1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 汽车稳定性控制研究 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 汽车 运动 系统是一个模型阶次高、输入输出变量多的复杂系统，因此针对整个 运动 系统设计单一的控制器是不可行的。本文提出了一种基于多变量频域 控制方法的车辆底盘集成控制策略，协调控制车辆主动转向系统和主动制动系统。对典型多变量车辆系统进行分析，应用多变量频域控制理论设计底盘集成控制器，并利用 matlab 仿真平台进行典型工况仿真分析。结果表明，基于多变量频域控制方法的车辆底盘集成控制器能够消除主动转向系统和主动制动系统
2、之间的干涉和耦合，同时显著提高车辆操纵稳定性。 关键词 ： 汽车底盘系统 ； matlab；集成控制；仿真 - 3 - Abstract The automobile chassis system is a model of the input and output variables advanced high-lever of complex system, so in the whole chassis systems design single controller is not feasible. This paper puts forward a method based on m
3、ultivariate spectral control method of vehicle chassis integrated control strategy, coordination, and control vehicle active steering system and active braking system. For typical multivariable vehicle system, the paper application multivariate spectral control theory design chassis, and using integ
4、rated controller based on matlab platform with the simulation analysis on typical working conditions. The results show that based on multivariate spectral control method can eliminate vehicle chassis integrated controller active steering system and the interference between active braking system and
5、the coupling observably enhance, vehicle handling stability. Key Words: automobile chassis systems; matlab; Integrated control; simulation- 4 - 目 录 1 引言 . 1 1.1 车辆底盘集成控制系统研究背景概述 . 1 1.2 底盘集成控制技术研究现状 . 3 2 车辆底盘控制系统建模 . 7 2.1 车辆动力学模型建立 . 7 2.2 车辆轮胎力学模型的建立 . 10 2.3 车辆动力学仿真验证 .11 3 车辆底盘集成控制系统设计 . 12 3.1
6、 车辆底盘集成控制系统 . 12 3.2 底盘集成控制器设计 . 14 4 车辆底 盘集成控制系统 matlab 仿真 . 19 4.1 matlab 仿真步骤 . 19 4.2 车辆底盘集成控制系统联合仿真的参数设置 . 20 5 车辆底盘集 成控制系统仿真结果 . 22 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 24 附录 1 源程序清单 . 26 - 1 - 1 1 引言 1.1 车辆底盘集成控制系统研究背景概述 车辆的运动控制是指为了提高车辆行驶安全性、操纵稳定性和乘坐舒适性而对行驶车辆进行各方向的运动控制。其中，以提高车辆安全性为主的运动控制研究，一直是车辆动力学的一个主要研究领
7、域。在过去的十年中，车辆安全运动控制研究的最主要特征就是主动安全系统不断取代被动安全机构。例如，主动制动系统中的电液制动系统（ Electro-hydraulic Brake System， EHB），防抱死制动系统（ Anti-lock Braking System， ABS）和电子稳定 程序（ Electric Stability Program， ESP）；主动悬架控制系统中的空气弹簧系统（ Air Spring System， AS），连续阻尼控制（ Continuous Damper Control， CDC），主动侧翻控制（ Active Roll Control， ARC）与主动
8、车身控制（ Active Body Control， ABC）； 主动转向系统中的电动助力转向（ Electric Power steering， EPS），前轮主动转向（ Active Front Steering， AFS）， 后轮转向系统（ Rear Wheel Steering， RWS）等。其中，四轮转向系统（ Four Wheel Steering， 4WS），防抱死制动系统（ ABS）以及驱动力控制系统（ Traction Control System， TCS）等技术已逐步成熟，成为提高车辆操纵稳定性与主动安全性的主要手段。通过科研人员的不断努力下，车辆线控系统（ X-by-W
9、ire）也在不断试验研究当中，例如线控转向（ Steer-by-Wire， SBW）和电子机械制动系统（ Electromechanical Brake，EMB）等 2。 通常，人们在开发车辆控制系统的时候主要关心的是能否实现该系统本身所对应的控制目标，并没有过多考虑该系统被加入到整车运动控制系统中对于其它子系统性能的影响。这对于过去结构较为简单、功能有限的车辆来说是可行的。以往车辆各个控制子系统都是相互独立工作，或者说是传感器信息与控制命令都是并行运行的，各个子系统之间不存在信息共享与命令冲突问题。但是，随着车辆控制系统结构越来越复杂，传感器、执行器、通讯连接与微处理器等硬件也越来越多，一辆
10、普通的两轴汽车，- 2 - 2 它的运动自由度是有限的，对于车身，它的刚体运动模式为六自由度 ，考虑到发动机、传动系、车轮旋转和转向系统，车辆也仅有 20 多个自由度 3 5。所以，随着车辆控制子系统和执行机构的增加，并行的控制结构使系统之间不可避免地存在相互作用和功能冲突。例如，通过车轮制动力矩调整来控制车辆的过度转向或不足转向时就不可避免地会影响到车辆前向加速控制中发动机的牵引力控制。在转向工况中，主动侧倾控制（ ARC）所带来的车轮垂向载荷的变化也会影响到车辆的横摆力矩控制（ Direct Yaw Moment， DYC），从而影响到整个车辆的操纵稳定性 4。 最初，车辆设计人员尝试在实
11、现车 辆功能的基础上尽量降低控制系统的复杂度和减少不必要的执行机构来避免子系统之间的功能耦合现象。但是，这种方法又存在车辆功能实现和系统复杂度的矛盾。于是，车辆学术界在上世纪九十年代初提出了车辆运动集成控制系统（ Integrated Vehicle Motion Control System， IVCS）的概念。车辆集成控制系统的目标是在包含多种控制功能与执行机构的车辆底盘控制器中，设置一个控制系统（或称协调系统）来实现车辆的多目标控制，并消除控制目标之间的内在约束；通过执行机构与传感器信息共享来降低控制系统的复杂 度，降低车辆的制造成本；优化分配各子系统的控制动作，达到车辆的最佳动态性能；
12、提供规范的子系统模块接口，实现控制系统的模块化设计 7 8。 为了更加深入地理解集成控制对车辆操纵稳定性提高的影响，日本的Tanaka 教 授 等 人 对 一 辆 集 成 控 制 了 油 气 悬 架 （ Hydro-pneumatic Suspension， HPS）、四轮转向（ 4WS）、防抱死制动（ ABS）和驱动牵引力控制（ TCS）的车辆进行了纵向加减速和侧向稳定性试验，实验结果和非集成控制车辆做了比较，并用“摩擦圆”（ Friction Circle）的概念在“ G-G 图”（ G-G Diagram）中做了比较，。从图中可以看出集成控制车辆的纵向和侧向加速度极值增大，也就是说操纵性
13、能和侧向稳定性上都有了很大提高 11 13。 - 3 - 3 1.2 底盘集成控制技术研究现状 随着人们对车辆动力学认识的不断加深，各大汽车生产制造厂商如通用（ GM）、宝马（ BMW）、丰田（ TOYOTA）等的逐渐重视，以及微电子技术和传感器技术的飞速发展为复杂控制系统的实现提供了强有力的保证，在短短十几年中集成控制已从最初概念的提出逐步发展成为当前车辆动力学领域的一个重要研究分支。有资料指出，未来的汽车 行驶是车辆主动安全性、车辆自主导向性和驾驶舒适性的完美结合。这一目标的实现需要线控技术（ By-Wire）的不断发展和集成控制系统、故障诊断系统的更加完善。 对于操纵稳定性控制的研究，人
14、们最初是从车辆的后轮主动转向（ RWS，4WS）开始研究的，四轮转向汽车的出现，极大地提高了车辆的操纵稳定性。随着研究的不断深入，人们发现在车辆的侧向加速度和车身侧偏角较小，轮胎的侧偏力和侧偏角还处于线性关系时，四轮转向或前轮主动转向汽车可以取得良好的操纵稳定性。而当车辆处于紧急工况时，车辆的侧向加速度、车身侧偏角和横摆角速度都 比较大，四轮转向汽车的操纵稳定性并不能取得良好的性能。因为，此时轮胎的侧向受力已经趋于饱和，它的侧向力和侧偏角已经处于高度的非线性关系，单纯依靠车辆的四轮转向已经不能增 加车辆的侧向 力，提高车辆 的侧向操纵 稳定性了。而 日本学者Shibahata、德国学者 Van
15、 Zanten 等人同时也提出利用轮胎纵向力的线性范围大于侧向力线性范围的特性，通过调整车辆左右侧车轮纵向力的分配产生的横摆力矩来控制车辆的侧偏角、提高车辆的操纵稳定性，即车辆的横摆力矩控制（ Direct Yaw Moment Control， DYC； Vehicle Stability Control， VSC）。随着车辆横摆力矩控制研究的不断深入，在上世纪末德国的博世（ BOSCH）、日本的 TOYOTA 公司相继推出了自己的产品。如博世公司的电子稳定程序控制系统（ ESP）， ESP已经在一些高档轿车上得到了越来越广泛的应用，成为提高车辆主动安全性的主要手段之一。 在 ESP 得到越
16、来越广泛应用的同时，人们也认识到，由于车辆的横摆力矩控制并没有直接对轮胎所受的侧向力进行控制，而轮胎侧偏力在没有- 4 - 4 达到饱和之前，它的侧偏力控制却是提高车辆侧向稳定性直接的、有效的手段。因此，如何 通过车辆的四轮转向与横摆力矩的集成控制，分别利用轮胎的侧偏力和纵向力控制来弥补相互的不足，发挥各自的优点，提高整车的操纵稳定性就成为当前科技工作者的研究热点。与此同时，随着车辆转向系统、制动系统和悬架系统方面主动安全性研究的不断深入，三者之间的集成控制也得到了探索性的研究。 上世纪八十年代，人们在对车辆转向系统改进的研究中提出了电动助力转向的概念（ Electric Power Stee
17、ring， EPS）。 EPS 是在机械转向系统的基础上增加微控制器（ Electric Control Unit， ECU）、方向盘 扭矩传感器、车速传感器、发动机速度传感器、电机电流传感器、助力电机、电磁离合器和变速机构等组成。当驾驶员转动方向盘时，扭矩传感器输出扭矩信号至 ECU， ECU 根据此时的车速信号、发动机信号、电机电枢电流等信号，按一定的控制算法决定助力电机的旋转方向和电枢电流的大小，电机的助力扭矩通过电磁离合器和减速机构传递到转向柱上，从而完成实时助力转向。随着 EPS 系统研究的不断深入，日本、美国、欧洲相继开发出了自己的 EPS 系统，最近韩国和我国清华大学也宣布成功开
18、发出了自己的 EPS 系统。在 1992 年，日本的 Abe 教授等人 通过对侧倾力矩分配控制（ Roll Moment Distribution Control）的研究将垂向运动学控制引入到集成控制中 9。由于轮胎产生的侧偏力和轮胎所受的垂向载荷之间存在非线性关系，使得当车辆左右两侧车轮的垂向载荷差别较大时，整车所产生的侧偏力之和较小，因此可以通过悬架或横向稳定杆改变前后轴的侧倾刚度从而提高车辆的侧向稳定性。随后， Trychtler 等人对主动悬架的连续阻尼特性（ CDC）做了进一步的研究，认识到对车辆进行主动阻尼控制会改变轮胎的法向载荷，从而会影响到 ABS 的制动性能。例如， ABS制
19、动时，主动悬架为了减小车辆的俯仰会增加悬架的阻尼刚度，进而会增大轮胎法向力，减小 ABS 的制动距离。同时，主动悬架阻尼刚度的改变还会影响到车辆的主动侧倾控制（ Active Roll Control， ARC），而主动侧倾控制力矩的分布又可以影响车辆的横摆角速度。由此可见车辆各子控制系统之间是相互联系、相互作用，存在一定耦合关系地。 - 5 - 5 1996 年， Van Zanten 教授等人根据车辆的转向角、行驶速度、侧向加速度和轮胎纵向力估计值计算出车辆的参考横摆角速度。如果车辆的实际横摆角速度偏离了其参考值，车辆控制系统 会计算消除该偏离值所需要的横摆控制力矩 M z，并且该横摆控制
20、力矩由车辆的防抱死制动系统（ ABS）和驱动力控制系统（ TCS）来实现。该控制系统就是由博世公司在上世纪九十年代末实现的电子稳定程序控制系统（ ESP）， ESP 由 ABS 和 TCS 组成，当车辆的实际横摆角速度偏离参考值时， ESP 系统计算车辆的横摆控制力矩，并将该控制力矩转化为车辆轮胎上制动力矩的分配，通过 ABS 或 TCS 调整车轮上的制动压力或驱动力矩就可以实现参考滑移率的调整。 随着车辆主动安全控制系统的不断推出，如何管理和协调各个子系统之间的工作，让各子 系统更加有效地工作，使车辆获得更好的主动安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性就成了车辆集成控制首先要解决的问题。 2003
21、年博世公司的 Tr?chtler 和 Liebemann 对包括了主动前轮转向（ AFS）、主动侧倾控制（ ARC）和电子稳定程序控制（ ESP）联合作用的车辆动态控制系统（ Vehicle Dynamics Management， VDM），在 Audi A6 Quattro 上进行了初步实车试验，结果表明通过对 AFS、 ARC 和 ESP 的集成控制，车辆的主动安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性得到了较为 满意的效果。图 1 为博世 VDM 的控制结构图。如图 1-1 为车辆动态控制系统结构图： 图 1-1 车辆动态控制系统结构图 此外，还有学者对前轮主动转向和电动助力（ Electric
22、Power - 6 - 6 Steering， EPS）的集成、对主动转向与驱动力矩分配控制进行了研究。国内清华大学、吉林大学、上海交通大学、合肥工业大学、北京理工大学等学校也相继开展了车辆的操纵稳定性研究，发表了一些相关的学术论文，但是在产品的推出上还和国外有相当大的差距。迄今为止，对于提高车辆操纵稳定性为主要目标的集成控制系统研究中，主要集 中于以 4WS 和 DYC集成为主要研究对象，各国的车辆设计者围绕 4WS 和 DYC 的集成控制做了大量的研究工作 14 22。 在车辆操纵稳定性控制的研究中，许多学者都假设车辆的运动状态变量是可以直接测量的。实际上，车辆的许多状态变量是不可测量的，或者其测量代价及其高昂，例如车身侧偏角、轮胎摩擦力和地面摩擦系数等。为了用简单、经济的方法得到这些不易测得的状态变量，实现车辆控制系统的设计，许多学者都进行了车辆运动状态变量的估计算法研究。例如，日本的 Fukada 设计了基于模型和积分方法的车身侧偏角观测器，英国的Edwards 教授设计了车身侧偏角的滑模状态观测器，英国的 Wenzel 教授设计了多变量扩展对偶卡尔曼滤波器等。这些观测器设计方法的出现，提高了车辆控制系统设计的灵活性，节约了车辆制造成本 21。
