汽车动力学控制系统
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。
汽车系统动力学第13章 转向系统动力学及控制
□ 第一节 概述 □ 第二节 转向系统振动分析 □ 第三节 四轮转向系统 □ 第四节 电动助力转向系统 □ 第五节 主动前轮转向系统
第一节 概述
转向系统的功能是遵循驾驶人的输入指令使转向轮转向,以获得 总体上的车辆方向控制。从前面的章节中可知,在车辆转向过程 中,实际获得的转向角不仅与转向系统的结构有关,还与悬架系统 的结构及其与转向系统之间的相互作用有关。本章首先简单介 绍转向系统的结构及转向几何学,然后根据转向系统动力学的分 析要求,分析转向系统的振动及其与悬架的耦合振动问题,包括一 个线性分析实例和应用分岔理论的非线性分析实例。最后,以两 自由度操纵动力学模型为例,介绍三种典型的转向控制系统:四 轮转向系统、电动助力转向系统和主动前轮转向系统。
第三节 四轮转向系统
三个不同系统的操纵动力学响应 a)转向盘转角输入 b)侧向位移对比曲线 c)横摆角速度对比曲线 d)侧偏角对比曲线
第四节 电动助力转向系统
一、概述 电动助力转向(Electrical Power Assisted Steering,EPAS)是一种由电动机提供直接辅助转矩的动力 转向系统,其系统组成如图13-26所示。电动助力转向的基 本原理为:转矩传感器与转向轴(或小齿轮轴)连接在一起,当 转向轴转动时,转矩传感器把输入轴和输出轴在扭杆作用下 产生的相对转动角位移变成电信号传给电控单元 (ECU),ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号控制电动 机的旋转方向和助力大小,实时控制助力转向。因此它可以 很容易地实现在车速不同时提供电动机不同的助力效果,保 证汽车在低速转向行驶时轻便灵活,高速转向行驶时稳定可 靠。
第三节 四轮转向系统
二、转向运动学与动力学分析 1.几何运动学分析 提高车辆低速行驶的机动性能是4WS系统最显而易见的特点。 下面以单轨两自由度线性转向模型为例,简单分析4WS车辆在 低速反向转向时的几何运动学关系。 如图13-20所示,假设4WS系统对后轮转向的控制策略为δr=ξδf(其中ξ>0,为前、后轮转向角的比例系数,公式前面的负号表 示前后轮转向方向相反),与传统的FWS车辆相比,4WS车辆在 反向转向时,车辆的转弯半径会有所减小,且减少了跟踪误差。 若假设方向相反的前、后转向角非常小,转弯半径足够大(即 R≈R0),并考虑小转角条件下的近似关系(如tanδ≈δ),则存在图 13-20所示的几何关系,即:
汽车系统动力学
汽车系统动力学
1 什么是汽车系统动力学
汽车系统动力学是一个新兴的技术领域，它是汽车技术的分支，
专注于研究和设计汽车系统的总体行为。
该领域主要关注汽车的运动
规律、动力学和控制特性。
汽车系统动力学的研究旨在发展改善汽车
性能并适应日新月异的技术变化和社会需求。
2 动态特性
汽车系统动力学考虑多个机械系统的动态行为，以全面评估和调
整车辆的性能。
它是建立汽车的核心内容，涉及汽车的悬架系统、动
力系统、发动机、传动系统和控制系统的研究与设计。
动力学技术可
以通过实验和数值分析的方法，精确计算车辆的动力和运动特性，提
高车辆的整车性能，提高可靠性和安全性。
3 模拟与控制
把汽车系统抽象化，建立一个车辆动力学模型，可以使研究者以
虚拟的方式实现无限的试验。
运行模拟，发现汽车的动力和控制问题，这也是汽车技术发展中不可替代的方法。
同时，采用模拟技术可以大
大减少汽车系统开发周期。
4 汽车系统动力学的未来发展
汽车系统动力学是一个容易引起现代技术的新领域，随着技术的
不断更新，汽车系统动力学也在发生变化，多层次有趣的课题正在研
究，比如自动驾驶系统的研究，发动机的新能源研究等。
由于其独特
的特性，汽车系统动力学还可以发展到其他领域，如人体工程学，机
器人及空间科学等，将更多新奇的机器人及汽车系统动力学应用于日
常生活中。
汽车系统动力学融合了物理学、数学、机械工程，以及一系列的
有关技术，是一个全新的领域，它将与日俱增，未来有很大发展潜力。
动力学控制系统中的鲁棒性研究
动力学控制系统中的鲁棒性研究1. 引言动力学控制系统广泛应用于机器人、飞机、汽车等自动化系统中。
这类系统具有参数变化和扰动等不确定性，对系统的控制产生了挑战。
因此，在动力学控制系统中鲁棒性研究是一个重要的研究领域。
本文将介绍动力学控制系统中的鲁棒性研究。
2. 动力学控制系统动力学控制系统是由动力学方程描述的系统，其基本形式为：$$\dot{x} = f(x,u)$$其中，$x$表示系统状态变量，$u$表示控制输入，$f(x,u)$表示状态变化率。
动力学控制系统具有高度的非线性性和复杂性，例如：机器人、汽车、飞行器等。
3. 鲁棒性概述鲁棒性是指系统对于未知扰动和参数变化具有稳定性和可控性。
鲁棒性的研究是一个重要的和实用的工程问题。
在动力学控制系统中，鲁棒性是在模型不确定性下对系统进行控制的能力。
4. 鲁棒控制方法4.1 鲁棒控制定义鲁棒控制是一种保持系统稳定和满足性能要求的控制方法，即使在不确定和随机环境下也能确保系统的可控性和可观性。
4.2 鲁棒控制常见方法(1) $H_\infty$ 控制：是一种常用的鲁棒控制方法，可处理具有有限频率和无限频率不确定性的系统。
(2) $μ$ 合成控制：该方法将控制器设计与系统不确定性和性能要求明确联系起来，使得控制器能够提供所需要的鲁棒性和性能。
(3) 自适应鲁棒控制：是一种能够应对不确定性的变化来保持系统稳定的控制方法。
5. 鲁棒控制在动力学控制系统中的应用动力学控制系统是复杂的、非线性的，具有较大的不确定性和非线性因素。
在该系统中，鲁棒控制方法是一种重要的研究方向。
5.1 $H_\infty$ 鲁棒控制在动力学控制系统中的应用$H_\infty$ 鲁棒控制方法广泛应用于动力学控制系统中，其目的在于设计一个控制器，使得系统的输出稳定，且被控制器产生的鲁棒性最大化。
5.2 自适应鲁棒控制在动力学控制系统中的应用自适应鲁棒控制是另一种在动力学控制系统中广泛应用的方法。
新能源汽车动力系统的优化设计与控制
新能源汽车动力系统的优化设计与控制近年来，随着环保意识的不断提高，新能源汽车已经成为了社会热门话题之一，而新能源汽车的核心技术之一就是动力系统。
动力系统的表现直接影响到新能源汽车的性能，因此，如何优化设计和控制动力系统，是目前众多初创企业和大公司追逐的共同目标。
一、动力系统构成新能源汽车动力系统由三个主要部分组成：电池、电机和电控系统。
其中，电池是动力系统的“心脏”，其性能直接决定了新能源汽车的续航里程和动力输出。
电机则是将电池储存的能量转化成机械动能的核心零部件，一般由两个主要组成：转子和定子。
电控系统则负责协调电池和电机之间的能量转化和传输，并且通过控制系统实现新能源汽车的稳定性控制、能量回收等功能。
二、动力系统优化设计1. 电池优化设计电池的优化设计主要包括了电池类型、电池组合以及电池的散热系统设计。
在电池类型的选择方面，不同的电池有各自的特点，比如锂离子电池具有高能量密度，而镍氢电池则有更长的使用寿命，因此需要根据车辆的实际使用需求和偏好来选择。
另外，在电池的组合方面，目前市场上大多采用串联的方式连接，但也有部分车企采用并联电池的方式，即多个小电池并联在一起。
这种方式优点在于可以更好地分散电池的压力，延长电池寿命。
最后，针对电池的散热系统设计，可通过调整设计参数和流量控制来实现，以保证电池能够在高温或低温条件下运行。
2. 电机优化设计电机在新能源汽车动力系统中是不可或缺的，因此电机的优化设计也是核心。
在优化方面，主要包括了磁路优化设计、线圈结构优化、控制算法优化等方面。
在磁路优化方面，通过改变电机磁路的形状、大小、布局等，可以提高电机的效率、增大输出扭矩和缩小电机尺寸。
而在电机线圈结构优化方面，则可以通过降低线圈电阻、加大线圈截面积等方法来提高电机效率，并且降低故障率。
3. 电控系统优化设计电控系统在新能源汽车中同样重要，其优化设计主要涉及到电控模块的最优设计、控制算法的优化和故障保护控制的实现等方面。
汽车动力学模型综述程力学
汽车动力学模型综述程力学汽车动力学是研究汽车运动学和动力学特性的一门学科。
动力学模型是评估汽车性能和设计的基础。
本文将介绍汽车动力学模型的综述，包括车辆数学模型、底盘分析、轮胎力学和车辆控制系统。
一、车辆数学模型车辆数学模型是汽车动力学模型中最重要的一个部分。
它可以用来预测车辆的加速性能、制动性能和转向性能等方面的性能。
车辆数学模型通常分为悬挂系统模型和车辆运动学模型两部分。
悬挂系统模型包括悬挂刚度、阻尼和地形等参数，可以计算车辆行驶过程中的路面激振反应，以及车身在制动、加速或转向过程中的滚动、俯仰和横摆等运动。
车辆运动学模型则是描述车辆运动学的数学模型，包括三自由度和五自由度模型。
三自由度模型只考虑车辆的平动和横摆运动，而五自由度模型则考虑车辆的平动、横摆和俯仰运动。
二、底盘分析底盘分析是对汽车底盘系统进行全面评估的过程。
底盘分析包括悬挂、制动、转向和驱动系统等部分。
其中，悬挂系统的设计是汽车制造商优化车辆悬挂特性的关键部分。
制动系统分析是评估车辆制动性能的关键部分。
经过底盘分析后，制动系统可以进行优化，提高制动性能，减少制动距离。
转向系统的分析是评估车辆稳定性的关键部分。
转向系统的设计与悬挂系统密切相关，可以优化车辆的悬挂和转向性能，提高车辆的驾驶体验和稳定性。
驱动系统的分析是评估车辆加速性能和燃料经济性的关键部分。
同时，驱动系统的设计也会影响车辆的稳定性和性能。
三、轮胎力学轮胎力学是汽车动力学模型中的一个基本概念。
轮胎力学包括轮胎的动态性能、接触力矩和侧向力等性能。
轮胎接触力矩是轮胎与路面接触时的摩擦力矩。
它是车辆加速、制动和转向的关键因素。
同时，轮胎的动态性能也会影响车辆的性能，包括轮胎的变形、韧性等性能。
四、车辆控制系统车辆控制系统是汽车动力学模型中的一个重要方面。
车辆控制系统包括防抱死制动系统、电子稳定控制系统、制动力分配系统等。
防抱死制动系统是为了避免在制动时轮胎被锁死而设计的一种系统。
汽车底盘系统的动力学建模与控制
汽车底盘系统的动力学建模与控制汽车底盘系统是汽车的关键部件，它承载着车身、发动机、传动系统和轮胎等各种组件，同时还需要承受路面的各种不平坦性和震动，所以底盘系统的性能非常关键。
近年来，随着汽车工业的不断发展，汽车底盘系统的动力学建模和控制也越来越得到重视。
一、汽车底盘系统的动力学建模动力学建模是汽车底盘系统控制的基础，通过对汽车底盘系统进行精细的建模，可以更准确地控制底盘系统，以达到更好的行驶稳定性和舒适性。
1.前后轮相互影响模型在匀速行驶的过程中，汽车的重心位置和车速都会影响车辆的行驶稳定性，因此前后轮之间的相互影响模型非常重要。
该模型主要考虑前后轮之间的负载转移和滚动摩擦力。
2.四轮转向系统模型四轮转向系统模型主要考虑车辆转弯时的横向稳定性和悬挂系统的运动状态。
该模型主要包括悬挂系统的几何特征和刚度、转向系统的角速度和方向等。
3.轮胎模型轮胎是汽车底盘系统的关键组成部分，它直接影响着车辆的稳定性和舒适性。
轮胎模型主要考虑轮胎的形状、硬度、柔软度等特性，以及车速、侧向力等因素。
二、汽车底盘系统的控制汽车底盘系统控制主要包括电子稳定控制系统、自适应悬挂控制系统和主动悬挂控制系统等，这些控制系统都是通过精细的动力学建模来实现的。
1.电子稳定控制系统电子稳定控制系统主要通过对车辆的动态特性进行监测，通过制动等手段对车辆进行控制，以达到改善车辆行驶稳定性的效果。
该系统主要考虑车辆的重心位置、侧向加速度等因素，以达到对车辆方向的控制。
2.自适应悬挂控制系统自适应悬挂控制系统主要通过对车辆悬挂系统的调整，以达到改善车辆行驶的舒适性和稳定性的效果。
系统主要考虑路面的不平坦性、车速等因素，以达到对车辆悬挂系统的调整。
3.主动悬挂控制系统主动悬挂控制系统通过对车辆悬挂系统的主动控制，以达到对车辆行驶稳定性和舒适性的控制。
该系统主要考虑路面的状态、车辆的载荷等因素，以达到对车辆悬挂系统的动态调整。
总之，汽车底盘系统的动力学建模和控制是汽车行业的重要研究领域，通过精细的建模和控制算法，可以更好地实现对汽车的控制，进而提高车辆的性能和舒适性。
汽车系统动力学第18章 车辆动力学集成控制及应用CarSim的实例分析
则最优的控制输入可以令
,利用上式求得如下:
最后,利用滑移率控制器与主动转向调节器,求得的最优四轮滑移
率和前后轴侧偏角可以进一步通过轮胎驱动/制动力矩控制与主动转
向控制来实现。
2.侧倾力矩分配
定义λf为前轴侧倾刚度占总侧倾刚度的比例,即λf=Kϕf/(Kϕf+Kϕr),
则采用跟踪期望横摆角速度的侧倾刚度分配PI控制器如下:
由于系统的期望动态品质将由滑动曲面s(x,t)=0体现,因而在滑模
控制器的设计中切换函数的选择很重要。对于此处的纵向、侧向速
度和横摆角速度跟踪问题而言,切换函数中可以包括速度误差ei、速 度误差的积分项ξi=∫ei(τ)dτ和速度误差的微分项。其中ei为系统状
态和参考值间的误差,即ei=Xi-Xid,而ξi是误差的积分。在此,选择切换 函数为: Si=ei+Λiξi
②在控制系统实施干预的平滑性方面,基于制动的稳定性控制系统 会导致纵向加速度突然变化,在一定程度上会影响驾驶舒适性能。而基 于驱动力分配的直接横摆力矩控制系统只是重新分配左右车轮驱动力, 从而保证纵向动力学不受干扰,因而干预相对平滑。在侧向加速度较低 工况下,主动转向能够在驾驶人不察觉的情况下实施横摆力矩干预。
二、主环控制器设计 1.车辆运动参考模型 参考模型将依据驾驶人的操纵动作(包括转向盘、制动踏板和加
速踏板)来获得理想的车辆运动状态。期望的纵向速度ud可由驾驶人
加速或减速操纵求得。车辆期望质心侧偏角取为零,零质心侧偏角(即
侧向速度为零)下期望的横摆角速度rd可由车辆的纵向速度与前轮转
角求得,同时其还受地面附着系数的限制,即:
第十八章车辆动力学集成控制及 应用CarSim的实例分析
汽车系统动力学第18章 车辆动力学集成控制及应用CarSim的实例分析
纵向和侧向控制系统在控制效能和平滑性方面各有优缺点。具体 表现为:①在有效作用域内,当轮胎处于小侧向加速度、小侧偏角的线性 域时,转向控制系统(如4WS、AFS 等)在操稳性上可以取得较好效果;但 在紧急工况下(大侧向加速度、大侧偏角时,即轮胎进入非线性域时),转 向控制通常不能取得满意效果,而直接横摆力矩控制则能显著地提高操 纵稳定性;
第四节 一种基于轮胎力最优分配的集成控制方法
一、基于轮胎力最优分配的车辆动力学集成控制结构 对于有多个主动控制系统的车辆,主动控制执行器输入的数目一 般大于其要控制的车辆状态的数目,称为“执行器冗余”(overactuation)现象。在存在执行器冗余的情况下,有两个问题至关重要: ①如何选择最有效的执行器来完成目标功能; ②在给出合理的轮胎执行器输入时,如何考虑轮胎的饱和非线性 以及诸如路面附着状况等各种实际约束条件。
式不同,可按X、Y、Z三个方向将车辆运动控制系统分别归类于纵向(制
动/驱动)、侧向(转向)和垂向(悬架)三大类子控制系统。 车辆动力学集成控制要解决的两个关键问题是:①如何避免子系统
间的互相冲突和干扰;②如何通过系统间的通信和动作协调,尽量挖掘各 子系统功能潜力从而实现性能最优。
图18-1 车辆动力学控制系统的发展历程
“主环-伺服环”分层控制结构,如图18-5所示。
图18-5 基于轮胎力最优分配的“主环-伺 服环”分层控制结构
由图可知,首先由主环控制器给出车体运动控制所需的力和力矩,
例如车辆在XOY平面内的纵向力、侧向合力和横摆力矩,即Fud=[Fxd Fyd Mzd]T。然后,在伺服环中,将轮胎作为复杂且特殊的“执行器”, 通过优化分配将Fud分配到各个轮胎执行器的控制输入。这样一个结
典型车辆动力学稳定性控制系统及关键技术
FRONTIER DISCUSSION | 前沿探讨张雪1 张美吉21.济宁市技师学院 山东省济宁市 2720002.山东技师学院 山东省济南市 250000摘 要： 动力学稳定性控制系统能够对车辆的整体运行状态进行全方面的管理和控制，在车辆的运行过程当中，能够有效地改善车辆的高速弯道行驶过程当中操作的稳定性也能够有效的避免受到大的侧向力的影响，车辆动力学是一项新型的和安全系数比较高的技术。
本文主要针对典型车辆动力学稳定性控制系统和关键技术进行主要的研究，对稳定性控制系统进行简单的介绍，并且对其中应用到的关键技术进行主要的研究。
关键词：典型车辆；动力学；稳定性控制系统；关键技术；研究典型车辆动力学稳定性控制系统主要是能够对车辆在行驶过程当中遇到高速弯道时能够保持一定的稳定性，还能够有效地减缓受到大的侧向力作用时对车辆的控制造成的影响，这是一项能够对车辆在行驶过程当中保持车辆稳定性的一种监控系统。
不同的研发部门对它的命名也有不同的差别，在车辆动力学稳定性控制系统的结构上也存在着一定的差异性，但是它的功能和原理都具有一致性。
本文主要针对车辆动力学稳定性控制系统的结构和算法进行简单的介绍，并针对控制的变量的确定和控制算法进行了详细的分析，然后对具体的关键技术进行详细的总结。
1 动力性稳定系统中的VDSC 的研究状况随着我国车辆技术的快速发展，国际上的大多数的汽车公司都专心于研究VDSC 技术，起初这项技术的提出主要就是为了能够对横摆力矩进行有效的控制，从而加强了对这方面的系统性的研究。
随着我国汽车行业的不断发展对这项理论研究也予以了更PI 算法 多的关注，我国主要采用像平面的分析方法对车辆的新侧偏角和横摆角速度的稳定区域进行详细的分析，并且还利用这项技术和ab s技术进行相互协调，促进二者之间的相互切换，从而对汽车进行有效的控制，促进汽车的稳定性。
这项技术的控制算法主要采用的是增量PI算法，利用的质心侧偏角的稳定性来对其进行详细的判断，通过对发动机节气门和制动力矩的相互调节来对门限值进行一定的控制。
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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:2004-06-21
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
・33・ 上海汽车 200419
设计研究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
・43・上海汽车 200419
设计研究统,不久将会逐渐应用于普通轿车上,所以有着广阔的应用前景。3 车辆动态稳定性仿真为了进一步说明轮胎特性对车辆动态稳定性的影响,将通过该车型的仿真来描述车辆的动力学变量在转弯过程中的变化情况。首先,在较好的路面上,直接给前轮一个增幅的正弦输入,频率为0.5Hz,图2、图3分别为前轮增幅正弦输入下高速转弯(27.3m/s)和在附着系数较低(0.20)的路面上转弯的仿真结果。
图2 高速转弯工况图3 滑路转弯工况 从图中的结果可以看出,无论是高速转弯还是在滑路上转向行驶,达到轮胎的饱和状态,轮胎进入非线性状态,导致车辆的各状态变量发生急剧的变化,如横摆角速度急剧的增大,而侧偏角急剧的减小等,使汽车丧失稳定性,不能正常行驶,而采用动力学控制能够很好控制车辆的动态稳定性能,及时阻止横摆角速度、侧偏角等动力学变量的急剧变化,保持车辆的稳定行驶,提高了车辆行驶的操纵性和稳定性。车辆根据驾驶员的指令按预定轨迹行驶也是衡量车辆动力学性能的一个重要的指标,如果车辆不能根据驾驶员的指令按预定轨迹行驶也会引起许多交通事故,所以如在汽车换道行驶和躲避障碍物时都要求车辆具有良好的操纵稳定性能,
而车辆在较高速度下或低附着路面行驶也常会使其不能按预定的轨迹行驶,所以如果此时能够对车辆进行动力学控制,就能大大提高车辆的操纵性能,使其能够按预定轨迹正常行驶。下面通过两种工况的仿真计算来说明动力学控制的作用。车辆在行驶过程中,如果方向盘角阶跃输入,
则车辆稳定行驶时将是一圆周运动,在一定范围内随着转向角的增大,转弯半径不断减小,但车辆
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设计研究在高速转弯时,由于侧向加速度较大,当侧向力达到轮胎与路面附着极限时,其转弯半径将不再减小,使驾驶员不能正确的操纵,通过对车辆进行动力学控制就可提高其操纵性能。图4为前轮角斜坡输入时的车辆行驶工况。
图4 前轮斜坡输入工况 从图中可以看出,在车辆斜坡阶跃输入工况下,对车辆进行动力学控制后,其转弯半径有了进一步的减小,提高了车辆的操纵性能。车辆在变道行驶路线称之为单移线行驶,一般在单移线行驶时方向盘为单周正弦曲线,本文也采用正弦曲线作为转向输入行驶,车速为27.3m/s,如果正常行驶车辆的轨迹将是一单移线,图5为车辆开环单移行驶工况。
图5 开环单移线行驶工况・63・上海汽车 200419
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