修正版毕业论文设计 11.docx
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修正版毕业论文设计11
湖北文理学院
毕业设计（论文）
论文（设计）题目 基于滑移率控制的汽车横向稳定性控制
学院 机械与汽车工程学院
专 业 新能源汽车
班 级 1111班
姓名 易文豪
学号2011138256
指导教师 马强
2015年5月20日
湖北文理学院
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期：
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本学位论文属于
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2、不保密□。
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学位论文作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
基于滑移率控制的汽车横向稳定性控制
摘要：
汽车的横向稳定性控制系统，通过对横摆力矩的有效控制，能够显著改善整车在转向条件下的横向稳定性，是汽车电子稳定性控制系统（ESP）的重要组成部分，是涉及汽车主动安全性的关键技术。
目前，在国外汽车稳定性控制系统作为汽车主动安全技术已经成为研究的热点，相关产品已经开始大量的装备于中、高档轿车上。
而在我国，汽车稳定性控制系统的研究刚刚起步。
本文在借鉴国内外研究成果的基础上，提出了横向稳定性控制系统的技术方案，就横向稳定性控制算法和控制策略进行研究，并分别对控制系统的被控对象和控制器进行建模，在此基础上进行了典型工况的离线仿真，最后进行了实车试验，对控制系统进行验证分析。
通过对横向稳定性控制系统的仿真研究，得到了以下的结论:
1、通过仿真分析和试验验证，充分说法文中提出的技术方案准确可行。
2、通过控制横摆角速度和汽车质心侧偏角能够有效的改善汽车的侧向稳
定性。
3、汽车横向稳定性控制系统离线仿真平台可以极大的提高控制算法开发的速度。
采用DSPACE/AutoBox工具箱，可以快速实现控制算法的试验验证，这对指导算法开发具有实际意义。
关键词:
轿车；横向稳定性控制；离线仿真；逻辑门限值
Vehiclelateralstabilitycontrolbasedonslipratio
Abstract:
Lateralstabilitycontrolsystemofthecar,throughtheeffectivecontroloftheyawmoment,cansignificantlyimprovethelateralstabilityofthevehicleinthesteeringconditions,automotiveelectronicstabilitycontrolsystem（ESP）isanimportantpartoftheautomotiveinitiativeKeytechnologysecurity.Atpresent,foreignvehiclestabilitycontrolsystemasavehicleactivesafetytechnologyhasbecomeahotresearch,relatedproductshavestartedalotofequipmentformediumandhigh-endcars.InChina,theresearchvehiclestabilitycontrolsystemisinitsinfancy.Thepaper,basedonresearchresults,proposedtechnicalsolutionslateralstabilitycontrolsystemsonlateralstabilitycontrolalgorithmsandcontrolstrategyresearch,andwerechargedwiththecontrolsystemandcontrollermodeling,Onthisbasisatypicalprofileoff-linesimulation,andfinallytheactualdrivingtest,thecontrolsystemverificationanalysis.
Thesimulationstudyofthelateralstabilitycontrolsystems,toobtainthefollowingconclusions:
1,throughsimulation,analysisandtest,fullFrancophoneproposedtechnicalsolutionaccuratelyfeasible.
2,bycontrollingtheyawrateandautosideslipanglecaneffectivelyimprovethevehicle'slateralstability
Qualitative.
3,carlateralstabilitycontrolsystemoff-linesimulationplatformcangreatlyimprovethespeedcontrolalgorithmdevelopment.UseDSPACE/AutoBoxtoolbox,youcanquicklyachieveverificationtestcontrolalgorithms,thisalgorithmtoguidethedevelopmentofpracticalsignificance.
Keywords:
car;lateralstabilitycontrol;offlinesimulation;logicthreshold
目录
1．绪论1
1.1研究车辆横向稳定性控制系统的目的与意义1
1.2车辆横向稳定性控制系统产生、发展及研究现状2
1.3本文的主要研究内容4
2．汽车横向稳定性控制的数学基础5
2.1车辆系统基本模型5
2.2防抱控制基本方法5
2.3逻辑门限控制方法6
2.4 PID控制6
2.5最佳滑移率辨识方法7
3．滑移率在横向稳定控制中的用途分析9
3.1调试方法9
3.2 防抱制动系统的滑模变结构控制模型9
3.3 基于μ-λ曲线形状的λk估计10
4．基于滑移率的汽车横向稳定性控制策略与分析12
4.1汽车横向稳定性控制系统12
4.2控制变量的选取12
4.3横向稳定性控制器控制仿真13
4.4仿真结果分析16
4.5本章小结18
5.全文总结与展望19
[参考文献]20
致谢21
1．绪论
1.1研究车辆横向稳定性控制系统的目的与意义
汽车的横向稳定性控制系统，通过对横摆力矩的有效控制，能够显著改善整车在转向条件下的横向稳定性，是汽车电子稳定性控制系统（ESP）的重要组成部分，是涉及汽车主动安全性的关键技术。
汽车电子稳定性控制系统包括三个主要部分，分别是在制动工况下的防抱死控制系统，在驱动工况下的驱动防滑控制系统以及在转向工况下的横向稳定性控制系统（即横摆力矩控制系统）。
由于车辆横向稳定性直接受横摆力矩的影响，所以进行横向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;二是通过施加外部横摆力矩来改善车辆行驶的方向险和稳定性，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。
但因车辆丧失横向稳定性时，多是在侧向力已接近于轮胎与路面的附着极限情况下发生的，此时很难再通过控制方向盘转角来产生改善车辆的横向稳定性。
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具良好的应用潜能，所以车辆的横向稳定性控制可以通过制动力控制实现。
据统计数据显示，1991年一1998年期间，德国汽车事故死亡人数虽然从1991年的7000人左右降至1998年的4700人左右，但事故总伤亡人数始终保持在30万一35万。
大约25%的汽车事故都是因为汽车的侧滑和甩尾导致的，而这种事故的单车事故率达60%。
Aud1公司的调查表明随着汽车车速的增加，汽车发生侧滑和甩尾故的数量也急剧的增加。
车速在80kmlh和100km/h之间，造成人员伤害的事故有40%与汽车的侧滑和甩尾有关。
而当车速达到160km/h时，几乎所有的事故都是由于汽车的侧滑和甩尾造成的。
Toyata公司也指出由于汽车失控而导致的事故大部分是因为不能够对汽车的侧滑运动进行控制而造成的。
通常情况下，驾驶员会通过调整方向盘转角来修正汽车的侧滑和甩尾。
但是，这种情况下轮胎与路面间的附着情况达到了极限，如图1.1，侧向力变化甚微，改变方向盘转角对汽车的运动影响不大，甚至会加剧汽车的侧滑和甩尾。
图1.1前后轮胎侧偏力曲线
即使是安装的ABS系统的汽车，在这种极限工况下对汽车操纵稳定性的控制也是无能为力。
而车辆的横向稳定性控制系统能通过实时监控汽车的运动特性参数变化来主动修正汽车动态特性，使汽车运动轨迹能跟随驾驶员的意图变化，即汽车始终可控。
因此，车辆的横向稳性控制系统能够防止汽车甩尾，侧滑等事故的发生，提高极限工况下汽车操纵稳定性，对减少交通事故，降低事故伤亡人数有重要的意义。
1.2车辆横向稳定性控制系统产生、发展及研究现状
随着人们对汽车安全意识的提高，以及ABS和ASR系统得发展成熟和成功的应用，自上世纪90年代开始重视汽车横向稳定性控制系统的研究。
在20世纪90年代初，通过对车辆稳定性的理论分析[2]，提出了直接对汽车横摆运动进行控制的概念，（如DYC:
DirectYawControl）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，直接保障汽车的横向稳定性，这标志汽车横向稳定性控制概念的出现。
但考虑到本系统得成本，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轮的轮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性。
1995年之后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横向稳定性控制系统，集成了该系统的汽车稳定性控制的基本形式得到了确认。
BMW公司与BOSCH合作从1992年开始致力于汽车电子稳定程序的开发，并在当年推出了第一代（DSC）系统，该系统安装在BMW850Ci上，它只是通过监测横摆角速度来调整发动机的输出扭矩来阻止汽车进入非稳定性的工况。
1995年，BOSCH公司提出的ESP的概念，该系统集成了ABS/TCS以及VLS（VehicleLateralStability），它能独立于驾驶者对车辆行驶特性进行控制，该系统采用多个传感器，如横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、转向盘转角传感器和压力传感器等，可直接测量汽车行驶中的横摆角速度和侧向加速度的信号，同时采用更复杂的控制算法和逻辑对汽车进行控制，能够综合的控制汽车纵向和侧向稳定性。
两年后，他们又推出第三代产品，从最开始的只对横摆角速度控制，增加到也对侧偏角进行控制，从而使汽车稳定性控制更加完美。
此外，福特汽车公司通过仿真于1995年提出了其BSS（BrakeSteerSystem）的基本构想，是用横摆角速度作为反馈控制来实现自行转向的制动力矩控制。
丰田汽车公司开发出了通过主动差动控制来改善汽车在转向极限时操纵稳定性和方向稳定性的动态稳定性控制系统BSC。
天合集团将横向稳定控制与防抱死系统和牵引力系统结合，调节制动压力和发动机扭矩，达到防止车辆打滑和侧滑、保持稳定行驶的效果，其集成电子稳定性控制系统将转矩控制系统与电动助力转向相结合，保证驾驶员在多种驾驶条件下更能有效地控制车辆。
目前全球共有德国博世、日本电装、德国大陆Teves、美国德尔福、日本爱信精工和美国天合（TRW）这六家大的汽车零部件公司生产集成了车辆横向稳定性控制系统的汽车电子稳定性控制主动安全系统。
博世公司自1995年研制出了汽车电子稳定性控制系统，到2002年底，该公司已为全球提供了800万套汽车电子稳定性控制系统，从2006天津国际汽车零部件展览会上获悉，博世集团去年开始在苏州生产的博世ESP全球销量已超过2000万套。
Knorr-Bremse在2002年生产出第一个具有电子稳定性控制系统功能的EBS2.3,2003年推出的EBSS也具有电子稳定性控制系统的功能。
天合集团通过系统集成进一步优化电机稳定性控制系统（ESC）,满足市场对更小巧、更轻便、性能更出色、更具燃油经济性的安全系统的要求。
为顺应混合动力的发展趋势，为再生能源型的制动系统提供稳定性控制，TRW前不久推出了防滑控制助力系统SCB（SlipControlBoost）既提高了安全性，又更节省燃油。
该系统将于2007年在北美某大型整车企业投产。
1.3本文的主要研究内容
1、汽车横向稳定性分析的数学基础；
2、滑移率在横向稳定控制中的用途分析；
3、基于滑移率的汽车横向稳定性控制策略设计；
2．汽车横向稳定性控制的数学基础
2.1车辆系统基本模型
为模拟计算,车辆模型采用一种四轮模型,制动系统采用物理建模。
为了分析轮胎的动力学特性,我们以简单的单轮车辆模型为例进行分析：
符号
含义
M
车辆质量
V
车辆减速度
l
路面附着系数
N
车轮对地面的压力
J
车轮转动惯量
R
车轮滚动半径
Mb
车轮制动器制动力矩
k
车轮角减速度
h
峰值附着系数
So
最佳滑移率
g
车轮抱死时的附着系数
S
车轮滑移率
车轮滑移率S在制动的情况下可定义为:
S=1-kR/V[6]。
2.2防抱控制基本方法
目前针对ABS控制主要有两种方式,一种为经典的逻辑门限的方法,即根据车轮加、减速度和参考滑移率门限进行增压、减压、保压,使车轮滑移率在最佳滑移率点附近波动。
这种方法系统可靠,构成较简单,但控制参数的调整需要较多的经验，附着系数的利用率由于存在速度波动也不是最高的,但由于其简单实用,所以大多数的实用产品都是采用这种方式控制。
另一种控制方式是基于滑移率的方法,即使实际滑移率控制在最佳滑移率点或它的附近。
理论上讲这种系统是最佳的,但它的实施难度较大，特别是最佳滑移率点不易确定，所以这方面进行的理论研究及模拟工作比较多，但鲜有实际系统的实施。
由此可见两种方法各有优缺点。
下面介绍这两种控制方法。
2.3逻辑门限控制方法
传统的逻辑门限的控制方法是一组以参考滑移率和车轮加速度为门限的控制。
可以用下面的表达式来表示:
Ka=CsSref+Ca，式中:
Ka——车轮综合加速度；Cs——参考滑移率的加权系数；Ca——加减速度的加权系数;Sref——参考滑移率；A——车轮加速度。
控制逻辑可以表达为:
Ka<-a1系统减压Ka>+a2系统保压Ka>-a3， 系统增压式中:
a1、a2、a3分别为加、减速度门限值。
2.4 PID控制
采用增量PID算法比较容易实现抗积分饱和,稳定性好,在不同的条件下,采用不同的PID参数,即增益调度。
控制变量为实际滑移率与目标滑移率差值,即e=-（S-ST），式中:
e——滑移率误差;ST——目标滑移率。
PID控制器根据误差e计算出控制压力,将压力命令传给车辆的作动系统,即制动系统,它们促使车辆的运动状态发生改变,再把这种变化反馈给PID控制器,这样就构成了一种闭环反馈控制滑移率的系统。
增量式PID可以用下式来表达:
Pk=Pk-1+DPDP=Kiek+Kp（ek-ek-1） +Kd（ek-2×ek-1+ek-2）式中:
ek——滑移率误差值Ki、Kp、Kd——PID控制中的积分和比例和微分系数,在不同的误差区域取不同的值;Pk、Pk-1——两个连续时间步的压力控制量;DP——压力增量;k——k瞬时。
本文试图将这两种控制方式结合起来。
逻辑门限控制鲁棒性强,用这种方法控制车轮的滑移率处于稳定区域并接近最优滑移率,用PID滑移率控制方法控制滑移率稳定在最佳滑移率点或它的很小的邻域。
这样在滑移率不同的区域采用不同的控制方法,就可以使车辆滑移率状态较长时间停留在最佳滑移率附近,使制动距离较短,并保持制动稳定性。
2.5最佳滑移率辨识方法
用上面的方程可以简单地分析制动过程车轮减速度及滑移率特征。
图2.1轮胎制动过程受力图
在制动初始阶段,轮胎处于特性曲线的稳定区域内,随着制动压力的上升、车轮减速度增加,当超过最大附着系数点后,附着力开始略有减小,制动力再增加,则车轮减速度会急剧增加。
同时车轮的滑移率也会急剧增加,因为此时车轮速度会急剧减小,但车辆整车速度仍会按原来的制动减速度制动,这一过程可以从前面式分析出。
很显然用这一特征可以在制动过程中确定出最佳滑移率点的位置,并为滑移率控制提供目标滑移率,采用两种判定标准即车轮减速度与滑移率变化,其判定准则为定义目标滑移率,用减速度的变化率,即k也可以作为很好的判定标准,但在实用中很难获得比较理想的减速度变化率,它与系统计算k值的方法有关,且包含更多的噪声在里面。
由于车辆制动系统包含许多非线性因素,所以很难用一个解析式来表达车轮由稳定区域向不稳定区域过渡的临界点,通过数值计算及经验可以总结一种确定最佳滑移率点的方法。
在这一方法中最主要的原则是必须使车轮处于不稳定区域才能用上述准则去判断,这要求制动初始使车轮运动到不稳定区域,激发出这种不稳定状态,然后进行识别,找出最佳滑移率,再进行滑移率控制。
在这一过程中采用逻辑门限的控制方式恰好满足了这一要求。
在这一控制过程中可以辨识和估计一个最佳滑移率,并把它定义为目标滑移率。
一旦控制进入稳定滑移率区域,则切换控制方式,即用PID控制。
在控制过程中如果估计的最佳滑移率大于实际最佳滑移率,则PID控制就有可能使控制振荡起来,或者路面变化时原滑移率不合理也会出现这种情况。
当振荡较大时就会降低制动效率,当制动减速度大于某一个门限值时,说明系统已进入不稳定区域,用PID控制很难消除这种振荡,这时切换控制方式,即用逻辑门限控制使滑移率重新回到稳定区域。
另一方面,在PID控制过程中,如果估计的最佳滑移率较实际最佳滑移率小一些,则附着系数的利用率不高,在这种情况下,PID控制尽管比较稳定,但轮胎的最大附着力没有发挥出来,在这种情况下就要求不断地浮动目标滑移率使它向最佳滑移率的方向移动,直到PID控制出现某种不稳定的迹象为止。
控制框图见图2.2。
图2.2控制系统框图
3．滑移率在横向稳定控制中的用途分析
3.1调试方法
基于车轮加、减速度门限及参考滑移率的防抱死制动系统（ABS）方法简单实用,但调试比较困难,采用经验的方法,不同的车辆需要不同的匹配技术,需要较多的道路试验加以验证。
由于在整个控制过程中车轮滑移不是保持在最佳滑移率上,而是在它的附近波动,因而并未达到最佳的制动效果。
为进一步提高ABS的性能,许多文献都在研究基于滑移率的控制系。
由于ABS存在诸多不确定性因素,如轮胎与地面的附着系数、附着系数的变化率以及最佳滑移率参考点的位置等都随路况和车辆运行状态的改变而改变，是一种非线性系统,各种基于模型的控制方法（如最优控制）对各种扰动的鲁棒性不好，而变结构控制可以实现不稳定系统的镇定,可以使系统的滑动模态对系统的动力学变化、参数变化、外部干扰具有完全和较强的不敏感性，故滑模控制器在防抱制动系统中得到了广泛的应用。
实现滑移率控制系统的难点是期望点λk不是定值,在不同路面条件下变化范围在5%～30%。
如果将λk设定为它们的平均值，即使将滑移率理想地控制在这点上,也无法保证ABS工作在最佳状态。
因而基于滑移率控制的任何一种算法，必须实时辨识路面特性,确定它的峰值点λk，并在线修正设定值。
否则基于滑移率的控制系统并不能实现最优控制。
3.2 防抱制动系统的滑模变结构控制模型
为研究防抱死制动的控制过程及其在纵向平面的特性,车辆可简化为单轮车辆模型。
实际ABS系统中需要将车轮的滑移率控制在峰值附着系数μmax对应的最佳滑移率λk处,这样才能最大地利用地面附着力。
由于不同路面条件下λk一般不相同,因而要在ABS上应用滑模控制器必须解决λk的估计问题。
如果能将μ-λ曲线用一带参数的解析函数表示,就可以通过对该函数求极大值,间接地得到μmax和λk。
基于这种思想,Burckhardt给出了μ-λ曲线的函数表达:
μ（λ）=c1（1-e-c2λ）-c3λ表3—1给出了不同路面条件下的c1、c2和c3的取值。
由表3—1可以看出,利用上式就可以在线估计出c1、c2和c3,从而间接得到μmax和λk:
λk=1c2logc1c2c3.μmax（λk）=c1-c3c2（1-logc1c2c3）[9]
表3-1 不同路面条件下各参数的典型值
路面
c1
c2
c3
p1
p2
湿沥青
0.857
33.822
0.347
18.3410
58.4155
干水泥
1.1973
25.168
0.5373
11.2732
39.0633
干鹅卵石
1.3713
6.4565
0.6691
14.5401
6.2497
湿鹅卵石
0.4004
33.7080
0.1204
58.2343
51.0124
雪
0.1946
94.129
0.0646
118.3411
277.8144
冰
0.05
306.39
0.001
536.0750
1010.8
雨水
0.01
26.342
0.0046
120.123
327.153
由于Burckhardt函数参数是非线性的,要解c1、c2和c3需用到非线性的参数估计方法,这在实际应用中是非常困难的。
实用的μ-λ曲线近似数学函数常用下式来表达:
μ（λ）=μ（0）·λ1+p1λ+p2λ2式中,μ（0）是μ-λ曲线的斜率,对所有的路面认为是一样的[3],可以预置为30左右。
待估参数是p1和p2。
将式（17）做等效变换,有:
μ（0）·λ-μ（λ）=μ（λ）·λ·p1+μ（λ）·λ2·p2=[μ（λ）·λ μ（λ）·λ2]·p1p2式中的参数p1和p2就可以用带遗忘因子的线性递推最小二乘算法（RLS）来求解了。
3.3 基于μ-λ曲线形状的λk估计
由于μ-λ是一
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