【導(dǎo)讀】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。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。了合理正確的模型。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。反應(yīng)，或轉(zhuǎn)向過程完成緩慢。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。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。這會增加駕駛員操縱困難或影響駕駛員作出正確的判斷。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。現(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。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。受到重視，成為現(xiàn)代汽車研究的熱點。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”。

　　

【正文】 ，表示曲線最大值附近的形狀： E=??6????2 +??7???? +??8。 輪胎橫向力特性 在純制動單一工況下，輪胎縱向力 ????與 側(cè)偏角 α和輪胎法向反力 ????之間的關(guān)系可以用如下方程描述： F??0 = ????????*??????????????,???? ???(???? ? ????????????????)+ 其中： α— 為側(cè)偏角 ； C曲線形狀因子， 橫向力 計算時取 B值： C=1． 30； D最大值因子，表示曲線的最大值： D= ??????； BCD縱向力零點處的縱向剛度： BCD=a3sin (a4arctan (??5????))； B剛度因子： B=BCD／ CD； E一曲線曲率因子，表示曲線最大值附近的形狀： E=??6????2 +??7???? +??8 各公式中的回歸系數(shù) a。， a2， a3?a8 的值如表 3． 4 所示。 表 各回歸系數(shù)值 3． 4 圖形建模的實現(xiàn)及仿真驗證 3． 4． 1 整車模型的實現(xiàn) 本文是采用圖形建模的方法來對汽車動力學(xué)模型進行分析，主要目的是實現(xiàn)數(shù)學(xué)模型到仿真模型的轉(zhuǎn)換。比較各種軟件，選定為 MATLAB／ SIMLINK。 SIMULINK 是用 MATLAB 建立的一種新型的圖形建模工具，免去了程序代碼編程帶來的低效和繁瑣，既可用于動力模擬也適于控制系統(tǒng)的設(shè)計。應(yīng)用 SIMULINK 進行汽車動力學(xué)控制系統(tǒng)建模的優(yōu)點在于，控制系統(tǒng)與汽車動力學(xué)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(guān)控制。 本文的整車模型主要由兩大模塊組成，一為車身模型，二為輪胎模型。輸入為前輪轉(zhuǎn)角、驅(qū)動力矩以及制動力矩。整個模型采用一種反饋補償?shù)男问?，輪胎模型根?jù) 垂直壓力、輪胎側(cè)偏角、輪胎中心沿輪胎平面的分速度以及對輪胎施 加的制動力和驅(qū)動力來計算出輪胎所受的縱向力、橫向力。在車身模型中，輸入為輪胎力、前輪轉(zhuǎn)角和側(cè)向力干擾，經(jīng)過計算，輸出輪胎的側(cè)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。 ① 整車模型 輸入：路面狀況 (地面附著系數(shù) )，前輪轉(zhuǎn)向角，車輛初始速度 輸出：橫擺角速度，車輛側(cè)偏角，縱向速度，橫向速度 ② 輪胎模型 輸入：輪胎側(cè)偏角、輪胎速度、輪胎垂直載荷 輸出：輪胎縱向力、輪胎橫向力 ③ 整 車模型 輸入：輪胎力；輸出：輪胎速度及垂直載荷 ④ 垂直載荷計算模型圖 輸入：車輪橫向加速度、車輪側(cè)向加速度 輸出： 各 輪的垂直載荷 ⑤ 四個車輪的側(cè)偏角計算模型圖 輸入：縱向速度、側(cè)向速度、質(zhì)心角速度、前輪轉(zhuǎn)角 輸出：各輪 側(cè)偏角 ⑥ 車輪角速度計算模型圖 輸入： 縱向速度、側(cè)向速度、質(zhì)心角速度、前輪轉(zhuǎn)角 輸出：各輪角速度 3． 5． 2 ESP 系統(tǒng)模型的仿真與分析 在進行模型仿真前，首先要確定車輛的類型與基本參數(shù)，由于 ESP 系統(tǒng)現(xiàn)在還是比較廣泛應(yīng)用于高級小轎車上，所以參考多種車輛，現(xiàn)列出本論文車輛模型所用基本參數(shù)如下表 3． 5． 2 模型參數(shù) 符號 單位 數(shù)值 車身質(zhì)量 M Kg 1575 車輪半徑 R m 質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量 J Kg*??2 2712 車輪轉(zhuǎn)動慣量 I Kg*??2 中心至前軸距 a m 中心至后軸距 b m 前輪距 ???? m 后輪距 ???? m 車體中心高度 ??? m 風(fēng)阻系數(shù) ???? 1 迎風(fēng)面積 A ??2 行駛速度 V m/s 20 附著系數(shù) λ 1 表 3． 5． 2車輛模型基本參數(shù) 根據(jù) ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)組織 )TC22／ SC9 汽車操縱穩(wěn)定性分委員會的研究工作，對汽車操縱穩(wěn)定性的試驗評價方法，一般采用以下試驗方法：穩(wěn)態(tài)響應(yīng)試驗、瞬態(tài)響應(yīng)試驗、移線試驗以及蛇行試驗四種 ，在本文為了對所建立的模型進行 穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 驗證 。汽車以 20m／ s的速度在路面附著的系數(shù)為 O． 8的路面上行駛，利用仿真模型進行仿真，結(jié)果如下所示： 圖 圖 圖 橫擺 角速度 3． 6 本章小結(jié) 建立控制對象的模型是進行控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，汽車電子穩(wěn)定裝置的研究對象是整個汽車，所以在 ESP 系統(tǒng)的理論研究時，建立能滿足要求的汽車模型和參考模型是必須的。本章首先介紹了建模方法，然后根據(jù)汽車穩(wěn)定性控制的特性建立了二自由度參考模型以及七自由度整車模型。整車模型包括車身模型和輪胎模型。輪胎模型采用適合 ESP控制系統(tǒng)研究的魔術(shù)公式。在此基礎(chǔ)上，運用 MATLAB／ S 蹦 ULINK 軟件研究了車輛的數(shù)學(xué)模型向仿真模型的轉(zhuǎn)化。最后對此模型進行蛇行試驗仿真分析，將結(jié)果與文獻中的試驗結(jié)果進行比較，驗證本文建立的車輛仿真模型是合理的，為了后來的控制系統(tǒng)的仿真奠定了好的基礎(chǔ)。 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(yù)期較好的控制效果。 4． 1 ESP 系統(tǒng)的控制措施分析 4． 1． 1 控制變量的選擇 為了進行汽車穩(wěn)定性控制， ESP 必須首先確定控制狀態(tài)量。 ESP 系統(tǒng)的主控變量主要有以下五種：橫擺角速度控制，主要有 Bosch 的 ESP；橫擺控制 +側(cè)偏控制 +側(cè)翻控制，在一些商用車中有應(yīng)用；側(cè)偏角控制主要有豐田，本田的 VSC，VSA 等；橫擺控制 +側(cè)偏控制，目前在豐田新的產(chǎn)品中有考慮；橫擺控制 +側(cè)偏控制 +主動轉(zhuǎn)向等。 根據(jù)第三章的車輛模型的建立，分析控制原理，在 ESP系統(tǒng)的控制中最能反應(yīng)車輛運行狀態(tài)的兩個參數(shù)為：橫擺角速度和側(cè)偏角。 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。 4． 1． 2 控制器的實現(xiàn)策略 將通過傳感器測量得到的控制變量的數(shù)值和經(jīng)過參考模型計算得到的數(shù)值進行對比，根據(jù)偏差進行控制。這也是相對成熟、實現(xiàn)成本較低的一 種控制方式。ESP 的控制系統(tǒng)一般都是利用理想的線性模型來預(yù)測汽車的運動狀態(tài)，而實際的汽車橫擺角速度由傳感器來控制，實際的汽車側(cè)偏角度通過為數(shù)不多的幾個傳感器信號及各種估算算法 (包括 kalman 濾波器，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， GPS，車輛真實精確模型等 )得到。將預(yù)測模型和實際測出的結(jié)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。當(dāng)前采用的控制策略介紹如下。 ① PID 控制 Bo． Chiuan Chen， Hud Peng 提出 ESP的控制算法，包括橫擺角速度跟蹤的算法；為路徑跟蹤而開發(fā)的側(cè)偏角減小算法；側(cè)翻防止算法。采用側(cè)向加速度作為側(cè)翻控制的反饋信號，采用 PID 控制。系統(tǒng)的直接橫擺力偶矩包括控制橫擺、側(cè)偏、側(cè)翻的三部分構(gòu)成。 ②相平面控制法 Shoji Inagaki等描述了采用相平面的方法描述汽車操穩(wěn)性， β — β相平面法可以分析汽車的關(guān)鍵的轉(zhuǎn)向動力學(xué)穩(wěn)定性。該方法可以得到汽車的非線性的操作穩(wěn)定性，通過該方法得到汽車過度的轉(zhuǎn)向輸入下的穩(wěn)定性欠缺的問題。 ③神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 Akihiko SHIMURA 指出，因為路面一輪胎特性的非線性決定了 ESP 的控制策略基于非線性，所以確定合適的 ESP控制器和有效的輸出是一件困難的工作。非線性的控制策略可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (NN)和遺傳算法獲得。經(jīng)過分析得到的 ESP 控制方程為 12． 58+4． 53fl＆ 1，這種結(jié)果和采用相平面法分析的結(jié)果類似。 FARZAD TAHAMI 采用模糊控制邏輯，控制 ESP。系統(tǒng)幫助駕駛?cè)藛T進行道路修正，增強轉(zhuǎn)向和直線行駛時的穩(wěn)定性。 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(biāo)。但在低附路面上，實際的橫擺角速度和預(yù)期的橫擺角速度不能有效的阻止側(cè)偏 角的增加和汽車的激轉(zhuǎn)；過大的側(cè)偏角降低了駕駛員的穩(wěn)定性操作的質(zhì)量。采用滑?？刂品椒軌?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)的控制魯棒性能：附著的變化，側(cè)向坡度的變化，速度的變化，動態(tài)載荷變化。 ⑤模糊控制由于系統(tǒng)存在非線性，延遲性，和參數(shù)的不確定性，因此可以采 用 PD 一模糊邏輯控鋁 IJESP。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。 Kaoru SawaSe 論述了三菱的 AYC 和 ASC 系統(tǒng)中為了解決制動力矩控制造成的運動性能的下降，采用了“力矩轉(zhuǎn)移機制 實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，以及為了 實現(xiàn) AYC 采取的驅(qū)動系的布置。 4． 1． 3 控制算法 ESP 需要解決的問題包括：駕駛員駕駛意圖的識別，汽車狀態(tài)的測量和評估，控制目標(biāo)的生成，系統(tǒng)執(zhí)行的效率和平穩(wěn)性，道路 bank angle 的測定，系統(tǒng)的開發(fā)和評估，以及錯誤測試等。為了對各種不同的路面作出不同的響應(yīng)，必須對輪胎一路面之間的附著進行預(yù)估。采用較多的方式是利用卡爾曼濾波構(gòu)造系統(tǒng)觀測器，進行汽車操縱穩(wěn)定性動力學(xué)信號的實時軟測量。 ①駕駛員駕駛意圖的識別反應(yīng)速度，一致性，以及平滑性是駕駛?cè)藛T對系統(tǒng)的基本要求。識別駕駛員意圖的第一個方式是：轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角位置及駕駛員預(yù)期的橫擺角速度的識別。目標(biāo)橫擺角速度不必非常精確，因為控制器還使用汽車側(cè)偏角信息，決定系統(tǒng)的執(zhí)行輸出，也即汽車穩(wěn)定控制器對超出了汽車和路面的物理 極限的目標(biāo)橫擺角速度具有很高的魯棒性。 ②目標(biāo)側(cè)向運動頻率特性操穩(wěn)性控制系統(tǒng)的首要目標(biāo)：精確的操縱性和穩(wěn)定 性。該目標(biāo)通過阻止實際的目標(biāo)側(cè)向運動頻率特性和駕駛目標(biāo)之間的偏差實現(xiàn)。期望的側(cè)向運動頻率響應(yīng)包括：汽車橫擺角速度，側(cè)偏角，側(cè)偏角 剃度，以及道路的曲率半徑?；趧恿W(xué)控制的傳感器信號和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)ζ嚨募铀俣群蜋M擺角速度頻率特性做出預(yù)測。 ③汽車側(cè)偏角的預(yù)估車身的側(cè)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。由于汽車的側(cè)偏角是一個重要的控制變量，而且對應(yīng)傳感器的偏差，漂移，以及環(huán)境因素例如：道路的側(cè)坡，非常敏感，因此對這一變量的預(yù)估必須具有足夠的魯棒性。 Keiyu Kin 提出了輪胎側(cè)偏角口與汽車側(cè)偏角β的基本估算邏輯，輪胎側(cè)偏角估算精度為177。 0． 5 度，以區(qū)分在冰雪低附路面上的 1度 2 度的側(cè) 偏力飽和的側(cè)偏角。 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。μ的估算精度為 +0． 05。在 ESP 系統(tǒng)中，如果附著信號能夠得到的話，那么就可以將之作為控制系統(tǒng)的前饋環(huán)節(jié)，和橫擺角速度控制一起提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 4． 2 本論文 ESP 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu) 汽車電子穩(wěn)定控制的基本思想就是對臨界穩(wěn)態(tài)工況的控制來阻止汽車進入不可控的非穩(wěn)態(tài)，臨界穩(wěn)態(tài)是汽車的實際行駛的狀態(tài)變量值與采用線形化輪胎模型得到的參考狀態(tài)變量值的偏差來確定，而汽車的動力學(xué)穩(wěn)定性直接受橫擺力矩的影響，可以通過調(diào)整車輪縱向力來達到控制橫擺力矩的目的。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(xué)穩(wěn)定性。 首先由傳感器檢測出汽車運行狀態(tài) (如橫擺角速度、整車側(cè)偏角、側(cè)向加速度以及左右輪速差等 )實際值，然后由理想狀態(tài)模型計算出汽車運動狀態(tài)的名義值，當(dāng)實際值與名義值之差超過某 一極限時通過一定的控制邏輯和算法計算出所需要控制的橫擺力矩，然后由橫擺力矩計算出車輪的制動力，即通過對車輪施加制動力來達到控制汽車的橫擺力矩并改善汽車操縱穩(wěn)定性的目的。 PID控制算法 對于模擬控制系統(tǒng)，常規(guī) PID 控制 ， 由模擬 PID 控制器和被控對象組成。 其將偏差比例 (P)、積分 (I)、和微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量，并對被 控對象進行控制