汽车牵引力控制系统(TCS)_研究
人类工教学 l999年 9月第 5卷第 3期
文章编号 :Ill【l6—83(】9(1999}(】3【】(125一()4
汽车牵引力控制系统(TCS)研究
张成宝+ ■玉兰, 吴光强
(同济大学 机械 系,上海 2㈤(】72)
25
摘 要:文章彳卜绍 r汽车牵引力控制系统的原理和挖制 法 对汽年简化模型进行阿种控击叮疗法的仿真
计算+分析 对汽车牵引性能的控制作用,说明了幸 Jl力拧 埘蒹统对汽车牵0l性能舯改善。
关键词 :性能 :拄制 ;牵 』l力控制 系统
中图分类号 :u270 2 文...
人类工教学 l999年 9月第 5卷第 3期
文章编号 :Ill【l6—83(】9(1999}(】3【】(125一()4
汽车牵引力控制系统(TCS)研究
张成宝+ ■玉兰, 吴光强
(同济大学 机械 系,上海 2㈤(】72)
25
摘 要:文章彳卜绍 r汽车牵引力控制系统的原理和挖制 法 对汽年简化模型进行阿种控击叮疗法的仿真
计算+分析 对汽车牵引性能的控制作用,说明了幸 Jl力拧 埘蒹统对汽车牵0l性能舯改善。
关键词 :性能 :拄制 ;牵 』l力控制 系统
中图分类号 :u270 2 文 献标识码 :A
l 前言
随着汽车行驶速度的提 高,以及道路行车密
度的增大,对于汽车的行驶 安全性能 的
也越
来越高 。特别是汽车在高速工况下,驱 动轮在低
附着系数路面和附着系数分离 的坡道 、不平等路
面行驶,或在起步和加速时,车轮发生滑转.导致
汽车侧滑、空转和方 向失去控制等安全 问题 显得
更为突 出 汽车牵 引力控 制系统(Tra∞on( n
tr。l sys『em,记 为 Tcs)是一种新型的主动安全控
制技术,是继制 动防抱死控制 (ABs)之后 叉一新
发展,对于改善车辆 的牵引性 、操纵性 、稳定性 和
安全I生、舒适性等具有重要的意 义。所 它的研
究得到人们很大的重视+而且 已迅速成为一个重
要的课题
2 汽车牵引力控制的原理
在驾驶 员、汽车和道路三者所组成的闭环系
统中,汽车与环境之间的最基本联 系是轮胎和路
面之间的作用力(包括纵向力和侧向力、法向力
及回正力矩 、翻 转力矩等 ),汽车的行驶状态主要
是由轮胎和路面的作用力决定的,因此驾驶员对
汽车的控制实质上是在控制轮胎与路面间的作用
力,但是,车轮与路面间的作用力要受到轮胎与路
面间的附着特性的限制。当轮胎与路面间的作用
力接近或达到附着极限+如汽车起动或加速行驶
十基金项 目l上海汽车工业科植发展基金
过程中,如果路面附着系数较小,常常会使车辆驱
动扭矩超过轮胎与路 面问的附 着极限,产生驱动
轮过度滑转,这不但降低汽车的驱动性能.加剧轮
胎磨损,增大传动系载荷和驾驶 员负担,增加燃油
消耗 +而且损害车辆的操纵性、稳定性和安全性一
所 以合理地调节车辆轮胎 与路面 问的作用力,对
于提高汽车的主动安全性具有重要的意义 。
牵引力控制 系统防止汽车在驱 动过程中(特
别是起步、加速、转弯等过程)驱动轮发生滑转.使
汽车在驱动过程中的方 向稳定性 、转 向操纵能 力
和加速性等都得到提高 它是伴随着汽车制动防
抱死系统(ABs)的产品化发展起来的
汽车在路面上行驶,对于同一车辆.其驱动力
取决于发动机输出扭矩+但要受到路面附着条件
的限制。轮胎与路 面的附着极限与轮胎结构 、路
面状况、天气情 况、车速等 因素有关,是一个变化
范围很广的不确定量,大量试验证明,轮胎与路面
之间的附着系数与l艏转率有直接关系。图 l是典
型路面上附着系数与滑转率的关系图 从图中可
以看到,当滑转率从 0开始增加时,附着系数也随
之增大,当滑转率达 到 5 时,附着系数也到最大
值 此后随着滑转 率的提高,附着系数反而
下降,当滑转率为 1时,其滑转附着系数远小于
。 在(】滑转率与峰值附着系数所对应的滑转
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率 s 间为稳定区,曲线的下降阶段为非稳定区,
该区不能稳定驱动。从牵引性 上考虑,驱动轮的
纵向滑转率最好在 s 处[ :
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嘛
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岛L向附着系数
\ 倒向附着系数
‘
、 ,
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0 0 0 50 0 75 1.00
巅L向 滑 转 率(两
l 附看 系数 与滑 转 率 的关 系围
同时从图 1中侧向附着系数与滑转率的关系
中还可以看出,当纵向滑转率为 O时,侧向附着系
数最大,随滑转率 的增加,侧 向附着 系数急剧减
小,当滑转率为 1时,侧 向附着系数 已接近 0,此时
若汽车受到轻微的侧向力就会发生横向滑移,从
删向稳定性上考虑,车轮的纵向滑转率越小越好 :
由此可见,比较理 想的驱动轮纵 向滑转 率应略小
于峰值 附着 系数所对 应的 滑转率 (图中 阴影部
分).即约在 0 05~0 3之间 这样不但可保证 车
辆具有良好的牵引性.同时 又具有一定的侧 向稳
定潜能。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
0.05~(1 3的范围内。
3 汽车牵引力控制方法
控制车轮 的滑转率是通过控制作用于车轮上
的力矩实现的。汽车驱动轮的滑转是由于驱动扭
矩超过了轮胎与路面的附着极限.所以合理地减
小汽车发动机扭矩或动力传动中任一部件的扭矩
都可 实现驱动防滑控制的目的。从目前来看,
广泛采用控制方法的是发动机输 出扭矩控制和驱
动轮制动力矩控制的组合应用 从控制策略上主
要有逻辑门限值控制、滑模变结构控制、最优控制
和模糊控制等。本文主要对 Tcs系统采用的逻
辑门限值控制和传统的 PID控制方法进行研究。
3 1 逻辑门限值控制
这是一种传统的控制方法,现在大 多数都采
用逻辑门限值控制方法,它通常是将车轮的加速
度(或角加速度)和减速度以及车轮的滑转率作为
控制门限。如果汽车在行驶 中,车轮的某一参 数
凡类工效学 l999年 9月第 5卷第 3期
超过设定的正的门限值,刚控制系统就产生动作,
调节发动机输 出扭矩 或施 加制 动力使其降低,至
到达到负的门限值,控制系统 叉产生动作,增加 Ⅱ
动力,如此循 环实现滑转率的控制。它的门限值
要经过反复试验获得的经验数据。本文将车轮滑
转率作为主要 的逻辑控制 门限,将车轮的加速度
和减速度作为辅助控制 门限,对 T( 系统进 行控
制系统研究
3 2 PID控制
逻辑门限控制虽然是一种使用历史最长的控
制方法,但是在控制过程中车轮速度波动较大,控
制过程不平稳,控制 系统的 门限值都是经过试验
得到的数据 还无充分的理论依据,对系统稳定 I生
品质无法
。针对逻辑门限的这些缺 点,本文
叉采用了基于滑转率的 PID控制方法。所谓 PID
控制就是对误差信号进行加权、积分与微分运算,
最后将其和送给受控对象,阻完成整个控制过程,
这样就使整个控制过程平稳,不 会象逻辑 门限值
控制那样波动,其控制效果更加理想。PID控制
器的传递函数 为:
1
G ( )=K (1+} +_rn ) (1)
』p
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
的车轮滑转率构成误差,由 PID控制器算法箅出
控制牵引力值 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。PID控制器的控制参数要通过对车辆 系统进
行分析计算进行调节设定。
4 汽车牵引力控制的仿真计算
4 1 车辆动力学模型 ’
为研究方便,采用 了 三 自由度前轮驱动汽
车模型为基础,对发动机输出扭矩进行控制的方
法。为研究汽车起动计算过程中Tcs的作用,采
用一双轮模型,即假设汽车起 动加速过程中左 右
轮的运动情况完全相同,汽车模型如图 2所示,建
立如下动力学方程:
rF 2+F I o。sd +F sin = r门( 十 “ )
ⅡF Ic0s +ⅡF slnd 一6F 2: f (2)
1 . 1
F c0 一 Ff一 : r门(“ 一 )
式中 ——汽车质量
f ——汽车绕 。轴的转动惯量
F..F..—— 为滚动阻力和风阻
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^类 效学 1999 9月第 5卷筇 31训
L
圈 2 三自由度汽车模型
驱动轮方程
丁 F R F,R = (3)
式中 —— 发动机通过 传动 装置输 出在驱动
轮上的扭矩
R——车轮半径 ,
为研究方便。假设 在起动过程中汽车沿直 线
行驶.转 向有为 (),将 式(1)和式 (2)变成如下方
程 :
F Fi—F = mH 【41
T 一F R F = J (5)
车轮滑转率定 义
s = 1 (6)
将图 1的曲线筒化 成图 3所示的直线,轮胎
模型 :
(7】
期望 秆转 牢
N ——轮胎垂直载荷。
采用 述简化方程我们就可进行求解,对车
圉 3 附看 束数 与 |臂转 军 关系 出
辆进行起步加速性能仿真。
4 2 牵引性能的计算比较
基于 以上 的车辆模型和控制方法,对~前驱
动轿车分 4进 行了两种控制方 法的 I生能仿真计
算 该轿车的基本参数如表 1所示。首先采用逻
辑门限值控制,将车轮滑转率作为主要的逻辑控
制门限,车轮的加速度和减速度作为辅助控制门
限:在一峰值 附着系数为 O 2的低 附着路面上进
行起动加速行驶,主要考察其加遮性能 。所以将滑
转率门限值定为0 3,控制结果如图 5、图 6。逻辑
门限控制方法原理 比较简单。不涉 及具体 系统的
数学模型。这 对控制 系统 的非线性 控制是一种有
效的控制方法,但 系统的控制逻辑比较复杂,它的
参考滑转 率、车轮加遮 度 (或角加速度 )、减速 度
(或角减速度)等控制门限都是通过反复试验获碍
的经验数据,而且其控制过程不平稳,扶图中可明
显看 出
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国 4 汽车 I【’s控制系统
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然后采用 PID控制,牵引力控制系统最主要
的 目的是把车轮滑转率控制在 5%~30%之内,在
起步阶段主要是提高车辆的加速性 能,所以,把其
目标控制 在 3O%,期望 滑 转率 s 定 为 ()3,将
r=s—s 作为 PID控制系统的误差信号,由 PID
控制算法算出控制量反馈给发动机,这构成了典
型的经典反馈控制,PID控制 系统框图如图 4所
示。
分别对前述两种控制方法进行仿真计算,图 5
为两种方法的滑转率控制=
1
0 s
* 0‘6
坪
察 0 4
0 2
0
0-8
* O 6
择
察 O 4
O 2
逻辑门限控制方法
h J控 制 万;去
图 5 两种控制方法的车轮滑转牢
从仿真结果可以看出,两种控制方法都能很
好的将车轮的滑转率控制在设定的理想值 0 3附
近,达到牵引力控制的要求,其 中逻辑门限控制方
法在理想滑转率附近有一定波 动,相 比而言 PID
控制的滑转率更 加平滑和稳定,这 一性能将会使
车上乘客在起动加速时所出现的不舒适感得到一
定的改善 }。
人类工教学 1999年 9月第 5卷第3期
图 6为装有 Tcs和 无 Tcs控 制车辆在 l(】s
后所能行驶的最大距离仿真结果。从图中可以看
出装有 Tcs的汽车在低 附着路 面能 明显 的改 善
汽车的加速性能,同时驱动轮的滑转率下降,也减
少了轮胎的磨损。可以明显看出 PID控制效果要
比门限值控制要好。
目
置
删
t【
图 6 车辆牵引性能仿真
5 结语
通过以上的分析 和仿 真计 算可以看出,1气车
牵引力控制 系统确实能够 改善汽车的牵引 性能,
是一种新型的汽车主动安全技术。逻辑 门限控制
方法和 PID控制方法都能较好地控制车轮的滑转
率,提高汽车的牵引性能,基于滑转 率的 PID控
制方法较之 传统的逻辑门限方法控制更加平稳,
控制效果更加理想,结合车辆动力学控制 将是一
个很 有前途 的控制 方法。本 文的研 究结 论可 为
Tcs控制 方法 的进一步研究提供概 为有益的参
考。
参 考 文 献
[1] 余 志生 汽 车理 论 Mj 北 京:机 械 工业 出版
1992
【2] 司利增 汽 车防滑控 制系统 M:北京 人民交J血
社 1996
f 3] 是 麒 自动控制原理[M]北京:清华大学出版f
19q0
4] wol嘻ang MaIsh w0 一DIeter J0n儿er,Alfred sigl AsR
— TmcI10n 0 nIml——A 】 0gIcal ExtensI[)兀0f^Hs
[J]sAE870337+
[收稿日期11999一(】2一I懈
【修回 日期]1999[J4】5
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