车辆电子控制技术-第3课-四轮转向控制课件

车辆电子控制技术讲授内容：第九章转向控制（第3课）主讲人：鲁植雄教授《车辆电子控制技术》课件08八月2023Email：QQ：1607357229车辆电子控制技术讲授内容：第九章转向控制（第3课）《车辆1208八月2023本章内容安排第九章转向控制第1课

电动助力转向控制第2课

线控转向第3课

四轮转向控制231七月2023本章内容安排第九章转向控制第1课2308八月2023一、四轮转向系统的优点二、四轮转向的类型三、汽车后轮转向控制类型四、四轮转向汽车模型五、汽车四轮转向系统控制方法六、汽车四轮转向系统的发展方向本节课的主要内容第3课四轮转向控制第九章转向控制331七月2023一、四轮转向系统的优点本节课的主要内容3408八月2023能够全面改善汽车的转向性能，汽车在低速行驶过程中进行转向时，使后轮与前轮反向偏转，可以减小汽车的转向半径；汽车在中速行驶过程中进行转向时，使后轮与前轮同向偏转，可以提高汽车的转向灵敏性；汽车在高速行驶过程中进行转向时，使后轮也与前轮同向偏转，可以减小汽车在转向过程中的横摆运动，改善汽车的稳定性。一、四轮转向系统的优点第3课四轮转向控制第九章转向控制431七月2023能够全面改善汽车的转向性能，汽车在低速4508八月2023四轮转向汽车与两轮转向汽车相比，具有以下优点：提高了汽车在高速行驶时和在湿滑路面上的转向性能；驾驶员操纵转向盘反应灵敏，动作准确；在不良路面和侧风等条件下，汽车也具有较好的方向稳定性，提高了高速下的直线行驶稳定性；提高了汽车高速转向的行驶稳定性，不但便于转向操纵，而且在进行急转弯时，也能保持汽车的行驶稳定性；通过使后轮转向与前轮转向相反，减小了低速行驶时的转向半径，不但便于在狭窄路面上进行U形转弯，而且在驶入车库等情况下便于驾驶。一、四轮转向系统的优点第3课四轮转向控制第九章转向控制531七月2023四轮转向汽车与两轮转向汽车相比，具有以5608八月2023一、四轮转向系统的优点第3课四轮转向控制第九章转向控制二轮转向汽车与四轮转向汽车的比较631七月2023一、四轮转向系统的优点第3课四轮转6708八月2023机械式、液压式、电动式和复合式。1．机械式4WS机械式四轮转向的工作原理是根据转向盘的转角进行控制，它利用后轮齿轮转向机构中的偏心轴、行星齿轮等部件的工作来实现同相位和逆相位的转向。后轮的转向运动只是在前轮转动时才有。后轮齿轮转向机构在转向盘角度约为120°时，同相位转角达到最大值，然后后轮逐渐恢复直线行驶状态；当转向盘角度约为240°时，后轮重新回到直线行驶状态。当转向盘角度继续增大，后轮就会向与前轮反方向转动。该系统利用了随着车速的提高，驾驶员转动转向盘的角度变小的操纵特点，实现了前后轮的同时转向，结构简单，成本低，但它无法根据车速进行精确地控制。二、四轮转向的类型第3课四轮转向控制第九章转向控制731七月2023机械式、液压式、电动式和复合式。二、四7808八月2023二、四轮转向的类型第3课四轮转向控制第九章转向控制831七月2023二、四轮转向的类型第3课四轮转向控8908八月20232．液压式4WS液压四轮转向系统可以采用液压控制和电子控制两种方式。转动转向盘产生的转向液压被传到控制后轮的控制阀上，使滑阀移动，从而控制油泵的油路把液压传至后轮转向的动力缸，实现液压推动后轮转向。后轮的转向角还可根据行驶速度产生不同的液压，当停车时，油泵不产生油压，后轮不转向，随着车速的提高，液压升高，后轮便可转向。另外还可以根据路面的阻力大小来实现对后轮转向角的控制。电子控制式的转向条件是由装在车上的角位移、角速度传感器检测到的转向角、转向角速度等参数。液压系统四轮转向的问题是需要专门设计一套油路及密封。液压系统能够实现的后轮转向角较小，同时还存在液压油的泄露问题。二、四轮转向的类型第3课四轮转向控制第九章转向控制931七月20232．液压式4WS二、四轮转向的类型第391008八月20233．电动式4WS电子控制电动式四轮转向的前轮就是普通的机械转向，后轮的转向是由装在后轮的电动机来实现的，后轮的转向角由计算机控制。控制后轮的计算机通过检测转向角、转向时车身的角速度、角加速度等参数来监视汽车的转向状况。它根据转向盘的操作状态及车速，计算出后轮的目标转向角，向步进电动机输入脉冲电流使后轮转向，并且可以实时监视汽车状况来计算目标转向角与后轮的实际转向角之间的差来实时调整后轮的转向角。二、四轮转向的类型第3课四轮转向控制第九章转向控制1031七月20233．电动式4WS二、四轮转向的类型第101108八月2023电子控制四轮转向系统主要有ECU、车速传感器、转向角比例传感器和执行器等组成。前、后转向机构由机械连接。转向盘的转动通过前转向齿轮箱（齿轮齿条式）中的齿条带动前横拉杆左右移动，使前轮产生偏转。同时，使前转向齿轮转动的输出齿轮转动，并通过一个连接杆将转动传动到后转向器中。二、四轮转向的类型第3课四轮转向控制第九章转向控制1131七月2023电子控制四轮转向系统主要有ECU、车111208八月20234.复合式4WS可以将几种结构方式结合起来，形成复合式4WS系统，但是结构较为复杂。电子控制电动系统是四轮转向系统中可以进行精确控制的一种方式，它是由计算机进行控制，驱动可靠，而且体积小，便于布置。二、四轮转向的类型第3课四轮转向控制第九章转向控制1231七月20234.复合式4WS二、四轮转向的类型121308八月2023按后轮的偏转角与前轮偏转角或车速之间的关系不同分：转角传感型、车速传感型两种。1.转角传感型后轮转向控制后轮的偏转角与前轮的偏转角之间存在某种函数关系。即后轮可以按与前轮旋转方向相同方向旋转，即同相位偏转；也可以按与前轮旋转方向相反的方向旋转，即反相位偏转。此外，前、后轮转向角之间也有一定关系。2.车速传感型根据设计程序，当车速达到某一预定值时(35-40km/h)，后轮能与前轮同方向偏转，而当低于这一预定值时，则反方向偏转。三、汽车后轮转向控制类型第3课四轮转向控制第九章转向控制1331七月2023按后轮的偏转角与前轮偏转角或车速之间131408八月2023在建立四轮转向汽车模型时，假设：汽车只有侧向和横摆两个自由度运动；忽略纵向力和空气动力的作用：忽略转向系影响，以前轮转角作为输入；不考虑车轮载荷变化引起的轮胎侧偏特性变化和回正力矩的作用。四、四轮转向汽车模型第3课四轮转向控制第九章转向控制1431七月2023在建立四轮转向汽车模型时，假设：四、141508八月2023前轮转角、后轮转角、汽车的行驶速度、汽车的侧向速度、横摆角速度、偏角、汽车质心至前轴距离、汽车质心至后轴距离、汽车轴距。（横摆角速度、偏角）与（前轮转角、后轮转角）的方程关系四、四轮转向汽车模型第3课四轮转向控制第九章转向控制图4．2四轮转向汽车简化模型1531七月2023前轮转角、后轮转角、汽车的行驶速度、151608八月2023四轮转向系统的控制目标可归纳为：减小侧向加速度与横摆角速度之间的相位差及它们各自的相位；减小汽车质心处的侧偏角；汽车低速行驶时具备良好的机动性，高速行驶时具有很好的稳定性；实现所希望的转向特性；抵御汽车参数的变化，保持所希望的转向特性；在轮胎处于附着极限时，仍具备良好的响应特性。这些控制目标是相互联系和相互影响的，四轮转向的各种控制方法分别有其侧重点。随着计算机技术和控制理论的不断发展，各种新的控制理论和控制方法在不断地应用于四轮转向系统。主要介绍比例控制、动态补偿式控制和前馈+反馈控制等。五、汽车四轮转向系统控制方法第3课四轮转向控制第九章转向控制1631七月2023四轮转向系统的控制目标可归纳为：五、161708八月20231．比例控制比例控制又分为前馈控制和反馈控制。后轮转角δr取决于前轮转角δf的大小，而汽车的运动状态靠驾驶员来进行反馈控制。因此，这种系统能够修正转向以抵御侧向风和路面激励等外部干扰。即使在松开转向盘时，转向回正力矩的作用也能使四轮转向比两轮转向更迅速地趋于稳定。五、汽车四轮转向系统控制方法第3课四轮转向控制第九章转向控制四轮转向比例控制系统1731七月20231．比例控制五、汽车四轮转向系统控制171808八月2023(1)前馈型四轮转向控制前馈控制也称为前轮转向角比例控制。设前、后轮转向角分别为式中，δ为转向盘转角；n为转向机传动比；K为比例系数。为了保证汽车稳态行驶时的侧偏角为零，后轮转向角与前轮转向角的比例系数K，应随汽车的行驶速度变化而变化。当K<0时，前、后轮转向相反；当K>0时，前、后轮转向相同。五、汽车四轮转向系统控制方法第3课四轮转向控制第九章转向控制1831七月2023(1)前馈型四轮转向控制五、汽车四轮181908八月2023也就是说，利用前、后轮转向角比例控制方法，可以设计出低速转向时，前、后轮转向相反；中高速转向时，前、后轮转向相同、且稳态侧偏角为零的四轮转向系统。也称为车速感应型4WS系统。这种控制方式可以使汽车在中、高速转向行驶时，前后轮保持相对稳定的平衡。让汽车的前进方向与其车身的方向保持一致，获得稳定的转向特性。在转向初期的过渡阶段，由于从一开始，前、后轮都同时产生侧偏力，使得车身的公转运动早于其自转的横摆运动，与2WS汽车的转向相比，其转向方向的偏差要小得多。五、汽车四轮转向系统控制方法第3课四轮转向控制第九章转向控制1931七月2023也就是说，利用前、后轮转向角比例控制192008八月2023（2)反馈控制型四轮转向控制反馈控制也称前轮转向角函数控制。前馈控制只考虑了前、后轮的比例关系，反馈控制以传递函数来控制后轮。设K(S)是后轮转向角对于前轮转向角的传递函数，则后轮转向角为

利用此传递函数控制后轮，质心处侧偏角始终为零，能够实现汽车的朝向始终与行驶方向一致、且稳态和瞬态侧偏角为零的4WS系统。称为前轮转向角感应型4WS系统。五、汽车四轮转向系统控制方法第3课四轮转向控制第九章转向控制2031七月2023（2)反馈控制型四轮转向控制五、汽车202108八月20232．动态补偿式控制动态补偿式控制分为转向角动态补偿和转向力矩动态补偿。（1)转向角动态补偿前、后轮转向角的关系为通过横摆角速度r补偿后轮的附加转角，可以改变侧偏角和横摆角速度对转向盘转角的传递函数。因为通过横摆角速度可直接检测出车身的自转运动。因此，根据测验出的数值，对后轮的转角也作相应的增减，就可能从转向初期开始，使车身方向与前进方向之间的误差非常小。又由于它能直接感知到汽车的自转运动，因此，即使有转向以外的力（如横向风等）引起车身自转，也能马上感知到，并可迅速通过对后轮的转向控制来抑制自转运动。五、汽车四轮转向系统控制方法第3课四轮转向控制第九章转向控制2131七月20232．动态补偿式控制五、汽车四轮转向系212208八月2023(2)转向力矩动态补偿设前轮转向系统的转向力是作用于前轮的外力产生的力矩，则前、后轮转向角的关系为与前轮转向力成比例地转向后轮时，能改变侧偏角和横摆角速度对转向盘转角的传递函数，说明该控制具有反馈特性。五、汽车四轮转向系统控制方法第3课四轮转向控制第九章转向控制2231七月2023(2)转向力矩动态补偿五、汽车四轮转222308八月20233．前馈+反馈控制这里主要指前轮转向角比例前馈加横摆角速度比例反馈，控制后轮转向，并且使汽车质心处侧偏角始终为零。此时后轮转向角为通过选择比例系数，可实现质心侧偏角始终等于零，并由于反馈存在，提高了汽车抗外来干扰的稳定性。五、汽车四轮转向系统控制方法第3课四轮转向控制第九章转向控制2331七月20233．前馈+反馈控制五、汽车四轮转向系232408八月20234．四轮主动转向控制前面3种控制方式，都是在前轮转向角直接与转向盘转角联系，然后再对后轮转向角进行控制。这从动态意义上说，可以自由设定的只不过是一个独立的变量。如果能够同时对前、后轮进行自由控制，就可以获得与希望的特性十分接近的旋转运动和平移运动。四轮主动转向控制将是发展方向。主动前后轮控制的4WS系统是2输入、2输出系统。使侧偏角为零和横摆角速度为一阶滞后响应的前、后轮控制规律。由此可见，通过对两个输入变量进行协调控制，基本上可以实现对所有运动性能的随动控制。五、汽车四轮转向系统控制方法第3课四轮转向控制第九章转向控制2431七月20234．四轮主动转向控制五、汽车四轮转向242508八月20235.汽车四轮转向的神经网络控制早期的四轮转向控制器设计均是基于跟随线性动力学方程的假设，但由于汽车动力学参数的变化，使得所设计的控制系统不一定满足实际的需要。当汽车转弯行驶时，如果侧向加速度较大，轮胎侧偏特性将进入非线性区域，此时线性控制理论就无能为力。考虑到汽车动力学参数的变化，许多研究者试图用其他理论(如自适应控制和鲁棒控制)来探讨新的控制策略。近年来，人工神经网络理论在四轮转向的控制系统中得到了应用。神经网络模型目前发展到了几十种之多，综合考虑各种因素，采用递归BP网络模型的思想，结合多层前馈网络构造了四轮转向汽车的辨识模型。多层前馈神经网络在隐层激发函数为Tauber-Wienar(TW)函数时，任意单隐层神经网络，当神经元趋于无穷大时，能完成任意所需映射。双隐层结构的网络在神经元个数有限的情况下就能完成任意所需映射。五、汽车四轮转向系统控制方法第3课四轮转向控制第九章转向控制2531七月20235.汽车四轮转向的神经网络控制五、汽252608八月2023四轮转向汽车模型可用输入和输出的非线性差分方程来描述如下：

该网络有五个输入节点、两个输出节点，通过试验试凑法，确定四轮转向汽车拓扑结构为三层前馈神经网络，第一隐层节点数为10，第二隐层节点数为8，五、汽车四轮转向系统控制方法第3课四轮转向控制第九章转向控制四轮转向汽车神经网络拓扑结构2631七月2023四轮转向汽车模型可用输入和输出的非线262708八月2023输入输出层的转移函数为线性传递函数，隐层转移函数为S型传递函数。可以直接根据非线性汽车模型产生的输入输出数据来训练神经网络汽车模型，使其能够充分描述汽车的动力学，然后再根据该神经网络模型去设计和训练四轮转向汽车神经网络控制器。五、汽车四轮转向系统控制方法第3课四轮转向控制第九章转向控制神经网络模型的训练框图2731七月2023输入输出层的转移函数为线性传递函数，272808八月2023四轮转向汽车系统控制框图如右图所示，控制系统的仿真可在MATLAB平台下进行。研究结果表明，与控制前相比，侧偏角趋于稳定，并且稳定在0的附近，达到了4WS的控制目标；另外随着车速的增加，侧偏角逐渐增大，这与实际情况也是相符合的。横摆角速度也趋于稳定，而且横摆角速度的幅值大幅度减小，达到了4WS模型控制的目标。系统中加入神经网络控制器后动态响应特性较好。五、汽车四轮转向系统控制方法第3课四轮转向控制第九章转向控制四轮转向汽车系统控制框图2831七月2023四轮转向汽车系统控制框图如右图所示，282908八月2023ECU根据转向角传感器、车速传感器等输入信号，可进行如下控制。转角控制。依据转向角控制脉谱图，再根据行驶车速控制主电动机，从而实现对转角的控制。驾驶员可使用4WS模式切换开关，选择“NORMAL”或“SPORT”模式。2WS选择功能。当2WS选择开关设定在ON，且变速器被挂入倒挡位置时，后轮转向量就被设置为零，对那些习惯于使用2WS转向系统倒车的人来说，可利用这一功能。防误操作控制。当系统发生异常情况时，防误操作控制会进行如下的处理：使驾驶室内的“4WS警示灯”点亮，告之驾驶员已出现异常情况，同时将发生异常部位的信息存储到E