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汽车牵引力控制系统原理

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汽车牵引力控制系统原理汽车牵引力控制系统原理 EquipmentManufactringTechnologyNo.6,2008 汽车牵引力控制系统原理 周伟东,刘忠全 (装甲兵技术学院,吉林长春130117) 摘要:介绍了牵引力控制系统的原理,控制策略和控制算法,分析了各种控制策略 的适应范围,比较了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:U461.2 1汽车牵引力控制系统简介 文献标识码:A 汽车牵引力控制系统(TractionControlSystem,简称为 TCS)是一种根据车...
汽车牵引力控制系统原理
汽车牵引力控制系统原理 EquipmentManufactringTechnologyNo.6,2008 汽车牵引力控制系统原理 周伟东,刘忠全 (装甲兵技术学院,吉林长春130117) 摘要:介绍了牵引力控制系统的原理,控制策略和控制算法,分析了各种控制策略 的适应范围,比较了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:U461.2 1汽车牵引力控制系统简介 文献标识码:A 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,这项技术从上世纪80年 代在瑞典沃尔沃汽车公司诞生以来,获得了迅速的发展. 2汽车牵引力控制系统的基本原理【1】 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的概念来征车轮的运动状态,如下式所示: I(rLo—)/×100%(车轮滑移时) {0(车轮自由滚动时) I(rLo—)/(1×100%(车轮滑转时) 其中,r一车轮的自由滚动半径,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. 附着手鼍一,棘定牵引纵向,一附着系敬 一 一. ABS控制范围 ‘‘ , ,. A.SR控制范踊 \不稳定\\ f \IJ/不稳定, /系效,/ / / 车轮车轮自由滚车轮 抱死.I…滑转 制动『加速 图1附着系数与滑动率关系 文章编号:1672—545X(2008)06--0068—03 千蛰油路 l—套,《l|,一—,——, ?===城l 乡丰寸卵确 /一 厂需地r 球嘣r ?一 —S曲线 图2不同路面上的u 从图中可以看到,当滑转率从0开始增加时,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,,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xnlax.所以从牵引性上考虑,驱动轮的 滑转率最好处于s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s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调节发动机扭矩嘲 发动机输出力矩调节主要有三种方式:点火参数的调节, 收稿日期:2008—03—19 作者简介:周伟东(1968一),吉林九台人,主任,讲师,主攻方向:装甲车运用. 68 《装备制造技术)2008年第6期 燃油供给调节和油门位置调节. 对于汽油机,控制主要有: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驱动轮制动调节圈 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脚 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, 且由于压力和 变化突然,所以一般不作为单独的控制方式,而 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嗍 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,但硬件方案 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 69 EquipmentManufactringTechnologyNo.6,2008 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[51 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 模糊控制方法模仿人脑的思维方式和控制经验,把人的经 验形式化并引人控制过程,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 则执行从输人到输出的推理过程.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 神经网络是指利用工程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缉陛对象进行建模,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PID,神经网络PID等等. 5小结 介绍了牵引力控制系统的控制策略和控制算法,简要分析 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ABS与ASR[MI.北京:人民交通出版 社,1996. .4×4越野汽车牵引力控制策略与控制算法研究【D】.长春: 【3】李静 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啊. 公路交通科技,2001,18(3):62. 【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,2002,21(1):74. ControlSystemPrincipleofAutomobileForceTraction ZHOUWei-dong,LIUZhong-quan (InstituteofArmoredForceTechnology,Changchun130117,China) Abstract:Thisarticleintroducedtheforceoftractioncontrolsystem’Sprinciple,thecontrol policyandthecontrolalgorithm,analyzedeach kindofcontrolpolicyadaptationscope,andtheadvantagesanddisadvantagesofthediffere ntforceoftractioncontrolalgorithmwere compared. Keywords:Forceoftractioncontrol;Controlpohcy;Controlalgorithm 70
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