【正文】 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。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”。 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)。 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 動安全性的關鍵技術，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)響應性能。 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，因此一些汽車在復雜工況下行 駛時很難保證汽車的穩(wěn)定性。福特汽車公司通過仿 真，于 1995 年提出了其BSS(Brake Steer System)的基本構想，用橫擺角速度作為反饋控制來實現(xiàn)自行轉向的制動力矩控制。 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)。為順應混合動力的發(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。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)權的產(chǎn)品。王德平等人探討了汽車動力學穩(wěn)定性控制 的基本原理，提出了簡單的穩(wěn)定性判斷準測，采用邏輯門限值控制算法，在此基礎上，對汽車動力學穩(wěn)定性進行了仿真分析，并在汽車駕駛模擬器所提供的虛擬環(huán)境下進行了試驗驗證。田佳卿等人在汽車二自由度分析模型的基礎上，設計了以橫擺角速度為控制變量，并基于單神經(jīng)元控制器的自適應控制系統(tǒng)，通過固定方向盤轉角仿真，自適應控制有更好的控制性能，但是沒有考慮算法的穩(wěn)定性以及制動力的具體分配問題。 1． 3 汽車操縱穩(wěn)定性控制策略的介紹 從國內(nèi)外有關汽車操縱穩(wěn)定性控制的大量文獻來看，多數(shù)限于理論模擬，有些己在汽車上得到應用。而且用邏輯門限值方式完成的汽車操縱穩(wěn)定性控制系統(tǒng)對各類車型的互換性不佳。然而，它們都是現(xiàn)代控制理論中的控制方法，其應用得成功與否，關鍵在于數(shù)學模型是否準確，而實際上，這種動力學模型復雜，其模型本身參數(shù)的識別精度不夠準確，至關重要的車載分布在實際操縱中也是隨意的，為了獲得數(shù)學模型中所需要的相關控制參數(shù)及狀態(tài)變量，需要準確實時地確定大量參數(shù)，就目前來看這是比較困難的，并且計算量大，魯棒性差，在動力學穩(wěn)定性控制中，實際應用較少。 由于模糊控制是不需要建立精確的數(shù)學模型，只需要根據(jù)實際的運行經(jīng)驗， 對系統(tǒng)進行實時控制，實際上是一種非線性智能控制，具有魯棒性強、對干擾和 參數(shù)變化不敏感，適合于非線性、時變的操縱穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，并且實施比較簡 單，具有很強的實用價值。世界知名制造商對 ESP 系統(tǒng)有著不同的稱謂。 ESP系 統(tǒng)能夠在幾毫秒的時間內(nèi)，識別出汽車不穩(wěn)定的行駛趨勢，通過智能化的電子控制方案，讓汽車的傳動或制動系統(tǒng)產(chǎn)生所期望的準確響應，從而及時恰當?shù)叵@些不穩(wěn)定行駛趨勢，使汽車保持在所期望的行駛路線上。 ESP 系統(tǒng)可以辯識汽車的趨向，并且做出反應，它可在單個車輪上施加制動力，從而產(chǎn)生附加橫擺調(diào)節(jié)力矩，幫助汽車回到正確的方向上 來。提高他們的可靠性并降低成本一直是這方面的開發(fā)人員追求的目標。一般采用多 CPU 結構。例如自動變速器將當前的機械傳動比、液力變矩器變矩比和所在檔位等信息傳給 ESP，以估算驅(qū)動輪上的驅(qū)動力。 1． 5 本論文的主要研究工作 本論文主要是研究 ESP 系統(tǒng)中 ECU 的軟件設 計。在控制方法上大多數(shù)是采用基于數(shù)學模型的狀態(tài)控制或最優(yōu)控制，將非線性模型采用局部線性化的方法變?yōu)榫€性模型， 或直接用簡化的線性模型對各種狀態(tài)進行估計，進而對系統(tǒng)控制，這種系統(tǒng)要求測量及估計辯識的參數(shù)較多，計算量大，魯棒性不強，并且汽車的運動條件及參數(shù)處于變化之中，很難尋求到一種最優(yōu)的控制系統(tǒng)。 ①進行大量文獻閱讀，了解各個主動安全系統(tǒng)的作用以及使用局限性，尤其對汽車電子穩(wěn)定控制裝置 (ESP)的工作過程和控制原理進行研究。 ⑤根據(jù)汽車電子穩(wěn)定性控制的特點，建立以橫擺角速度為單變量控制的簡單模糊控制器，為使控制器有更好的適應能力，在簡單模糊控制器的基礎上進一步設計參數(shù)自整定模糊 PI 控制器，并把它作用于車輛模型進行幾種典型工況的仿真分析。因為汽車操縱失控時其將不能按照駕駛員的意圖行駛，駕駛員想避免事故的發(fā)生幾乎是不可能的。 2． 1 ESP 系統(tǒng)的基本思想 圖 2． 1 和圖 2． 2 所示是發(fā)生不足和過多轉向時，帶有 ESP 系統(tǒng)和不帶有ESP 系統(tǒng)的車輛狀況比較，從中可以看出， ESP 系統(tǒng)使車輛變得更加安全。并以對個別車輪增加或降低剎車力道的方式，修正轉向過度或不足的傾向，維持車身的動態(tài)平衡。如果有 ESP，它將根據(jù)多個傳感器采集到的信號，及時啟動右前輪上的制動裝置，以修正轉向過度的傾向，使車輛保持穩(wěn)定行駛。為使前輪返回原來軌跡，回正轉向盤，車輛面臨轉向過多的危險，在 ESP作用下前左輪自動制動，車輛繼續(xù)向前穩(wěn)定行駛。 ②計算： CPU 根據(jù)傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進行處理、計算，得到能反應汽車目前運行狀態(tài)的參數(shù)，并根據(jù)事先設計的汽車在穩(wěn)定行駛時建立的線性二自由度參考模型，計算出目前理想狀態(tài)下能反應汽車運行狀態(tài)的參數(shù)。當車輛處于全部制動或部分制動、滑行、驅(qū)動、發(fā)動機拖動制動、換檔過渡和從驅(qū)動到制動的過渡等工況時，只要在物理極限允許的范圍內(nèi)， ESP將 極大地改善車輪和車輛的穩(wěn)定性。 圖 2． 3． 1 ESP 控制原理框圖 2． 3． 1 主控制回路 如圖 2． 2． 1 所示，主反饋回路的模塊 1是信號處理和觀測器模塊。然后利用經(jīng)過濾波的信號值，估算變量值和依賴于工況的校正參數(shù)定義車輛運動控制回路中的名義值，這些名義值估算變量值和依賴于工況的校正參數(shù)定義車輛運動控制回路中的名義值，這些名義值將用于控制器其它的大多數(shù)部件。利用這些信息和 Ackerrnan 方程可計算出初步的橫擺角速度名義值。橫擺角速度的實際值由橫擺角速度傳感器提供?？刂频撵`敏度將受到傳感器偏移補償狀態(tài)的影響。對于制動操 作，根據(jù)所需的橫擺力矩的變化量，計算每一個單獨車輪的制動滑移的變化量。 2． 3． 2 副控制回路 圖 2． 2． 1 中副反饋回路包括制動滑移控制器模塊 (副 1— 1)和驅(qū)動 滑移控制器 (副 12)，后者本身還有一個副控制回路 —— 發(fā)動機管理系統(tǒng)。利用短持續(xù)時間內(nèi)調(diào)整階段的制動滑轉值是穩(wěn)定的這一原理并利用信號處理和觀測器模塊產(chǎn)生的信息，即使在滑移控制期間也可以方便地對車輪的滑轉值進行估算。車輪滑移控制器是一個簡單的 PID(比例積分微分 )控制器。然后利用液壓和力模塊 (副 2)將這個名義壓力值轉換為使液壓單元動作的 執(zhí)行命令。驅(qū)動滑移控制器的名義值由主控制回路來決定。以這些信息為基礎，即在一個物理基礎上，控制器的輸出以名義發(fā)動機轉矩的形式表達。傳動軸轉矩需求的準穩(wěn)態(tài)部分主要由作為慢速轉矩的執(zhí)行器節(jié)氣門執(zhí)行器建立；而動態(tài)部 分則由快速發(fā)動機轉矩執(zhí)行器、點火延遲和停止噴油來建立。 2． 4 本章小結 本章主要介紹了汽車電子穩(wěn)定裝置 ESP 的工作過程及控制原理，清晰的體現(xiàn)了 ESP 系統(tǒng)在汽車主動安全性中的作用。所以，建立控制對象的模型是控制系統(tǒng)研究的基礎，也即是本論文的基礎。目前汽車動力學模擬的方法主要有三種：人工建模、計算機自動建模和圖形建模。過去人們一般是按照牛頓力學的方法來分析和建立汽車系統(tǒng)的微分方程組。 計算機自動建模方法是一種比較先進的建模方法，建模和計算機完全由計算 機來完成。所以 ADAMS 軟件已經(jīng)成為許多汽車公司的主要分析軟件。目前最新的 MATLAB7． 0 版本是一種功能強、效率高、便于科學和工程運算的交互式軟件。并且控制系統(tǒng)與汽車動力學系統(tǒng)可融化為一體。因此本文采用 MATLAB／ SIMuLINK 軟件進行模擬。根據(jù)仿真研究的實際需要，國內(nèi)外研究人員建立了具有不同數(shù)量自由度的整車模型，現(xiàn)列舉以下幾種： ①五自由度整車模型：整車動力學模型是一個 中度復雜的五自由度四輪汽車模型，其中包括了縱向、橫向、橫擺、側傾、和前輪繞主銷轉動等五個自由度； ②七自由度模型：包括縱向位移、橫向位移、橫擺角速度三個方向的整車運動和四個車輪的回轉運動等七個自由度； ⑨十一自由度模型：十一自由度分別為車輛縱向運動、車輛側向運動、整車橫擺、車身的俯仰、四個車輪的轉動以及前輪的轉角 (代替了方向盤的轉角輸入 )。再根據(jù)控制算法的要求，選取計算速度較快的模型，本文選用七自由度模型 (車身橫向、縱向、 橫擺、四個車輪旋轉 )來建立整車模型就可以滿足要求。 則整車力學特性可簡化為如圖 3． 4 所示，采用牛頓力學建立各個剛體的運動方程可描述為： ① 車縱向運動方程 ??(??? ???????) = (Fx1+Fx2)cos?? +????3 +????4 ?(????1 + ????2)???????? ? ???? ② 橫向運動方程 ??(??? +??????) = (Fx1+Fx2)sin?? + ????3 +????4 ?(????1 +????2)???????? ③ 橫擺運動方程 Iz ???=a(Fx1+Fx2)sinδb(Fy1+Fy2)+a(Fy1+Fy2)cosδ(Fx1Fx2)cosδTf/2+ (Fy1Fy2)sinδTf/2(Fy3Fy4)Tr/2 ④ 車輪運動方程 J ω? 1 = ????1?????1 ? ?? ?????1 ?????1 J ω? 2 = ????2?????2? ??? ????2? ????2 J ω? 3 = ?????3 ? ?? ?????3 ?????3 J ω? 4 = ?????4? ?? ?????4 ?????4 式中， δ 為轉向輪轉向角， rad。 Tf ,Tr 分別為前后輪距， m。 Mf 為汽車滾動摩擦阻力矩， N*m。 Vx 為車體在固定坐標系下的橫向 (側向 )速度， m／ s。 m。 ② 輪胎側偏模型和側傾模型主要用于預測輪胎．的側向力和回正力矩，評價轉向 工況下低頻轉角輸入響應。在物理模型中，輪胎通常被簡化成一系列理想化、具有給定的物理特性的徑向排列的 彈性單元體。根據(jù)文獻 [39]qh將幾種典型輪胎模型進行詳細的比較分析結果，得到 H． B． Pacejka 提出的“魔術公式”對輪胎力特性的表達式比較統(tǒng)一，擬合精度高，適用于汽車動態(tài)模擬及實驗對比等。 ② 論對側向力、縱向力、還是回正力矩，擬合精度都比較高。因此，在某些數(shù)據(jù)丟失或不可靠時，以同類相近輪胎測得得系數(shù)替代，也可取得很好得效果。 a2， a3?a8 的值如表 3． 4 所示。應用 SIMULINK 進行汽車動力學控制系統(tǒng)建模的優(yōu)點在于，控制系統(tǒng)與汽車動力學系統(tǒng)有機的溶入一體，同時有用圖形易于表達控制系統(tǒng)的信號流向和邏輯開關控制。在車身模型中，輸入為輪胎力、前輪轉角和側向力干擾，經(jīng)過計算，輸出輪胎的側偏角、輪胎中心的速度、垂直壓力、橫擺角速度、橫向速度以及橫向加速度等，再送入輪胎模型，計算非線性輪胎力，以提高計算精度。整車模型包括車身模型和輪胎模型。 第 4 章 汽車電子穩(wěn)定裝置 (ESP)的控制 在第二章第三節(jié)中已經(jīng)闡述了 ESP 系統(tǒng)的控制原理，本章將在理論上詳細分析 ESP 系統(tǒng)的主控制回路的控制措施，介紹并比較現(xiàn)階段比較常用的幾種控制策略，在考慮 ESP 系統(tǒng)的非線性時不變特性的同時，選擇合理的控制器來達到預期較好的控制效果。 所以， 本論文選用 橫擺角速度 參數(shù)作為輸入控制變量，再選用適合的控制方法對其進行控制。將預測模型和實際測出的結果進行對比，基于差值進行控制，因此主要的控制是基于反饋理論的控制。系統(tǒng)的直接橫擺力偶矩包括控制橫擺、側偏、側翻的三部分構成。非線性的控制策略可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡 (NN)和遺傳算法獲得。 ④滑?？刂品€(wěn)定性控制被視作與駕駛員駕駛意圖的匹配，所以橫擺角速度首 要成為控制目標。由于傳統(tǒng)的 ESP 采用制動控制，損失了汽車的運動性，因此人們開始開發(fā)提供主動加速產(chǎn)生橫擺力偶矩控制的算法。采用較多的方式是利用卡爾曼濾波構造系統(tǒng)觀測器，進行汽車操縱穩(wěn)定性動力學信號的實時軟測量。 ②目標側向運動頻率特性操穩(wěn)性控制系統(tǒng)的首要目標：精確的操縱性和穩(wěn)定 性。 ③汽車側偏角的預估車身的側偏角不能直接的測量得到，但可以從汽車運動狀態(tài)的傳感器中測得的汽車狀態(tài)變量進行估算。 ④輪胎一路面附著的估算輪胎一路面附著的估算是一個最重要的估算邏輯。本文根據(jù)這一思想，采用通過對某一車輪施加制動力來改善汽車在極限情況下的動力學穩(wěn)定