第6章-车辆综合控制.ppt
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1、第五章第五章第五章第五章 车辆综合控制车辆综合控制车辆综合控制车辆综合控制 5.1 综合控制的缘由和分类综合控制的缘由和分类5.2 综合控制原则综合控制原则 5.3 综合控制用模型综合控制用模型 5.4 综合控制规律综合控制规律 5.5 综合控制系统技术动向综合控制系统技术动向 5.1 5.1 综合控制的缘由和分类综合控制的缘由和分类综合控制的缘由和分类综合控制的缘由和分类1.综合控制的缘由综合控制的缘由1)汽车控制是一个系统工程问题2)简单的叠加原理不适合于汽车控制 由于汽车是一个有机的系统,各个元素之间对立统一。从纵向来看,任何一个可控的子系统,会对汽车的各个使用性能产生一定的影响。从横向
2、来看,多个可控子系统并存,它们之间必然存在着相互协调的问题。可控子系统的简单叠加并不能获得良好的综合性能。3)汽车各个子系统间存在着复杂的相互关系2.综合控制的分类综合控制的分类 按系统分类底盘系统综合控制动力传动系统综合控制按功能分类横向控制纵向控制(巡航控制)横向控制横向控制是指转向控制。控制的过程为在检测到车辆相对于期望轨迹的偏移量后,根据一定的数学模型计算方向盘转角的大小和方向,以使车辆按照预定的轨迹行驶。控制的目标一般是车中心和路中心间的偏移量,同时受舒适性能指标约束。汽车自动驾驶控制系统结构图实现车辆横向横向方向角自动控制和纵向纵向车速自动控制两方面就可形成汽车自动驾驶。纵向控制纵
3、向控制是指在行车速度方向上的控制,即车速以及本车与前后车或障碍物距离的自动控制,其控制问题主要归结为对发动机输出和制动系统输出的控制。下层控制系统是将上层控制系统的输出传递到被控车系统以实现期望加/减速度。上层控制既是实现车列纵向自动跟踪控制,其目的是通过车载传感器及雷达系统获取车列纵向行驶的信息,对车列纵向相对距离实施控制,计算出被控车期望加/减速度值,并判定是采用发动机控制还是制动系统控制,最终得出期望发动机节气门开度角和制动主缸推杆力。汽车纵向动力学在系统上分成上层控制与下层控制系统以汽车转向为核心的横向控制系统当驾驶员转动方向盘时,车轮改变其方向,在每个车轮产生侧偏角。另一方面,制动或
4、加速对汽车转向也有影响。在设计车辆的横向控制系统时必须对上述这些因素加以综合考虑。5.2 5.2 综合控制原则综合控制原则综合控制原则综合控制原则 1.改善性能改善性能 汽车综合控制的首要原则是把各个单独的系统组合起来以改善车辆性能。单独A-4WS时:在较小的侧向加速度Gy 范围内(侧向力线性变化范围内)产生大的控制效果。但是在较高的Gy范围(侧向力非线性段),转向控制的效果削弱。单独主动悬架系统时:A-SUS的侧倾刚度分布控制对改善车辆在较高Gy范围内的操纵性有较大效果,这是因为A-SUS不仅能控制车辆转弯时的姿态变化,而且能调节前后轮的侧偏刚度。综合采用四轮转向和主动悬架系统时:主动4WS
5、在较小的范围内产生大的控制效果,然而A-SUS的侧倾刚度分布控制在较高的Gy范围内有好的效果。因此,增加了主动4WS后,汽车在较小的范围内转向灵活并且稳定,而在高的Gy范围内依靠A-SUS能在车辆转弯时获得附加的转向效果。2.消除干扰消除干扰 采用防抱死制动系统能附加引起车辆“点头”,故为了消除防抱死控制的干扰,有必要依靠A-SUS系统的姿态控制来减小车辆“点头”。3.增加功能增加功能 综合控制也是为了增加功能。例如,ABS与4WS的结合既有利于提高车辆的行驶稳定性,也有利于缩短制动距离,因而增加了控制功能。在车辆制动时,稳定性与制动性能是两个相反的因素。单靠ABS控制很难超过图中虚线所示的极
6、限。A-4WS的横摆角速度反馈控制对改善稳定性非常有效。此型4WS能测出现时的车辆横摆角速度,并与控制器内算出的理想车辆横摆角速度值相比较,然后令后车轮产生一转向角,以消除实际与理想横摆角速度之间的偏差。因此,依靠ABS与横摆角速度反馈控制型A-4WS的结合,即使在低 值路面上制动,也可获得良好的稳定性能。4.相辅相成相辅相成 体现这一原则的典型例子是制动防抱死控制和牵引控制的结合。牵引力控制(TRC)是在ABS的基础上发展起来,并与其相辅相成。丰田皇冠车TRC的组成是与ABS相结合,并由下列部分组成:1)由步进电机驱动的发动机进气系统的第二个(辅助)节气门;2)TRC的制动器执行机构;3)A
7、BS共用的车轮速度传感器;4)控制器等。同时采用制动控制系统和节气门控制系统是用来提高响应速度。测量结果表明:在没有ABS和TRC的情况下,当车辆加速和减速时,侧向的Gy值相对较小。即由于驾驶员在转弯时害怕发生危险,不能全部放开地操纵方向盘、油门踏板和制动器。另一方面,装用ABS和TRC的车辆进行同样试验的结果表明即使没有经验的驾驶员在加速和减速时都能自由地操纵方向盘,或者不转方向盘而使车辆加速、减速。5.共同使用共同使用 使用同样的信号、信号处理和同样的硬件,例如执行机构、动力源、传感器和计算机等可以提高控制系统的功能成本比。当汽车行驶时,驾驶员通过改变节气门位置(或制动压力)来控制车轮上转
8、矩和转速(c),以获得期望的前进速度(U)。驾驶员通过转动方向盘,以调整车轮侧偏角度(),从而获得理想的横向速度(V)。路面不平度随时间的变化(vi)会影响车轮上的瞬时载荷(N),引起车轮和车身振动,并使悬架变形,后者又影响乘座舒适性。如果悬架是可以控制的,那么加在悬架上的控制力(Fcon)可影响车轮上的瞬时法向载荷(N),车轮和车身的振动速度(vu,vs),以及悬架变形(qs)。车辆作为一个系统,它的控制变量有车辆作为一个系统,它的控制变量有 c,和和Fcon,系统的状态变量有系统的状态变量有U、V、vs、vu、qs、N,而系统所受的外界干扰是而系统所受的外界干扰是vi。5.3 5.3 综合
9、控制用模型综合控制用模型综合控制用模型综合控制用模型车辆系统综合控制的目的就是合理控制输入以获得期望的输出。为获得车辆的最佳控制,有必要研究把输入和输出联系在一起的车辆模型。综合控制用的车辆系统模型,如图1/4车辆模型.应用牛顿定律,可导出如下公式:轮胎上的法向N为和 分别为悬架和轮胎的垂直变形纵向力FL可用下式表示考虑到滑移曲线的线性部分(当 时)滑移曲线的斜率有如下关系:而且轮胎滑移率则纵向力FL可表示为侧向力FC 假定与车轮的侧偏角 成正比,并由下式给出:公式(5-8)与(5-9)可以作如下的线性化:在FL作用的瞬间干扰力FLD 由下式给出:侧向力为假设车辆一开始处于稳态转向,其横摆角速
10、度为 将以上运动方程与线性力公式结合起来,并考虑干扰力,就可得出如下的状态方程:上式是带有路面激励的线性状态表示法,允许同时输入悬架控制量Fcon,车轮角速度(简接为转矩)控制量c和转向控制量。从物理意义上讲,上式表示在激励和控制的作用下,车辆处于一种稳态转向的状况,因此严格来说,按此式所预测的响应只在系统与稳态偏离较少的情况下才是正确的。公式所示的综合控制用模型兼顾了车辆的横向动力学和纵向动力学。利用这个模型可以对汽车的行驶工况实行全方位控制。并可以据此设计出车辆行驶动力学控制系统(VDC)。5.4 5.4 5.4 5.4 综合控制规律综合控制规律综合控制规律综合控制规律 动力传动系统的综合
11、控制规律。1.控制方法选择控制方法选择 选择控制方法的目的是为节气门(油门)开度和制动踏板角度设计控制规律,从而使车辆速度能够在可实现的加速度范围内。开关控制:会导致抖动,因而不可能跟踪快速变化的速度轨迹。PID控制:由于系统的复杂性,使得PID调节器参数难以整定。模糊控制方法:有PID控制规律同样的缺点。滑模控制为设计控制u,有必要先考察如下的李亚普诺夫函数:李亚普诺夫函数的导数由下式给出:S 的选择应使得输入u出现在 的公式中,而 u 的选择应使李亚普诺夫函数V总是沿着系统的轨迹减小。为了避免高频抖动,使期望的遵循如下公式保证控制规律成为一S的线性函数。2.2.动力传动系统建模动力传动系统
12、建模 1)发动机理论模型发动机理论模型 采用的四冲程火花塞点火发动机模型。它有三个状态变量:进气管内的空气质量(也可以是进气管压力),进入燃烧室的燃油质量流动速率和发动机转速。把质量不变定律用于进气管内的空气流量可得下面的第一个状态方程式:进入进气管的空气质量流动速率可用如下的模型表示MAX为油门全开时的空气质量流动速率,对给定的发动机模型,此值一定。TC是标准化油门特性可根据试验结果,用曲线拟合的办法得到.PRI 是进气管内压力对大气压力之比的函数,也可用实验曲线拟合得到.从进气管至燃烧室的空气流量由下式确定:式中为发动机转速,C1是一个常数,由下式表示Ve为发动机排量 是容积效率系数代表发
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