汽车动力学控制系统研究进展

汽车动力学控制系统研究进展*博士 李 亮教授 宋 健(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)摘 要:汽车动力学控制系统(VDC)是采用电子控制技术提高汽车主动安全性能的重要研究成果,是当前汽车动力学的主要的研究领域。

通过对这一核心技术的研究,系统总结了VDC研究的关键问题:系统建模、控制策略、控制算法、控制器的开发研究、故障保护等,并提出了这一领域进一步研究的方向。

关键词:动力学控制系统 防抱死系统 牵引力控制系统 控制策略 控制算法 控制器The Progress of Vehicle Dynamics Control SystemPh.D LI LiangProfessor SONG Jian(Department of Automotive Engineering,Tsinghua University,Beijing100084)Abstract:T he vehicle dynam ics control sy stem is an important research p roduction,and is the m ain resear ch f ield o f the electr ic contr ol of the vehicle.By collection,classif ication and study of the achievements on VDC research and its pr oducts,the sy stem m odeling,control strategy,control arithmetic,the controller develop ment,malf unction and its saf eguards,p erf or mances ev aluation on the VDC are summariz ed.A nd the p erspective o f the VDC study is also discussed.Key words:vehicle dy namics control,anti lock brake system(ABS),traction control system(T CS), control str ategy,control arithmetic,controller1 汽车动力学控制的发展简介1.1 概述汽车动力学控制系统是汽车动力学及其电控的研究前沿。

不同的研发机构对其命名不同,Bosch 公司称之为汽车动力学控制(VDC),或汽车电子稳定程序(ESP);丰田公司称之汽车稳定性控制系统(VSC)、汽车稳定性辅助系统(VSA),汽车电子稳定控制系统(ESC);宝马公司称之汽车动力学稳定控*基金项目:国家自然基金项目(50175057)资助。

制(DSC);也有文献中称之为集成汽车动力学控制系统(IVD)。

这些技术大目标是相同的,仅在设计目标,控制策略,追求的性能上稍稍有些不同[1,2]。

为了能够从整车动力学角度对汽车进行自动控制,汽车动力学控制经过了从制动防抱死系统(ABS)到汽车牵引力控制系统(T CS),然后发展到动力学稳定性控制(VDC)的发展历程,逐渐实现了能够在各种工况下提高汽车的动力学性能 全部、部分制动,滑移,驱动,发动机反拖,换档以及从换档到反拖的瞬态过程,通过控制四个车轮的横向和纵向力的分布和幅度控制任何路况下汽车动力学运动模式[3],因此大大提高了汽车主动安全特性。

统计分析知:汽车动力学控制系统(VDC)能够降低50%的交通事故[4]。

欧洲事故调查中心对欧洲五国近五年交通事故进行了调查统计,结果表明: VDC能够对18%的交通伤害事故,34%的致命的交通事故产生一定的有利作用[5]。

1.2 ABS与TCS汽车稳定性的问题分为两种:一是汽车固有的不稳定性,二是在突发状况下驾驶人员的误操作。

良好的汽车动力学控制系统能够对这些误操作具有识别能力,提供正确的控制[6,7]。

ABS是最先出现的汽车主动安全控制系统,它通过电控单元控制电磁阀的瞬时开断,从而控制制动压力,调节制动时轮胎的滑移,以达到车轮与地面的附着系数最佳。

清华大学在这些方面做了大量的理论研究和实际的开发工作[8,9]。

与ABS的控制原理类似,TCS控制系统的目的在于对驱动过程中轮胎的滑转进行控制,从而使得汽车在驱动过程中获得较好的路面附着率。

TCS 可以在ABS的基础上增加一个油门踏板信号传感器,由两个隔断阀改装而成,其余的硬件布置形式和ABS类似[10],通过将测得的驱动轮滑移率与参照的汽车动力学模型进行对比,进行反馈控制。

调节的方式有发动机调节和制动力调节,具体采用哪一种控制方式和汽车具体的工况相关[11]。

1.3 汽车动力学稳定系统(VDC)ABS(包括T CS)控制的对象是轮胎的滑移,而VDC通过横向稳定控制和纵向稳定控制,实现汽车轮胎和路面的全部接触范围上的控制,如图1所示。

具体的操作方式就是当观测到不足转向发生时,进行主动的横摆力偶矩控制,减少不足转向;当观测到发生过多转向时,进行横摆力偶矩控制,减少过多转向。

VDC系统通过控制汽车的运动姿态,能够提高汽车在各种状况下的稳定性和操纵性:控制所有的关键的侧向动力学运动状态,获得最大安全性能;在驾驶员因为惊恐造成激转下时,主动控制转向程度,提高汽车的稳定性;提高汽车在各种工况下的稳定性和驱动性能;通过在物理参数限制范围之内操稳性的提高,使得普通的驾驶员能集中精力于交通状况;同ABS/ASR相比,提高了转向能力和稳定性[12]。

图1 ABS(T CS),VDC控制范围示意图图2所示为Bosch的VDC系统的控制模块简图。

可见,VDC系统集成ABS和TCS,增加汽车横摆角速度传感器,转向盘转角传感器,侧向加速度传感器组成一个控制系统[13]。

其它公司的VDC系统基本上都遵循这样的控制策略[14,15]。

图2 V DC控制模块的简图VDC系统控制策略的选择、控制变量的优化、控制器的开发研究、传感器的开发和应用,以及传感器的在线自检、执行机构的开发、系统失效的自检以及保护算法的开发等是汽车动力学控制领域研究的核心问题。

系统的性能、柔性,和不同类型汽车的匹配适应性、以及和相应的主动操控系统如主动悬架,主动转向的集成是目前研究的前沿。

在我国,汽车动力学稳定控制的研究刚刚起步,工作集中于理论分析的阶段上。

在这一方面,清华大学做了VDC 系统理论研究的一些前期工作,目前正在进行研究开发工作[16]。

2 V DC 的建模研究下面就VDC 研究中的系统建模、控制策略与控制算法、控制器的开发、系统性能的试验测试等方面国内外研究工作做一综述。

2.1 整车模型建立适合汽车动力学分析的汽车模型,是进行分析的关键。

在分析中采用的模型可以分为线性模型和非线性模型两类。

也可以根据分析的自由度数分类,在动力学仿真中主要使用的模型有以下几类。

2.1.1 单轮模型B.J.OLSON [13]在研究汽车牵引的时候,采用考虑纵向制动和加速的单轮模型(加速),分析汽车在纵向上受到牵引力,制动力的动力学工况。

这一模型主要应用在ABS 和TCS 的控制策略的开发上,如图3所示。

图3 单轮模型2.1.2 双轮自行车模型因为两轮模型结构相对简单,同时能够考虑到纵向,横向的运动控制,因此该模型是进行动力学仿真及控制器开发使用频率最高的一种模型。

研究人员基于两轮自行车模型,开发了汽车的侧偏角的估算算法[12];开发了汽车的动态道路倾斜角估算算法[17~20];侧向速度的估算算法[21];考虑悬架的影响,建立悬架模型,转向系统模型[22];考虑道路的侧倾,分析主动转向和横摆力偶矩控制联合作用的性能[23],建立了汽车控制器和状态观测器,用于制动和车身控制系统[24];并开发DSC 的最优控制器[25]。

由此可见,对于开发DSC 而言采用两轮模型具有以下优势:结构简单,运算量小,能够保证控制的实时性的要求。

因此双轮模型是进行DSC 控制策略的开发及控制算法的研究的基础。

2.1.3 四轮模型为了尽可能的接近汽车的实际情况,必须考虑悬架,轮胎,车身的非线性,以及汽车的动态非线性,因此在理论建模和分析过程中也有采用四轮多自由度汽车仿真分析模型。

七自由度模型是经常使用的分析模型,主要考虑的是簧上质量三个方向的运动,四个车轮的转动[26,27]。

如果加上转向控制,那么可以得到八自由度汽车模型[28]。

因为AYC 的控制策略通常基于汽车横摆平面模型,忽略下面的因素:俯仰,侧翻,垂直运动,故可以用14个状态变量的汽车平面运动模型,簧上质量六个变量,四个车轮转动四个变量,四个制动力矩变量,能够较为精确的反映汽车的动态特征[29,30]。

Kihong Park [31]采用这一模型开发了侧偏角的非线性的观测器。

Huiy i Wang [32]建立了包括车身子模型、车轮子模型、力子模型、轮胎子模型、发动机子模型传动系子模型,以及制度系统子模型与转向系统子模型在内的16DOF 的汽车动力学模型,进行仿真。

在一些汽车虚拟仿真设计的软件中采用了多体汽车动力学模型,如Yukio Watanabe [33]总共考虑了27DOF,分析汽车动力学特性。

Margolis [34]采用band graph 图,分别建立了刚性的汽车四轮模型,包括前轮转向、悬架的弹簧、阻尼和力执行机构、发动机的力矩,并考虑线性化的悬架模型的影响。

然后将这些模型结合在一起形成23个变量组成的一阶状态方程组,精确地描述汽车的运动学特性。

此外,也可以通过有限元建立汽车的数字模型,预测汽车的转向及传动的振动特性;或者利用Adams Car 建立汽车模型,分析操稳性[35]。

但这些模型目前还不能直接用在动力学控制中。

2.2 轮胎模型轮胎对汽车的动力学控制具有非常重要的影响,因为汽车的一切动力学控制的外力都是来自轮胎和路面的附着作用,因此轮胎模型和实际工况的符合程度决定了控制系统仿真分析及控制算法的精确性。

Pacejka tire model 模型是动力学仿真分析应用的主要的模型,为了解决该方法在非线性区间的偏差问题,提出了修正的Pacejka tire model 公式,即采用纵向和侧向相对滑移率的均方根作为修正的滑移率,计算轮胎的纵向和横向力[24,30,36]。

Brush model 仅考虑胎面弹性而将胎体视为刚性,该模型为深入理解和分析轮胎力学特性及其建模机理提供具体方法。

论文[37]在汽车动力学控制系统中采用了这一模型,得到近似的分析结果。

其余的轮胎模型有adequate tyre model[15],Lu Gre动力学摩擦模型[38],Dugoff tire模型[39],线性化的模型[40]等。