基于matlab汽车稳定性控制系统设计

基于matlab汽车稳定性控制系统设计内容摘要：

时，带有 ESP 系统和不带有ESP 系统的车辆状况比较，从中可以看出， ESP 系统使车辆变得更加安全。 当车辆在非常极端的操控情况，如高速转弯、高速躲闪障碍物的情形下。 ESP会在极短的时间内收集包含 ABS 及 ASRt 拘庞大数据，并加上转向盘转向角度、车速、横向加速值及车身滚动情形。 再以电脑记忆体中的基准值作一对比后，指示有关系统做出适当的应变动作，目的就是要使车辆遵从驾驶人意愿的方向行驶，这时即使驾驶人不断改变行驶路径，电脑也能持续运算。 并以对个别车轮增加或降低刹车力道的方式，修正转向过度或不足的倾向，维持车身的动态平衡。 ①湿滑路面：车辆在湿滑的路面上行驶时，前轮会出现打滑，并且转向不足，这时踩刹车：如果没有 ESP，前轮会偏离正常的轨迹，使车辆失去转弯能力。 如果有 ESP，它将根据横摆速度传感器、车轮转速传感器、转向盘转角传感器等多个传感器采集到的信号，及时增大右后轮的制动力，同时减少发动机的输出扭矩，使车辆保持稳定行驶。 ②转弯：车辆转弯时，如果速度过快，在没有 ESP的情况下，车辆会出现甩尾。 如果有 ESP，它将根据多个传感器采集到的信号，及时启动右前轮上的制动装置，以修正转向过度的倾向，使车辆保持稳定行驶。 ③高速闪避障碍物：车辆在高速闪避障碍物时，驾驶员慌忙制动，扭转转向盘，车辆转向不足，车辆继续冲向障碍物， 驾驶员为避免冲撞。 必须加大转弯角度，当躲过障碍物后，驾驶员迅速回正转向盘，车辆失控甩尾。 如果有 ESP，它将根据多个传感器采集到的信号，及时增大左后轮制动压力，增加前轮的转向角度。 为使前轮返回原来轨迹，回正转向盘，车辆面临转向过多的危险，在 ESP作用下前左轮自动制动，车辆继续向前稳定行驶。 因为车辆丧失动力学稳定性时，轮胎的侧偏特性已进入非线性区，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两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侧偏角与按线性两自由度车辆模型计算出的名义横摆角速度和侧偏角之间也都存在一定偏差，而横摆角速度和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；当差值超出某一定范围时，认为车辆已进入需要稳定控制的状态。 2． 2 ESP 系统的工作过程 根据上述思想就知道 ESP 系统的工作原理和过程为： ①检测：通过一些传感器检测到汽车的一些运行状态参数，如：横摆角速度、 侧向加速度、车 轮转速、方向盘转角、制动系统压力等数据，并将数据传送给中央控制单元 (CPU)。 ②计算： CPU 根据传感器检测到的数据进行处理、计算，得到能反应汽车目前运行状态的参数，并根据事先设计的汽车在稳定行驶时建立的线性二自由度参考模型，计算出目前理想状态下能反应汽车运行状态的参数。 ③判断： CPU 根据计算出来的数据，把理想状态的参考值与实际汽车运行的实际值作比较，并计算出它们之间的偏差，根据一定的稳定性判断准则，判断出汽车是否处于非稳定工况，确定是否调整某一车轮的制动力或通过控制发动机来减少驱动轮的驱动力。 ④处理： 根据 CPU 的指令对车轮施加制动力或减少驱动力，使汽车的转向系统和制动系统以及驱动系统始终保持最佳组合状态，同时对汽车出现的不稳定状态进行“即时”修正，以防止驾驶员误操作对行驶稳定性产生影响。 图 ESP 系统的组成关系 2． 3 ESP 系统控制原理概述 ESP 系统用于在轮胎与路面间达到附着极限的临界工况下，控制车辆和车轮的动力性。 当车辆处于全部制动或部分制动、滑行、驱动、发动机拖动制动、换档过渡和从驱动到制动的过渡等工况时，只要在物理极限允许的范围内， ESP将 极大地改善车轮和车辆的稳定性。 通过控制和分配轮胎的纵向力和侧向力，使得车辆尽可能地沿着驾驶员预期的路径行驶，减少车辆滑移带来的危险，改善车辆的操纵稳定性，并且可以建立一种与驾驶员的经验相适应的可预测的车辆行为体系。 ESP 系统包括一个主控制回路和一个副控制回路：主回路通过调整摆角速度 和车辆侧偏角来控制车辆运动，使其安全并保持稳定：副回路通过调整车轮的制动力、驱动力和侧偏力来控制其制动和驱动滑转。 这一设计消除了不同驱动工况之间和控制器过渡阶段 (如部分制动和全部制动之间的过渡 )的不连续性，并且使控制器各部分的任 务更加清晰。 图 2． 3． 1 ESP 控制原理框图 2． 3． 1 主控制回路 如图 2． 2． 1 所示，主反馈回路的模块 1是信号处理和观测器模块。 将有以下变量值反馈给该模块：轮速传感器、制动压力传感器、转向盘转角传感器、横摆角速度传感器和侧向加速度传感器的信号值，发动机实际转矩和加速踏板位置传感器等由发动机管理系统 CAN 输出的信号值，传动比等由自动变速器 CAN 输出的信号值，副反馈回路中估算的车轮滑移率，车轮制动油缸中的压力，车辆的纵向速度、加速度和车轮的制动力。 信号处理和观测器模块将对这些信号进行滤波，并估算摩擦系数、侧向速度、车轮和车辆的实际侧偏角以及轮胎力等附加变量的值。 另外，该模块还将检测是否存在左右车轮附着系数不一致和急转弯等情况。 然后利用经过滤波的信号值，估算变量值和依赖于工况的校正参数定义车辆运动控制回路中的名义值，这些名义值估算变量值和依赖于工况的校正参数定义车辆运动控制回路中的名义值，这些名义值将用于控制器其它的大多数部件。 模块 2是车辆运动名义 值计算模块，它将计算用于主反馈回路控制的横摆角速度和车辆侧偏角的名义值。 这些名义值将根据驾驶员输入、全部制动和滑行等驱动状况以及摩擦系数、路面倾角或左右附着系数不同等环境状况诸多因素来决定。 其中驾驶员输人包括：转向盘转角、制动主缸内的制动压力和加速踏板的位置。 利用这些信息和 Ackerrnan 方程可计算出初步的横摆角速度名义值。 然后对该名义值进行滤波，依据估算的路面摩擦系数加以限制，最后根据给定的驾驶状况和环境予以校正。 另一方面，利用对过度转向或不足转向的工况分析，可推导并修改得到车辆侧偏角的名义值和最大允许 值，即该模块的输出参数。 模块 3是车辆运动控制器模块，该模块将比较车辆运动的名义值和实际值并给出所需的变化量。 横摆角速度的实际值由横摆角速度传感器提供。 车辆侧偏角的实际值由观测器估算。 因为要得到可靠的估算值十分困难，所以车辆侧偏角只在能够得到可靠估算的特殊情况下 (例如全部制动期间 )才起控制作用，否则该值的利用将受到限制。 车辆运动控制器的初始化条件和增益由副控制回路的状态、驱动状况和环境条件来决定。 控制的灵敏度将受到传感器偏移补偿状态的影响。 车辆运动控制器的输出是横摆力矩所需的变化量，这一变化量将使横摆角速度和 车辆侧偏角的实际值更加逼近于名义值，即车辆的实际行为更加逼近名义行为 (期望行为 )。 该输出最后经死区滤波后传递给主控制回路的最后一个功能模块。 在主控制回路的最后一个功能模块中，即模块 4，将计算副控制回路的输入变量。 对于制动操 作，根据所需的横摆力矩的变化量，计算每一个单独车轮的制动滑移的变化量。 它们被限制后将传递给制动滑移控制器的副控制回路，该控制器将设置任何所需的滑移率值，来得到要求的纵向和侧向轮胎力。 对于驱动操作，根据所需的横摆力矩变化量，计算平均驱动滑移、锁止力矩和驱动轮间允许的滑移差的名义值。 如果在全部制动期间主控制回路中的执行信号为零，则不对名义制动滑移率值进行校正并且车辆减速度将达到最大值；然而，在驱动操作中名义值将视情况调整。 2． 3． 2 副控制回路 图 2． 2． 1 中副反馈回路包括制动滑移控制器模块 (副 1— 1)和驱动 滑移控制器 (副 12)，后者本身还有一个副控制回路 —— 发动机管理系统。 制动滑移控制器控制每个车轮的绝对滑转值，并因此得到主控制回路中也需要的车轮侧向力。 控制器的独特设计使得这一点成为可能。 车轮的滑转值可由车轮的自由滚动速度导出。 利用短持续时间内调整阶段的制动滑转值是稳定的这一原理并利用信号处理和观测器模块产生的信息，即使在滑移控制期间也可以方便地对车轮的滑转值进行估算。 利用估算的车辆侧向速度、转向盘转角和横摆角速度可以将推导出的任一车轮滚动速度转化为车辆速度。 更进一步，每一车轮的自由滚动速度可由估算的车速 反推到车轮上得到。 这些估算的速度将应用在所有的控制器部件中并作为 ESP 系统设计的基础。 车轮滑移控制器是一个简单的 PID(比例积分微分 )控制器。 在全制动期间，如果轮胎侧偏角为零，名义滑转值将对应于附着 —— 滑移曲线的最大值，否则将利用侧向和纵向摩擦系数的估算值对其进行校正。 如果主控制回路要求名义滑转值产生一个变化，那么这一变化量将加到名义滑转值上使其处于 0到 1之间。 制动滑移控制器的输出是名义车轮制动力矩，它将被转换为车轮制动油缸内所需的压力值。 然后利用液压和力模块 (副 2)将这个名义压力值转换为使液压单元动作的 执行命令。 如果通过降低压力不能使车轮制动滑转值充分小，发动机将增加转矩以减小发动机的阻力矩。 利用估算的车轮制动压力，液压单元也将对制动力作一个较好的估算。 对于驱动滑移，驱动滑移控制器控制平均轮速 (或相应的传动轴转速 )和驱动轮的轮速差来调整相应的驱动轴转矩和锁止力矩的名义值。 驱动滑移控制器的名义值由主控制回路来决定。 该控制器需要发动机转速、实际的发动机转矩、发动机拖动制动转矩和驾驶员要求的发动机转矩等数据。 这些数据通常由现代发动机管理系统 ECU 通过控制器总线 (例如 CAN)提 供。 另外，运动学传动比和相应的转矩传 动比由电子变速箱控制系统得到。 以这些信息为基础，即在一个物理基础上，控制器的输出以名义发动机转矩的形式表达。 以转矩为基础的发动机管理控制器界面允许对 ESP系统进行高度不依赖发动机的开发和应用。 对于传动轴的转速， PID 控制器的输出是要求的传动轴转矩；对于驱动轮的轮速差和差速， PI 控制器的输出要求的是锁止转矩。 然后这些转矩被分配到转矩执行器，在那里生成名义制动转矩和名义发动机转矩，后者习惯分为所要求的快发动机衰减率和慢发动机衰减率。 传动轴转矩需求的准稳态部分主要由作为慢速转矩的执行器节气门执行器建立；而动态部 分则由快速发动机转矩执行器、点火延迟和停止喷油来建立。 锁止力矩必须由驱动轴上的一个非对称制动执行机构来建立。 本节介绍了 ESP 系统的控制原理及过程，本论文的主要研究工作是在主控制回路：调整横摆角速度和车辆侧偏角。 控制措施选择及分析将在第四章中进行详细介绍。 2． 4 本章小结 本章主要介绍了汽车电子稳定装置 ESP 的工作过程及控制原理，清晰的体现了 ESP 系统在汽车主动安全性中的作用。 为本论文的研究提供了很好的理论指导和方法。 由此，将在接下来具体建立汽车的参考模型和整车模型，并对车辆模型进行实际控制措施分析。 第 3 章 汽车动力学模型的建立 汽车电子稳定装置 ESP 的工作过程是：在传感器检测到一些汽车运行状态参数后， CPU 对其进行处理计算，并与参考模型进行比较判断出汽车是否处于非稳定工况，最后 ESP 系统对汽车出现的不稳定状态进行及时修正。 所以，建立控制对象的模型是控制系统研究的基础，也即是本论文的基础。 汽车 ESP控制的对象是整个汽车，在进行稳定性控制的理论研究时，必须建立参考模型和可以满足要求的汽车动力学系统模型。 本章根据上一章分析，首先建立了线性二自由度参考模型，再建立较复杂的可以满足分析要求的整车模型，并且用图形建模的方法将其转化为仿真模型。 3． 1 汽车稳定系统的建模方法 在现有的各种有关汽车动力学的仿真研究中，一般包括两个方面的内容：一是建立描述汽车动力学性能的微分方程组，即建模；二是采用数值方法解微分方程，即计算。 目前汽车动力学模拟的方法主要有三种：人工建模、计算机自动建模和图形建模。 人工建模的方法通过人工对整个系统进行建模和计算，这是最传统的方法。 它包括三种方法：分析法、试验法及两者相结合的方法。 人们通常通过对汽车力学分析建立汽车运动的微分方程组，采用差分的方法和相应的数值积分方法将连续方程变为时间离散的差分方程，并通过计算机语言 (主要有 FORTRAN、 QBASIC、VB等 )变为相应的程序。 过去人们一般是按照牛顿力学的方法来分析和建立汽车系统的微分方程组。 即建立非惯性系下的牛顿方程，然后用隔离法对汽车各部件进行受力分析并建立非惯性系下的运动方程组。 由于汽车系统各部件的联结比较复杂，具体 分析和它们之间的相互作用比较困难和繁琐，这是传统的牛顿法遇到的问题，根据力学理论中的 BOLTMANN． HAMEL 方法，推导出汽车准坐标下的整车运动方程。 这种分析在建立汽车运动方程时，不需要分析各部件之间非保守力和非做功力的作用，只考虑汽车各刚体部件所受的外力和系统能量的变化，因而使分析大大简化。 计算机自动建模方法是一种比较先进的建模方法，建模和计算机完全由计算 机来完成。 如著名的 ADAMS 软件近年来被证明是一种十。