【文章內(nèi)容簡介】 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。 當車輛在非常極端的操控情況，如高速轉(zhuǎn)彎、高速躲閃障礙物的情形下。 ESP會在極短的時間內(nèi)收集包含 ABS 及 ASRt 拘龐大數(shù)據(jù)，并加上轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角度、車速、橫向加速值及車身滾動情形。再以電腦記憶體中的基準值作一對比后，指示有關(guān)系統(tǒng)做出適當?shù)膽?yīng)變動作，目的就是要使車輛遵從駕駛?cè)艘庠傅姆较蛐旭?，這時即使駕駛?cè)瞬粩喔淖冃旭偮窂?，電腦也能持續(xù)運算。并以對個別車輪增加或降低剎車力道的方式，修正轉(zhuǎn)向過度或不足的傾向，維持車身的動態(tài)平衡。 ①濕滑路面：車輛在濕滑的路面上行駛時，前輪會出現(xiàn)打滑，并且轉(zhuǎn)向不足，這時踩剎車：如果沒有 ESP，前輪會偏離正常的軌跡，使車輛失去轉(zhuǎn)彎能力。如果有 ESP，它將根據(jù)橫擺速度傳感器、車輪轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等多個傳感器采集到的信號，及時增大右后輪的制動力，同時減少發(fā)動機的輸出扭矩，使車輛保持穩(wěn)定行駛。 ②轉(zhuǎn)彎：車輛轉(zhuǎn)彎時，如果速度過快，在沒有 ESP的情況下，車輛會出現(xiàn)甩尾。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(zhuǎn)向過度的傾向，使車輛保持穩(wěn)定行駛。 ③高速閃避障礙物：車輛在高速閃避障礙物時，駕駛員慌忙制動，扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤，車輛轉(zhuǎn)向不足，車輛繼續(xù)沖向障礙物， 駕駛員為避免沖撞。必須加大轉(zhuǎn)彎角度，當躲過障礙物后，駕駛員迅速回正轉(zhuǎn)向盤，車輛失控甩尾。如果有 ESP，它將根據(jù)多個傳感器采集到的信號，及時增大左后輪制動壓力，增加前輪的轉(zhuǎn)向角度。為使前輪返回原來軌跡，回正轉(zhuǎn)向盤，車輛面臨轉(zhuǎn)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。因為車輛喪失動力學穩(wěn)定性時，輪胎的側(cè)偏特性已進入非線性區(qū)，輪胎與路面之間的側(cè)向力不再與其側(cè)偏角成線性關(guān)系 (即實際側(cè)向力與按線性兩自由度車輛模型計算出的名義側(cè)向力存在一定偏差 )，從而導致實際橫擺角速度和側(cè)偏角與按線性兩自由度車輛模型計算出的名義橫擺角速度和側(cè)偏角之間也都存在一定偏差，而橫擺角速度和側(cè)偏角是描述車輛動力學穩(wěn)定性的最佳狀態(tài)變量，所以通過比較它們的實際值與名義值之間的差值就可以確定出車輛行駛狀態(tài)的穩(wěn)定程度。當差值較小時，認為車輛的行駛狀態(tài)是穩(wěn)定的；當差值超出某一定范圍時，認為車輛已進入需要穩(wěn)定控制的狀態(tài)。 2． 2 ESP 系統(tǒng)的工作過程 根據(jù)上述思想就知道 ESP 系統(tǒng)的工作原理和過程為： ①檢測：通過一些傳感器檢測到汽車的一些運行狀態(tài)參數(shù)，如：橫擺角速度、 側(cè)向加速度、車 輪轉(zhuǎn)速、方向盤轉(zhuǎn)角、制動系統(tǒng)壓力等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給中央控制單元 (CPU)。 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(yīng)汽車目前運行狀態(tài)的參數(shù)，并根據(jù)事先設(shè)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(yīng)汽車運行狀態(tài)的參數(shù)。 ③判斷： CPU 根據(jù)計算出來的數(shù)據(jù)，把理想狀態(tài)的參考值與實際汽車運行的實際值作比較，并計算出它們之間的偏差，根據(jù)一定的穩(wěn)定性判斷準則，判斷出汽車是否處于非穩(wěn)定工況，確定是否調(diào)整某一車輪的制動力或通過控制發(fā)動機來減少驅(qū)動輪的驅(qū)動力。 ④處理： 根據(jù) CPU 的指令對車輪施加制動力或減少驅(qū)動力，使汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)以及驅(qū)動系統(tǒng)始終保持最佳組合狀態(tài)，同時對汽車出現(xiàn)的不穩(wěn)定狀態(tài)進行“即時”修正，以防止駕駛員誤操作對行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。 圖 ESP 系統(tǒng)的組成關(guān)系 2． 3 ESP 系統(tǒng)控制原理概述 ESP 系統(tǒng)用于在輪胎與路面間達到附著極限的臨界工況下，控制車輛和車輪的動力性。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。通過控制和分配輪胎的縱向力和側(cè)向力，使得車輛盡可能地沿著駕駛員預(yù)期的路徑行駛，減少車輛滑移帶來的危險，改善車輛的操縱穩(wěn)定性，并且可以建立一種與駕駛員的經(jīng)驗相適應(yīng)的可預(yù)測的車輛行為體系。 ESP 系統(tǒng)包括一個主控制回路和一個副控制回路：主回路通過調(diào)整擺角速度 和車輛側(cè)偏角來控制車輛運動，使其安全并保持穩(wěn)定：副回路通過調(diào)整車輪的制動力、驅(qū)動力和側(cè)偏力來控制其制動和驅(qū)動滑轉(zhuǎn)。這一設(shè)計消除了不同驅(qū)動工況之間和控制器過渡階段 (如部分制動和全部制動之間的過渡 )的不連續(xù)性，并且使控制器各部分的任 務(wù)更加清晰 。 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。將有以下變量值反饋給該模塊：輪速傳感器、制動壓力傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、橫擺角速度傳感器和側(cè)向加速度傳感器的信號值，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩和加速踏板位置傳感器等由發(fā)動機管理系統(tǒng) CAN 輸出的信號值，傳動比等由自動變速器 CAN 輸出的信號值，副反饋回路中估算的車輪滑移率，車輪制動油缸中的壓力，車輛的縱向速度、加速度和車輪的制動力。信號處理和觀測器模塊將對這些信號進行濾波，并估算摩擦系數(shù)、側(cè)向速度、車輪和車輛的實際側(cè)偏角以及輪胎力等附加變量的值。另外，該模塊還將檢測是否存在左右車輪附著系數(shù)不一致和急轉(zhuǎn)彎等情況。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。 模塊 2是車輛運動名義 值計算模塊，它將計算用于主反饋回路控制的橫擺角速度和車輛側(cè)偏角的名義值。這些名義值將根據(jù)駕駛員輸入、全部制動和滑行等驅(qū)動狀況以及摩擦系數(shù)、路面傾角或左右附著系數(shù)不同等環(huán)境狀況諸多因素來決定。其中駕駛員輸人包括：轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、制動主缸內(nèi)的制動壓力和加速踏板的位置。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。然后對該名義值進行濾波，依據(jù)估算的路面摩擦系數(shù)加以限制，最后根據(jù)給定的駕駛狀況和環(huán)境予以校正。另一方面，利用對過度轉(zhuǎn)向或不足轉(zhuǎn)向的工況分析，可推導并修改得到車輛側(cè)偏角的名義值和最大允許 值，即該模塊的輸出參數(shù)。模塊 3是車輛運動控制器模塊，該模塊將比較車輛運動的名義值和實際值并給出所需的變化量。橫擺角速度的實際值由橫擺角速度傳感器提供。車輛側(cè)偏角的實際值由觀測器估算。因為要得到可靠的估算值十分困難，所以車輛側(cè)偏角只在能夠得到可靠估算的特殊情況下 (例如全部制動期間 )才起控制作用，否則該值的利用將受到限制。車輛運動控制器的初始化條件和增益由副控制回路的狀態(tài)、驅(qū)動狀況和環(huán)境條件來決定?？刂频撵`敏度將受到傳感器偏移補償狀態(tài)的影響。車輛運動控制器的輸出是橫擺力矩所需的變化量，這一變化量將使橫擺角速度和 車輛側(cè)偏角的實際值更加逼近于名義值，即車輛的實際行為更加逼近名義行為 (期望行為 )。該輸出最后經(jīng)死區(qū)濾波后傳遞給主控制回路的最后一個功能模塊。在主控制回路的最后一個功能模塊中，即模塊 4，將計算副控制回路的輸入變量。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。它們被限制后將傳遞給制動滑移控制器的副控制回路，該控制器將設(shè)置任何所需的滑移率值，來得到要求的縱向和側(cè)向輪胎力。對于驅(qū)動操作，根據(jù)所需的橫擺力矩變化量，計算平均驅(qū)動滑移、鎖止力矩和驅(qū)動輪間允許的滑移差的名義值。如果在全部制動期間主控制回路中的執(zhí)行信號為零，則不對名義制動滑移率值進行校正并且車輛減速度將達到最大值；然而，在驅(qū)動操作中名義值將視情況調(diào)整。 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)。制動滑移控制器控制每個車輪的絕對滑轉(zhuǎn)值，并因此得到主控制回路中也需要的車輪側(cè)向力。控制器的獨特設(shè)計使得這一點成為可能。車輪的滑轉(zhuǎn)值可由車輪的自由滾動速度導出。利用短持續(xù)時間內(nèi)調(diào)整階段的制動滑轉(zhuǎn)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(zhuǎn)值進行估算。利用估算的車輛側(cè)向速度、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和橫擺角速度可以將推導出的任一車輪滾動速度轉(zhuǎn)化為車輛速度。更進一步，每一車輪的自由滾動速度可由估算的車速 反推到車輪上得到。這些估算的速度將應(yīng)用在所有的控制器部件中并作為 ESP 系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。車輪滑移控制器是一個簡單的 PID(比例積分微分 )控制器。 在全制動期間，如果輪胎側(cè)偏角為零，名義滑轉(zhuǎn)值將對應(yīng)于附著 —— 滑移曲線的最大值，否則將利用側(cè)向和縱向摩擦系數(shù)的估算值對其進行校正。如果主控制回路要求名義滑轉(zhuǎn)值產(chǎn)生一個變化，那么這一變化量將加到名義滑轉(zhuǎn)值上使其處于 0到 1之間。制動滑移控制器的輸出是名義車輪制動力矩，它將被轉(zhuǎn)換為車輪制動油缸內(nèi)所需的壓力值。然后利用液壓和力模塊 (副 2)將這個名義壓力值轉(zhuǎn)換為使液壓單元動作的 執(zhí)行命令。如果通過降低壓力不能使車輪制動滑轉(zhuǎn)值充分小，發(fā)動機將增加轉(zhuǎn)矩以減小發(fā)動機的阻力矩。利用估算的車輪制動壓力，液壓單元也將對制動力作一個較好的估算。對于驅(qū)動滑移，驅(qū)動滑移控制器控制平均輪速 (或相應(yīng)的傳動軸轉(zhuǎn)速 )和驅(qū)動輪的輪速差來調(diào)整相應(yīng)的驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩和鎖止力矩的名義值。驅(qū)動滑移控制器的名義值由主控制回路來決定。該控制器需要發(fā)動機轉(zhuǎn)速、實際的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機拖動制動轉(zhuǎn)矩和駕駛員要求的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通常由現(xiàn)代發(fā)動機管理系統(tǒng) ECU 通過控制器總線 (例如 CAN)提 供。另外，運動學傳動比和相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩傳 動比由電子變速箱控制系統(tǒng)得到。以這些信息為基礎(chǔ)，即在一個物理基礎(chǔ)上，控制器的輸出以名義發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的形式表達。以轉(zhuǎn)矩為基礎(chǔ)的發(fā)動機管理控制器界面允許對 ESP系統(tǒng)進行高度不依賴發(fā)動機的開發(fā)和應(yīng)用。 對于傳動軸的轉(zhuǎn)速， PID 控制器的輸出是要求的傳動軸轉(zhuǎn)矩；對于驅(qū)動輪的輪速差和差速， PI 控制器的輸出要求的是鎖止轉(zhuǎn)矩。然后這些轉(zhuǎn)矩被分配到轉(zhuǎn)矩執(zhí)行器，在那里生成名義制動轉(zhuǎn)矩和名義發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，后者習慣分為所要求的快發(fā)動機衰減率和慢發(fā)動機衰減率。傳動軸轉(zhuǎn)矩需求的準穩(wěn)態(tài)部分主要由作為慢速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩執(zhí)行器、點火延遲和停止噴油來建立。鎖止力矩必須由驅(qū)動軸上的一個非對稱制動執(zhí)行機構(gòu)來建立。 本節(jié)介紹了 ESP 系統(tǒng)的控制原理及過程，本論文的主要研究工作是在主控制回路：調(diào)整橫擺角速度和車輛側(cè)偏角?？刂拼胧┻x擇及分析將在第四章中進行詳細介紹。 2． 4 本章小結(jié) 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。為本論文的研究提供了很好的理論指導和方法。由此，將在接下來具體建立汽車的參考模型和整車模型，并對車輛模型進行實際控制措施分析。 第 3 章 汽車動力學模型的建立 汽車電子穩(wěn)定裝置 ESP 的工作過程是：在傳感器檢測到一些汽車運行狀態(tài)參數(shù)后， CPU 對其進行處理計算，并與參考模型進行比較判斷出汽車是否處于非穩(wěn)定工況，最后 ESP 系統(tǒng)對汽車出現(xiàn)的不穩(wěn)定狀態(tài)進行及時修正。所以，建立控制對象的模型是控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，也即是本論文的基礎(chǔ)。汽車 ESP控制的對象是整個汽車，在進行穩(wěn)定性控制的理論研究時，必須建立參考模型和可以滿足要求的汽車動力學系統(tǒng)模型。本章根據(jù)上一章分析，首先建立了線性二自由度參考模型，再建立較復(fù)雜的可以滿足分析要求的整車模型，并且用圖形建模的方法將其轉(zhuǎn)化為仿真模型。 3． 1 汽車穩(wěn)定系統(tǒng)的建模方法 在現(xiàn)有的各種有關(guān)汽車動力學的仿真研究中，一般包括兩個方面的內(nèi)容：一是建立描述汽車動力學性能的微分方程組，即建模；二是采用數(shù)值方法解微分方程，即計算。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。 人工建模的方法通過人工對整個系統(tǒng)進行建模和計算，這是最傳統(tǒng)的方法。它包括三種方法：分析法、試驗法及兩者相結(jié)合的方法。人們通常通過對汽車力學分析建立汽車運動的微分方程組，采用差分的方法和相應(yīng)的數(shù)值積分方法將連續(xù)方程變?yōu)闀r間離散的差分方程，并通過計算機語言 (主要有 FORTRAN、 QBASIC、VB等 )變?yōu)橄鄳?yīng)的程序。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。即建立非慣性系下的牛頓方程，然后用隔離法對汽車各部件進行受力分析并建立非慣性系下的運動方程組。由于汽車系統(tǒng)各部件的聯(lián)結(jié)比較復(fù)雜，具體 分析和它們之間的相互作用比較困難和繁瑣，這是傳統(tǒng)的牛頓法遇到的問題，根據(jù)力學理論中的 BOLTMANN． HAMEL 方法，推導出汽車準坐標下的整車運動方程。這種分析在建立汽車運動方程時，不需要分析各部件之間非保守力和非做功力的作用，只考慮汽車各剛體部件所受的外力和系統(tǒng)能量的變化，因而使分析大大簡化。 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。如著名的 ADAMS 軟件近年來被證明是一種十