汽车动力学控制系统
吴正明 (上海通用东岳动力总成有限公司)
【摘要】 汽车动力学控制系统是一种新型的主动安全控制系统,它是继防抱死系统和防滑控制系统发展起来的。文章详细介绍了它的原理,并通过仿真计算阐述它在汽车中的作用及发展状况和前景。
【主题词】 控制系统 动力学 汽车
车辆动态稳定性主要是指车辆行驶的方向稳
定性和抵抗外界侧向力的能力,它主要包括两个方面:操纵稳定性能和方向稳定性能。车辆动力学控制(VDC )是利用车辆动力学状态变量反馈来调节车轮纵向力大小及匹配,使车辆在各种路面和各种工况下都获得良好的操纵稳定性和方向性的一种新型主动安全控制技术。
1 车辆动力学控制原理
汽车在路面上行驶,其附着力要受路面条件的影响,当附着力达到附着极限时,车辆的动力学性能将发生改变。附着力包括纵向力和侧向力,当纵向力达到附着极限时,将影响车辆的驱动性能或制动性能,同理,当侧向力达到附着极限时就将影响车辆的侧向性能,也就会影响车辆的动力学稳定性能。侧偏力是由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力等的作用引起的,随之也产生侧偏角。从轮胎特性方面来说,随着侧偏角的增大,它与侧向力的关系也将发生变化,图1为某车辆侧向力与侧偏角在不同附着路面上的
关系,其中轮胎垂直载荷和轮胎的滑转率相同。
从图中可以看出,当侧偏角较小时,侧偏力基本与侧偏角成线性关系,但当侧偏角达到一定值时,侧偏力不再随侧偏角的增加,而是基本保持不变,达到饱和状态,也就是侧向力达到附着极限。从图中还可以看出,路面的附着情况不同,汽车达到饱和状态时的侧偏角也不相同,高附着路面轮胎的侧向力附着极限要比低附着路面高。汽车在路面
收稿日期:2004-06-
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图1 轮胎侧向力与侧偏角的关系
行驶,时常要作曲线运动,当侧向加速度比较小时,侧偏角也比较小,与侧偏力基本上成线性关系,当进行高速转弯或在滑路上转弯时,侧向力接近附着极限或达到饱和状态,车辆的转向特性将发生改变,一方面汽车处于失控状态,出现转向半径迅速减小或迅速增大的过多转向或不足转向过量的危险局面,从而导致侧滑、激转、侧翻或转向反应迟钝等丧失稳定性或方向性的危险局面;另一方面使驾驶员不能准确操纵而引起事故,一般来说,只有当汽车的响应如横摆角速度等与方向盘转角满足一种线性关系时,驾驶员才能正确地操纵汽车,而在极限行驶工况时,这种关系已变成一种非线性关系,驾驶员想适应这种关系是很困难的,也就引起事故的发生。
通过以上的分析可以看出,轮胎的非线性特性是车辆操纵性发生变化的根本原因,特别是在高速转弯和低附着路面上转向行驶,常常会使车辆失去控制,有关资料表明有43.1%的交通事故都是由于车辆丧失动力学稳定性造成的。车辆
动力学控制系统就是为了避免汽车响应的急剧变化的一种最新的主动安全系统,它尽可能减小各种因素对汽车操纵稳定性产生的不良影响,如在低附着路面上,汽车与预定轨迹的偏移量尽可能的小,汽车载荷、道路状况及侧风等的变化都不应对汽车产生过多的影响。它利用优化控制理论,使驾驶员的操作,即转向和制动始终处于最佳的组合状态,并能调节各车轮上的驱动或制动力矩、方向盘转角,从而对已经出现的不稳定状态进行修正,并能防止驾驶员的误操作对行驶稳定性产生的不利影响。
2 车辆动力学控制策略
通过以上分析和仿真计算,车辆的动态性能对车辆的安全是极为重要的,汽车在路面上行驶,经常要做转向行驶,为了保障行驶的安全性,非常有必要进行动力学控制。由于车辆动力学稳定性直接受横摆力矩的影响,所以进行动力学控制可以从两个方面入手,一是通过减小驱动力来增大轮胎侧向附着力,从而增强车辆抵抗外界侧向力的能力,这主要通过减小发动机输出扭矩(方法有减小节气门开度、延迟点火或减小喷油量等)来实现,同驱动防滑控制系统;二是通过施加外部横摆力矩来改善车辆行驶的方向性和稳定性,这可通过方向盘转角控制、驱动力控制和制动力控制来实现。但因车辆丧失动力学稳定性时,多是在侧向力已接近于轮胎与路面的附着极限条件下,此时很难再通过控制方向盘转角来产生改善车辆动力学稳定性的外部横摆力矩,所以方向盘转角控制在转向极限条件下对车辆动力学稳定性的改善并不显著。驱动力控制是指在驱动条件下减小驱动力来增大侧向力潜能,它在制动行驶条件下是无法应用的,而且它的控制效果也不明显。制动力控制在驱动行驶条件下是指在驱动轮上施加一定的制动力,在制动行驶的条件下是指减小制动力或合理的分配制动力,制动力控制在各种工况下都据良好的应用潜能,所以目前发展的动力学控制系统大都采用制动力控制。
车辆动力学控制系统的基本思想是通过对准稳定工况的控制来阻止车辆进入不可控的非稳定工况。当轮胎的侧偏特性进入非线性区域后,轮胎的侧向力不再与轮胎的侧偏角成线性关系,那么它将与采用线性关系计算的侧向力存在着一定的偏差,把采用线性模型计算的侧向力叫作名义侧向力,正是由于侧向力的偏差,从而导致实际的动力学变量如横摆角速度、侧偏角和侧向加速度等都存在着一定的偏差,而这些动力学变量是描述动力学稳定性的状态变量,所以通过检测这些变量的实际值与名义值之间的偏差,就可确定车辆的动态稳定程度,当该差值较小时,认为车辆的行驶状态是稳定的,当差值较大时,认为车辆已进入非稳定行驶状态,就要对车辆进行动力学控制,使其返回到稳定状态。这也是目前动力学控制系统主要采用的控制策略。
为了减少和避免汽车丧失动力学稳定性,发生严重交通事故,各国汽车公司很早就开始了车辆动力学控制系统的研究,到了90年代初取得了实质性的进展。目前世界上已应用的车辆动力学控制系统主要有以下一些系统:
(1)巴依尔汽车股份公司的DSC(动态稳定控制),DSC是1992年开发的,并安装在宝马850Ci 轿车上,到目前为止它研究经历了三代的发展历程。前两代DSC是在ABS/ASR的硬件基础上,加装了方向盘传感器,并把与横摆角速度成正比的内外轮轮速差作为控制变量,按照一定的控制算法来调节发动机输出扭矩或施加制动力矩来实现动力学控制,它的电子控制器是由博世生产;
(2)博世公司的VDC(车辆动态控制)。VDC 是于1995年投放市场的,它也是在ABS/ASR的基础上开发的,不但能够进一步提高ABS/ASR功能,而且能够实现动力学控制,它主要采用横摆角速度和车身侧偏角作为控制变量,并按一定的控制算法来控制发动机的输出扭矩或车轮的独立的主动制动力控制,从而实现对车辆的动力学控制;
(3)丰田汽车公司的VSC(车辆稳定控制)。VSC主要控制车辆在极限转向条件下操纵性和稳定性的,它的控制方式也是车轮独立制动控制,它主要以车身侧偏角和侧偏角速度作为控制变量。
此外,奔弛公司、尼桑公司及三菱公司等也都在开发自己的动力学控制系统,许多公司都削减了四轮转向系统(4WS)和四轮驱动系统(4WD)转而开发动力学控制系统,许多高级轿车已逐渐安装该系统,国内的一些高级轿车也已选装了该系
