车辆控制系统
摘要：汽车动力学稳定性控制系统(DSC) 是汽车主动安全电控系统的重要研究前沿, 是继ABS 之后需要进行重点突破的汽车主动安全控制系统。本文详细收集、整理并研究了国内外关于DSC 的研究文献和开发的产品, 系统总结了DSC 研究的关键问题: 同时系统建模、控制策略、控制器开发、性能评估等4个方面的研究现状, 为DSC 研发提供参考。
关键词: 汽车动力学控制系统 主动横摆力偶矩控制 制动防抱死系统 控制策略 控制器
引言：汽车动力学稳定性控制系统(DSC) 是汽车电控的研究前沿。在偏离正常操作环境时, 驾驶员的操作有可能引起车轮制动过大, 造成车轮抱死, 使得汽车失去转向能力; 或者是加速行驶时车轮滑转, 使得汽车失去控制, 发生倒滑等险情; 或者在危险工况下, 由于惊恐造成对汽车的误操作, 使得汽车发生急转、驶出、侧翻等事故。这就必须从整车动力学角度对汽车进行自动控制。
DSC 是在传统的汽车动力学控制系统ABS 和TCS 的基础上增加横向稳定控制器, 从而能够在各种工况下提高汽车的动力性能——全部、部分制动、滑移、驱动、发动机反拖、换挡以及从换挡到反拖的瞬态过程, 通过控制横向和纵向力的分布和幅度控制任何路况下汽车动力学运动模式。
1 DSC发展历程描述
汽车动力学控制系统研究的目标是识别汽车和驾驶员的状态, 并提供安全稳定性控制。动力学控制系统经历了以下发展
1.1DSC的基础——ABS与TCS
ABS 是最先出现的汽车主动安全控制系统, 它通过电控单元控制电磁阀的瞬时开断, 从而控制制动压力, 调节制动时轮胎的滑移, 以达到车轮与地面的附着系数最佳。与ABS 的控制原理类似, TCS的目的在于对驱动过程中轮胎滑转进行控制, 从而使得汽车在驱动过程中获得较好的路面附着率]。
1.2DSC的概念及形成
ABS (包括TCS) 控制的对象是轮胎的滑移, 而DSC 通过横向稳定控制和纵向稳定控制, 实现汽车轮胎和路面的全滑移率区间的控制。当系统观测到不足转向发生时, 进行主动的横
摆力偶矩控制, 减少不足转向; 当观测到发生过多转向时, 进行横摆力偶矩控制, 减少过多转向。因此DSC 系统具有如下优点: 控制所有关键的侧向动力学运动状态, 获得最大安全性能; 在驾驶员因为惊恐造成急转时, 主动控制转向程度, 提高汽车的稳定性; 提高汽车在各种工况下的稳定性和驱动性能; 通过在物理参数限制范围之内操纵稳定性的提高, 使
得驾驶员能集中精力于交通状况; 同ABS与TCS相比, 提高了转向能力和稳定性。
2DSC的建模及仿真
建立精确的整车模型, 是进行系统仿真的关键。两轮模型参数简单, 能够考虑纵向、横向运动控制,是动力学控制系统开发常用模型。基于该模型, 开发了侧偏角估算算法, 侧向速度估算算法。但在进行环仿真分析过程中, 一般采用四轮多自由度汽车仿真分析模型, 可以考虑悬架、轮胎、车身的非线性,以及汽车的动态非线性, 能够较为精确地反映汽车的动态特征。
DSC 是基于汽车自身的系统响应偏差和驾驶员操作误差的识别进行控制的, 因此驾驶意图的识别是需要研究的问题。通过应用UMTRI 驾驶员模型, 通过转向角选择, 使得预期的路径偏差最小。
3DSC控制策略与算法
控制策略和算法的开发是DSC 开发的核心工作。在光滑的路面上进行控制时横摆角速度和横向加速度不对应, 因此横摆角速度和侧偏角都必须加以控制
DSC 主要控制策略有: 基于横摆角速度偏差值的门限控制方法; 采用横摆角速度、侧偏角、侧向加速度作为反馈信号的PID控制方法。也可采用相平面法描述汽车操纵稳定性，进而采用相应的控制方法。
DSC 控制算法难点: 汽车状态识别, 路面状态识别, 控制目标的生成等[19 ]。车身的侧偏角通过汽车状态变量测量值进行估算。轮胎路面附着系数的估算是一个最重要的估
算逻辑。在DSC 系统中, 如果将路面附着系数作为控制系统的前馈环节可以提高系统的稳定性。
4DSC控制器开发
4.1DSC控制器结构
(1) 主控制循环。通过车速传感器的信号、侧向加速度信号、横摆角速度信号, 获取汽车的真实运动状态, 与基于驾驶员输入信号的参考模型计算得到的数值进行对照, 控制汽车的运动状态。
（2) 辅助控制循环。由制动滑移率控制器、驱动滑移率控制器组成, 制动滑移控制器控制每个车轮的滑移率, 并且输出车轮侧向力, 用于主控循环之中。
4.2DSC的V型开发流程
采用HILS 进行ABS与TCS及DSC的无缝开发和快速开发过程, 整个设计由两个循环V -cycle 组成。这也是最基本的开发流程
5DSC系统性能评估
验证DSC性能的试验有: J转向, 单移线, 双移线, 大圆弧, 小圆弧, 钓钩路径等。测试的项目主要是检验产品的路径跟踪、障碍避让能力, 低附着路面上的转向操纵性能。NHTSA 推荐使用Fishhook 测试路径进行DSC 性能测试。
6结束语
目前DSC 的研发主要的核心问题是控制算法的开发、液压执行机构的设计、控制系统和整车的匹配。目前一套DSC 的匹配需要经过两冬一夏的时间考核, 因此研究快速高效的算法、匹配流程和方法是实现DSC 自主开发的重点。此外, 液压执行结构的设计生产也是制约自主研究的一个瓶颈。集成了DSC 系统、主动转向、自动换挡等底盘控制技术为一体的综合控制系统, 对汽车上的主动控制系统进行整合, 从而实现汽车的操纵稳定性的优化, 是未来发展的方向。
参考文献
[1] 瞿翔洲. 牵引力控制系统(TCS)的硬件在环仿真分析[D]. 北京: 清华大学, 2002.
[2] 郭孔辉 汽车操纵动力学[M]，长春：吉林科学技术出版社，1991
[3] 陈家瑞 汽车构造[M] . 北京：人民交通出版社,2006
