（车辆工程专业论文）车辆vsc的控制算法和硬件实现研究.pdf

车辆v s c 的控制算法和硬件实现研究 研究生：朱德军导师：任祖平副教授 陈南教授 ( 东南大学) 摘要 随着高速公路的不断增加，车辆的行驶速度有了显著提高，另一方面，汽车保有量的增加使得汽车的行 驶密度加大，这对汽车的行驶安全性提出了越来越高的要求。车辆稳定性控制( v s c ) 是近年来国内汽1 ：领域 的研究热点，这种最新的车辆稳定性控制系统可以提高车辆在各种行驶t 况下的操纵稳定性，改善车辆高速 行驶的安全性，减少交通事故的发生。车辆电子系统的开发，涉及到机械、电子、液压技术、计算机软硬件 开发，以及试验技术方面。传统的汽车电子控制系统的开发，般靠大量道路试验来摸索控制规律，耗费人 量人力、物力和财力，开发周期比较长。在汽车市场竞争激烈的情况下，传统开发手段已经不能适应汽车一l 业高速发展的需要。 本文提出了一种高质量、低成本、高效率的车辆稳定性控制系统开发方法，并建立了相应的开发系统平 台。该平台可以在实验室条件下最大程度地模拟车辆在各种工况下的运行状态，实现对控制系统的快速开发。 开发过程包括系统概念设计。系统建模，离线仿真，代码自动生成。硬件在环仿真以及实车试验。 直接横摆力矩控制( d y c ) 是最新底盘控制技术，是车辆稳定性控制的主要方法。直接横摆力矩控制通过 对四个轮胎制动力和驱动力的独立控制，从而产生附加横摆力矩，实现在各种工况下车辆都能够按照驾驶员 的驾驶意图跟踪理想控制目标。文中建立了汽车四轮转向模型，制动系统模型和制动器模型，并进行了基于 f l o o 控制理论四轮转向汽车的直接横摆力矩的控制系统的研究，从理论上证明了四轮转向和直接横摆力矩控制 对汽车稳定性作用明显。 基于混合仿真技术。本文进行了车辆v s c 快速开发系统的总体方案和功能设计，并论述了实时仿真环境 的实现方法。以总体设计方案为指导，紧密联系d y c 系统的设计目标，从软件、硬件和接口三个方面论述了 车辆v s c 快速开发系统的设计和构造。应用这一开发系统平台，详细阐述了车辆d y c 系统快速开发的基本方 法和过程。 由于四轮转向技术目前还没有完全成熟，而d y c 系统的基于逻辑门限值控制方法是目前常用的易于产品 化低成本控制方法，所以本文对自行设计的基于逻辑门限值控制的d y c 系统进行了液压系统嵌入式混合仿真， 结果表明无论是侧偏角还是横摆率与理想值之问的偏差度有大幅度减小，说明自行设计的d c 控制逻辑算法 具有一定的精度和实用性，为下一步进行实车试验奠定了坚实的基础。 关键词：车辆稳定性控制直接横摆力矩控制四轮转向控制快速开发系统硬件在环仿真 东南大学硕士学位论文 s t u d yo nh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no f c o n t r o lm e t h o df o rv e h i c l es t a b i l i t y c o n t r o l z h ud e - j u nr e n z u p i n g c h e nn a n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t ra c t w 妯t h ei m p r o v i n go fh i g h w a y ，u p p i n go fa v e r a g ev e l o c i t ya n dd e n s i t yo fv e h i c l e s ，u r g e n t i n t e r e s t sw e r ep u to nv e h i c l es a f e t ya n dr i d ec o m f o r t a st h e1 a t e s tc o n t r o lt e c h n i q u e s ，v s c ( v e h i c l e s t a b i l i t yc o n t r 0 1 ) i st h ei n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hf o c o so nt h ev e h i c l ea c t i v es a f e t yf i e l d v s cc a r l i m p r o v eh a n d l i n gp e r f o r m a n c eu n d e ra n ys i t u a t i o n s ，a n de n h a n c et h es e c u r i t ya t l i g hs p e e dt oa v o i d t r a f f i ca c c i d e n t t h ed e v e l o p m e n to fv s ci n v o l v e sm e c h a n i s m ，e l e c t r o n i c s ，h y d r a u l i c s ，h a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g na n df i e l dt e s tv a l i d a t i o n i nt r a d i t i o n a lw a yo fp r o d u c td e v e l o p m e n to fv e h i c l e e l e c t r o n i cc o n t r 0 1s y s t e m ，ah u g ca m o u n to fv e h i c l ef i e l dt e s t sa r er e q u i r e dt oi n v e s t i g a t et h ec o n t r o l 1 a w sb yag r e a tn u m b e ro fr e p e a t e dm o d i f i c a t i o n s ，s ot h ec y c l et i m ei si n e v i t a b l yi n c r e a s e d b e c a u s e o ff i e r c ec o m p e t i t i o ni nt o d a y sb u s i n e s se n v i r o n m e n t , t h et r a d i t i o n a lm e t h o d so b v i o u s l yc a n ts a t i s f y t h er a p i dd e v e l o p m e n to f a u t o m o b i l ei n d u s t r y i i ln l i sp a p e r , an e w r a p i dd e v e l o p m e n tm e t h o di sp r o p o s e dt od e v e l o pc o n t r o ls y s t e me f f i c i e n t l y , a n dt h er e l a t i v es y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r mi sb u i l t t 1 1 i sp l a t f o r mc a r ls i m u l a t ev s cs y s t e mi n l a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t ，w h i c hc o v e r st h ew h o l ep r o c e s so fc o n c e p ta n df i m c t i o nd e s i g n ，s y s t e m m o d e l i n go f f - l i n es i m u l a t i o n ，c o d ea u t o m a t i cg e n e r a t i o n ，r e a l - t i m eh a r d w a r e i n l o o ps i m u l a t i o n ( h i l s ) a n df i n a lv e h i c l et e s tv a l i d a t i o n a so n eo ft h em a i nt e c h n i q u e so fv s c ，d i r e c t - y a w - m o m e n tc o n t r o l y c ) i st h e1 a t e s tm e t h o d o fc h a s s i sc o n t r 0 1 b yi n d e p e n d e n tc o n t r o l l i n gt r a i n i n ga n db r a k i n gf o r c eo ff o u rt i r e s ，a d d i t i o n a ly a w m o m e n ti sg e n e r a t e dt om a k ev e h i c l et of o l l o wt h ed r i v e r sc o m m a n d t h ev e h i c l es y s t e md y n a m i c m o d e ic o n s i s t so fv e h i c l em o d e l ，h y d r a u l i cs y s t e mm o d e ia n db a k em o d e li sb u i l t ，a n dt h ef e e d b a c k c o n t r o l l e rb ym a t l a b l m it o o l b o xb a s e do nt h em o d e l - m a t c h i n gt e c h n o l o g ya n dh o ot h e o r yi s d e s i g n e d b a s e do nh i l st e c h n i q u e s ，o v e r a l ld e s i g no fr a p i dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mi sd e c i d e d ，a n di t s f i m c t i o 璐a n dc o n f i g u r a t i o no fs i m u l a t i o ni nt h er e a i - t i m es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti sp r e s e n t e d u n d e r t h ed i r e c t i o no f t h eo v e r a l ls c h e m ea n da i mo f t h ed y cs y s t e m ，d e t a i l so f c o n s t r u c t i o np r o c e s so f t h i s p l a t f o r mi n c l u d i n gt h es o f t w a r ep a r t ，h a r d w a r ep a r ta n di n t e r f a c ea r ed i s c u s s e dw i t hc o n s i d e r a t i o no f i t sf u n c t i o n se x t e n d e d t h ew h o l ep r o c e s s e sa n dm e t h o d so f d e v e l o p m e n to f d y co nt h i sp l a t f o r ma r e e x p a t i a t e d b e c a u s et h et e c h n o l o g yo f4 w si sn o tp e r f e c ti nr e a l i t y , h o w e v e lt h em e t h o do f1 0 9 i ct h r e s h o l d c o n t r o lm e t h o di sp o p u l a ra n dl o wc o s t ，s od y cs y s t e mi sb u i i tf r o mo u ro w nd e s i g n sa n dc a r r i e do u t t h es i m u l a t i o no fh y r d m u l i cs y s t e mm o d e ii nl o o p v a r i o u ss i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u t ，n o t a b l e d e c r e a s eo f b o t hy a wr a t ea n ds i d es l i pa n g l ed e v i a t i o nv e i l f yt h ee f f e c t i v e n e s so f d y cs y s t e m ，w h i c h s h o w st h a tt h ec o n t r o lm e t h o dh a sc o n s i d e r a b l ea c c u r a c ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，a n dl a y sm es o l i d f o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r ea c t u a lc a re x p e r i m e n t k e yw o r d s ：v s c ( v e h i c l es t a b i l i t yc o r n 。0 1 ) ，d y c ( d i r e c t - y a w - m o m e n tc o n t r 0 1 ) ， 4 w s 伊o u r - w h e e ls t e e r i n 曲，r a p i dd e v e l o p m e n ts y s t e m ， h a r d w a r e - i n l o o ps i m u l a t i o n i i 东南大学硕士学位论文 符号说明 ( 按章节顺序排列) 整车质量( 蚝) 车辆质心处转动惯量( k 舒) 车速( m - s “) 质心到前轴的距离( m ) 质心到前轴的距离( m ) 两前轮侧偏刚度( n m _ 1 ) 两后轮侧偏刚度( n m 1 ) 地面侧向力( n ) 地面纵向力( n ) 前后轴距( m ) 前轮转角( t a d ) 后轮转角( r a d ) 侧偏角( r a d ) 前轮侧偏角( t a d ) 后轮侧偏角( t a d ) 横摆率( t a d - s “) 制动器制动盘半径( m ) 制动器有效半径( m ) 制动轮缸活塞扫掠面积( 者) 制动器轮缸直径( m ) 轮胎半径( m ) 制动器制动盘摩擦系数 压力源油压( p a ) 制动轮缸油压( p a ) 低压蓄能器压力( p a ) 流入制动轮缸的制动液流量( 一- s “) 液压系统沿程阻力系数 压力油圆管长度( m ) 压力油圆管直径( m ) 液压油密度( k g m - 3 5 液体平均流速( m s - i ) 液压系统局部阻力系数 液压系统沿程阻力系数 液压系统集中等效液容 液压系统集中等效液阻 制动器等效到轮缸活塞上的运动质量( k g ) 等效的制动器刚度( n z n - 1 ) 粘性阻尼( n s m - 1 ) 为活塞横截面积( r n 2 ) 为系统干摩擦力( n ) 附加横摆力矩( n m ) v m 。v 。b q g b r l由止p自吼k rs山r，凡b矗。d p v f蠡g砷砩q k t 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 日期： ， - j 。 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 戳：物r 獬伽于醐一q 7 吧彳、ij 夕 易影 ，毋1 ，家 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着汽车行驶速度的高速化趋势的发展，以及高速公路网络纵横延伸，人们对汽车行驶安全性提出越 来越严格的要求，许多国家都为此颁布了相关的汽车安全法规【l j i ”。从上世纪七十年代开始，汽车制动防 抱死系统( a b s ) 开始在汽车上使用，它通过对车轮制动滑移率的控制来防止车轮抱死，提高制动车轮的侧 向附着能力，在很大程度上改善了汽车制动时的侧向稳定性。现在，a b s 已经成为现代汽车的标准装备。 与a b s 工作原理类似，汽车驱动防滑系统( a s r ) 通过对驱动车轮驱动滑转率的限制提高汽车的驱动能力， 并改善汽车驱动时的稳定性”p j 。 a b s 和a s r 系统都不直接保证汽车的侧向稳定性，而是通过对轮胎纵向滑移率的限制提高车轮侧向 附着能力来问接保证的，因此在汽车行驶的很多复杂工况下并不一定能保证汽车的稳定性。而汽车发生交 通事故前的行驶状况往往比较复杂，此时的轮胎处于附着极限附近，仅靠a b s a s r 的功能不一定能保证 汽车按照驾驶员的意图行驶，这对于躲避危险十分不利。这时由于轮胎处于附着极限附近，车辆具有较强 的非线性特性，而驾驶员普遍没有操纵非线性特性车辆的经验，容易引起慌乱而发生事故。 为了全面提高汽车动力学的各项性能，先进底盘控制技术是现代汽车发展的重要方向。一般来说汽车 主动底盘控制技术需要控制汽车在三维空间里的六种运动( 纵向，侧向，垂直方向以及侧倾，横摆和仰俯 运动) ，从而改善汽车的操纵稳定性、平顺性以及动力性和制动性。 汽车稳定性控制系统在发展过程中出现了很多名称，主要包括：汽车稳定性控制( v s c ) 、汽车动力学 控制f v d c ) 、动力学稳定性控制( d s c ) 、电子稳定程序( e s p ) 等等，但其组成与功能大体一致，为了方便， 本文统一称为汽车稳定性控制，即v s c 。 车辆稳定性控制系统( v s cv e h i c l es t a b i l i t yc o n t r 0 1 ) 是指车辆行驶方向稳定性和抵抗外界侧向 力的能力，所以它主要包括两个方面：操纵稳定性和方向稳定性。它是利用车辆的动力学状态变量反馈来 调节车轮纵向力的大小及匹配，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。v s c 系统由车速传感器、转向角度传感器、横摆率传感器、a b s & t r c & v s ce c u 和相关执行器，如图1 - 1 。 图1 - 1v s c 系统结构图 直接横摆力矩控制( d y c d i r e c t - y a wm o m e n tc o n t r 0 1 ) 技术是汽车v s c 控制的最具发展前景的汽车 底盘控制方法。它是利用车辆的动力学状态变量反馈来调节车轮纵向力的大小及匹配，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。基本工作原理为阴，e c u 通过方向盘转角传感器和制动 东南大学硕士学位论文 主缸压力传感器得到的信息判断驾驶员对车辆的驾驶意图，决策出理想的车辆运行状态( 如理想的横摆角 速度等) 。e c u 通过检测得到的实际车辆状态与理想车辆状态进行比较，并通过一定的控制逻辑决定应该 对车辆实施多大的汽车横摆力矩可以使车辆恢复稳定，然后通过液压调节器对制动系统各制动轮缸进行调 节来产生所需要的汽车横摆力矩，在必要的时候与发动机管理系统( e m s ) 通讯，由发动机管理系统改变驱 动轮的驱动力，以使车辆改变运行状态改变后的车辆运行状态由传感器测量到e c u ，然后再进行下一 循环的控制，从而使汽车保持稳定。 下面以在湿滑路面上紧急换道时的情况为例进行详细说明。图l _ 2 和图1 - 3 分别为不施加稳定性控制和施 加稳定性控制时车辆的运行情况。由图1 - 2 中可以看出，没有施加稳定性控制的车辆开始时驾驶员向左打 方向盘进行换道操作，由于路面的摩擦系数不能提供足够的侧向力，于是在位置3 时发生了过度转向。这 时车辆急速沿逆时针方向旋转，为了弥补这种过度转向，驾驶员在位置4 时向右急打方向盘作为补偿，由 于补偿过度车辆又在位置5 时发生了过度转向，使得车辆急速沿顺时针方向旋转。由于此时车辆的质心侧 偏角很大，驾驶员通过方向盘对车辆的控制效果不明显，从而引起慌乱，于是车辆失去控制而甩出。由图 图1 2 不施加汽车稳定性控制的车辆在湿滑路面上紧急换道 图1 - 3 施加汽车稳定性控制的车辆在湿滑路面上紧急换道 1 3 中可以看出，施加附加横摆力矩控制的车辆同样在位置3 时发生了过度转向，汽车稳定性控制系统检 测到车辆发生了不稳定状态，于是通过对液压调节器的凋节使车辆产生抵消当前过度转向趋势的沿顺时针 方向的横摆力矩，使车辆尽量按照驾驶员的操作来运行。在位置4 时驾驶员向右打方向盘完成换道操作， 在位置5 时又发生了不稳定情况，汽车稳定性控制系统通过施加逆时针方向的汽车横摆力矩纠正了不稳定 趋势因此，尽管路面附着系数比较低，但在汽车稳定性控制系统的辅助下车辆还是比较好地依照驾驶员 的意图完成了换道操作。可见，汽车稳定性控制在保障汽车稳定方面具有很大的优势。一般情况下，路面 摩擦系数较低时的工况是汽车最容易发生交通事故的工况，汽车d y c 控制在这些比较极端的工况下具有 明显的效果，因而可以大大提高汽车的主动安全性。 四轮转向系统( 4 w sf o u rw h e e ls t e e r i n g ) 是指车辆在转向的过程中，后轮直接参与对汽车质心 侧偏角及侧向运动的控制，从而有效提高车辆行驶侧向稳定性。尤其是在中高速范围内，通过适当控制后 轮转角，可以从根本上避免由于轮胎侧偏特性而产生的过度转向现象的发生，提高了汽车高速行驶的安全 性。另外，以相同的方向转动后轮，车辆能够产生后轮滑动角而不需要车辆侧偏角，这样就可以消除转向 输入与后轮侧向力之间的时间滞后，从而减少车辆到达稳态转向所需的时间，改善了汽车转向的瞬态响应。 另一方面，军用越野车辆及重型载重越野车辆的行驶路况比较恶劣，对车辆的机动性要求也比较高，所以 在很早以前人们就在这类型车辆上使用多轮转向机构来改善其低速时的机动性能。这种机构在汽车低速 转向时让后轮与前转向轮反相转动来获得较小的转弯半径，参见图1 - 4 。 2 第一章绪论 俚蔼 f 镛 f ? 四轮转向厍习 图1 - 4 四轮转向时的车辆转向办式 1 2 车辆v s c 技术的发展、现状和趋势 1 2 1 汽车稳定性控制的发展演变 随着电子技术的发展，利用控制技术提高汽车的行驶安全性一直是汽车领域的研究热点。早在1 9 3 6 年德国博世( b o s c h ) 公司就第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获取车轮转速的a b s 专利聊。直到上世纪 6 0 年代末和7 0 年代初，美国三大汽车公司才分别推出了装有a b s 的高级轿车驯，但r h 于受当时技术条件 的限制，a b s 采用了模拟计算机与真空作用的压力调节器，在控制精度和可靠性上出现了很多问题，美国 汽车制造厂家不得不在7 0 年代终止了a b s 轿车的生产【l 川。随着数字计算机和调节器技术的发展，a b s 的 性能和抗干扰能力不断增强，a b s 在欧洲又重新兴起。在上世纪8 0 年代中后期和9 0 年代，a b s 在世界范 围内得到了广泛地推广和应用，成为在汽车上应用最成功的电子控制产品之一，大大改善了汽车在制动时 的稳定性。在9 0 年代中期以后，主要汽车生产厂家生产的轿车几乎全部配备a b s ，使得a b s 成为了现代 汽车的标准装备。 a b s 是通过对车轮制动滑移率的控制提高侧向附着力来保证汽车制动稳定性的。同样的原理，通过对 车轮驱动滑移率的限制来提高侧向附着力也可以改善汽车驱动时的稳定性，于是各种汽车牵引力控制系统 ( t c s ) 的专利在7 0 年代开始出现。但直到1 9 8 5 年才由瑞典v o l v o 汽车公司把这项技术转化为产品，开 发了一种被称为e t c 的电子牵引力控制系统并安装在v b l v o7 6 0t u r b o 汽车上，该系统仅通过调节燃油供 给量调节发动机的输出力矩来控制驱动轮滑转，但未采用对制动系统的控制n ”。1 9 8 6 年1 2 月，成功推出 a b s 的b o s c h 公司第一次将制动防抱死( a b s ) 控制技术与驱动防滑( a s r ) 控制技术相结合应用于m e r e e d e ss 级轿车上”2 1 ，开始了a b s a s r 集成控制的时代，并利用对制动系统的控制来调节车轮的驱动滑移率。 现在的a s r 系统很少单独使用，一般都是与a b s 一起构成a b s a s r 集成使用。 a b s 和a s r 都只是通过对纵向滑移率的控制来间接保证汽车在制动和驱动时的稳定性，但对汽车在 极限转向、制动转向、驱动转向以及车辆受到外界干扰等引起失稳时的纠正效果并不是十分明显。汽车稳 定性控制v s c 突破了a b s a s r 的限制，通过直接监测汽车的实时运行姿态进行控制，直接保证汽车的 稳定性，因此显著提高了控制效果，特别是能显著提高汽车处于附着极限时的稳定性，因而大大减少了交 通事故，特别是严重交通事故的发生。 汽车稳定性的概念在上世纪9 0 年代初开始提出，由于当时的汽车稳定性控制还处于概念阶段，各个 生产厂家根据自己系统的特点提出了各自的方法与名称。1 9 9 2 年b m w 公司和b o s c h 公司合作，在a b s a s r 的基础上开发了汽车稳定性控制系统并称之为d s c i ( 第一代d s c ) ，应用于b m w8 5 0 c i 轿车上”“。 1 9 9 4 年，b m w 公司和b o s c h 公司再次合作，在d s c i 的基础上进一步发展为d s c 2 ，并引入c a n 总线 与发动机管理系统通讯。无论是第一代还是第二代d s c 都相对比较简单，只是在a b s a s r 的基础上增 3 东南大学硕士学位论文 加了方向盘转角传感器，并未增加测量汽车运行姿态的侧向加速度传感器和横摆角速度传感器，汽车的横 摆角速度是通过内外车轮的转速差间接估计得到的，这在很多隋况下，尤其是在轮胎附着极限情况下是不 准确的。真正意义上的汽车稳定性控制一般认为出现在1 9 9 5 年。在1 9 9 5 年，b o s c h 公司提出了v d c 的 概念【1 4 1 ，b e n z 公司提出了e s p 的概念【l ，丰田公司提出了v s c 的概念1 1 ”，它们均采用了能直接测量汽车 运行姿态的侧向加速度传感器和横摆角速度传感器，使得稳定性控制系统的应用范围大大扩展。1 9 9 6 年 b m w 公司和b o s c h 公司再次台作推出的d s c 3 就是此类稳定性控制系统”。1 9 9 7 年v a r i t yk e l s e y h a y e s 和l u c a sp l c 合并，联手开发v s c i l 7 l 。德国的大陆t e v e s 公司也以m k 6 0 液压调节器为基础进行e s p 的 研制与开发。 从1 9 9 5 年至今，由于性能的不断改进以及成本的不断降低，v s c 获得了很快的发展，并开始作为选 装件装备于一些中、高档轿车上。从2 0 0 0 年起，德国大众公司开始在其几乎所有轿车车型上配备了e s p 系统作为选装件。通用、福特和戴姆勒一克莱斯勒公司也开始在其新车型中选装汽车稳定性控制系统。随 着先进底盘控制技术的不断发展，将四轮转向控制和车辆稳定性控制系统有机结合起来，获得最佳的综合 控制效果将是车辆发展的一个重要趋势。 1 2 2 汽车稳定性控制的研究现状 在国外，汽车稳定性控制是在a b s 和a s r 的基础上发展起来的。最初的汽车稳定性控制概念是在 a b s 和a s r 的基础上加以算法上的改进，使之能部分解决汽车的稳定性问题，但此时的系统还不能称之 为汽车稳定性控制系统，只是在a b s 和a s r 基础上的改进。在上世纪9 0 年代初，通过对车辆稳定性的理 论分析，提出了直接对汽车横摆运动进行控制的概念( 如d y c ；d i r e c ty a wm o m e n tc o n t r 0 1 ) ，它通过采集 方向盘转角的信息来判断驾驶员的转向意图，并通过制动力或驱动力在车轮上的分配来调节汽车的横摆运 动，直接保障汽车的稳定性，这标志着汽车稳定性控制概念的出现“q 【2 0 】。但考虑到系统的成本，最早出 现的稳定性控制所用的传感器很少，汽车的横摆角速度大多是通过内外车轮的转速差间接估计得到的，因 此在一些汽车行驶的复杂工况下很难保证汽车的稳定。1 9 9 5 年之后，随着b o s c h 、b m w 、f o r d 、t o y o t a 等公司相继推出了使用横摆角速度和侧向加速度传感器的新一代汽车稳定性控制系统，汽车稳定性控制的 基本形式得到了确认。在这一阶段，基于这种组成结构的汽车稳定性控制算法开始大量出现b i j1 2 “，其中 b o s c h 的v d c 是其中比较典型的控制方法之一，它采用车辆实际运行状态与车辆理想运行状态的误差反馈 来决策汽车的横摆力矩，并通过差动制动或对发动机的控制实现对汽车横摆运动的调节”w 】，这一控制 方法也是现在汽车稳定性控制中比较常用的控制方法。由于在汽车稳定性控制中所需要的车辆运行状态并 不能完全由传感器直接测量得到，因此如何通过测量的车辆状态推测不易测量的车辆状态或路面的状态是 近几年汽车稳定性控制的研究热点，已经有大量的状态估计方法出现，大大改善了控制系统的可靠性。近 几年来，有一些学者开始尝试用现代控制理论的一些控制方法进行汽车稳定性控制，并取得了一些控制效 果 2 0 3 - 2 7 。随着汽车底盘动力学控制的不断发展，集成控制是今后发展的方向，汽车稳定性控制将综合考 虑对制动系统、悬架系统和转向系统的协调控制，并共享传感器信号，进一步提高汽车的稳定性。 在国内，汽车稳定性控制的研究还处在起步阶段，只有少数学者进行了控制方法的仿真研究 z 8 “”j ， 而且由于缺少试验条件，研究还不十分深入。现在吉林大学、清华大学、上海交通大学、西北工业大学、 东南大学等高校和中国重汽集团、上海汇众汽车制造有限公司等企业也正在开展这方面的研究工作。 1 3 混合仿真技术在车辆电子控制系统开发中的应用 汽车行驶状态是一复杂的、本质强非线性系统，并且受到外界不确定环境因素的影响。汽车电子控制 系统开发涉及到机械、电子、液压、车辆建模、软硬件的开发以及最终的实车试验验证等许多方面。所以 开发性能优良的v s c 产品困难是相当大的，详细分析主要有以下原因8 廿口j j ： ( 1 ) vsc 技术涉及到机械、电子，液压、车辆建模、软硬件的开发以及最终的实车试验验证等许多 方面所以vsc 技术的开发是一个系统工程，需要电子行业，计算机行业，汽车行业，科研院所等各个 方面的有效协调。国外的许多厂家也是经过了多年的开发合作，才取得了现有的成果。 ( 2 ) vsc 系统是一个与汽车动力学系统、液压动态特性、传感器系统、路面不确定输入等因素都紧 4 第一章绪论 密相关的参数分布、本质非线性的控制系统。系统的动态特性复杂、多变，表现出强非线性特性。特别是 轮胎和液压调节系统的动力学模型等基础理论研究还不完善。所以在进行a b s 理论研究时，模型化误差不 可避免 ( 3 ) 目前车辆稳定性控制产品的性能评价主要采用实车道路试验。然而，全面进行实车试验的性能评 价耗费大量的时间和资金。 针对上述vsc 理论研究和系统开发中存在的难点，混合仿真技术作为一种新的汽车电子控制系统开 发理念正在形成，并逐渐得到国际汽车制造商的认可。混合仿真技术成为实现开发新思路的重要环节和工 具，实车试验已不再是获得控伟4 规律的必要途径，而是成为控制规律验证的手段。这种快速开发的理念已 经成为国内外汽车工程师研究的热点，并且在车辆先进电子控制系统开发中逐渐得到广泛的应用。 混合仿真是一种硬件在线实时仿真技术，它把部分实际产品利用计算机接口嵌入到软件环境中去，并 要求系统的软件和硬件都要实时运行，从而模拟整个系统的运行状态。它是一种具有系统开发、调试、检 测及性能评价等综合功能的车辆电子系统开发和改进的重要工具，大大促进了车辆电子系统的研究和开 发。特别是在产品开发初期，无论是控制逻辑的确定，还是执行机构的设计开发都是先从仿真研究入手， 此时实车试验的应用范围，减小到了用于验证仿真模型的正确性和为改进模型提供数据的最低程度。还可 利用混合仿真技术对所开发的系统进行调试和改进，实车试验作为对仿真结果的验证。 传统车辆电子控制产品开发往往包括许多开发小组，有控制算法设计小组，软件设计小组，硬件设计 小组，产品试验小组等。首先控制算法设计小组根据产品功能设计要求进行分析和控制算法的设计。然后 通知软件设计小组进行手工编制程序代码。软件设计小组编制控制算法执行软件并由此提出详细硬件资源 要求，并通知硬件设计小组，硬件设计小组根据要求进行相应硬件设计。这几个小组反复协调后把样机交 给产品试验小组进行产品试验。手工编制代码错误率较高，必然导致周期加长。控制算法设计与硬件设计 的割裂有可能导致软件与价格昂贵硬件的不匹配而造成资金浪费等，所有这些必然导致了产品开发周期加 长，费用增加。而基于m a t l a b s i m u l i n k 混合仿真技术车辆电子控制系统快速开发过程则涵盖了控制算 法设计、软件设计和硬件设计，并且控制算法设计工程师可以直接看到系统控制模拟结果，在费用较高的 硬件设计之前根据模拟结果直接修改控制算法，节约了时间和资金。总之，混合仿真研究的手段虽然还不 可能完全代替实车试验，但对于高效、低成本地进行车辆电子控制系统开发和研制起到相当重要的作用。 所以国内外学者目前研究的焦点是如何把混合仿真技术更加深入地、系统地应用在汽车电子控制系统开发 中。统计近年来关于基于混合仿真技术车辆先进电子控制系统快速开发的典型文献，可以发现，到目前为 止，如何利用混合仿真技术系统地对车辆vsc 控制系统进行开发和实车试验验证的文献还没有发现公开 发表过。 1 4 本文基本思路和主要研究内容 本文的研究工作是结合东南大学机械系和南京汽车集团有限公司“先进车辆稳定性控制系统和e c u 快速仿真开发平台”技术攻关项目而展开的，同时也得到了福特基金项目“基于u 综合鲁棒控制的4 轮转 向车辆瞬态操纵稳定”的资助。旨在通过研究车辆操纵稳定性控制系统快速开发方法和建设一个既经济又 高效的车辆操纵稳定性控制系统快速开发平台，将其应用到车辆稳定性实用化控制逻辑研究与开发之中， 完成对d y c 关键控制技术的系统开发。按照这个目标，本文研究的基本思路是：首先建立车辆动力学模 型及液压系统动态模型，然后进行车辆d y c 控制设计研究，建立v s c 快速开发系统平台，利用该快速开 发系统进行d y c 控制逻辑的混合仿真，为新开发的d y c 控制器进行实车试验做好充分准备。这将大大有 助于制造商在较少的前期投入和短时期内开发出合格的汽车d y c 电子产品，以迅速占领市场。全文紧紧 围绕该基本思路，主要对以下内容进行了深入的研究和探讨。 1 车辆动力学系统动态建模 建立具有一定精度，反映所研究问题本质，且能实时运行的车辆动力学系统仿真模型，主要包括 二自由度整车模型，液压系统动态模型，制动器模型。 2 4 w s + d y c 控制器设计和数字仿真 依据汽车动力学理论，按照重心零侧偏角控制策略，建立了基于h = o 理论的直接横摆力矩的d y c 5 东南大学硕士学位论文 控制器，并进行纯数字仿真。从理论上证明直接横摆力矩控制对提高汽车的行驶稳定性有明显效 果。 3 车辆v s c 快速开发系统 建立基于混合仿真技术v s c 快速开发系统，为d y c 控制系统快速开发以及全方位地研究和检验 d y c 性能提供了统一平台。利用该快速开发系统不但可以进行d y c 控制逻辑的全面研究和系统 开发，而且还可以进行e c u 嵌入式a b s 混合仿真试验，以达到对国外同类型产品控制系统进行 分析的目的。接着利用v s c 快速开发系统进行了d y c 关键部件压力调节器功能的动态特性 研究。 4 直接横摆力矩控制系统的混合仿真 结合项目研究需要，利用建立的快速开发系统对d y c 实用化控制逻辑一逻辑门限值控制策略 进行了深入的研究和开发，其中包括逻辑门限值控制基本方法的研究，制动轮缸压力信号的采集， 电磁阀和回油泵电机的驱动和a d 和d a 接口模块的分析。然后利用快速开发平台进行d y c 控 制系统的液压系统嵌入式实时混合仿真，从而完成对d y c 控制逻辑的研究和开发，取得了较满 意的结果。同时也证明了文中建立的v s c 快速开发系统平台在车辆d y c 控制系统快速开发方面 具有高效性和可信性。 6 第二章车辆动力学系统动态建模 2 1 建模概述 第二章车辆动力学系统动态建模 系统是为了完成一定功能而存在，对系统的描述就是建立系统模型。建模是对系统实体特性及其变化 规律的抽象，而且是对系统实体中那些所要研究的特性的抽象。比如，我们要研究汽车的滑移率特性，那 就需要我们将车体纵向速度、车轮速度进行抽象所以模型是经过适当简化的系统实体的代表，并通过合 适的形式来表示，比如图形，符号语言，数学关系式等。有了能反映系统实体最本质特性和数量关系的模 型，特别是数学模型，就可以借助数学理论及计算机对系统进行分析和处理。模型是研究系统的有效工具， 它是为了某种研究目的而建立的。人们有各种研究目的，因此模型的形式和类型很多，总起来说有三种： 物理模型、结构模型、数学模型。 对模型的分析可以用数学解析的方法，但对车辆系统来说，一般用来描述系统的模型比较复杂，都是 复杂的非线性微分方程组，很难获得解析解，一般要通过计算机进行数值求解，根据系统的输入激励求解 系统的输出响应及系统的工作过程。 2 2 车辆动力学建模 车辆在行驶中，作为刚体它具有六个自由度。但是根据不同的研究目标，车辆动力学模型的复杂程度 也有所不同，如整车1 7 自由度( d e g r e eo f f r e e d o m ，简称d o f ) 模型，研究车身侧向、横摆和侧倾运动 的3 d o f 模型，只含有车身侧向、横摆运动的2 d o f 模型，另外还有基于a d a m s 的多体动力学模型，其 研究的自由度可多达上百个。 2 2 1 前轮转向汽车两自由度模型 为了描述前轮偏转后汽车的运动状况，通常需建立一个固结于运动着的汽车上的直角动坐标系即车辆 坐标系，见图2 - 1 。x o z 处于汽车左右对称的平面内，坐标系的原点令其与车辆质心重合，x 轴平行于地面 指向前方，y 轴指向转弯时的外侧，z 轴指向上方“。 图2 1 固结于车身的坐标系 为了建立汽车转向运动的微分方程，首先应建立相应的力学模型。由于影响汽车转向运动的因素较多 受力情况较为复杂。为了使问题的分析更加简洁明了、突出重点，这里假设汽车作等速平面运动，不考虑 切向力作用和空气作用；忽略车身绕y 轴的俯仰运动，只考虑车身沿y 轴的侧向运动、绕z 轴的横摆运动： 忽略转向系统作用，直接以车轮转角作为输入；并认为汽车左右对称，前后铀上的每对车轮分别用具有其 两倍侧偏刚度的单个车轮来表示，即将实际汽车简化成一个两轮摩托车的模型，此外，汽车的侧向加速度 限定在0 4 9 以下，轮胎的侧偏特性处于线性范围之内。如图2 2 所示。 7 东南大学硕士学位论文 广_- 、娜j i 一 一弋】”一 l 一 1 i “抓胁一 f y 2 图2 - 2 简化的前轮转向汽车原理图 于是前轮转向汽车对车辆坐标系的运动微分方程为： f y = m ( 审+ u o ) ，) l n = i ：面， 可以写成 jf y - 。0 8 正+ 2 m u ( 户+ r ) = m ( 审+ u r ) ( 2 2 1 ) l a f ；1 c o s 8 f b f r 2 = i ；西， 式中m 车辆质量 f y l ，f y 2 _ 一地面对前，后轮的侧向反作用力： 61 前轮转角： a ，b - 一汽车重心距前，后轴的距离 i z 汽车绕z 轴的转动惯量 上式可化为 f ( k 。+ k 2 ) 十三( a k 。一b k2 ) 国，一k 1 4 ：m ( t + u 6 0 r ) u ( 2 2 2 ) k ；_ b k2 ) + 土( a 2 k 。+ b2 k 2 ) q a k 。正：i ：亩， 方程中k l 、k 2 时前后轴中心的等效轮胎侧偏刚度，它应当等于左右轮胎刚度之和，而不是单个轮胎的 坝0 偏刚度。 2 2 2 四轮转向汽车的二自由度模型 为了对四轮转向汽车进行合理动力学分析，先建立整车的二自由度模型，如图2 - 3 所示。 图2 3 简化的二自由度四轮转向汽车模型 考虑到后轮的转向运动，参考式( 2 2 1 ) 可以得到下面四轮转向的二自由度模型运动方程： 彤0 8 函+ 譬。s s r _ m + ? q ( 2 2 3 ) i a f y l c o s 8 f _ b c o s 8