汽车牵引力控制系统(TCS)_研究

人类工教学 l999年 9月第 5卷第 3期 文章编号 ：Ill【l6—83(】9(1999}(】3【】(125一()4 汽车牵引力控制系统(TCS)研究 张成宝+ ■玉兰， 吴光强 (同济大学 机械 系，上海 2㈤(】72) 25 摘 要：文章彳卜绍 r汽车牵引力控制系统的原理和挖制 法 对汽年简化模型进行阿种控击叮疗法的仿真 计算+分析 对汽车牵引性能的控制作用，说明了幸 Jl力拧 埘蒹统对汽车牵0l性能舯改善。 关键词 ：性能 ：拄制 ；牵 』l力控制 系统 中图分类号 ：u270 2 文 献标识码 ：A l 前言 随着汽车行驶速度的提 高，以及道路行车密 度的增大，对于汽车的行驶 安全性能 的要求也越 来越高 。特别是汽车在高速工况下，驱 动轮在低 附着系数路面和附着系数分离 的坡道 、不平等路 面行驶，或在起步和加速时，车轮发生滑转．导致 汽车侧滑、空转和方 向失去控制等安全 问题 显得 更为突 出 汽车牵 引力控 制系统(Tra∞on( n tr。l sys『em，记 为 Tcs)是一种新型的主动安全控 制技术，是继制 动防抱死控制 (ABs)之后 叉一新 发展，对于改善车辆 的牵引性 、操纵性 、稳定性 和 安全I生、舒适性等具有重要的意 义。所 它的研 究得到人们很大的重视+而且 已迅速成为一个重 要的课题 2 汽车牵引力控制的原理 在驾驶 员、汽车和道路三者所组成的闭环系 统中，汽车与环境之间的最基本联 系是轮胎和路 面之间的作用力(包括纵向力和侧向力、法向力 及回正力矩 、翻 转力矩等 )，汽车的行驶状态主要 是由轮胎和路面的作用力决定的，因此驾驶员对 汽车的控制实质上是在控制轮胎与路面间的作用 力，但是，车轮与路面间的作用力要受到轮胎与路 面间的附着特性的限制。当轮胎与路面间的作用 力接近或达到附着极限+如汽车起动或加速行驶 十基金项 目l上海汽车工业科植发展基金 过程中，如果路面附着系数较小，常常会使车辆驱 动扭矩超过轮胎与路 面问的附 着极限，产生驱动 轮过度滑转，这不但降低汽车的驱动性能．加剧轮 胎磨损，增大传动系载荷和驾驶 员负担，增加燃油 消耗 +而且损害车辆的操纵性、稳定性和安全性一 所 以合理地调节车辆轮胎 与路面 问的作用力，对 于提高汽车的主动安全性具有重要的意义 。 牵引力控制 系统防止汽车在驱 动过程中(特 别是起步、加速、转弯等过程)驱动轮发生滑转．使 汽车在驱动过程中的方 向稳定性 、转 向操纵能 力 和加速性等都得到提高 它是伴随着汽车制动防 抱死系统(ABs)的产品化发展起来的 汽车在路面上行驶，对于同一车辆．其驱动力 取决于发动机输出扭矩+但要受到路面附着条件 的限制。轮胎与路 面的附着极限与轮胎结构 、路 面状况、天气情 况、车速等 因素有关，是一个变化 范围很广的不确定量，大量试验证明，轮胎与路面 之间的附着系数与l艏转率有直接关系。图 l是典 型路面上附着系数与滑转率的关系图 从图中可 以看到，当滑转率从 0开始增加时，附着系数也随 之增大，当滑转率达 到 5 时，附着系数也到最大 值 此后随着滑转 率的提高，附着系数反而 下降，当滑转率为 1时，其滑转附着系数远小于 。 在(】滑转率与峰值附着系数所对应的滑转 维普资讯 http://www.cqvip.com 率 s 间为稳定区，曲线的下降阶段为非稳定区， 该区不能稳定驱动。从牵引性 上考虑，驱动轮的 纵向滑转率最好在 s 处[ ： r_ 嘛 鼻 莲 ／ — ＼ ＼ 岛L向附着系数 ＼ 倒向附着系数 ‘ 、 ， ～ ． 0 0 0 50 0 75 1．00 巅L向 滑 转 率(两 l 附看 系数 与滑 转 率 的关 系围 同时从图 1中侧向附着系数与滑转率的关系 中还可以看出，当纵向滑转率为 O时，侧向附着系 数最大，随滑转率 的增加，侧 向附着 系数急剧减 小，当滑转率为 1时，侧 向附着系数 已接近 0，此时 若汽车受到轻微的侧向力就会发生横向滑移，从 删向稳定性上考虑，车轮的纵向滑转率越小越好 ： 由此可见，比较理 想的驱动轮纵 向滑转 率应略小 于峰值 附着 系数所对 应的 滑转率 (图中 阴影部 分)．即约在 0 05～0 3之间 这样不但可保证 车 辆具有良好的牵引性．同时 又具有一定的侧 向稳 定潜能。汽车牵引力控制系统正是利用它们的这 种关系．在驱动过程 中将驱动轮 的滑转率控 制在 0．05～(1 3的范围内。 3 汽车牵引力控制方法 控制车轮 的滑转率是通过控制作用于车轮上 的力矩实现的。汽车驱动轮的滑转是由于驱动扭 矩超过了轮胎与路面的附着极限．所以合理地减 小汽车发动机扭矩或动力传动中任一部件的扭矩 都可 实现驱动防滑控制的目的。从目前来看， 广泛采用控制方法的是发动机输 出扭矩控制和驱 动轮制动力矩控制的组合应用 从控制策略上主 要有逻辑门限值控制、滑模变结构控制、最优控制 和模糊控制等。本文主要对 Tcs系统采用的逻 辑门限值控制和传统的 PID控制方法进行研究。 3 1 逻辑门限值控制 这是一种传统的控制方法，现在大 多数都采 用逻辑门限值控制方法，它通常是将车轮的加速 度(或角加速度)和减速度以及车轮的滑转率作为 控制门限。如果汽车在行驶 中，车轮的某一参 数 凡类工效学 l999年 9月第 5卷第 3期 超过设定的正的门限值，刚控制系统就产生动作， 调节发动机输 出扭矩 或施 加制 动力使其降低，至 到达到负的门限值，控制系统 叉产生动作，增加 Ⅱ 动力，如此循 环实现滑转率的控制。它的门限值 要经过反复试验获得的经验数据。本文将车轮滑 转率作为主要 的逻辑控制 门限，将车轮的加速度 和减速度作为辅助控制 门限，对 T( 系统进 行控 制系统研究 3 2 PID控制 逻辑门限控制虽然是一种使用历史最长的控 制方法，但是在控制过程中车轮速度波动较大，控 制过程不平稳，控制 系统的 门限值都是经过试验 得到的数据 还无充分的理论依据，对系统稳定 I生 品质无法评价。针对逻辑门限的这些缺 点，本文 叉采用了基于滑转率的 PID控制方法。所谓 PID 控制就是对误差信号进行加权、积分与微分运算， 最后将其和送给受控对象，阻完成整个控制过程， 这样就使整个控制过程平稳，不 会象逻辑 门限值 控制那样波动，其控制效果更加理想。PID控制 器的传递函数 为： 1 G ( )=K (1+} +_rn ) (1) 』p 采用 PID控制方法对发动机输出扭矩调节来 控制车轮的滑转率。将实际的车轮滑转率与理想 的车轮滑转率构成误差，由 PID控制器算法箅出 控制牵引力值 反馈给发动机．从而调 节发动机输 出的扭矩，使车轮的滑转率接近或等于理想滑转 率。PID控制器的控制参数要通过对车辆 系统进 行分析计算进行调节设定。 4 汽车牵引力控制的仿真计算 4 1 车辆动力学模型 ’ 为研究方便，采用 了 三 自由度前轮驱动汽 车模型为基础，对发动机输出扭矩进行控制的方 法。为研究汽车起动计算过程中Tcs的作用，采 用一双轮模型，即假设汽车起 动加速过程中左 右 轮的运动情况完全相同，汽车模型如图 2所示，建 立如下动力学方程： rF 2+F I o。sd +F sin = r门( 十 “ ) ⅡF Ic0s +ⅡF slnd 一6F 2： f (2) 1 ． 1 F c0 一 Ff一 ： r门(“ 一 ) 式中 ——汽车质量 f ——汽车绕 。轴的转动惯量 F．．F．．—— 为滚动阻力和风阻 维普资讯 http://www.cqvip.com ^类 效学 1999 9月第 5卷筇 31训 L 圈 2 三自由度汽车模型 驱动轮方程 丁 F R F，R = (3) 式中 —— 发动机通过 传动 装置输 出在驱动 轮上的扭矩 R——车轮半径 ， 为研究方便。假设 在起动过程中汽车沿直 线 行驶．转 向有为 ()，将 式(1)和式 (2)变成如下方 程 ： F Fi—F = mH 【41 T 一F R F = J (5) 车轮滑转率定 义 s = 1 (6) 将图 1的曲线筒化 成图 3所示的直线，轮胎 模型 ： (7】 期望 秆转 牢 N ——轮胎垂直载荷。 采用 述简化方程我们就可进行求解，对车 圉 3 附看 束数 与 |臂转 军 关系 出 辆进行起步加速性能仿真。 4 2 牵引性能的计算比较 基于 以上 的车辆模型和控制方法，对～前驱 动轿车分 4进 行了两种控制方 法的 I生能仿真计 算 该轿车的基本参数如 1所示。首先采用逻 辑门限值控制，将车轮滑转率作为主要的逻辑控 制门限，车轮的加速度和减速度作为辅助控制门 限：在一峰值 附着系数为 O 2的低 附着路面上进 行起动加速行驶，主要考察其加遮性能 。所以将滑 转率门限值定为0 3，控制结果如图 5、图 6。逻辑 门限控制方法原理 比较简单。不涉 及具体 系统的 数学模型。这 对控制 系统 的非线性 控制是一种有 效的控制方法，但 系统的控制逻辑比较复杂，它的 参考滑转 率、车轮加遮 度 (或角加速度 )、减速 度 (或角减速度)等控制门限都是通过反复试验获碍 的经验数据，而且其控制过程不平稳，扶图中可明 显看 出 二_厂 _l __』 H 一 —¨l ——： —- L_I 一 — — _J 国 4 汽车 I【’s控制系统 S > S S S s N ～ F 维普资讯 http://www.cqvip.com 然后采用 PID控制，牵引力控制系统最主要 的 目的是把车轮滑转率控制在 5％～30％之内，在 起步阶段主要是提高车辆的加速性 能，所以，把其 目标控制 在 3O％，期望 滑 转率 s 定 为 ()3，将 r=s—s 作为 PID控制系统的误差信号，由 PID 控制算法算出控制量反馈给发动机，这构成了典 型的经典反馈控制，PID控制 系统框图如图 4所 示。 分别对前述两种控制方法进行仿真计算，图 5 为两种方法的滑转率控制= 1 0 s * 0‘6 坪 察 0 4 0 2 0 0-8 * O 6 择 察 O 4 O 2 逻辑门限控制方法 h J控 制 万；去 图 5 两种控制方法的车轮滑转牢 从仿真结果可以看出，两种控制方法都能很 好的将车轮的滑转率控制在设定的理想值 0 3附 近，达到牵引力控制的要求，其 中逻辑门限控制方 法在理想滑转率附近有一定波 动，相 比而言 PID 控制的滑转率更 加平滑和稳定，这 一性能将会使 车上乘客在起动加速时所出现的不舒适感得到一 定的改善 }。 人类工教学 1999年 9月第 5卷第3期 图 6为装有 Tcs和 无 Tcs控 制车辆在 l(】s 后所能行驶的最大距离仿真结果。从图中可以看 出装有 Tcs的汽车在低 附着路 面能 明显 的改 善 汽车的加速性能，同时驱动轮的滑转率下降，也减 少了轮胎的磨损。可以明显看出 PID控制效果要 比门限值控制要好。 目 置 删 t【 图 6 车辆牵引性能仿真 5 结语 通过以上的分析 和仿 真计 算可以看出，1气车 牵引力控制 系统确实能够 改善汽车的牵引 性能， 是一种新型的汽车主动安全技术。逻辑 门限控制 方法和 PID控制方法都能较好地控制车轮的滑转 率，提高汽车的牵引性能，基于滑转 率的 PID控 制方法较之 传统的逻辑门限方法控制更加平稳， 控制效果更加理想，结合车辆动力学控制 将是一 个很 有前途 的控制 方法。本 文的研 究结 论可 为 Tcs控制 方法 的进一步研究提供概 为有益的参 考。 参 考 文 献 [1] 余 志生 汽 车理 论 Mj 北 京：机 械 工业 出版 1992 【2] 司利增 汽 车防滑控 制系统 M：北京 人民交J血 社 1996 f 3] 是 麒 自动控制原理[M]北京：清华大学出版f 19q0 4] wol嘻ang MaIsh w0 一DIeter J0n儿er，Alfred sigl AsR — TmcI10n 0 nIml——A 】 0gIcal ExtensI[)兀0f^Hs [J]sAE870337+ [收稿日期11999一(】2一I懈 【修回 日期]1999[J4】5 维普资讯 http://www.cqvip.com