第6章-车辆综合控制.ppt

第五章第五章第五章第五章 车辆综合控制车辆综合控制车辆综合控制车辆综合控制 5.1 综合控制的缘由和分类综合控制的缘由和分类5.2 综合控制原则综合控制原则 5.3 综合控制用模型综合控制用模型 5.4 综合控制规律综合控制规律 5.5 综合控制系统技术动向综合控制系统技术动向 5.1 5.1 综合控制的缘由和分类综合控制的缘由和分类综合控制的缘由和分类综合控制的缘由和分类1.综合控制的缘由综合控制的缘由1)汽车控制是一个系统工程问题2)简单的叠加原理不适合于汽车控制 由于汽车是一个有机的系统，各个元素之间对立统一。从纵向来看，任何一个可控的子系统，会对汽车的各个使用性能产生一定的影响。从横向来看，多个可控子系统并存，它们之间必然存在着相互协调的问题。可控子系统的简单叠加并不能获得良好的综合性能。3)汽车各个子系统间存在着复杂的相互关系2.综合控制的分类综合控制的分类 按系统分类底盘系统综合控制动力传动系统综合控制按功能分类横向控制纵向控制(巡航控制)横向控制横向控制是指转向控制。控制的过程为在检测到车辆相对于期望轨迹的偏移量后，根据一定的数学模型计算方向盘转角的大小和方向，以使车辆按照预定的轨迹行驶。控制的目标一般是车中心和路中心间的偏移量，同时受舒适性能指标约束。汽车自动驾驶控制系统结构图实现车辆横向横向方向角自动控制和纵向纵向车速自动控制两方面就可形成汽车自动驾驶。纵向控制纵向控制是指在行车速度方向上的控制，即车速以及本车与前后车或障碍物距离的自动控制，其控制问题主要归结为对发动机输出和制动系统输出的控制。下层控制系统是将上层控制系统的输出传递到被控车系统以实现期望加/减速度。上层控制既是实现车列纵向自动跟踪控制，其目的是通过车载传感器及雷达系统获取车列纵向行驶的信息，对车列纵向相对距离实施控制，计算出被控车期望加/减速度值，并判定是采用发动机控制还是制动系统控制，最终得出期望发动机节气门开度角和制动主缸推杆力。汽车纵向动力学在系统上分成上层控制与下层控制系统以汽车转向为核心的横向控制系统当驾驶员转动方向盘时，车轮改变其方向，在每个车轮产生侧偏角。另一方面,制动或加速对汽车转向也有影响。在设计车辆的横向控制系统时必须对上述这些因素加以综合考虑。5.2 5.2 综合控制原则综合控制原则综合控制原则综合控制原则 1.改善性能改善性能 汽车综合控制的首要原则是把各个单独的系统组合起来以改善车辆性能。单独A-4WS时：在较小的侧向加速度Gy 范围内(侧向力线性变化范围内)产生大的控制效果。但是在较高的Gy范围（侧向力非线性段），转向控制的效果削弱。单独主动悬架系统时：A-SUS的侧倾刚度分布控制对改善车辆在较高Gy范围内的操纵性有较大效果，这是因为A-SUS不仅能控制车辆转弯时的姿态变化，而且能调节前后轮的侧偏刚度。综合采用四轮转向和主动悬架系统时：主动4WS在较小的范围内产生大的控制效果，然而A-SUS的侧倾刚度分布控制在较高的Gy范围内有好的效果。因此，增加了主动4WS后，汽车在较小的范围内转向灵活并且稳定，而在高的Gy范围内依靠A-SUS能在车辆转弯时获得附加的转向效果。2.消除干扰消除干扰 采用防抱死制动系统能附加引起车辆“点头”，故为了消除防抱死控制的干扰，有必要依靠A-SUS系统的姿态控制来减小车辆“点头”。3.增加功能增加功能 综合控制也是为了增加功能。例如，ABS与4WS的结合既有利于提高车辆的行驶稳定性，也有利于缩短制动距离，因而增加了控制功能。在车辆制动时，稳定性与制动性能是两个相反的因素。单靠ABS控制很难超过图中虚线所示的极限。A-4WS的横摆角速度反馈控制对改善稳定性非常有效。此型4WS能测出现时的车辆横摆角速度，并与控制器内算出的理想车辆横摆角速度值相比较，然后令后车轮产生一转向角，以消除实际与理想横摆角速度之间的偏差。因此，依靠ABS与横摆角速度反馈控制型A-4WS的结合，即使在低 值路面上制动，也可获得良好的稳定性能。4.相辅相成相辅相成 体现这一原则的典型例子是制动防抱死控制和牵引控制的结合。牵引力控制（TRC）是在ABS的基础上发展起来，并与其相辅相成。丰田皇冠车TRC的组成是与ABS相结合，并由下列部分组成：1)由步进电机驱动的发动机进气系统的第二个（辅助）节气门；2)TRC的制动器执行机构；3)ABS共用的车轮速度传感器；4)控制器等。同时采用制动控制系统和节气门控制系统是用来提高响应速度。测量结果表明：在没有ABS和TRC的情况下，当车辆加速和减速时，侧向的Gy值相对较小。即由于驾驶员在转弯时害怕发生危险，不能全部放开地操纵方向盘、油门踏板和制动器。另一方面，装用ABS和TRC的车辆进行同样试验的结果表明即使没有经验的驾驶员在加速和减速时都能自由地操纵方向盘，或者不转方向盘而使车辆加速、减速。5.共同使用共同使用 使用同样的信号、信号处理和同样的硬件，例如执行机构、动力源、传感器和计算机等可以提高控制系统的功能成本比。当汽车行驶时，驾驶员通过改变节气门位置（或制动压力）来控制车轮上转矩和转速（c），以获得期望的前进速度（U）。驾驶员通过转动方向盘，以调整车轮侧偏角度（），从而获得理想的横向速度（V）。路面不平度随时间的变化（vi）会影响车轮上的瞬时载荷(N)，引起车轮和车身振动，并使悬架变形，后者又影响乘座舒适性。如果悬架是可以控制的，那么加在悬架上的控制力（Fcon）可影响车轮上的瞬时法向载荷（N），车轮和车身的振动速度（vu，vs），以及悬架变形（qs）。车辆作为一个系统，它的控制变量有车辆作为一个系统，它的控制变量有 c，和和Fcon，系统的状态变量有系统的状态变量有U、V、vs、vu、qs、N，而系统所受的外界干扰是而系统所受的外界干扰是vi。5.3 5.3 综合控制用模型综合控制用模型综合控制用模型综合控制用模型车辆系统综合控制的目的就是合理控制输入以获得期望的输出。为获得车辆的最佳控制，有必要研究把输入和输出联系在一起的车辆模型。综合控制用的车辆系统模型,如图1/4车辆模型.应用牛顿定律，可导出如下公式：轮胎上的法向N为和 分别为悬架和轮胎的垂直变形纵向力FL可用下式表示考虑到滑移曲线的线性部分（当 时）滑移曲线的斜率有如下关系：而且轮胎滑移率则纵向力FL可表示为侧向力FC 假定与车轮的侧偏角 成正比，并由下式给出：公式（5-8）与（5-9）可以作如下的线性化：在FL作用的瞬间干扰力FLD 由下式给出：侧向力为假设车辆一开始处于稳态转向，其横摆角速度为 将以上运动方程与线性力公式结合起来，并考虑干扰力，就可得出如下的状态方程：上式是带有路面激励的线性状态表示法，允许同时输入悬架控制量Fcon，车轮角速度（简接为转矩）控制量c和转向控制量。从物理意义上讲，上式表示在激励和控制的作用下，车辆处于一种稳态转向的状况，因此严格来说，按此式所预测的响应只在系统与稳态偏离较少的情况下才是正确的。公式所示的综合控制用模型兼顾了车辆的横向动力学和纵向动力学。利用这个模型可以对汽车的行驶工况实行全方位控制。并可以据此设计出车辆行驶动力学控制系统(VDC)。5.4 5.4 5.4 5.4 综合控制规律综合控制规律综合控制规律综合控制规律 动力传动系统的综合控制规律。1.控制方法选择控制方法选择 选择控制方法的目的是为节气门（油门）开度和制动踏板角度设计控制规律，从而使车辆速度能够在可实现的加速度范围内。开关控制:会导致抖动，因而不可能跟踪快速变化的速度轨迹。PID控制:由于系统的复杂性，使得PID调节器参数难以整定。模糊控制方法:有PID控制规律同样的缺点。滑模控制为设计控制u，有必要先考察如下的李亚普诺夫函数：李亚普诺夫函数的导数由下式给出：S 的选择应使得输入u出现在 的公式中，而 u 的选择应使李亚普诺夫函数V总是沿着系统的轨迹减小。为了避免高频抖动，使期望的遵循如下公式保证控制规律成为一S的线性函数。2.2.动力传动系统建模动力传动系统建模 1)发动机理论模型发动机理论模型 采用的四冲程火花塞点火发动机模型。它有三个状态变量：进气管内的空气质量（也可以是进气管压力），进入燃烧室的燃油质量流动速率和发动机转速。把质量不变定律用于进气管内的空气流量可得下面的第一个状态方程式：进入进气管的空气质量流动速率可用如下的模型表示MAX为油门全开时的空气质量流动速率，对给定的发动机模型，此值一定。TC是标准化油门特性可根据试验结果，用曲线拟合的办法得到.PRI 是进气管内压力对大气压力之比的函数，也可用实验曲线拟合得到.从进气管至燃烧室的空气流量由下式确定：式中为发动机转速，C1是一个常数，由下式表示Ve为发动机排量 是容积效率系数代表发动机吸气过程的有效性，它以空气容积流入发动机的速率对活塞排出容积的速率之比来表示,是发动机几何尺寸以及其它许多发动机参数的函数，并且可以用如下的经验公式表示：进气管压力Pm和进气管内空气质量ma之间的联系由理想气体定律给出为 在构造第二个状态变量的模型时，假设燃油喷入系统喷入的燃油量全部进入燃烧室。并考虑喷油器的滞后及燃油在输送过程中的延迟因素,燃油质量流动速率状态方程为式中是进入燃烧室的真实燃油速率，是控制器件发出指令所要求的燃油质量流动速率，而 是有效供油时间常数，它考虑了上述的滞后因素，并以下式表示：是所希望的空燃比（调整参数），可由设计者确定。第三个状态方程式可由发动机动力学得到，即式中是发动机指示转矩；是摩擦力矩；是附件转矩；是液力变矩器泵轮转矩；是发动机和液力变矩器泵轮旋转部分的惯性矩。式中为吸气至产生转矩的滞后，而 代表点火至产生转矩的滞后。这些滞后都与发动机转速成反比，并可用下式表示：在四冲程发动机，转矩的产生过程是离散的，并决定于发动机转速。为建立连续时间过程的发动机转矩模型，这里引入周转滞后的概念：这样，发动机指示转矩的模型为AFI是标准化空燃比影响函数,SI 是标准化点火影响函数;归纳起来，发动机的模型有三个状态变量 ，两个调整参数 和一个控制变量 。2)传动系模型传动系模型 这里指液力机械传动系，它由两部分组成：液力变矩器和机械变速器。（1）液力变矩器三元件综合式液力变矩器由三部分组成：与发动机相联的泵轮，与变速器输入相联的涡轮以及一个导轮。根据输入、输出的实验数据进行曲线拟合可得如下的静态模型：泵轮转矩涡轮转矩e 发动机转速p泵轮转速t涡轮角速度（2）机械传动系4档变速器和主传动器。式中 是主传动器驱动小齿轮的角速度；是转动惯量；i 是每一档齿轮减速比；是变速器档位；是主传动器速比。变矩器涡轮驱动变速器主轴，而变速器输出轴经过主传动器和差速器与驱动桥中的半轴相联，左右半轴的转矩之和 可看作是机械传动系负荷。（3）驱动机构驱动机构是作为传动系与车辆间传递功率的器件。它的模型包括半轴刚度、车轮惯性矩和轮胎滑动率。主传动器输出轴的角速度就是半轴的输入，因而半轴的模型为是左、右半轴刚度之和。驱动前轮与被动后轮的转动动力学可用下式模拟：轮胎的滚动阻力矩可用下式求得车辆的纵向速度可从如下的公式求得：由于被动后轮的惯性矩 与车辆质量相比很小，可以忽略不计，因此可设公式（5-36）中的 。于是上式可变换成 可见，驱动机构有三个状态变量（，）和三个状态方程（带方框的公式），其中汽车速度 V是将被控制的变量。（4）制动器动力学假设制动力矩在前后制动器的分配为6：4，也即60%的制动力加在前轮，40%加在后轮，并且制动力矩的动力学模型为式中在计算制动力分配时，假设前后车轮同时抱死。归纳起来，传动系统模型有9个状态方程，两个控制输入（，b）和一个控制变量 V。3.3.控制器设计控制器设计首先给出期望的速度轨迹（以，表征）。所设计的控制器必须找出使汽车速度能跟踪期望轨迹的节气门（油门）和制动踏板轨迹。针对此特殊问题，采用多滑动表面设计的方法。控制器的设计思想是：先用第一个滑动表面从期望的车速得到期望的前轮转速。作出前轮期望转速与发动机期望转速间的静态脉谱，从而很容易得到期望的发动机RPM。通过第二个滑动表面的计算，根据期望的发动机RPM算出节气门开启角度。最后算出制动踏板角度。1.定义一滑动表面控制器设计步骤控制器设计步骤当时需要控制节气门当时需要控制制动踏板为了控制节气门,在上式中不考虑则上式可写为:2.求期望的前轮转速根据轮胎滑移率和轮胎力带入上式可得如果我们直接控制 ,使其跟踪 的轨迹，那么在有限时间内假设 ，并把 的值代入驱动前轮的动力学方程，可得如果变矩器的涡轮转矩和旋转速度正确地跟踪上面两式的轨迹，那么在有限的时间内 。依据变矩器的关系式，就可以解出 和 的期望值 和 。3.设计节气门开度的控制律根据给定的期望值来设计节气门开度的控制律 。为此，定义另一滑模表面对此式微分得由发动机模型的第三个状态方程可得其中由于所以可以解得油门的期望特性前面讲过，TC 是节气门角度的函数，当时于是可得4.制动控制律当 时,需要对汽车施加制动力。有研究表明：在节气门开度 和制动踏板转角 均为零时，发动机制动可使汽车的减速度达到0.5m/s2。因此可以用一个简单的、由下面给出的制动控制律：5.5 5.5 5.5 5.5 综合控制系统技术动向综合控制系统技术动向综合控制系统技术动向综合控制系统技术动向1.动力传动系统综合控制动力传动系统综合控制图图5-16 柔性结构柔性结构AMT系统流程系统流程柔性控制结构的特点:q 加速踏板与发动机之间没有机械联接的结构.q 设计者可以通过ECU的编程，确定加速踏板与ECU输出之间的关系，也即确定加速踏板的位置与驾驶员意图之间的关系。图图5-17 刚性结构刚性结构AMT系统流程系统流程加速踏板与油门之间有固定的机械联接.2.底盘系统综合控制底盘系统综合控制图图5-18 ARC-X综合控制概念图（综合控制概念图（1987年）年）图图5-19 FXV-综合控制概念图（综合控制概念图（1987年）年）3.整车综合控制整车综合控制1)系统的构成系统名称功能EFI（电控燃料喷射）依靠电子控制，按照行驶状况进行最佳燃料喷射，已获得优良的驾驶性能并降低油耗ECT（电控自动变速器）依靠电子控制，按照行驶状况改变变速特性，以实现平顺换挡及特性曲线优良的行驶性能4WS（EC-HYMATICII）（4轮驱动）依靠电子控制，将前后驱动力从30：70到直联状态整个区域实行线性控制，在抑制由多余驱动力造成的车轮打滑的同时，用偏转率传感器等测知车辆动态，从而提高操纵性、稳定性4ABS（4轮防抱死）是一种紧急刹车时车轮也不抱死的系统，通过追加线性加速度传感器来正确把握行驶状况和路面状况，确保更高的车辆稳定性和操纵性以及制动力空气悬架通过电子控制，按照行驶条件控制弹簧刚度、衰减力及车高，在保持乘坐舒适性和操纵性的同时，依靠自调匀整功能，使汽车不受乘客人数增减的影响，保持平面姿态主动式4WS（主动式四轮转向）通过电子控制，按照行驶状况操纵后轮，在降低前轮转向时的摆头性以及提高稳定性的同时，确保汽车在受横向风等外来作用力时的直线行驶稳定性表表5-1 各系统的主要功能和效果各系统的主要功能和效果图图5-30 控制原理控制原理2)综合控制qABS和4WD的协调控制qABS和空气悬架的协调控制q4WD和空气悬架的协调控制qABS和EFI的协调控制qECT和EFI的协调控制qABS和主动式4WS的协调控制q4WD和主动式4WS的协调控制智能制动控制系统把助力、防抱制动、牵引力控制以及踏板力感控制等功能综合到一个组件中，只需要一个控制单元，且带有冗余电气或液压备用系统。无论车辆负荷和刹车片磨损处于什么状况，这种设计都能保证均衡的制动效果。智能制动控制系统这是一个舍弃了制动主缸、助力器、油管，而用电子控制的制动系统，制动力的感觉由一个踏板力传感器产生。即使在临界的侧向动态状况也能提供给驾驶员一种主动的支持。在所有工作模式达到极限状态时也可增强车辆的操纵稳定性和行驶能力。即使在极端的转向操作中，也可增强车辆的稳定性，使滑溜的危险迅速减少。改善车辆的驱动能力并缩短制动距离。除了除了ABS和和ASR的优点之外，的优点之外，VDC还在以下几方面改善主动驾驶安全性：还在以下几方面改善主动驾驶安全性：VDC在整在整车的布置的布置在物理极限的驱动状态下对车辆运动状态的控制涉及车辆在道路平面上的三个自由度（纵向、侧向和绕垂直轴线的横摆），所以车辆的操纵稳定性应符合驾驶员的输入和道路的情况。VDC的控制变量为汽车的横摆角速度和车身的侧偏角。首先要确定驾驶员的输入，在物理极限的驱动状态下，车辆应表现如何（名义表现），以及实际上它表现如何（实际表现）。为了尽量减小名义和实际表现之间的差别（偏差），必须借助于执行器对轮胎力进行某种控制。VDC控制器控制器通过在汽车上安装的各种传感器，检测到汽车的速度、角速度、方向盘转角以及其它的汽车运动姿态，根据需要可以主动地对车轮进行制动，来改变汽车的运动状态，使汽车达到最佳的行驶状态和操纵性能，增加了汽车的附着性、控制性和稳定性。VDC对车辆性能的影响性能的影响横向加速度横向加速度 车速感速感应型型其结构是在前轮的动力转向器上，再安装一个后轮专用的控制阀，产生一个大致与横向加速度成比例的，与前轮转向器阻力相平衡的油压，把该压力的油液送到后轮执行机构。在执行机构中，装入高刚性弹簧，当与送来的油压达到平衡状态时，输出杆便产生位移，从而带动后轮开始转向。四轮转向系统（4WS）的后轮与前轮一起参与转向，是一种提高车辆反应性和稳定性的关键技术。把后轮与前轮同相位转向，可以减小车辆转向时的旋转运动（横摆），改善高速行驶的稳定性。把后轮与前轮逆相位转向，能够改善车辆中低速行驶的操纵性，提高快速转向性。四四轮转向向电子控制电子控制系系统