车辆动力学与控制
汽车工业中的车辆动力学与控制研究
汽车工业中的车辆动力学与控制研究汽车工业是一个涉及广泛领域的复杂系统，而车辆动力学与控制是其中至关重要的一环。
车辆动力学研究车辆在行驶过程中的力学特性，而车辆控制则是通过操控系统对车辆进行精准控制。
两者紧密结合，共同构成了汽车工业发展的核心。
一、车辆动力学在深入研究车辆动力学之前，首先需要了解什么是动力学。
动力学是研究物体运动的学科，而车辆动力学则是将物体运动的原理应用于汽车行驶的研究领域。
车辆动力学主要研究车辆在不同路况下的动力学特性，包括加速、制动、转向等。
在汽车工业中，车辆动力学的研究和应用有着广泛的意义。
例如，为了提高汽车的操控性能和安全性能，工程师们需要深入了解车辆在高速行驶、紧急制动等极端情况下的动力学行为，以便设计出更加安全可靠的汽车结构和操控系统。
二、车辆控制车辆控制是指通过操控系统对车辆的加速、制动、转向等行为进行调控，以达到用户期望的效果。
车辆控制系统通常包括传感器、执行器、控制器等部件，通过对这些部件的优化设计和组合，实现对车辆行驶过程的精准控制。
在汽车工业中，车辆控制技术的发展对汽车性能的提升有着重要作用。
比如， ABS（防抱死制动系统）技术可以通过对车辆刹车时的制动力进行控制，防止车轮抱死，提高了汽车的稳定性和安全性；ESP （电子稳定程序）技术则可以通过车辆行驶过程中对转向力的调控，保持车辆的稳定性和操控性能。
三、车辆动力学与控制研究的发展趋势随着汽车工业的不断发展，车辆动力学与控制研究也在不断取得新的突破。
未来，随着自动驾驶技术的逐步成熟，车辆动力学与控制方面的研究将更加注重对车辆行驶过程的智能化和自动化。
同时，随着电动汽车技术的快速发展，车辆动力学与控制研究也将在电动汽车领域拓展出新的研究方向。
总的来说，汽车工业中的车辆动力学与控制研究对汽车的操控性能、安全性能和智能化发展起着举足轻重的作用。
只有不断深入研究和创新，才能推动汽车工业朝着更加安全、智能和人性化的方向发展。
车辆动力学控制
车辆动力学控制
车辆动力学控制是指通过控制车辆的行驶轨迹、转向、加速、制动等
行为，来提高车辆的稳定性、安全性、舒适性等方面的能力。
其中，动力学控制系统主要包括以下几方面：
1.制动控制系统：通过控制车轮的制动力分配、制动压力的调节等方式，来实现车辆的制动性能调节。
2.转向控制系统：通过控制前后轮的转向角度、转向力矩等方式，来
实现车辆的转向性能调节。
3.车身稳定控制系统：通过控制车辆的悬挂系统、减震系统、电控制
动系统等方式，来提高车辆的稳定性和路面附着力。
4.车速控制系统：通过控制车辆的动力系统，如发动机控制单元、变
速器控制系统等，来调节车辆的行驶速度。
总的来说，车辆动力学控制系统是现代汽车电子技术的重要应用，它
以提高车辆的安全、舒适和经济性为目的，为现代汽车的智能化、高效化、环保化提供了重要的支撑。
高速列车车辆动力学与稳定性控制
高速列车车辆动力学与稳定性控制近年来，随着交通运输的发展和人们对出行速度的追求，高速列车成为了现代化交通的重要组成部分。
高速列车的安全性和稳定性对于乘客的出行体验至关重要，而其中一个关键因素就是车辆动力学与稳定性控制。
本文将探讨高速列车车辆动力学和稳定性控制的相关问题。
一、高速列车车辆动力学在理解高速列车车辆动力学之前，首先需要了解列车的基本组成部分。
一辆高速列车主要由机车头和多节车厢组成，其中机车头负责牵引整个列车的运行。
在列车运行过程中，机车头需要提供足够的牵引力来推动列车前进。
而列车的车辆动力学则是指列车在运行过程中受到的各种力的相互作用和影响。
这些力包括摩擦力、气动力、惯性力等等。
对于高速列车而言，牵引力和阻力是最主要的两个力。
牵引力来自机车头，而阻力则来源于列车本身的重量以及空气的阻力等。
牵引力的大小取决于机车头的动力性能、轮轨摩擦系数以及列车的运行速度等因素。
为了确保列车的正常运行，高速列车的车辆动力学需要在各种工况下进行充分的分析和计算。
例如，列车在起步和刹车过程中所受到的牵引力和阻力是不同的，需要根据运行状态进行相应调整。
二、高速列车稳定性控制除了车辆动力学，高速列车的稳定性控制也是十分重要的。
稳定性控制的目标是确保列车在各种运行情况下都能保持平衡和稳定，避免出现侧翻、脱轨等危险情况。
高速列车的稳定性控制主要包括以下几个方面。
首先，需要确保列车的车体结构能够承受外界各种力的作用。
高速列车的车辆结构设计需要充分考虑列车在高速运行时所受到的风压、空气动力学效应等因素，并采取相应的措施来加强车体的刚度和稳定性。
其次，高速列车的悬挂系统也起着重要的作用。
悬挂系统能够减小列车车体与轮轨之间的震动，提高列车的舒适性和稳定性。
目前，常见的高速列车悬挂系统主要包括气弹簧悬挂、液压悬挂以及电磁悬挂等。
另外，高速列车的稳定性控制还需要考虑列车的制动系统和转向系统。
制动系统的设计和调整对于列车的安全行驶至关重要。
新能源汽车的动力学建模与优化控制
新能源汽车的动力学建模与优化控制随着全球对环境问题的日益关注，新能源车已成为汽车领域的热门话题。
而新能源汽车的核心技术之一便是动力学建模与优化控制。
本文将着眼于此，对新能源汽车的动力学建模与优化控制进行探讨。
一、动力学建模动力学建模是指将车辆的物理特性转化为数学模型，以便在模型中进行动力学仿真与预测。
在新能源汽车发展初期，常常采用传统的机械模型进行建模，而现在则更多地应用基于控制理论的系统动力学建模。
在新能源汽车的动力学建模方面，电池模型是最为关键的一个环节。
电池模型的精确程度会极大地影响到对新能源汽车性能参数的预测与优化控制。
当前应用较为广泛的电池模型包括电化学-热力学模型、累积电量模型以及RC网络模型等。
此外，在新能源汽车动力学建模中，还需要考虑车辆动力匹配和电机控制系统的问题。
有一些研究将IC与EM共同看作混合动力总体的动力源，建立了复杂的混合动力系统数学模型，并针对不同使用条件进行了优化设计。
二、优化控制新能源汽车的优化控制是指通过控制系统实现对整车性能的优化，从而达到提高效率、降低能耗、增加续航里程等多个目的。
当前新能源汽车的优化控制方法主要包括以下几种：1. 能量管理策略控制能量管理策略控制是指通过对车辆电池状态进行实时监测与预测，根据动力需求对车辆进行节能控制。
目前应用较多的策略控制方法包括基于最大化续航里程的电池剩余能量控制和基于最大化效率的功率控制。
2. 智能化驾驶控制智能化驾驶控制旨在通过车辆与环境信息的获取与分析，实现自主化的驾驶。
该控制方法主要包括自适应巡航控制、自动泊车控制和车道保持控制等多种技术手段。
3. 车辆动力输出控制车辆动力输出控制是指通过对车辆的电机控制系统进行优化，以实现对动力输出轻重适度控制，提高车辆的驾驶稳定性。
该控制方法主要包括电机RMS电流控制、自适应前馈控制和预测控制等。
三、问题和挑战在新能源汽车的动力学建模和优化控制方面，仍然存在一些问题和挑战。
汽车动力学及其控制
汽车动力学及其控制
汽车动力学是研究汽车在运动状态下的力学、运动学和振动学等现象的学科，它涉及到汽车的加速、制动、操纵等方面的问题。
汽车动力学的主要目标是理解和优化汽车在不同工况下的运动性能，以提高驾驶安全性、舒适性和燃油经济性。
汽车动力学的主要内容包括：
汽车运动学：研究汽车的运动状态，包括速度、加速度、位移等。
这涉及到汽车的运动方程、轨迹规划等内容。
汽车力学：研究影响汽车运动的力，包括引擎产生的推进力、刹车产生的阻力、轮胎与路面之间的附着力等。
汽车力学是汽车动力学中的一个核心领域。
操纵稳定性：研究汽车在操纵过程中的稳定性，包括横向稳定性（转向稳定性）、纵向稳定性（加速度和刹车时的稳定性）等。
汽车振动学：研究汽车在运动过程中的振动问题，包括悬挂系统、车辆舒适性、悬挂系统的调校等。
汽车动力学与控制是将控制理论和方法应用于汽车动力学问题的学科。
在汽车动力学中，控制的目标通常包括提高汽车的稳定性、操纵性、燃油经济性等。
汽车动力学及其控制的关键问题包括：
动力系统控制：包括发动机控制、传动系统控制等，旨在优化动力系统的性能和燃油效率。
悬挂系统控制：通过主动悬挂系统，调整车辆的悬挂刚度和阻尼，
以提高操纵性和舒适性。
刹车系统控制：通过防抱死刹车系统（ABS）等，提高刹车的效果和稳定性。
车辆稳定性控制：通过电子稳定控制系统（ESC）等，提高车辆在横向运动中的稳定性。
巡航控制：通过巡航控制系统，实现汽车在高速公路上的自动巡航。
汽车动力学及其控制在现代汽车工程中起着重要作用，它不仅关乎车辆性能的提升，还涉及到驾驶安全、能源利用效率等方面的问题。
高速列车的车辆动力学建模与控制系统设计
高速列车的车辆动力学建模与控制系统设计随着科技的不断进步与发展，高速列车成为了现代交通领域的重要组成部分。
高速列车的车辆动力学建模与控制系统设计是确保高速列车运行安全性和效率的关键。
本文将对高速列车的车辆动力学建模和控制系统设计进行介绍和探讨。
首先，高速列车的车辆动力学建模是指对列车运行过程中所涉及到的各种力学和动力学参数进行数学建模和模拟。
这使得我们能够更好地理解高速列车的行驶特性和力学行为，从而为控制系统设计提供基础。
车辆动力学建模主要涉及以下几个方面。
首先，对高速列车的运动参数进行建模。
包括列车的速度、加速度、位置等参数的建模，以及与运动相关的各种力的作用，如风阻、摩擦力等。
这些参数的准确建模可帮助我们理解列车的加速度和制动过程，从而更好地掌握列车的动力学特性。
其次，对高速列车的车辆结构进行建模。
列车是由多个车厢和车轮组成的复杂系统，每个车厢和车轮都有其独特的动力学特性。
因此，需要对列车的车体、车轮和车辆连接装置进行建模，以捕捉列车在运行过程中的动态行为。
这有助于我们理解列车的振动和稳定性问题，并为系统控制设计提供数据支持。
最后，对高速列车的牵引系统进行建模。
牵引系统是列车的主要动力来源，其中包括发动机、电机、传动装置等。
牵引系统的建模对于理解列车的动力性能和功率传递过程至关重要。
它可以帮助我们了解列车的加速度和制动能力，以及优化系统效率和能耗。
在进行车辆动力学建模的基础上，高速列车的控制系统设计成为确保列车安全运行的关键所在。
控制系统设计主要涉及以下几个方面。
首先，高速列车的速度和位置控制。
通过对车辆动力学建模的研究，我们可以了解列车的速度和位置对于系统稳定性和乘客舒适度的影响。
因此，在设计控制系统时，需要考虑如何使列车在预定路线上保持稳定的速度和位置，以确保高速行驶的安全和效率。
其次，高速列车的制动控制。
由于高速列车具有较大的质量和惯性，制动过程需要经过精确的控制。
制动控制系统可以根据列车的实时速度和位置信息，精确计算制动力的大小和持续时间，以实现均衡和安全的制动过程。
车辆动力学及控制技术
车辆动力学及控制技术车辆动力学是一门研究汽车运动状态的学科，掌握它可以提高汽车行驶的安全与舒适性。
在现代汽车技术中，控制技术的作用越来越重要，它能在很大程度上降低事故发生的概率。
因此，掌握车辆动力学及控制技术至关重要。
一、车辆动力学车辆是一个复杂的物体，为了掌握车辆动力学，需要先学习物理、力学和数学等基础学科。
车辆动力学运用牛顿的三大定律，分析车辆运动中的各种力的作用情况以及相互之间的关系。
这些力包括：重力、液体阻力、气流阻力、摩擦力等等。
除了车辆自身的运动状态，外部环境对车辆行驶也有很大的影响，如：路面状况和环境温度等。
所以，车辆动力学需要根据不同的环境自适应，对于特殊的情况，我们需要采取一些特殊的措施来防止车辆失控。
二、车辆控制技术在当今高科技和智能领域，随着车辆的智能化发展，车辆控制技术成为了汽车行业的一个重要方向。
车辆控制技术是一门跨学科的学科，涉及到计算机科学、自动化技术、机械工程、电子技术和通信技术等学科。
这些技术可以确保车辆在高速公路和其他道路上稳定行驶，可靠地获得能耗优化，提高燃油经济性和减少环境影响。
车辆控制技术的主要形式有车辆动态控制系统、自适应巡航控制系统、车身稳定控制系统等等。
其中，车辆动态控制系统包括牵引力控制和刹车力控制，主要用于提高行驶的性能和安全性；自适应巡航控制系统则是在保证安全的前提下，使车辆能够自动加速、减速和跟随其他车辆；车身稳定控制系统通过减小侧滑、过度转弯和侧翻风险等，提高汽车的安全性和耐久性。
三、车辆动力学与控制技术的发展趋势车辆动力学与控制技术是一门不断发展的学科，它在现代汽车工业中扮演着越来越重要的角色。
针对未来汽车智能化与环保的趋势，未来车辆动力学与控制技术的发展很可能呈现以下几个特点。
首先，车辆智能化和自主驾驶将成为车辆动力学与控制技术发展的重要趋势。
这将涉及到感知技术、决策技术和执行技术等方方面面。
其次，汽车的轻量化将是未来的主流方向，新型材料的出现将会降低车辆的重量，在保证质量的同时减少对环境带来的影响。
车辆工程专业的学科结构与发展趋势
车辆工程专业的学科结构与发展趋势车辆工程专业作为工程学科中的重要分支，致力于研究汽车和其他交通工具的设计、制造、运行和维护等方面的技术。
随着交通工具的不断发展与进步，车辆工程的学科结构也在不断调整与更新，以适应不断变化的市场需求与科技进步。
本文将主要探讨车辆工程专业的学科结构以及发展趋势。
一、车辆工程专业的学科结构车辆工程专业的学科结构可以分为以下几个主要方向：1. 汽车工程：汽车工程是车辆工程专业中最核心的学科方向之一。
它涵盖了汽车的整车设计、车身结构与材料、动力系统、底盘悬挂、车辆传动、车辆控制等方面的内容。
随着汽车行业的快速发展，汽车工程的研究重点越来越注重汽车绿色化、智能化和自动化。
例如，研究电动汽车、智能驾驶技术、自动驾驶系统等。
2. 内燃机工程：内燃机工程是车辆工程专业中的重要学科方向之一。
它研究的是内燃机的原理、结构、燃烧和排放等问题。
随着对环境保护的要求逐渐增加，在内燃机工程中，研究如何提高功率输出、降低燃油消耗和减少尾气排放成为了重要的研究方向。
3. 车辆电子与智能化：随着信息技术的迅速发展，车辆电子与智能化的重要性日益凸显。
这一学科方向主要研究车载电子系统、智能车辆控制、车联网等技术。
例如，研究车载通信系统、智能驾驶辅助系统、智能交通系统等。
4. 车辆材料与结构：车辆材料与结构的研究主要涉及到车身材料、车身结构设计、车辆安全与碰撞等方面的内容。
目前，研究的重点在于如何提高车辆的轻量化、节能减排、安全性等方面。
5. 车辆动力学与控制：车辆动力学与控制是汽车工程中的重要学科方向之一。
它研究的是车辆的运动学、动力学、操纵性能、车辆稳定性控制等问题。
随着智能化技术的迅速发展，车辆动力学与控制的研究也越来越侧重于智能驾驶系统、主动悬挂系统等方面的内容。
二、车辆工程专业的发展趋势1. 新能源汽车发展：随着对环境保护的要求不断提高，新能源汽车成为了汽车行业的重要发展方向。
研究与开发纯电动汽车、插电式混合动力汽车等成为了车辆工程的研究热点之一。
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6
2 MIL、HIL与实车平台建设
目录
第7页
硬件在环试验平台
台架功能定义: ➢ 可进行轮缸压力控制算
法的开发与验证； ➢ 可进行包含HCU底层控
液压泵站 电动真空泵
手动换向阀
液压力传感器
制动主缸 踏
板
踏板
力
位移
传
传感
感
器
器
操纵机构
方向盘
油门踏板
方向 盘转 角传 感器
踏板 位移 传感 器
0
-1
0
2
4
6
8
10
时间/s
0.1
fl
fr
rl
rr
2000
0.05
0 0
滑移率
横摆力矩/N m
-2000
-0.05
需求值
实际值
-4000 0
2
4
6
8
10
-0.1 0
2
4
6
8 10
23
时间/s
时间/s
控制分配算法
滑移率控制
分离附着系数路面加速与紧急制动仿真 工况设置如下：
策略仿真
Road
Vehicle
究》
4
基于液压执行器的车辆稳定性控制研究现状
现有研究成果： • 以黑箱模型研究液压力输入输出的关系； • 对各个部件进行理论分析，然后再对整
体系统进行分析； • 有比较成熟的仿真建模技术路线。
存在的不足： • 多以单路液压力介入为控制逻辑，未考虑四路液压力的优化控制； • 基于经验模型的液压力控制精度不高，有必要对轮缸建压过程进行理论分
abs(Tca ) abs(Tsc ) and abs() abs(ref ) threshold 2
Y Slip _ Switch 0 Tout Tca
22
控制分配算法
滑移率控制
策略仿真
蛇形工况仿真
工况设置——初始车速95km/h，路面附着系数0.85。
2
参考值
有控制
1
无控制
实车试验
横摆角速度/(rad/s)
车辆
纵向力 估计
路面附着 系数估计
垂向载 荷估计
轮胎侧偏 角估计
参数辨识模块
采用模型跟踪控制思想，设计分层控制策略，控制策略包括运动跟踪 控制层与控制分配层。
15
运动跟踪控制层设计
带质心侧偏角约束的二自由度参考模型
ref
min
k( threshold ) , limited
sgn( )
Fxrl
Fxrr
b
lr
M zd
Fxfl
b 2
Fxfr
b 2
Fxrl
b 2
Fxrr
b 2
Fxrr
对上述方程离散化后可得横摆力矩增量方程：
实车试验
δ Fxfl
lf
Fxfr
M zxT (t 1) M zxT (t) M zxT M zxT BzxFx BzyFy
其中： Fx Fxfl Fxfr Fxrl Fxrr T
比传统汽油发动机车效率高 155%；比传统的单电机集 中驱动型电动汽车效率高
19%-42%
主动安全性能
节能性能
分布式驱动电动汽车：结构紧凑、传动高效、扭矩与转速可知、响应快。
课题来源
• 国家973计划《高性能分布式驱动电动汽车关键基础问题研究》 • 国家自然科学基金《极限工况下四轮电动轮驱动电动汽车转矩分配控制研
&ref
k1
最优驱动滑移率与最优制动滑移率之间的关系为：
d _ ref
b _ ref b _ ref 1
21
控制分配算法
滑移率控制
策略仿真
实车试验
滑移率控制算法与控制分配算法切换逻辑
切换逻辑包含两个方面： ➢ 当前滑移率小于最优滑移率
时，输出控制分配的力矩； 当前滑移率大于最优滑移率
ref
IInniittiiaalliizzaattiioonn Slip _ Switch 0
制单元的ESC控制策略 的开发与验证； ➢ 可进行分布式驱动电动 汽车电机系统与液压系 统联合稳定性控制策略 的开发与验证。
执行 机构
轮缸X4
ESP
液压 力传 感器
电机驱动器
电磁阀驱动器
电磁阀电流传感器 电机电流传感器
液压 力传 感器
8
实时 平台
NI PXI 设备
上位机
显示器
试验平台建设——实车试验平台
设计滑模控制率： u (X ,t)sgn(S)，(X ,t) 0
由滑模到达条件 S S可&得0 ：
( X ,t) Jz F a0
F
1 Jz
(Fyf
( f
, Ffz , ) l f
Fyr (r , Frz , ) lr ) &d e
16
控制分配算法
滑移率控制
策略仿真
实车试验
控制分配问题数学描述
车辆动力学与控制——分布式电驱动车辆的稳定性控制
1 课题背景 2 MIL、HIL与实车平台建设 3 基于电机执行器的稳定性控制策略 4 基于电机与液压联合的稳定性控制策略
目录
第2页
1 课题背景与现状
目录
第3页
课题背景
节能环保是当今 汽车发展的主题
ESC挽救5000-8500个生命/年； 减少30%正面碰撞；减少80% 由侧滑引起的交通事故；减少 50%交通事故
MzxT
Bzx
Bzy
f
yx
Fx
Bzy l f
lf
lr lr
Bzx
b 2
b 2
b 2
b 2
通过效率矩阵的实时更新实现对轮胎横纵向力耦合的定量考量，提高 控制分配的效率。
19
控制分配算法
滑移率控制
策略仿真
实车试验
优化目标设计 以加权轮胎利用率平方和最小为优化目标：
min
J
4 i1
Ci
Fx2i
S e k0
edt
0
mw
Tm
R
Fd
Fz
由上式可知：
S
S&
S
பைடு நூலகம்
(e&
k0e)
S
(k0e
Fˆd R J wh
&ref
1 u) J wh
S
k0e
Fˆd R J wh
&ref
S 1 u J wh
设计滑模变结构控制输入：
u (,t)sgn(S)
由滑模面到达条件可知：
(, t )
J wh
k0e
Fˆd R J wh
(i Fzi )2
约束条件分析
Ci
1
Fzi Fzi _ const
考虑电机外特性约束，电机速率约束，路面附着约束：
uuu
u
max(
Ti
max
r
(k
)
Fxi
(k
1),
Fzi
(k
)
Fxi
(k
1),
T&i max r
t
)
u
min(Timax (k) r
Fxi (k
1),
Fzi (k)
Fxi (k
1), T&imax t ) r
Bu(t) v(t)
右前轮 合力
右前轮纵向力
umin (t) u(t) umax (t) u&min (t) u&(t) u&max (t)
车辆的行驶工况复杂，轮胎力 受路面附着系数、载荷转移、执 行器等约束。控制分配层的主要 目的是将广义力合理且优化的分 配给四个电机执行器，且在电机 执行器发生故障的情况下，能够 实现系统重构，利用非故障电机 实现车辆的稳定性控制。
1.5
2 f
n
2 p
J
仿真结果 试验结果
6
7
8
时间/s
永磁同步电机简化模型：
Gs
s2
13s 10260 1010s 10200
e0.004s
12
分布式驱动电动汽车整车模型：
0.8
横摆角速度/(rad/s)
0.4
0
-0.4
试验值
仿真值
-0.8
0
5
10
15
时间/s
0.8
横摆角速度/(rad/s)
基于CARSIM与MATLAB软件搭建
min( , limited )sgn( )
threshold threshold
滑模变结构运动跟踪控制算法
车辆动力学方程： 滑模面：
&
1 Jz
(Fyf
( f
, Ffz , ) l f
Fyr (r , Frz , ) lr )
1 Jz
u
t
S( X ,t) e 0 edt
其中 e d
左前轮 侧向力
左前轮 纵向力 左前轮合力 车速
横向车速
左后轮 侧向力
右前轮 侧向力
纵向车速 横摆角速度
轮胎力附着圆 轮胎力利用区域
右后轮 合力
右后轮 纵向力
右后轮纵 向力
左后轮 合力
左后轮 纵向力
17
控制分配算法
滑移率控制
策略仿真
效率矩阵设计
由车辆的受力分析可知：
Fxrl
Fxd
Fxfl
Fxfr
12 m 13.5 m
11 m
12.5 m
析。
5
基于电机执行器的分布式驱动电动汽车稳定性控制研究现状