【正文】 摘要 汽車電子穩(wěn)定裝置 ESP 是繼汽車防抱死制動系統(tǒng)和汽車驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)之后，汽車主動安全性的又一重大飛躍。 ESP 系統(tǒng)能根據(jù)路面狀況及汽車運動狀態(tài)控制車輛的運動，防止汽車操縱失控，從而更加有效地提高汽車穩(wěn)定性能和行駛安全性。 本文針對 ESP 系統(tǒng)的特性，建立了合理的自由度汽車模型，并針對 ESP 系統(tǒng)的控制方法提出了以 PID 控制技術(shù)為核心的三種控制方法，進行了仿真研究。本文首先闡述了汽車 ESP 系統(tǒng)的基本思想和控制原理，建立了汽車參考模型及七自由度整車模型，其中輪胎模型采用“魔術(shù)公式 。其次運用 MATLAB／ SIMULINK軟件實現(xiàn)數(shù)學(xué)模型到仿真模型的轉(zhuǎn)換并對其進行仿真分析驗證，為控制研究提供了合理正確的模型。 然后，針對汽車 ESP 系統(tǒng)的特點，運用 PID 控制 原理，設(shè)計了橫擺角速度 PID控制器 ，研究了利用 PID 控制器來控制橫擺角速度 。 最后 仿真結(jié)果表明 PID 控制方法可以較好地控制汽車的橫擺角速度，從而提高汽車的操縱穩(wěn)定性。 關(guān)鍵詞：汽車電子穩(wěn)定裝置，整車模型，橫擺角速度，側(cè)偏角， PID 控制器 Then, based on the characteristics of car ESP systems, using PID control principle, design the PID controller yawrate using PID controller, the control yawrate. The simulation results show that the PID control method can better control car yawrate, thus making cars manipulation stability In addition， using control principle to direct at the nonlinear timevarying characteristics of ESP， PID controller was designed. ． Abstract The Electronic Stability System is all ascensive progress since the automotive antilock braking and antiskid control system succeeded in the aspect of automotive activesafety． For the ESP could adjust the automobiles to the road condition and moving status， it effectively prevents the occurrence of runaway operation SO that the stability and the safety will be reinforced． T}lis thesis aims at putting forward a fuzzy control technology as the core of the 3 main ways to do the simulation research in connection with the specific characteristic of ESP and the establishment of a vehicle model in an appropriate modulation． In this thesis， the basic idea and the control principles of ESP were expatiated and avehicle reference model and a vehicle model with seven degree of freedom were set up， which includes‘‘ Magic formula” applied to the tire model． Then by usingMATLAB／ SIMULINK software． the verification of emulation and analysis through theconversion from mathematic model to simulation model has been performed， which servesto get a nice model for the controlling research． Key words： Automotive electronic stability program， the whole vehicle model， yaw angular velocity,side angle， PID control 第一 章 緒論 汽車操縱穩(wěn)定性的研究，是與汽車車速的不斷提高分不開的。早期的低速汽 車，還談不上操縱穩(wěn)定性問題，最早提出操縱穩(wěn)定性問題，是在具有較高車速的 賽車上。后來，隨著車速的不斷提高，在轎車、大客車和載貨汽車上也都不同程 度地出現(xiàn)了類似的問題。操縱穩(wěn)定性不好的汽車，通常有如下的表現(xiàn)： (1)“飄 。有時駕駛員并未發(fā)出轉(zhuǎn)向指令，而汽車自己卻不斷改變行駛的 方向，使人感到漂浮。 (2)“賊”。就是汽車不聽駕駛員的操縱，突然地忽東忽西。 (3)“反應(yīng)遲鈍 。駕駛員轉(zhuǎn)向指令雖已發(fā)出一段時間，但汽車還沒有轉(zhuǎn)向 反應(yīng)，或轉(zhuǎn)向過程完成緩慢。 (4)“晃 。駕駛員給出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向指令，但汽車卻左右搖擺，行駛方向難 于穩(wěn)定。這樣汽車在受到不平或突然陣風(fēng)的擾動時，也會出現(xiàn)這種搖擺。 (5)“喪失路感’’。正常汽車的轉(zhuǎn)彎程度，會通過轉(zhuǎn)向盤在駕駛員手上產(chǎn)生 相應(yīng)的感覺。有些操縱穩(wěn)定性不好的汽車，特別是在車速較高時或轉(zhuǎn)向較劇烈時 會喪失這種感覺。這會增加駕駛員操縱困難或影響駕駛員作 出正確的判斷。 (6)“失去控制’’。某些汽車在車速超過一個臨界值之后或向， t1,／ Jn 速度超過一定值之后，駕駛員已經(jīng)完全不能控制其行駛方向。 隨著高速公路的發(fā)展和汽車技術(shù)的進步，公路交通呈現(xiàn)出行駛高速化、車流密集化的趨勢?，F(xiàn)代轎車的設(shè)計最高時速一般都大于 200km／ h，有的運動型轎車甚至超過 300km／ h。汽車在高速公路上的行駛速度通常也都在 lOOkm／ h，其次駕駛員的非職業(yè)化發(fā)展趨勢，使得車輛在高速行駛時出現(xiàn)了各種各樣的穩(wěn)定性問題。要求汽車具有更好的可控性和更高的行駛安全性。因此，汽車的操縱穩(wěn)定性日益受 到重視，成為現(xiàn)代汽車研究的熱點。 汽車操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，能遵循駕駛 者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇到外界干擾時，汽車能抵抗干 擾保持穩(wěn)定行駛的能力。汽車操控穩(wěn)定性不僅影響到汽車駕駛操縱方便程度，而且也決定高速行駛時的安全性，所以人們稱之為“高速公路的生命線”。 綜上所述，隨著汽車動力性能的提高，汽車數(shù)量的增加，汽車的安全性和操 縱穩(wěn)定性顯得尤為重要，而汽車在高速或在低附著系數(shù)的路面上行駛時，由于受 到外界干擾或駕駛員轉(zhuǎn)向作用，側(cè)向附著力常常達到附著極限，容易喪 失操縱穩(wěn) 定性和方向穩(wěn)定性，造成交通事故的發(fā)生。因此，怎樣保證高速和在低附著系數(shù) 路面上的安全穩(wěn)定駕車是一個非常有價值的研究課題。過去一直只限于改進輪胎，懸架，轉(zhuǎn)向與傳動系來 (被動地 )提高汽車固有操縱穩(wěn)定性。 20世紀 80 年代中葉以來，隨著支持控制系統(tǒng)的計算機、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)的迅速發(fā)展，各汽車公司陸續(xù)開發(fā)、生產(chǎn)了多種顯著改善操縱穩(wěn)定性的電子控制系統(tǒng)。汽車電子穩(wěn)定程序控制系統(tǒng)，英文縮寫為 ESP(ElectronicStability Program)。雖然不同的車型，往往賦予其不同的名稱，如 BMW稱其為 DSC，豐田、雷克薩斯稱其為 VSC，而 VOLVO汽車稱其為 DSTC，但其原理和作用基本相同。不斷開發(fā)價格更低廉、性能更優(yōu)良的電子控制系統(tǒng)，已是當(dāng)前提高操縱穩(wěn)定性的一條重要途徑。 本文研究的主要內(nèi)容是汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)的重要組成部分，涉及汽車主 動安全性的關(guān)鍵技術(shù)，主要使汽車在高速或在低附著系數(shù)路面上行駛時，具有快 速、準確的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)性能。采用模糊邏輯控制策略，建立模糊邏輯的橫擺力矩控 制器來控制車輛操縱穩(wěn)定性的狀態(tài)參量，使得汽車運行的狀態(tài)與理想的狀態(tài)相一 致，實現(xiàn)簡單、低成本的汽車操作穩(wěn)定性控制的目的。 1． 2 汽車操縱穩(wěn)定性控制研究的歷史和現(xiàn)狀 1． 2． 1 國外研究現(xiàn)狀 隨著人們對汽車安全意識的提高，以及 ABS 和 ASR 系統(tǒng)的發(fā)展成熟和傳感 器的應(yīng)用，自上世紀 90 年代開始重視汽車操縱穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的研究。在 20 世紀 90 年代初，通過對車輛操縱穩(wěn)定性的理論分析，提出了直接對汽車橫擺運 動進行控制的概念 (如 DYC： Direct Yaw Contr01)，它通過采集方向盤轉(zhuǎn)角的信 息來判斷駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，并通過制動力或驅(qū)動力在車輪上的分配來調(diào)節(jié)汽車 的橫擺運動，直接保障汽車的操縱穩(wěn)定性，這標志汽車穩(wěn)定性控制概念的出現(xiàn)。 但考慮到系統(tǒng)的成本，最早出現(xiàn)的穩(wěn)定性控制所用的傳感器很少，汽車的橫擺角 速度大多是通過內(nèi)外輪的輪速差間接估計得到的，因此一些汽車在復(fù)雜工況下行 駛時很難保證汽車的穩(wěn)定性。 從 1992 年， BMW 公司與 BOSCH 合作，開始致力于汽車電子穩(wěn)定程序的開發(fā)，并在當(dāng)年推出了第一代系 (DSC)141’嘲’問系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在 BMW850Ci 上， 它只是通過監(jiān)測橫擺角速度來調(diào)整發(fā)動機的輸出扭矩來阻止汽車進入非穩(wěn)定性的工況。 1995 年， BOSCH 公司提出的 ESP 的概念，該系統(tǒng)集成了 ABS／ TCS 以及汽車的側(cè)向穩(wěn)定性，它能獨立于駕駛者對車輛行駛特性進行控制，該系統(tǒng)采用多個傳感器，如橫擺角速度傳感器、側(cè)向加速度傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器和壓力傳感器等，可直接測得汽車行駛中的橫擺角速度和側(cè)向加速度的信號，同時采用更復(fù)雜的控制算法和邏輯對汽車進行控制，能夠綜合的控制汽車縱向和側(cè)向穩(wěn)定性，此時確認了提高汽車操縱穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的基本形式。兩年后，他們又推出第三代產(chǎn)品，從開始的只對橫擺角速度控制，增加到也對側(cè)偏角進行控制，從而使汽車操縱穩(wěn)定性控制更加完美。福特汽車公司通過仿 真，于 1995 年提出了其BSS(Brake Steer System)的基本構(gòu)想，用橫擺角速度作為反饋控制來實現(xiàn)自行轉(zhuǎn)向的制動力矩控制。豐田汽車公司開發(fā)出了動態(tài)穩(wěn)定性控制系統(tǒng) VSC，該系統(tǒng)通過主動差動控制來改善汽車在轉(zhuǎn)向極限時操縱穩(wěn)定性和方向穩(wěn)定性。此后，奔馳公司推出了 ESP，卡迪拉克推出了其 Stabilitrak System 產(chǎn)品，成為北美第一個關(guān)于 VDSC 系統(tǒng)的制造商。此外，尼桑公司及三菱公司等也都在開發(fā)自己的提高操縱穩(wěn)定性的動力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng) 1121。 目前全球共有德國博世、日本電裝、德國大陸 Teves、美國德爾福、日本愛 信精工和美國天合 (TRW)這六家大的汽車零部件公司生產(chǎn)集成型汽車電子穩(wěn)定性控制主動安全系統(tǒng)。博世公司到 2020 年底，已為全球提供了 800 萬套汽車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，從 2020 天津國際汽車零部件展覽會上獲悉，博世集團去年開始在蘇州生產(chǎn)的博世 ESP 全球銷量已超過 2020 萬套 1131。 KnorrBremse 在 2020年生產(chǎn)出第一個具有電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)功能的 EBS2． 3， 2020 年推出的 EBSS也具有電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的功能。天合集團通過系統(tǒng)集成進一步優(yōu)化電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) (ESC)，滿足市場對更小巧、更輕便、性能更出色、更具燃油經(jīng)濟性的安全系統(tǒng)的要求。為順應(yīng)混合動力的發(fā)展趨勢，為再生能源型的制動系統(tǒng)提供穩(wěn)定性控制， TRW 前不久推出了防滑控制助力系統(tǒng) SCB(Slip Control Boost)，既提高了安全性，又更節(jié)省燃油。在國外，特別是歐洲，越來越多的車型已將電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)作為其標準配置，國內(nèi)一些中高檔車型也逐漸將其作為標準配置， 2020 年大約 40％的新注冊車輛配備了 ESP，在高檔車上， ESP 已經(jīng)成為了標準配置，中檔車上的裝配率也迅速提高，在緊湊型車上裝配率稍低。北美和日本的 ESP裝配率上升也很快。 1． 2． 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國外廠商為了開拓國內(nèi)市場，在中國建立了多家獨資或合資公司來開發(fā)研究 提高汽車操縱穩(wěn)定性的電子控制系統(tǒng)，為國內(nèi)的整車產(chǎn)品匹配。國內(nèi)對汽車操縱 穩(wěn)定性控制的研究起步較晚，目前仍然處于研究開發(fā)的初期，沒有具備自主知識 產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的裝配率還比較低，以往通常只在高檔車上才 裝配 ESP， 2020 年上市的東風(fēng)雪鐵龍的凱旋、一汽大眾的速騰和上海通用的君 越都配有 ESP，但是裝備的都是國外公司的產(chǎn)品，國內(nèi)還沒有自己的實際開發(fā)系統(tǒng)的能力，大多數(shù)學(xué)者只是基于理論的研究。賀巖松等