部分，也是汽车整体控制系统的一部分，研究好每个组成零件，ESP 的整体性能才能提高上去。1.3

33、ASR在我国的现状及本课题研究的内容ASR 的基础是ABS ，由于我国在 ABS 独立自主的研究方面尚未取得突破，ASR 的研究工作亦没有充分的进展18。我国在 ASR 技术的研究方面目前还处在初期的理论研究和探索阶段，还尚未有实用化的 ASR 产品的研究与开发19。从有关资料来看，国内 ASR 技术研究的侧重点目前主要倾向于控制策略和控制算法、逻辑等方面的理论研究，期刊上也只有零星的关于这方面的理论研究文章，还未见系统地研制和试验方面的报道。我国现在在 ASR 系统的控制理论方面大多侧重于采用以制动力控制为主、发动机动力输出控制为辅的控制方法，在离合器、电子控制变速器、电子控制防滑差速器的研

34、究方面还没有明显的进展。近年来国内的一些技术人员在机械式防滑差速器的研究方面以及粘性联轴节在 ASR 系统的限滑差速应用方面都有新的理论提出并有部分产品研制，但其控制精度和可靠性还有待于进一步提高。就现在大多数 ASR 控制策略的研究来看，还都存在着控制精度和其它的诸多问题，距离产品化研究还有一定的差距19。在目前的研究中，主要有以下问题难以解决20：(1发动机节气门开度调节与制动力矩控制协同工作 与 ABS 系统只是一个反应时间近似一定的制动控制单环系统不同，ASR 是由反应时间不同的制动控制和发动机控制等组成的多环系统。控制汽车驱动力矩一般要用到节气门开度调节和制动力矩调节两种手段，但在什

35、么情况下用前者，什么情况下用后者，怎样协同工作才能使驱动力调节效果达到最佳，这需要经过反复试验，并做认真分析才能得出结论。(2执行机构滞后的影响 ASR 系统从数据采集到获得驱动力矩变化，在各个传递环节上需要消耗时间，如制动系统增压约迟滞 0.025s,减压需迟滞 0.015s, 加上节气门调节也存在同样的问题21。这样驱动力矩的调节存在滞后，累积后就会脱离要求的控制范围，影响驱动力矩调节效果。(3电子控制单元的抗干扰问题(4汽车行驶过程中的道路识别技术 在不同的道路条件下作为控制逻辑中重要参量的车辆的目标滑动率及地面的峰值附着系数都不是一个固定的量。因此在 ASR 的控制系统中应该根据车辆所

36、处的道路状况采取不同的控制门限值及控制算法。所以如何能够正确地识别路面附着条件就成了 ASR 领域的一个新的课题。(5新的控制理论和控制算法的研究 在 ASR 系统的控制理论和控制算法方面，目前国内外技术领域的技术人员进行了大量的研究，也获得了一定的成果。新的控制方法不断地被提出，从线性控制到非线性控制理论，以至于到模糊控制理论、神经网络控制理论等，目前在 ASR 方面都有所应用22。在控制算法方面，从逻辑门限控制到模糊神经网络控制算法，大量的控制算法也不断地被提出，并在车辆上进行了大量的试验。但坦白地说，目前所提出的很多算法，其提出理论所基于的模型甚至包括算法本身都还有不完善的地方，这就决定

37、了选择的很多控制算法无法进行适时的、精确的控制，其效果有一定的局限性23。例如选择被普遍采用的地面附着系数随驱动轮滑动率变化的经验模型，它只是一种近似的、线性化了的理想状况，要完全、精确地反映车轮的滑移状态还是有所差距的，因此建立在这种模型基础上的控制理论和控制算法也有很多需要进一步斟酌和完善的地方。(6传感器技术的发展和研究 传感器测量的精度，直接决定了控制量的精度，是控制系统的基础，在近代该技术得到了快速的发展，但是越精确的控制系统就要求越精确的传感器，可以说对传感器技术的研究是无止境的。(7ASR 系统的集成化、轻量化研究以及拓展 ASR 系统的集成化、轻量化是目前 ASR 系统的一个难

38、点，也是其未来的发展方向24。在国外，将 ASR 系统的控制元件与执行元件一体化的研究已经有所进展，而将 ASR 技术与 VDC 、DSC 等系统的集成化更是未来发展的主流。根据上面所做的分析，把 ASR 系统用于四轮驱动汽车能改善四轮驱动汽车的性能。本课题主要针对的是四轮驱动汽车的控制方法和控制算法。本文主要包括以下几个方面的研究内容：(1分析四轮驱动汽车的行驶过程以及ASR 的各种控制方式，为四驱汽车制定合理的ASR 控制方案。(2通过数学分析，建立简单合理的汽车运动数学模型。(3设计模糊控制器，并对ASR 系统控制量中的驱动力矩以及制动力矩合理的参数化。将模糊控制器应用到汽车运动数学模型

39、中，进行MATLAB/SIMULINK仿真，分析结果。第2章 ASR的基本原理及控制策略的研究2.1 ASR的基本原理及其基本结构在驾驶员、汽车和道路三者所组成的闭环系统中，汽车与环境之间的最基本联系是轮胎和路面之间的作用力（包括纵向力和侧向力、法向力以及回正力矩、翻转力矩等）。汽车的行驶状态主要是由轮胎和路面的作用力决定的，因此驾驶员对汽车的控制实质上是在控制轮胎与路面间的作用力25。但是，车轮与路面间的作用力要受到轮胎与路面间的附着特性的限制。当轮胎与路面间的作用力接近或达到附着极限，如汽车起动或加速行驶过程中，如果路面附着系数较小，常常会使车辆驱动扭矩超过轮胎与路面间的附着极限，产生驱动

40、轮过度滑转，这不但降低汽车的驱动性能，加剧轮胎磨损，增大传动系载荷和驾驶员负担，增加燃油消耗，而且损害车辆的操纵性、稳定性和安全性26。所以合理地调节车辆轮胎与路面间的作用力，对于提高汽车的主动安全性具有重要的意义。驱动防滑控制系统目的就是防止汽车在驱动过程中（特别是起步、加速、转弯等过程）驱动轮发生滑转，使汽车在驱动过程中的方向稳定性、转向操纵能力和加速性等都得到提高。它是伴随着汽车制动防抱死系统(ABS的产品化发展起来的。汽车在路面上行驶，对于同一车辆，其驱动力取决于发动机输出扭矩，但要受到路面附着条件的限制。轮胎与路面的附着极限与轮胎结构、路面状况、天气情况、车速等因素有关，是一个变化范

41、围很广的不确定量，大量试验证明，轮胎与路面之间的附着系数与滑转率有直接关系27。图 21 是典型路面上附着系数与滑转率的关系图。从图中可以看到，当滑转率从 0 开始增加时，附着系数也随之增大，当滑转率达到 0.2时，附着系数也到最大值max ，此后随着滑转率的提高，附着系数反而下降，当滑转率为 1 时，其滑转附着系数远小于max 。在 0 滑转率与峰值附着系数所对应的滑转率 0.2间为稳定区，曲线的下降阶段为非稳定区，该区不能稳定驱动。从牵引性上考虑，驱动轮的纵向滑转率最好在0.2 处。 滑转率100%V V S V =轮车轮式中 V 为车轮线速度； 轮V 车为汽车的行驶速度。 图2-1 附着

42、系数与滑转率的关系1所以，ASR 系统的主要根本原理是通过控制发动机的输出扭矩和制动力矩，从而达到将汽车驱动轮的滑转率控制在最佳范围内，通过这种方式，使得汽车即保证了良好的动力性，又能保持一定得横向摩擦力，提高了汽车的操纵性和稳定性28。控制目标为驱动轮的滑转率。如图2-2 所示为一般ASR 的整个控制结构29： 图2-2 ASR控制结构2.2 四轮驱动汽车的ASR 控制策略的研究ASR 系统主要目的是为了控制滑转率，在现阶段主要实现的方法有以下几种30：(1调节发动机的输出转矩 合理的调节发动机的输出转矩，能够使驱动力的利用率达到最大，主要控制方式有：调节进气量、调节点火时间以及调节喷油量3

43、1。输出转矩的调节属于整体性的调节，比如路面湿滑的情况下，发动机输出转矩整体应该下调，因为单纯靠制动力的增加已经不能满足汽车操纵性的需要。(2控制驱动轮的制动力 控制驱动轮的驱动力是直接对发生滑转的轮子实施制动，是最直接的减少滑转的办法，也是反映最快的方法，但其突然性比较大，会让汽车的舒适性下降。(3控制差速器锁止的程度 现阶段大多数的差速器锁止都是当一侧的驱动轮发生滑转时，通过增加液压的方式，让差速器两个输出端输出一样的转矩，这样能防止因一侧的驱动轮的打滑而另一侧的驱动轮也丧失动力的情况32。其反应速度也很快，不过局限性比较大。(4调整离合器的分离程度和制动系的速比 调整离合器的分离程度，是

44、通过增减压的方式，使离合器的啮合度发生变化，从而可以降低或提高发动机的输出转矩33；而改变制动系的速比，同样可以改变传递到驱动轮上的驱动力矩，原理是一样的。综合这四点，发动机输出转矩的调节比较平缓，是根本性的调节驱动力，但是反应时间稍长，而制动力调节时最快速的减少滑转的办法，并且能够引导驱动力的重新分配，至于差速器锁止，虽然反应时间也很快，但是局限性太大，且增加了成本，所以本设计主要的控制方式设定为发动机输出转矩控制联合制动力调节。在本设计中，控制策略的选择主要表现为控制器的选择，常用的控制技术有34：(1PID控制 PID 控制是以经典控制理论为基础的控制，是连续系统技术成熟、应用最广泛的一

45、种控制方式，它最大的优点是不需要了解被控对象的数学模型，只需要根据经验进行调节器参数在线调整，即可取得满意的结果，但对被控对象参数变化比较敏感。(2最优控制 最优控制既适合单变量、定常系统和线性系统，也适用于多变量系统、时变系统和非线性系统。(3自适应控制 自适应控制主要适用于被控对象未知，或者由于环境条件影响，参数发生很大变化的系统。自适应控制系统是一个具有一定适应能力的系统，它能认识环境条件的变化并自动校正控制动作，使系统达到最优控制货接近最优控制。(4模糊控制 模糊控制是一种智能控制，它模仿人工控制活动中人脑的模糊概念和成功的控制策略，运用模糊数学，把人工控制策略用计算机实现。其对系统参

46、数变化不敏感，具有很强的鲁棒性，另外它算法非常简洁，特别适合于汽车这一类的快动态系统。(5神经网络控制 神经网络控制是一个高度复杂的的非线性动力学系统，神经网络发生的动力学过程分两类，一类为学习过程，第二类为运行过程，通过学习一定得控制规则来进行对输入信号进行处理。汽车的打滑情况是非线性的，并且变化非常快，加上参数范围比较宽，不可能把每种参数的变化情况归纳起来，所以本设计利用模糊控制的原理，将打滑程度分级，然后针对每一特定的级数来输出特定的制动力以及发动机输出转矩的减弱信号。在以往的ASR 系统中，通常都会有一套路面识别系统，从而确定路面的附着系数，进而进行滑转率的计算，但是路面识别系统只能把

47、路面情况归纳为有限的几种，然后进行模糊运算，这相当于两次模糊运算，进行控制的精度会大幅下降35，所以在本次设计中，直接以滑转率进行模糊运算，这样就降低了路面识别的误差，另外不区分路面，而分析四驱汽车不同的打滑情况，将打滑情况分类，具体方法为：(1四驱汽车中当只有一个轮子打滑时，我们把打滑的原因认定为路面的情况不良。所以只采取制动来降低轮胎的打滑，引导驱动力重新分布到其他驱动轮上就能够让汽车继续平稳的行驶。我们可以分析一下，在低速时，限制打滑的主要目的是防止汽车丧失动力，而利用制动完全可以达到。在中高速时，限制打滑的主要目的是防止汽车侧滑，丧失稳定性，利用制动是必须手段，而在中高速时由于特殊路面

48、不会维持很长时间，所以为了顾及到汽车的动力性，只采用制动的手段就足够了。(2四驱汽车中有两个轮子打滑时，我们把打滑的原因也认定为路面的附着系数太低，或者称为特殊路面，同（1）情况相同，同样采用增加制动力的办法，降低打滑轮的滑转率，完全能够满足汽车平稳的要求，具体分析如上。(3四驱汽车中有三个以及三个以上的轮子打滑时，我们把打滑的主要原因认定为发动机输出转矩过大，驱动力超出了路面所能提供的摩擦力，所以，必须降低发动机的输出转矩，这是降低滑转率的根本办法。另外为了快速引导驱动力分布到能够充分利用驱动力的轮上，必须对打滑轮进行制动，特别是在高速的情况下，为了防止汽车的侧滑以及失稳，必须施行制动使打滑

49、轮不至于横向力丧失而汽车失去操纵性。总体而言，本设计的控制策略为利用模糊控制，对打滑的情况进行分析，进而计算出精确的控制量。在本设计中，ASR 控制系统中的控制目标为轮子的滑转率，而输出的控制量为：发动机输出扭矩S Q M 、轮胎制动力矩Z M 。其中，参数的控制范围为（0-1），这是滑转率的变化范围，当其为0时，轮胎为纯滚动，当滑转率为1时，车轮完全滑转。由于要用到模糊控制器，且滑转率的理想值为0.2 ，为了给出一定得滞后范围，故将滑转率的空置量选择在（0-0.36）这个范围内。S 再者，发动机的输出扭矩通常是在一段范围内波动不是很大的曲线，为了体现节气门控制或者离合器调节的方法，我将发动机

50、输出扭矩控制量改成一个减弱系数X ，即真实的扭矩输出应该是X*Q M =Q M 真 , 其范围设置为（0-1）， 这样就符合了节气门控制以及离合器控制的特点了。轮胎的制动力矩采用模型汽车的ABS 制动力矩范围作为控制量。这样，所有的控制参数都确定了一定得范围。2.3 模型汽车参数的确定在以后的数学建模中会用到很多的汽车本身的参数，由于本设计没有汽车实体，所以需要对一些必要的参数可以选择相关的参数。经过挑选，我选择了奔驰 ML级越野车 ML350 4MATIC 豪华型 08款，这款车的具体参数如下表2-1：另外，整车重量为2310KG 根据这些参数，我们可以再下一章里进行汽彻运动数学模型的建立。表2-1 汽车参数最大功率 200kw/6000rp 最大扭矩 3500NM/2400-5000rp前制动类型 盘式 后制动类型 盘式 前轮型号 255/55 R18 后轮型号 255/55 R18 车重2310KG2.4 本章小结在本章中，主要讨论了驱动防滑的一些理论以及控制策略，确定了本次设计中驱动防滑实现的方法，以及实现滑转率控制的控制策略，选择了在建模以及仿真过程中需要用到得参数。计划通过