1、摘 要汽车电子稳定程序系统ESP是一种新型主动安全控制系统，也是最近几年汽车安全领域研究的热点。这种新型系统能够根据汽车驾驶员的意图和路面状况主动的控制汽车的运动，避免危险状况的发生，提高行驶安全性。本文首先对ESP的稳定控制原理进行了分析，并利用Matlab/simulink建立了汽车二自由度模型,得到汽车在行驶中理论的横摆角速度和质心侧偏角,然后在Adams/Car建立了汽车整车模型，并对该模型进行了仿真试验，以便为后续的实验研究提供准确的模型。在控制方面选用PID控制，以横摆角速度和质心侧偏角的误差作为输入，把调整汽车稳定所需要的力矩作为输出。用Adams/Control将汽车模型和Si
2、mulink连接后，又对整车车进行了转向盘阶跃模拟试验，试验结果表明配有ESP系统的汽车有比较好的路径保持能力，转弯半径明显减小，且横摆角速度和质心侧偏角都能得到较好的控制。由此可以看出ESP确实能较好的改善汽车操纵稳定性和汽车行驶的安全性。关键词:汽车；ESP;二自由度模型；PID控制；联合仿真。AbstractESP Electronic Stability Program system is a new active safety control system. In recent years it also became the hot field of automotive safe
3、ty research. The new system based on the intention of driver can actively control and road conditions motorists sports car, to avoid dangerous situations and improve driving safety.The ESP stability control principle is analyzed at first, and the two degree of freedom model car is also established b
4、y Matlab / Simulink .From it getting the theory of yaw rate and lateral sideslip angle, then Adams / car automobile model was established. At last a simulation experiment is made on this model in order to provide an accurate model for the subsequent experimental study. As control ,the PID control is
5、 used and the yaw rate and sideslip angle error are used as input, the torque required to adjust the car stable as output. With Adams / Control after the car model and Simulink connection, and carried out on the vehicle steering wheel vehicle simulation step. The results showed that the car is equip
6、ped with ESP systems ability to maintain a relatively good path, turning radius is significantly reduced, and the yaw rate and sideslip angle can be better controlled. It can be seen that ESP really can better improve vehicle handling and stability and safety of cars.Key words: Vehicle; ESP; Two deg
7、rees of freedom model ; PID control; Co-simulation；目录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 研究ESP的背景和意义11.2 ESP系统的关键技术21.3 国内外ESP 系统研究31.4本文研究的主要内容72 ESP系统的基本理论92.1汽车失稳的原因分析92.2 ESP系统的介绍112.3 ESP系统的控制策略分析132.4本章小结153 汽车模型的建立163.1 相关软件的介绍163.2 影响汽车稳定性的参数203.3 汽车参考模型的建立213.4 Adams/Car汽车模型的建立233.5整车模型的检验273.6本章小结284
8、基于汽车ESP控制系统的设计304.1 ESP系统控制系统的分析304.2 PID控制系统324.3 本章小结395 基于Adams和Matlab 的汽车ESP联合仿真405.1联合仿真的简介405.2导入Adams子系统模型405.3 PID控制的ESP仿真模型的建立与分析445.5 本章小结466 结论与展望47参考文献49致谢51531 绪 论1.1 研究ESP的背景和意义在现代社会中，汽车在我们的日常生活中充当着重要角色，成为人们日常工作生活不可或缺的工具，相应的汽车的安全性也越来越受到人们的关注。汽车安全协会发布的报告显示，每年死于道路交通事故的人数大约在50万，受伤人数超过1000
9、万，造成的直接财产损失就超过550亿美元，这严峻的事实迫使我们将更多的精力投入到汽车的安全性上。 汽车的安全性从整体上可以分为被动安全性和主动安全性。被动安全性就是指在碰撞发生后通过汽车内部的一些构件受压变形或者吸震器等一些装置来减少对乘客的伤害，在这类装置中具有代表性的就是安全气囊和安全带。主动安全性就是根据理论知识对汽车的内部构造进行合理的设计来主动的预防事故的发生，在此类装置当中具有代表性的是ABS（防抱死刹车系统），TCS(牵引力控制)，EBD(制动力分配系统)，ESP(汽车电子稳定系统)。ABS是根据不同附着率下路面与轮胎之间的附着特性调节制动压力来避免出现车轮抱死的现象，能够充分利
10、用附着系数缩短制动距离提高制动的安全性和稳定性。TCS是根据传动轮的转速和驱动轮的转速来判断驱动轮是否发生打滑现象，当后者大于前者时，出现抑制驱动轮转速的一种防滑系统。它同ABS作用几乎相同，两者都采用了制动压力感测器及刹车调节装置，当然TCS不仅能够提高汽车的稳定性还能使汽车在加速起步，爬坡等方面有很大提高。EBD又称电子制动力分配装置，它实际上式ABS的补充装置，它的机械系统与ABS相同只是多出一个控制软件。在紧急刹车时EBD在ABS工作之前可以根据路面状况和车身载荷自动的以前轮为参照来比较后轮的制动率，当差异率达到一定程度时油缸就会自动调整油压以得到更理想话的制动力分配，从而缩短刹车距离
11、ESP是汽车电子稳定装置，它是在ABS和TCS控制的基础下发展起来的横向动力学控制，几乎能够在任何条件下提供汽车在极限情况下动力学的稳定性。当然ESP能够探测和分析车况并纠正驾驶的错误，辅助驾驶，防患于未然。ESP 对过度转向或不足转向特别敏感，例如汽车在路滑时左拐过度转向（即转弯太急）时会产生向右侧甩尾，传感器感觉到滑动就会迅速制动右前轮使其恢复附着力，产生一种相反的转矩而使汽车尽量保持在原来的轨道上。ESP 系统的主要作用在于，当行使的车辆由于人为因素或者环境的干扰而进入不稳定的行驶状态时，比如轿车出现急转或需要避开突然出现的障碍物时或者轿车偏离预定的行驶路线或有打滑、翻转的趋势时，它的
12、电子控制系统（ECU）将传感器测量的相关数据与标准或参考技术数据进行比较，确定轿车行驶状态不稳定的程度及其原因后，ESP 系统通过液压调节器在左右车轮上施加不同的制动力对汽车的动力学状态进行主动干预，自动地通过电子控制系统向制动装置和发动机上的执行机构发出指令，采取最有利的安全措施，使汽车始终保持安全稳定的行驶状态。1.2 ESP系统的关键技术1.2.1 传感器技术的改进在ESP系统中使用的传感器很多,主要有:纵向加速度传感器、横摆角速度传感器、横向加速度传感器、轮速传感器、转向盘转角传感器等,都是ESP系统的中重要零部件，目前传感器技术改进的主要目标是提高工作可靠性,降低生产成本。1.2.2
13、 液压制动系统的优化设计汽车是个紧凑的结构体,预留空间非常有限,所以需要采用一些体积小、质量轻及成本低液压系统，因此需要对汽车的液压制动系统进行优化设计,从而满足汽车的需要。1.2.3 ESP系统控制策略的优化由于ESP系统的ECU工作时,需要获取大量的状态变量,所以计算处理起来的工作量大,要求ECU处理能力和程序容量能力要比其他系统大,一般的单CPU结构难以满足复杂运算要求,常采用多CPU结构。ECU计算软件程序是ESP系统的核心,有些控制理论由于鲁棒性较差很难满足ESP系统要求,因此需要采用一些鲁棒性好的非线性控制算法来满足复杂ESP控制系统的要求。1.2.4 采用CAN总线完善控制功能采
14、用CAN总线将ESP系统的电子控制单元ECU与发动机ECU、传动系的ECU连接起来,从而使ESP系统控制功能更好地发挥出来。例如ESP系统获取自动变速器传动比、液力变矩器变矩比和档位等信息,对驱动轮的驱动力进行估算,当ESP系统识别出汽车在低附着系数路面行驶时,它会阻止驾驶员挂入低档，若汽车在低附着系数路面上起步时,ESP系统会告知驾驶员应先挂入2档,这将会显著改善大功率轿车的起步舒适性。1.3 国内外ESP 系统研究1.3.1国外研究现状汽车ESP系统是在制动防抱死系统ABS(Anti-lock Brake System)和牵引力控制系统 TCS(Traction Control Syste
15、m)基础上发展起来的。1986 年 Bosch 公司将 ABS和 TCS 集成到一起并应用于 Mercedes-Benz S 级轿车上，标志着 ABS/TCS 集成时代的来临，但由于 ABS/TCS 的集成只能解决汽车纵向稳定性问题，无法解决汽车驱动、制动转向及高速转向等极端工况引起的侧向稳定性问题1。1992 年 Bosch公司与 BMW 公司合作，在 ABS/TCS 的基础上开发了汽车动力学稳定性控制系统DSC，并应用于 BMW850Ci 轿车，1994 年 Bosch 与 BMW 公司再次合作，在DSC的基础上进一步开发出 DSC,1995 年 Bosch 公司和 Mercedes-Be
16、nz 公司联合开发出第一款 ESP 产品，并装备在 S600 轿车以及 S-Class 轿车上，标志着汽车横摆稳定性控制技术走向成熟2。1996 年 Bosch 公司和 BMW 公司在 DSC和 DSC的基础上开发了 DSC，1998 年 Bosch 公司完成 ESP5.7 的开发与批量生产3。随着电子技术的快速发展，ESP 系统的性能也在不断地提高。2007 年，TRW开发出针对混合动力汽车的稳定性控制系统 ESP-R，ESP-R 代表了该技术的再次升级。2010 年，Bosch 公司推出了液压阀集成度更高的第九代 ESP 产品ESP 系统的工作原理复杂，涉及的理论多，国外对 ESP 的理论
17、研究较早，研究内容也较为广泛深入4。Bosch 公司的直接横摆力矩控制 DYC是典型的控制方法之一，也是目前在汽车稳定性控制中比较常用的控制方法。该控制策略通过将汽车简化为二自由度模型来描述驾驶员的期望行驶轨迹，传感器采集到的汽车实际运行状态与该模型进行比较，控制器计算得出使汽车回到驾驶员期望轨迹模型上所需的附加横摆力矩，然后按照一定的规则将附加横摆力矩分配给不同的制动车轮，从而控制汽车的运行姿态. Motoki Shino 等人将 DYC 控制策略运用于电动汽车的主动安全控制系统，建立了电动汽车的动力学模型和期望模型，采用最优控制算法来计算附加横摆力矩，最后进行了试验取得了良好效果5。Bo
18、Chen 等提出了基于整车制动力分配的控制策略，由于 ESP 主要工作在路面附着能力有限的湿滑路面，单轮制动的控制策略可能无法产生足够的控制力矩，因此设计了滑模控制器来合理的分配四个车轮上的制动力，以产生根据驾驶员期望模型计算出的汽车附加横摆力矩Luca Piancastelli 等提出了一种基于模糊控制的改进型 ESP 控制算法，以避免汽车因为轮胎突然爆裂而产生的失稳现象6。Taeyoung Chung 等提出了典型的质心侧偏角控制策略，根据汽车的平面运动特点设计了差动制动策略，采用滑模控制算法设计了质心侧偏角控制器，为避免驾驶员的操作与 ESP 工作之间的影响，建立了虚拟实验场 VTT (
19、virtual test track)来验证控制策略的有效性。同时分析了不同驾驶员对汽车稳定性的影响，通过不同速度和转角下的汽车质心侧偏角相位分析，设计了根据驾驶员的操作特点可调的质心侧偏角控制策略，并设计了非线性卡尔曼滤波器估算质心侧偏角。Congdocehi Geng 等在建立了非线性轮胎模型和车身模型的基础上，结合常规的质心侧偏角估算模型，设计了模糊自适应质心侧偏角观测器，通过调节隶属度函数便可以适应多种工况。Mauro Velardocehia 等利用硬件在环试验对 ESP 液压调节系统的执行部件进行了动态性能测试，分别对进油阀、出油阀、电机液压泵、低压储能器等组成部件进行了测试和控制
20、分析，在此基础上得出了不同部件对汽车动态控制性能的影响7。Seung-Han You 等人利用参数识别的方式得出描述液压调节单元的经验公式，针对得出的经验公式设计了鲁棒控制器并对其进行了验证。KevinoDea 等人利用 Carsim、Matlab/Simulink、AMESim进行联合仿真，分析了电磁阀流量和制动卡钳位移的变化对制动轮缸压力估算造成的影响及对车辆制动距离和车辆横摆角速度的影响8。1.3.2国内研究现状在我国，随着 ABS 的在所有车型上普及，稳定性控制系统普及率也得到快速增加，很多自主品牌车型都装配了稳定性控制系统。稳定性控制系统只是在 ABS硬件基础上增加了方向盘和横摆角速
21、度及侧向加速度传感器，价格却是 ABS 的 10倍以上。但我国还没有自主的稳定性控制系统产品，有的是为国外稳定性控制系统提供液压执行机构的产品。研发一个拥有自主产权的稳定性控制系统产品，成为国内汽车安全性研究的热门。我国的稳定性控制系统研究起步比较晚，近年来，主要在国内的一些高校和汽车设计企业进行了研究9。（1）控制方式研究 实现汽车稳定性控制的方式主要有转向、垂直载荷分配和制动分配这三种方式。由于转向控制只是在汽车线性范围内控制汽车的稳定；垂直载荷分配控制受车内环境影响较大；制动压力分配方式可以实现汽车在稳态或失稳的控制，成为稳定性控制研究的重点。同济大学的余卓平等人设计基于最优控制的横摆力
22、矩与车轮变滑移率控制协同的控制方法。同时由于控制系统的发展，出现了联合几种控制方式的稳定性控制研究，如南京航空航天大学的赵又群等人提出了联合转向及制动控制的控制方式，东南大学的陈南等人提出了联合四轮转向及制动控制相结合的控制方法10。贺岩松等人根据利用稳定性控制原理，以二自由度为基础针对不足转型，过多转向，中性转向，推导出所需的制动力。程军用模拟的方法研究了汽车的动力学控制系统。王德平探讨了稳定性控制的基本原理提出了简单的判定准则，并对稳定性进行了分析。郭孔辉以纵滑侧偏联合工况的稳态轮胎模型为基础分析极限条件下的制动力作用于不同车轮时对汽车横摆力矩的影响，并通过整车动力学模型进行了验证11。（
23、2）控制模型研究 控制模型包括 PID 控制、模糊控制、滑模变结构控制、神经网络控制为基础的控制模型研究。宗长富等人建立人车闭环系统动力学模型，提出了保证质心侧偏角为零的前馈和单神经元两种 DYC 控制策略；王培的运用神经网络设计的汽车横向稳定性控制系统研究；庞迪的变结构滑模控制理论汽车操作稳定性研究。且研究正向集成控制方向发展，如吕振的基于改进模糊 PID 控制的ESP 控制，将模糊控制的适应性强和 PID 控制的易于实现的特点结合，解决了控制系统的动态性和稳定性的矛盾11。（3）汽车模型研究 吉林大学的郭孔辉院士提出的全工况统一轮胎模型和单点预瞄优化神经网络的驾驶员模型，全工况统一轮胎模型
24、为经验模型，它的参数可以通过试验测试得到，单点预瞄优化神经网络的驾驶员模型可以通过驾驶员的反应滞后和操纵滞后及预瞄道路环节等设计，实现驾驶员汽车闭环系统仿真12。郝芳等人以 Dogoff 轮胎模型为基础建立了八自由度的 Simulink 模型，程丽娟等人以多刚体动力学软件 ADAMS 建立了通过虚拟验证的整车模型。（4）验证方法研究 王德平、张成宝、周红妮等对车辆稳定性进行了软件仿真研究；丁海涛、李幼德、等人采用“V”型开发方式搭建了硬件在环试验平台；叶锦权等人建立了稳定性控制系统的快速控制原型下和实际 ECU 下的半实物仿真试验平台；清华大学的宋健等人建立了液压制动控制并运用于稳定性控制系统
25、的开发中。上海交通大学的殷承良等人开发了稳定性控制试验台架。湖南大学的肖闯运用开发型驾驶模拟器 ADSL 进行了真实人介入的驾驶模拟仿真研究13。1.4本文研究的主要内容本文主要着眼于汽车ESP系统计算机仿真研究,通过仿真对ESP系统进行验证、分析研究,为进一步优化ESP系统奠定理论基础。现将本文主要研究工作归纳总结如下:（1）利用ADAMS/Car建立某轿车的整车动力学模型，建模后，一般通过道路虚拟实验法来检验模型的正确与否，通常采用的实验方法有：移线实验、蛇形实验、瞬态响应实验、稳态响应实验等。该模型经过蛇形试验证明是正确的。（2）建立二自由度四轮汽车模型，在仿真过程中,控制系统需要将实际
26、横摆角速度及质心侧偏角和理想的横摆角速度及质心侧偏角做比较。 （3）通过各种传感器(车速传感器、横摆角速度传感器等)获得汽车的实际运动状态,与由汽车参考模型得到的理想参数值做比较,判断汽车是否处于行驶稳定状态,从而控制汽车的运动。当实际侧向力与理想汽车模型计算出的侧向力存在一定偏差时,则实际横摆角速度和实际质心侧偏角与理想汽车模型计算的参考横摆角速度和参考质心侧偏角之间存在一定偏差,若偏差值在允许范围之内,认为汽车的行驶状态稳定;若偏差值超过允许的范围,就需要对汽车进行控制。ESP系统控制的目标有2个,即保持汽车理想轨迹和稳定性控制,对于轨迹问题可以用质心侧偏角来描述,而对于稳定性可以用横摆角
27、速度来描述。（4）将建立的Adams模型导入用Matlab中调取模型再加入PID控制，进行联合仿真，此模型通过质心侧偏角和横摆角速度2个变量进行联合反馈控制。2 ESP系统的基本理论2.1汽车失稳的原因分析汽车的行驶稳定性是指在驾驶者不感到紧张、疲劳的条件下，汽车能够遵循驾驶者通过转向系统及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能够抵抗干扰而保持稳定行驶的能力，主要包括方向稳定性能和操纵稳定性能14。汽车稳定性控制系统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,使行驶车辆在各种工况下都能获得良好的操纵稳定性和方向性的一种新型汽车主动安全控制技术。本章将对汽车稳定性控制的基
28、本原理以及系统模型的建立进行详细的阐述。由于汽车形式的工况十分复杂，如路面摩擦系数的变化，汽车的制动驱动,汽车受到侧向风干扰等，都可能引起汽车失稳15。汽车的转向运动是由方向盘上施加转角以后使前轮产生侧偏角和侧向力，引起汽车横摆运动。汽车的横摆运动导致后轮也产生侧偏角，进而产生侧向力，前、后轮的侧向力提供了汽车转向的向心力。ESP 的作用是使汽车在临界工作状况下,仍然具有可操纵性,从而保证行驶的安全性。因此 ESP 在汽车行驶的所有工况中起作用,不断的采集驾驶员和汽车的行驶信息,来判断汽车的稳定状况，ESP 主要在汽车发生过多转向和不足转向时起作用。当前轴侧向力饱和时，汽车出现不足转向特性，前
29、轴发生侧滑，车辆出现飘移现象，车辆实际的转弯半径比驾驶员预期的要大，汽车偏离预期轨迹，一旦 ESP判定汽车具有较大的不足转向倾向，控制系统会自动对位于弯道内侧的后轮实施瞬时制动，以产生预定的滑移率，导致该车轮受到的侧向力迅速减小而纵向制动力迅速增大，于是产生了一个与横摆方向相同的横摆力矩。当后轴侧向力饱和时，汽车出现过度转向特性，后轴发生侧滑，产生激转、侧翻、反应迟钝、甩尾等危险工况，此时 ESP 就会采取控制措施，一旦出现过多转向，驱动力分配系统就会降低驱动力矩，以提高后轴的侧向附着力。地面作用于后轴的侧向力相应会提高，从而产生一个与过多转向相反的横摆力矩16。一般来说，只有当汽车的响应如横
30、摆角速度与方向盘转角满足一种线性关系时，驾驶员才能正确的操纵汽车。下面简单分析一下引起汽车失稳的几个主要原因17-19：（1）车辆转向特性的突然改变,汽车在某些行驶工况下造成过度转向特性,如果由于汽车纵向和侧向加速度可以引起轴荷的转移,转移到一定程度在某些情况下可以使车辆由不足转向变为过多转向,驾驶员难以及时反映,从而引发汽车的失稳；（2）道路的行驶情况复杂多变,各个路段的附着系数可能发生很大的变化,如果汽车轮胎分别处于不同摩擦系数的路面上时易引起汽车发生很大的姿态改变，另外不平路面对车辆的干扰以及侧向风等也会引起汽车行驶姿态的变化，当这种改变引起很大的质心侧偏角时就可能使汽车失去稳定性；（3
31、转动方向盘所产生的横摆角速度往往滞后于驾驶员对方向盘的转向操纵,当汽车在高速行驶时进行紧急转弯,由于这种滞后会使车辆在转向时产生比较大的车辆横摆力矩,从而会引起很大的汽车质心侧偏角，较大的汽车质心侧偏角下驾驶员很难操纵车辆,从而引发失稳；（4）由于轮胎制动或驱动产生的纵向力的影响,会导致轮胎的侧偏刚度降低从而有可能引起前轴或后轴的侧滑而引起车辆失去稳定；（5）驾驶员遇到紧急情况时由于慌乱而操作不当使汽车进入非线性区域,汽车会产生很大的质心侧偏角,驾驶员无法通过及时的调整来对车辆进行操纵,从而引起失稳。综上所述，分析了引起汽车失稳的主要原因后，本论文认为汽车的横摆角速度可以很好的描述汽车的横向
32、运动,因此可以以此为控制变量进行控制系统的设计,但是在低附着系数路面上只依靠控制横摆角速度这一单一变量无法保证汽车的侧向加速度和横摆角速度保持在理想状况，因此汽车的质心侧偏角也应作为控制变量。一般认为汽车的横摆角速度和汽车的质心侧偏角是描述汽车运动状态的两个重要参数,它们从不同的侧面表征了汽车的稳定性。2.2 ESP系统的介绍由于集成了ABS系统和ASR系统两者的基本功能,汽车ESP系统能够在极短的时间内,识别并判断出汽车各种不稳定行驶状态。比如由于外界的干扰,汽车可能出现侧滑、甩尾等不稳定行驶状态,从而发生偏离预定行驶轨迹或翻转等危险情况,通过ESP系统智能化控制,控制制动器施加理想的制动力
33、使车轮迅速恢复附着力,从而及时地消除各种不稳定因素,使汽车保持在所期望的行驶轨迹上运行,确保了行驶安全。2.2.1 ESP系统的结构 汽车ESP系统主要由电子控制单元(ECU)，各种传感器及执行器三部分组成8,如图2.1所示。(1)ESP系统中的传感器主要有:横摆角速度传感器、轮速传感器、转向传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器、制动压力传感器、纵向加速度传感器、车身翻转角速度传感器等,采用这些传感器采集汽车行驶状况的各种信息。(2)电子控制单元(ECU):电控单元ECU接收上述各传感器的信号后,然后进行分析、判断、计算从而得出汽车的运行状态,进而发出控制指令,控制一个或多个车轮制动器的制动
34、力,使汽车按照驾驶员所期望的理想路线行驶。 图 2.1 ESP组成部分 (3)执行器:接收电子控制单元(ECU)发出的命令信号,同时执行控制信号。ESP系统中的执行器:制动系统和发动机管理系统。2.2.2 ESP系统的工作过程ESP系统的工作过程可概括为信号采集、信号处理计算及ECU判断、执行器执行ECU的指令四个过程。(l)信号采集:各种传感器采集汽车的运行状态信息,如:横摆角速度、侧向加速度、横向加速度、车轮转速、转向盘转角及转速、制动力矩等数据,然后将采集到的信号传送给电控单元ECU。(2)信号处理计算:传感器采集的信号传送到电控单元ECU,ECU对其进行计算、分析,获取汽车当前运行状态
35、参数信息,同时根据汽车二自由度参考数学模型计算得出当前理想状态下的行驶状态参数。(3)ECU判断:ECU将理想状态下的参数值与汽车当前运行的实际值进行比较,计算两者之间的偏差值,并根据行驶稳定性判断标准,判断出汽车是否处于理想工况,由此确定是否需要调节制动器制动力和控制驱动轮驱动力。(4)指令执行:执行ECU的指令,调节制动器制动力或驱动轮驱动力的大小,使汽车的制动系统、转向系统、驱动系统始终保持在最佳组合状态,同时及时调节汽车行驶过程中出现的不稳定因素,防止驾驶员的误操作,避免交通事故的发生。2.3 ESP系统的控制策略分析汽车在行驶过程中,汽车运动趋势是由制动力、驱动力以及地面作用给轮胎的
36、力决定的,也决定了汽车行驶稳定性状态。由于横摆力矩直接影响汽车横向稳定性,所以控制行驶稳定性时,通常从以下两个方面进行考虑:一是通过减小汽车驱动力来增大轮胎侧向附着能力,从而达到增强汽车抵制侧向力的目的,一般通过控制发动机输出扭矩来实现;二是通过施加外部横摆力矩来改善汽车横向稳定性,可以通过控制制动器制动力来实现。当汽车处于将要失去横向稳定性时,轮胎侧向力己经达到附着极限,此时,仅仅通过驾驶员转向控制操作和减少驱动力几乎起不到任何作用,最有效的方法是利用分配给四个车轮不同大小制动力,产生反向的制动力矩,抵消汽车的不稳定横摆力矩。汽车行驶稳定性控制是通过精确控制每个车轮滑移率,改变各个车轮的侧向
37、力,从而在复杂工况下获得良好的行驶稳定性。下面将详细讨论两种特殊工况(过度转向和不足转向)的控制措施：(l)过度转向:汽车行驶稳定性控制措施如图2.2.（a）所示。当汽车出现过度转向时,ESP系统会发出控制命令对弯道外侧车轮施加瞬时制动力,产生一个方向相反的横摆力矩,使车轮侧向力迅速减少。对弯道外侧车轮进行 制动,同时也会降低车速,从而获得一个有利于稳定性的因素。(2)不足转向:汽车行驶稳定性控制措施如图2.2.（b）所示,当汽车出现的不足转向时,在ESP系统感知之后,会发出控制命令给弯道内侧的后轮施加瞬时制动,使车轮边滑边滚,产生一定的滑移率,车轮侧向力迅速减少,纵向制动力迅速增大,产生一个
38、与横摆方向相同的横摆力矩,纠正原来的不足转向趋势,实现汽车的中性转向,提高汽车的行驶稳定性。 图 2.2（a）过度转向 图 2.2（b）不足转向2.4本章小结本章详细介绍了ESP系统的结构组成、工作过程、作用以及特点等,并对ESP系统在两种特殊工况(不足转向、过多转向)下的控制措施做了详细地分析,清晰地体现了ESP系统在汽车行驶过程中所起的重要安全作用。3 汽车模型的建立3.1 相关软件的介绍3.1.1 Adams/Car概述Adams/Car(轿车模块)是MDI公司与BMW、Renault和Audi等公司联合开发的整车设计模块,在Adam/Car中能快速构建高精度的汽车子系统和整车动力学模型
39、例如悬架、车身、传动系统、转向机构、发动机和制动系统等,并且可以通过高速动画直观再现各种行驶工况下的整车动力学响应特性,同时可以输出操纵稳定性、平顺性、制动性、乘坐舒适性以及安全性等的特征参数,方便对汽车各种行驶工况分析研究,从而减少对实车测试的依赖性20。另外,Adams/Car的操作界面是根据多数汽车工程师操作习惯专门设计的。设计师并不需要经过专业培训,就可以运用和开展卓有成效的研究开发工作。Adams/Car模块中包括悬架设计模块(Suspension Design)和整车动力学模块(Vehicle Dynamics)设计两种,而其中仿真工况众多,包括:斜坡和脉冲输入、蛇行穿越试验、转
40、向盘角阶跃、漂移试验、加速试验、制动试验以及稳态转向试验等,同时还可以设定仿真试验过程中的变速器档位和节气门开度等21。由于Adams/Car采用的是基于多刚体动力学的DAE(Differential Algebra Equation)算法,因此可以建立多达上百个自由度的机械系统模型,用于汽车系统模型的创建,模型准确度高,仿真精度也高;同时由于在Adams/Car中预先设定了一系列汽车工程领域的标准试验工况,因此使用起来极为方便。鉴于Adams/Car有以上诸多优点,本文采用Adams/Car进行汽车动力学模型建立。3.1.2 Adams/control简介Adams/Controls是ADA
41、MS软件包中的一个重要模块。在Adams/Controls中,既可以通过软件本身所带的模块建立简单的控制系统,也可以运用其他的软件建立复杂的控制系统,比如Matlab等在仿真计算的过程中,Adams采取工作方式有两种:其一,采用控制软件解算器建立控制系统,采用Adams解算器建机械系统模型,两者之间通过状态方程相互联系;其二,利用编好的程序建立控制系统,将控制系统加到Adams中,然后应用Adams解算器进行系统的同步仿真计算20。Adams软件设计控制系统有两个途径:一、对于较为简单的的控制对象可以直接用软件中提供的控制工具箱建立;二、对于控制系统较为复杂的机械系统则需要采用Adam/Con
42、trols模块进行设计和建模,使用专门的控制系统设计软件进行交互式仿真分析。由于汽车是高度复杂的机械体,其控制系统也较为复杂,因此本文采用第二种方法设计ESP系统的控制系统。Adams/Controls控制系统的设计主要包括以下四个步骤:(l)建模:即建立机械系统模型,可以在Adams/Controls环境下直接建立,也可以输入在外部环境中建好的模型。(2)确定输入与输出变量:确定Adams机械模型的输入与输出变量,通过这些变量使Adams和控制软件形成一个闭合回路。(3)建立控制系统模型:通过一些控制软件Matlab、Ansys或者Matlabx进行控制系统模型建立,并将其与Adams机械系
43、统模型连接。(4)仿真模型:使用交换式或批处理的方式进行机械系统与控制系统仿真分析。3.1.3 Matlab/Simulink介绍Matlab/Simulink模块是MATLAB软件中所提供主要工具模块之一,也是目前在动态系统建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一。多数设计师都是通过Simulink模块建立动态系统模型用于解决实际问题。Simulink模块是动态系统建模、仿真以及综合分析的集成软件包,它既可以用来进行线性系统仿真,也可以用来进行非线性系统仿真;既可以实现连续时间系统仿真,也可以实现离散时间系统,甚至实现连续离散时间系统仿真,另外它还支持多制采样率的系统仿真分析Matlab/Sim
44、ulink模块的主要特点:(l)建模方便、快捷在Matlab/Simulink模块中建立机械或控制系统时,操作简单方便,只需要鼠标简单的拖拽就可以创建完成复杂的机械仿真控制模型;同时各个模块是以方块图形表现出来,采用分层结构,一目了然,用户容易接受。(2)方便进行模型分析从建模角度讲,Simulink建模方便,既适用于从上到下流程的设计,从系统、子系统到器件,又适用于从下到上逆向设计。从分析研究角度讲,方便进行模型分析,不仅能让用户了解具体环节过程,而且还能让用户清晰地了解各部分之间的数据信息的交换,掌握各部分之间的交互影响,所以说方便进行模型建立和模型分析。(3)具有优越的仿真性能机械模型建
45、立完成后,用户可以通过Simulink菜单运行或从MATLAB命令窗口中输入命令方式进行仿真前者适合于交互式工作,后者适合于仿真的批处理。由于Matlab和Simulink是集成在一起的,所以用户可以在任何一个环境的任意节点上进行仿真、分析和修改模型。Simulink的模块库按功能可划分为:连续模块、离散模块、函数和平台模块、非线性模块、数学模块、信号和系统模块、接收器模块、和输入源模块、如图3.1所示： 图 3.1 Simulink模块库3.2 影响汽车稳定性的参数 车辆的横摆角速度和质心侧偏角是反映车辆稳定性的两个最重要参数22，它们从不同侧面表征了车辆的稳定性：质心侧偏角描述汽车的轨迹保
46、持问题，横摆角速度描述车身的稳定性问题。这两个参数又是互相耦合的，当由汽车的质心侧偏角描述轨迹问题时，在小横摆角速度情况下，汽车的质心侧偏角主要由汽车上的纵向和侧向力来决定。用制动力直接控制汽车上的纵向和侧向力是十分困难的，所以直接对汽车的质心侧偏角进行控制比较困难，当用横摆角速度的控制达到稳定控制的目的时，它主要取决于作用于汽车质心上的力矩，最好的方式是在汽车的对角车轮上分别产生大小相等方向相反的驱动力和制动力，这在实际汽车上是很难实现的。所以在一般情况下横摆角速度应作为主要的控制变量。汽车的横摆角速度可以用来表征汽车的转向特性，反映驾驶员的驾驶意图；当汽车质心侧偏角较大时，横摆角速度不能再
47、反映汽车的行驶轨迹，随着汽车质心侧偏角的增加，通过方向盘改变汽车横摆力矩的能力将降低，驾驶员对汽车侧向运动的控制能力也将降低。当汽车失稳时，轮胎的侧偏特性己进入非线性区，轮胎与路面之间的侧向力不再与其侧偏角成线性关系(即实际侧向力与按线性二自由度车辆模型计算出的名义侧向力存在一定偏差)，从而导致实际横摆角速度和质心侧偏角与按线性二自由度车辆模型计算出的名义横摆角速度和质心侧偏角之间也都存在一定偏差，而横摆角速度和质心侧偏角是描述车辆动力学稳定性的最佳状态变量，所以通过比较它们的实际值与名义值之间的差值就可以确定出车辆行驶状态的稳定程度。当差值较小时，认为车辆的行驶状态是稳定的；当差值超出某一定
48、范围时，认为车辆己进入需要稳定控制的状态23。目前的车辆稳定性控制系统，通常选取这两个参数作为控制对象。一个作为主要控制变量，一个作为辅助变量。例如 BOSCH 的 ESP 系统以横摆角速度为主要控制目标，TOYOTA 的 VSC 以质心侧偏角作为主要控制目标。故本文选取质心侧偏角和横摆角速度作为主要的控制变量。3.3 汽车参考模型的建立在建立模型时,忽略转向系统的影响、悬架的作用、空气动力的作用以及轮胎的侧偏特性,认为汽车沿x轴的速度u不变,只有侧向运动与绕z轴的横摆运动这样两个自由度,这样实际汽车简化成一个两轮二自由度汽车模型,根据牛顿定律得出二自由度汽车模型的运动微分方程如下。图 3.2 汽车二自由度模型由运动学知识知道,汽车质心绝对加速度在车辆坐标系x轴上的分量为：-
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