【word】 小议汽车牵引力控制系统原理

【word】 小议汽车牵引力控制系统原理 小议汽车牵引力控制系统原理 第28卷第3期 2OO8年6月 农业与技术 Agriculture&Technology V01.28No.3 June.2OO8?142? 小议汽车牵引力控制系统原理 桂丹泽周伟东 (装甲兵技术学院.吉林长春130117) 【摘要】本文介绍了牵引力控制系统的原理,控制策略和控制算法.各种控制策略的适应范围,比较不同牵引力控制算 法的优缺点. 【关键词】牵引力控制;控制策略;控制算法 中图分类号:TM571文献标识码:C 1汽车牵引力控制系统简介 汽车牵引力控制系统(TractionControlSystem, 简称为TCS)是一种根据车辆行驶行为,通过控 制驱动轮打滑使车辆产生最佳驱动力的主动控制 系统.它能够提高车辆加速性能和爬坡能力,使 得汽车在附着状况不好的路面上能顺利起步和行 驶,同时它还能够提高车辆行驶方向稳定性,保 持转向操纵能力,减少轮胎磨损,增加安全性. 所以,这项技术从上个世纪8O年代在瑞典沃尔沃 汽车公司诞生以来,获得了迅速地发展. 2汽车牵引力控制系统的基本原理[] 汽车在路面上行驶时,其驱动力取决于发动 机输出转矩,但要受到路面附着条件的限制.轮 胎与路面间的附着力与附着系数成正比,而附着 系数又受到车轮运动状态的影响.车轮在路面上 的纵向运动分为滚动和滑动两种形式,这里首先 引入车轮滑动率S的概念来表征车轮的运动状态, 如下式所示: r(Ro—v)/v×100%(车轮滑移时) s={0(车轮自由滚动时) (Ro—v)/(Ro×100%)(车轮滑转时) 其中,一车轮的自由滚动半径,c一车轮的 转动角速度,,一车轮中心的纵向速度. 实验研究表明,滑动率S与附着系数有如 下图1所示的对应关系;在各种不同路面上的 大小不同,但其随s的变化都有相同的变化趋势, 如图2所示. 稳定 附着系,一 , 厂,,一,藿: 一一,, ABS控制范围/,1 II I, 横集/lI系数/l,lI ./III 车轮轮自由浮车轮 抱死滑转 制动I加.i垂 图I附着系数与滑率关系 f:柏油路 }—卜,,c乡村|/,.,,, V,\.======,市l,.Ihq々l1 村 湿卵石路 雪地 r 冰ifIi 图2不同路面上的一s曲线 从图中可以看到,当滑转率从0开始增加时, ?143?2008年6月农业与技术 纵向附着系数也随之增大,当滑转率达到sr(通 常Sr=0.08—0.30)时,纵向附着系数也达到最 大max,此后如果s继续增加,纵向附着系数反 而随之下降,当s达到100%时,即车轮发生纯 滑转时,其附着系数要远远小于max.所以从 牵引性上考虑,驱动轮的滑转率最好处于sr的一 个小区域内,但同时考虑到车辆侧向附着系数 随纵向滑转率的增大而急剧减小,所以从侧向力 上考虑,并注意到车辆的方向稳定性,一般认为 驱动轮的最佳滑转率在略小于sr的范围内(如图 1中阴影部分所示),可取在0.08—0.25之间.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0.08—0.25 的范围内,此时,车轮的纵向附着系数和侧向附 着系数都较高,因此可以保证车辆充分利用路面 所提供的纵向附着力和侧向附着力,从而使车辆 在任何路面上都能获得较高的起步,加速,爬坡, 转向操纵能力和方向稳定性. 3控制策略 汽车驱动轮滑转是由于驱动力矩超过了轮胎 与路面间的附着极限.所以合理地减小汽车发动 机扭矩或动力传动中任何一环节都可以改变驱动 轮上的驱动力矩,实现防滑控制的目的.因此可 以通过许多途径来实现牵引力控制,如发动机管 理,离合器控制,改变传动比,主动制动干涉等. 3.1调节发动机扭矩[】 发动机输出力矩调节主要有三种方式:点火 参数的调节,燃油供给调节和油门位置调节. 对于汽油机,控制方法主要有:燃油供给控 制;点火正时控制;节气门开度控制(化油器式) 或喷油量控制(燃油直接喷射式). 从加速度变化的平顺性,发动机负荷以及排 放气体成分来考虑,控制节气门开度是最好的, 但这种方法响应较慢,可以采用供油和/或点火作 为辅助控制手段来弥补这一缺陷.采用点火正时 控制,是通过减小点火提前角的方法来减小发动 机扭矩,如果这样还不够,则可以采用中止气缸 点火的方法,但为满足排放要求,同时必须中止 供油.对于柴油机,则可采用调节喷油量的方法, 这种方法的响应时间足够短.近年来,随着发动 机电喷技术的应用,对于发动机扭矩的调节更加 精确,响应时间更短,性能更好,也更为方便. 但仅靠调节发动机输出扭矩来进行控制的方 法属于低选控制,可以改善方向稳定性,无法获 得最佳牵引力.因此这种方法适用于两侧驱动轮 都发生过度滑转或在高速下某驱动轮发生过度滑 转的工况. 3.2驱动轮制动调节[3】 当驱动车轮出现打滑时,直接向该轮上施加 制动力矩,使车轮转速降至最佳的滑转率范围内. 由于制动压力直接施加到打滑的车轮上,因此, 这种方法的响应时间是最短的.它可与发动机扭 矩控制联合使用,当汽车在附着系数分离的路 面[】上行驶时,通过对处于低附着系数路面上的 驱动车轮施加一定的制动力矩,使高附着系数路 面上的驱动轮产生更大的驱动力矩,从而提高汽 车的总驱动力. 这种方法需要对制动时间进行限制以免制动 器过热.此外,如果汽车处于附着系数分离路面 上时,只对打滑驱动轮施加制动,可能导致两侧 驱动轮驱动力相差较大,产生一个横摆力矩,在 车辆高速行驶时,这种情况对车辆稳定性不利, 因此这种方法适用于车速较低的工况. 3.3差速器锁止控制 普通的开式差速器左右轮输出相同的扭矩, 在路面两侧附着系数相差很大时,高一侧驱动 轮的驱动力得不到充分发挥,限制了车辆的牵引 性.锁定差速器和粘性耦合差速器虽然提高了车 辆的牵引性,但损害了车辆的稳定性.防滑差速 器可以根据路面条件在一定程度上锁止,使左右 农业与技术2OO8年6月?144? 驱动轮的输出扭矩根据锁定比和路面情况而不同. 该控制方式只适合于后轮驱动车,较驱动轮制动 力矩控制成本要高. 3.4离合器或变速箱控制【] 离合器控制是指当发现汽车驱动轮发生过度 滑转时,减弱离合器的结合程度,使离合器主, 从动盘出现部分相对滑转,从而减小传递到半轴 的发动机输出扭矩;变速箱控制是通过改变传动 比来改变传递到驱动轮的驱动扭矩,以减小驱动 轮滑转程度的一种驱动防滑控制.由于离合器和 变速箱控制响应较慢,变化突然,所以一般不作 为单独的控制方式,而且由于压力和磨损等问题, 使其应用也受到很大限制. 3.5采用电控悬架实现车轮载荷分配【J 在各驱动车轮的附着条件不一致时,可以通 过电控悬架的主动调整使载荷较多地分配在附着 条件较好的驱动车轮上,使各驱动车轮附着力的 总和有所增大,从而有利于增大汽车的牵引力, 提高汽车的起步加速性能;也可以通过悬架的主 动调整使载荷较多的分配在附着条件较差的驱动 轮上,使各驱动车轮的附着力差异减小,从而有 利于各驱动车轮之间牵引力的平衡,提高汽车的 行驶方向稳定性.目前,在TCS领域中电控悬架 参与控制技术还处在理论探索阶段,而且这项技 术较为复杂,成本较高,所以在TCS系统中很少 采用. 4控制算法 由于TCS和ABS一样,都是对车轮滑动率进 行控制以获得最佳的牵引性能,操纵稳定性和方 向稳定性,因此,有人把TCS称为ABS系统的逻 辑扩展.TCS发展到今天,控制技术已比较成熟, 有许多古典和现代的控制理论应用于TCS的控 制,主要有逻辑门限值控制,滑模变结构控制, 最优控制,模糊控制和神经网络控制等. 4.1逻辑门限值控制 逻辑门限值控制是目前在TCS系统中应用最 广泛的控制方法.它将车轮的加,减速度(或角 加,减速度)或车轮滑转率作为控制门限.如果 汽车在行驶过程中,车轮的某一参数超过的正门 限值,控制系统动作,使输出到驱动轮上的扭矩 降低,直至达到负门限值,控制系统再次动作, 增加驱动力,如此循环,实现滑转率控制.当车 况或路面附着情况改变时,门限也要改变,其是 经反复试验而获得的经验数据.但这种方法控制 过程中车轮速度波动较大,控制过程不平稳.控 制逻辑复杂,但硬件简单,成本低. 4.2PID控制 PID(比例,微分,积分)控制是连续系统中 技术成熟,应用广泛的一种控制方法.比例环节: 即时成比例地反映控制系统的偏差信号,偏差一 旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差. 积分环节:主要用于消除静差,提高系统的无差 度.微分环节:反映偏差信号的变化趋势(变化 速率),并能在偏差信号变得太大之前,在系统中 引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的 动作速度,减小调节时间,增加稳定性.其最大 优点是不需了解被控对象的数学模型,只要根据 经验进行调节器参数在线整定,即可取得满意的 结果. 在牵引力控制系统中,可以采用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的 误差,由PID控制器算法算出所需控制油门的变 化值,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.不 足之处是对被控对象参数变化比较敏感. 4.3最优控制 最优控制是基于状态空间法的现代控制理论. 它可以根据车辆——地面系统的数学模型,用状 态空间的概念,在时间域内研究TCS系统.这是 ?145?20O8年6月农业与技术v0】.28No.3 一 种基于模型的控制,因而是一种分析型的系统. 该方法根据TCS系统的各种控制要求,按最优化 理论,可得到使计算出的控制系统控制最优指标. 但是这种方法控制效果的优劣,大大依赖于 车辆——地面系统数学模型的精度.因数学模型 与实际工况存在一定差距,以及风阻,滚动阻力, 部件转动惯量等参数精度方面的原因,最优控制 理论方法的操纵质量很难把握. 4.4滑模变结构控制[5] 滑模变结构属于一类特殊的非线性控制系统. 它根据系统当时的状态,偏差及其导数的值,在 不同的控制区域,以理想开关的方式切换控制量 的大小和符号,使系统状态在切换线附近区域来 回运动,一直到系统状态运动成为沿切换线的滑 动.这种方法的主要缺点是状态相轨迹在滑向理 想目标过程中存在明显的抖动. 4.5模糊控制【6J 模糊控制方法模仿人脑的思维方式和控制经 验,把人的经验形式化并引入控制过程,运用模 糊数学把人工控制策略用计算机实现,以达到满 意的效果.它首先将精确的数字量转换成模糊集 合的隶属函数,然后根据控制器制定的模糊控制 规则,进行模糊逻辑推理,得到一个模糊输出隶 属函数,最后根据推理得到的隶属函数,用不同 的方法找出一个具有代表性的精确值作为控制量, 加到执行器上实现控制. 模糊推理能够恰当表达人类思想.模糊推理 系统通常包括3个重要部件:模糊规则库,包含 若干模糊(if—then)规则;隶属函数库,定义模 糊规则涉及的隶属函数;模糊推理机,根据模糊 规则执行从输入到输出的推理过程.模糊规则库 是模糊推理系统的核心,模糊规则通常源于领域 知识和专家经验. 4.6神经网络控制[‘] 神经网络是指利用技术手段模拟人脑神 经网络的结构和功能的一种技术系统,它是一种 大规模并行的非线性动力学系统.严格地讲神经 网络应该称为人工神经网络,由于神经网络具有 信息的分布存储,并行处理以及自学习能力等优 点,所以它在信息处理,模式识别,智能控制等 领域有着广阔的应用前景.基于神经网络的控制 称为神经网络控制(NNC),简称神经控制(NC_ Neuralcontro1),是指在控制系统中采用神经网络 这一工具对难以精确描述的复杂的非线性对象进 行建模,或充当控制器,或优化计算,或进行推 理,或故障判断等,以及同时兼有上述某些功能 的适应组合,将这样的系统统称为基于神经网络 的控制系统,称这种控制方式为神经网络控制. 4.7综合应用 各种控制策略都有各自的特点,单一的控制 系统很难兼顾鲁棒性和控制精度.将它们综合起 来运用可以得到更有效的控制方法,例如,模糊 PHI),神经网络PHI)等等. 5小结 本文介绍了牵引力控制系统的控制策略和控 制算法.简要地分析了控制策略的适应范围和优 缺点,比较了不同算法的优缺点. 参考文献 [1]张成宝,吴光强,丁玉兰,刘岩.汽车驱动防滑的控制方法研究 [J].汽车工程,2000,(5):324—328 [2]司利增.汽车防滑控制系统一A与ASR[M].人民交通出版 社.1996 [3]李静.4×4越野汽车牵引力控制策略与控制算法研究[D].长 春:吉林大学,2003 [4]张明星,宋健,赵六奇,等.汽车驱动防滑控制系统的干预模式 [J].公路交通科技,2001,18(3) [5]赵志国,方宗德,李杰.防抱制动系统参数自适应滑模变结构控 制器的研究『J].机械科学与技术.2O02.21(1)