纵向动力学控制讲义-2014

ABS联合控制方式----控制策略
1.单轮控制
每个车轮分别独立进行控制，以最大地利用附着系数。附 着系数利用率高，但容易产生横摆力矩，车辆稳定性差。
2.低选控制
以附着系数低的那侧车轮来决定施加到同一车轴两侧车轮 飞轮制动压力。车辆稳定性好，但附着系数利用低。
3.高选控制
以附着系数高的那侧车轮来决定施加到同一车轴两侧车轮 飞轮制动压力。附着系数利用率高，但容易产生横摆力矩， 车辆稳定性差。
最佳滑动率受到路面/轮胎/载荷/车速等诸多要素影响
x f x (路面, 轮胎, 汽车，制动工况） y f y (路面, 轮胎, 汽车，制动工况）
侧偏 角的 影响
ABS_最佳滑动率影响因素
最佳滑动率受到路面/轮胎/载荷/车 速等诸多要素影响
x f x (路面, 轮胎, 汽车，制动工况） y f y (路面, 轮胎, 汽车，制动工况）
X
2.1 单自由度系统的自由振动 (2)-1确定广义坐 标并建立其坐标 系统； (2)-2将惯性质量 隔离出来，进行 平衡位置受力分 析： (2)-3进行任意振 动位置受力分析， 利用牛顿定律建 立振动微分方程 并整理;
弹簧自 由状态
s
mg
m
k
mg
o
x
ks
k x s
mg ks 0
正确之道 吸取别人失败的经验！ 不良品解析！
吸引人才、引进外智！
TCS的概念
车轮转动中的2个作用力 1.驱动/制动力矩 2.路面切向作用力
轮胎与路面的作用环境和状态(滑转率)
纵向 横向 纯滚动 纯滑移 纵向附着系数小且 侧向附着系数最小 纵向附着系数较大，而 侧向附着系数又不太小
TCS/ASR的作用和意义
ABS测速改进-G传感器
ABS的电子控制总体结构
ABS的电子控制总体结构
汽车电子设计开发
吸引人才、引进外智，加快我国 汽车电子产品设计开发的步伐！ 汽车电子 促进公司成功转型汽车电子
太难，望 而却步！
容易陷入两大误区：
容易，盲 目介入！
吸引人才、引进外智，促进公司成功转型
电子特点 汽车特点 看不见，问题的潜在性！软件更重要！ 使用环境非常复杂！可靠性要求很高！ 温、湿、振动、干扰 等等
x
(2-1) (2-2) (2-3)
mg k λs x m x
kx m x p2 x 0 x
其中： p
(2-4)
k m
(2-5)
漫谈汽车系统动力学与控制
3.正确的研究方法 (4)数学模型 响应
动力学分析基础上建立数学模型！ 动和力_数量关系
m x c x kx f (t )
设计
控制
迷 惑
研究动态：系统、对象越来越复杂！其组成、结构、材 料多种多样。机、电、液、气、人、环境的综合；不同 尺度上的运动（宏观、细观、微观）相互作用、耦合、 相互影响！如汽车整体的低频振荡运动与发动机高速运 转产生的振动、噪声，还有电子控制系统中电流、电压、 光、波、电磁干扰等等相互联系在一起！
串联一个副节 气门，响应速度 慢，无污染
人身安全！
难点：不在于解决问题，而在于发现问题！
汽车电子产品的设计开发 至少是这样的： 1/5时间在design设计、在想办法解决Resolve问题，在How！ 4/5时间在Debug调试，在找Find问题究竟出在哪儿，在问why？
目前两大误区： 汽车电子 太难，望 而却步！ 汽车电子 容易，盲 目介入！
滑移率检测方法
车轮转速检测和轮 胎半径测量
车速 r S 100% 车速
制动时车速 变化快，瞬 态车速难以 测量准确 影响要素 和环境/工 况的复杂 性： 难！
容易
推算得 到参考 车速
相对滑移率
ABS的控制的关键技术
车轮角加速度
背景
制动过程中 经常会碰到 沙堆、水、 油迹、杂物 等特殊情况， 附着系数可 能瞬间发生 较大变化！
通过测量轮胎剖面单元的变形间接测量轮 胎与路面间的附着率。
ABS的多目标控制方法
由于地面与轮胎作用的复杂性以及环境的多变 性，实际的制动力控制往往采用多目标控制的 方法。
滑移率 附着系数 轮胎地面 作用力
相对滑移率
车轮角减速度
M b Fz Rd I w w

轮胎变形
ABS的控制过程
汽车纵向动力学整体模型
汽车纵向动力学模型 汽车纵向动力学方程-数学模型
V 当有侧向风、横向斜坡、转弯等情况，汽车纵向运 动与横向运动又发生关联，又涉及到汽车稳定性的 深入研究。 轮胎路面 作用力
m X FTi FD FG

FT1
空气阻力
FD
FT2
FT3
坡度阻力
FG
决定于轮胎与路面的作用 作为路面交通工具的汽车， 其复杂性和重要性怎么强调 都不过分！ FT4 又与驱动和制动力矩直接相关，进 一步与燃油、传动系统和制动系统、 甚至转向系统紧密联系在一起！
振动系统参数


激励
列宁：自然界的 统一性显示在各 种现象领域的微 分方程式的“惊 人相似中”。
常微分方程有深刻而生动的实际背景。它在生产实践与科学技术中产生， 而又成为现代科学技术中分析问题与解决问题的一个强有力的工具；数学应用 于实际问题的关键是要找出具有特定性质的函数，而很多的实际问题中，往往 不能直接找出所需要的函数，有时我们需要建立含未知函数的导数或微分方程， 如果这些方程可求解，就可以求得所需的函数。这就是我们所要讨论的微分方 程。
Traction Control System /Anti-slip Regulation
TCS
调节的不是车轮制 动压力而是发动机 输出扭矩等
TCS/ASR的概念Baidu Nhomakorabea
Traction Control System TCS:驱动/牵引/循迹 控制系统
TCS/ASR的概念
Anti-Slip Regulation
沙堆
ABS的控制目标与检测
力学分析
M b Fz Rd I w w

相对变化缓慢
地面附着系数变化与车轮角速度瞬态变化几乎 是同步的。因此车轮角速度的陡然变化反应了路 面状态的偶然变化，车轮角速度瞬态变化是我们 进行制动力矩控制的重要信息和目标参数。
ABS的控制目标与检测
轮胎地面作用力的测量方法
b z d w w
4.随着制动压力的减小，车轮角减速度也减小，当车轮角 减速度大回到-a门限值,说明制动压力已经足够而附着力接 近最大值，因而保持不变。 2.车轮角减速度超过-a门限值,说明制动压力已经足够而附 着力接近最大值，因而保持不变。
1.驾驶员踩下制动踏板，开始制动，制动压力 不断增加。车轮线速度比车速下降变化更快。
汽车纵向系统动力学 漫谈汽车系统动力学与控制
运动力学！ 运动
主讲：舒红宇 教授 023-65103568 shycqu@163.com
？ 几十年来，我们周围都没有离开动力学这个词。究竟研究内涵是什么？动态？
1.“动力学” 力 速度远小于光速的宏观物体、对象、系统 的运动均遵循动力学普遍定理：动量定理、动 量矩定理、能量守恒定律。这是许多工程学科 的基础。 目的 力学：Mechanics 机械：Mechanical
车轮与路面的附着系数又与滑转率有关，如图所示。
V
纵向
V r s 100 % V
横向 纯滚动
纵向附着系数较大，而侧向附着系数 又不太小
ABS作用：调节车轮制动压力、控制 制动强度以获得最佳滑转率，防止抱 死，提高纵向制动能力和侧向稳定性。
纯滑移
纵向附着系数小且侧向附着系 数最小
ABS_最佳滑动率影响因素
车轮 车轮 转动 角加 惯量 速度 车轮 车轮 车轮 路面 路面 滚动 附着 间正 半径 系数 压力 车轮 制动 力矩

沙堆
ABS的概念
Anti-lock Brake System

车辆制动依靠路面对车轮的作用力。 m X FTi FD FG
FT Fz 路面对轮胎的作用力又决定于车轮与路面的附着系数。
两轴四轮车ABS组合型式
两轴四轮车ABS组合型式
ABS实现的关键技术
传感器 控制器
执行元件—电磁阀
ABS实现的关键技术
增压位置
保压位置
减压位置
ABS组成结构
ABS实现的关键技术
离合器、制动助力、ABS执行单元一体化
ABS的关键零部件-液压调压器
ABS的关键零部件-气压调压器
ABS的关键零部件-轮速传感器
内燃机汽车的驱动力矩来源于燃油的燃烧，并经过复杂的传动系统传递到车轮上。其 动力的供应链涉及燃油经济性、汽车动力性、驱动效率等的深入研究。与发动机、传动 系统的结构、控制紧密相连!
汽车制动力学模型 与数学模型
对于单独的一个车轮，在制动时 可以简化为： 力学模型 数学模型 制动力学基本方程
V
I w w Fz Rd M b
M K
C
漫谈汽车系统动力学与控制
3.正确的研究方法 (3)运动描述
系统自由度
o
动力学研究运动和力的关系！在面向对象的观 察思考基础上，要明确运动的时空描述方法： 自由度和坐标系统！
Y θ l A(x,y)
x l cos y l sin
确定系统位置的独立（广义）坐标数目
φ R
X
l 2 x2 y 2
ASR：防滑控制系统
TCS/ASR的概念
ASR：防滑控制系统 TCS:驱动/牵引/循迹控制系统
车辆在起步、加速、爬坡、制动时 通过控制作用在车轮上的力矩→防止驱 动轮发生过度滑转，以获得最大牵引力 和最佳操纵稳定性的一种控制系统。
TCS/ASR驱动防滑控制方法
Traction Control System /Anti-slip Regulation
漫谈汽车系统动力学与控制
力学参数及元件的 物理意义： 3.正确的研究方法 (2)力学模型
明确物体、系统对象及其结构特性 的基础上，对现实的复杂对象进行 简化、抽象、分解为典型的力学组 件和元素：质点（质量）、弹簧、 阻尼、激励； 质量/惯性元件：振动系统抵抗加速度的能力。 阻尼/减振元件：振动系统抵抗变形速度的能力。 刚度/弹簧元件：振动系统抵抗位移或变形的能力。
发动机、传动、制 动控制系统间能够 通讯,实现联合控制
1.发动机输出扭矩控制:
最简单、最主要的控制方式，但排放和发动机寿命受 到影响。
点火调节
减小点火提前角， 响应速度快，相 应速度可达到 10_100ms
供油调节
容易实现，与发 动机电喷系统ECU 通信即可实现但 排放和发动机寿 命受到影响。
节气门调节
轮胎 与路 面特 性影 响
ABS_最佳滑动率影响因素
最佳滑动率受到路面/轮胎/载荷/车 速等诸多要素影响
垂直 载荷 与车 速影 响
ABS_最佳滑动率影响因素
最佳滑动率受到路面/轮胎/载荷/车 速等诸多要素影响
ABS_最佳滑动率结论
最佳滑移率是一个变值，轮胎、路 面、载荷、车速、侧偏角不同，对 应的最佳滑移率也不同。 必须对滑移率进行检测，以实现制 动力的控制。
滑 车速 r 100% 转 S 车速 率
3.车轮转速≤Sb1(滑移率门限值对应的值),说明制动力超限 (但还没有抱死 )，须减小制动压力。 5. 尽管制动力矩保持恒定，但汽车惯性推动车
轮旋转，因此车轮从角减速度转变为角加速度， 7.车轮角加速度小等于 a门限值 ,制动压力缓慢 若加速度值大等于 +A门限值 ,增加制动压力 抖动增加 6.车轮角加速度小等于+A门限值,制动压力不变 8.车轮角加速度小等于-a门限值,减小制动压力 9.进入下一个循环 4~8 M F R I
漫谈汽车系统动力学与控制
2.正确的研究、生活观点和态度 3.正确的研究方法 实际 (1)系统思想 设计 控制 感性
(2)力学模型 (3)动/力分析
理论 (4)数学模型 分析 综合 理性
(5)数学分析
m x c x kx f (t )

漫谈汽车系统动力学与控制
隔离是关键！
3.正确的研究方法 (1)系统思想
面向实际的对象，观察、思考，在头脑中建立、 明确对象的结构和特性、运动的形式，然后从 环境中隔离出来，考察它与外界的相互作用！
输入 激励
力学研究最重要的概念：质点/ 质点系！系统均是由质点/质点 系的物体所组成的。我们首先 看的是物体块，然后再看它们 的连结，再看它与外界的作用！
系统
输出 响应
系统是有机的多体，多体之间连接关 系多种多样。只有彻底弄清这种连接 关系，才能组成所需要功能的产品。 所以组成结构非常重要，其中一个元 件或连接失效，整个系统的运动就完 全不同！