淺析汽車牽引力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

嚴(yán) 彥

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

淺析汽車牽引力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

嚴(yán) 彥

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

牽引力控制系統(tǒng)通過(guò)控制車輪的滑轉(zhuǎn)狀態(tài)，合理的分配驅(qū)動(dòng)輪力矩，提高了車輪對(duì)路面附著的利用程度，有效提高了車輛的動(dòng)力性，改善了操縱穩(wěn)定性。首先基于PID算法分別設(shè)計(jì)了汽車牽引力驅(qū)動(dòng)控制器和制動(dòng)控制器，并采用Matlab/simulink軟件完成算法的模塊搭建。然后在Carsim軟件中建立了汽車仿真模型，將simulink軟件中的驅(qū)動(dòng)控制器和制動(dòng)控制器分別與汽車模型進(jìn)行聯(lián)調(diào)。最后對(duì)汽車仿真模型在均一低附著路面和分離路面進(jìn)行仿真模擬，分析了驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率。結(jié)果表明，采用汽車牽引力控制系統(tǒng)能夠使驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率控制在目標(biāo)范圍內(nèi)，能夠抑制驅(qū)動(dòng)輪的過(guò)度滑轉(zhuǎn)，充分利用地面的附著條件，提高了汽車的動(dòng)力性和操縱穩(wěn)定性。

牽引力控制系統(tǒng)；滑移率；PID控制；仿真

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-60-05

引言

汽車牽引力控制系統(tǒng)（TCS）是車輛在起步、加速、爬坡時(shí)防止驅(qū)動(dòng)輪發(fā)生過(guò)度滑轉(zhuǎn)，以獲得最大牽引力和最佳操縱穩(wěn)定性的一種主動(dòng)控制系統(tǒng)，是繼制動(dòng)防抱死控制系統(tǒng)（ABS）之后又一新發(fā)展，對(duì)于改善車輛的牽引性、操縱性、穩(wěn)定性、安全性和舒適性等具有重要的意義。

本文在Matlab/simulink環(huán)境下，對(duì)驅(qū)動(dòng)控制的總體模型進(jìn)行仿真，選取驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率、驅(qū)動(dòng)輪速、汽車的車身速度、制動(dòng)輪缸的壓力以及節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度作為評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)牽引力控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析仿真結(jié)果。

1 汽車牽引力控制策略及其算法模塊搭建

1.1 汽車牽引力控制策略研究

TCS性能控制工況控制目標(biāo)涉及汽車的牽引性和操縱穩(wěn)定性，汽車在不同工況下，對(duì)不同性能之間的側(cè)重有所不同。本文主要研究在低附著均一路面和分離路面直線加速行駛的工況下的牽引力控制性能。

（1）低附著均一路面直線行駛

汽車在低附著均一路面上直線行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪出現(xiàn)過(guò)度滑轉(zhuǎn)，此時(shí)，應(yīng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度控制，通過(guò)控制節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)力矩來(lái)控制驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率，使汽車具有良好的牽引性能。

（2）分離路面直線行駛

汽車在附著分離路面上直線行駛時(shí)，處于低附著路面的車輪打滑，高附著路面的車輪附著力未得到充分利用，必須快速對(duì)驅(qū)動(dòng)輪打滑做出反應(yīng)。在低速加速情況下(V＜30km/h)采用驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)控制的方法進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)力控制以低附著一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率為控制目標(biāo)對(duì)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪的制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪的滑轉(zhuǎn)率都處于峰值附著系數(shù)的附近范圍之內(nèi)。

汽車各行駛工況下的牽引力控制策略如表 1：

表1 汽車行駛工況下的牽引力控制策略

1.2 PID控制算法

汽車牽引力控制算法是牽引力控制系統(tǒng)的“靈魂”，也是牽引力控制系統(tǒng)控制軟件的基礎(chǔ)，本文采用傳統(tǒng)的數(shù)字PID控制算法。

1.2.1 節(jié)氣門(mén)PI控制器模塊

發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出，使得驅(qū)動(dòng)輪工作在路面附著力上限區(qū)域附近，且無(wú)過(guò)度驅(qū)動(dòng)引起輪胎滑轉(zhuǎn)發(fā)生。由于實(shí)車控制中輪速信號(hào)等包含較多的噪聲，微分環(huán)節(jié)容易造成控制量的反復(fù)波動(dòng)，不利于節(jié)氣門(mén)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，因而采用節(jié)氣門(mén)的增量式PI控制方式（即將式（1.1）中kd設(shè)為0）。該控制器在simulink環(huán)境下搭建的PI算法模塊如圖 1所示。

圖1 PI算法模塊

設(shè)最優(yōu)目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率為s0，通常認(rèn)為驅(qū)動(dòng)輪目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率s0處于0.1--0.25范圍內(nèi)時(shí)車輛可同時(shí)獲得較大的縱向和側(cè)向附著系數(shù)，這里取s0=0.18。

兩驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率平均值為：

圖 1 PI模塊的輸出是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，PI模塊的輸入則選用最優(yōu)目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率和兩驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率均值的偏差：

1.2.2 主動(dòng)制動(dòng)壓力控制器模塊

TCS主動(dòng)制動(dòng)增壓速率很高并且滯后時(shí)間短，車輪對(duì)壓力干涉的響應(yīng)速度快，壓力干涉容易造成輪速較大的波動(dòng)，因而必須迅速將輪速變化趨勢(shì)反饋回控制系統(tǒng)。引入微分環(huán)節(jié)及時(shí)地識(shí)別驅(qū)動(dòng)輪的抱死趨勢(shì)或滑轉(zhuǎn)趨勢(shì)，在壓力控制中實(shí)現(xiàn)壓力迅速調(diào)整，抑制輪速的較大波動(dòng)。因此主動(dòng)制動(dòng)采用增量式PID控制算法。該控制器在simulink環(huán)境中的PID算法模塊如圖 2所示。

圖2 PID算法模塊

該模塊的輸出量是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率的驅(qū)動(dòng)輪輪缸壓力。由于主動(dòng)制動(dòng)控制是在分離路面工況下啟動(dòng)的，因此左右兩側(cè)車輪的滑轉(zhuǎn)率不一樣，低附著一側(cè)的車輪滑轉(zhuǎn)率會(huì)很大，為了使兩側(cè)車輪的滑轉(zhuǎn)率都不超過(guò)最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，因此圖 2中的PID模塊的輸入變量是最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率和低附著一側(cè)滑轉(zhuǎn)率的偏差：

控制策略和控制算法是牽引力控制系統(tǒng)的核心，控制策略與控制算法的好壞將直接影響控制效果的優(yōu)劣。本章確定了牽引力控制策略：在均一低附著路面直線加速時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)控制，在分離路面直線行駛時(shí)采用主動(dòng)制動(dòng)控制。在simulink環(huán)境下應(yīng)用PI控制算法搭建節(jié)氣門(mén)控制模塊，應(yīng)用PID算法搭建主動(dòng)制動(dòng)控制模塊。

2 汽車仿真總體模型搭建

2.1 建立汽車仿真模型

2.1.1 車輛參數(shù)設(shè)置

圖3 參數(shù)設(shè)置界面

CarSim是專門(mén)針對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的仿真軟件，本文的汽車仿真模型的參數(shù)是參考CarSim中D級(jí)轎車（D-Class，Sedan）的默認(rèn)參數(shù)，即整備質(zhì)量為1.37噸，長(zhǎng)/寬/高分別為3850/1795/1471mm，軸距2776mm，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率是150kw，六速自動(dòng)變速箱，帶有ABS液壓制動(dòng)，車輪型號(hào)為215/55 R17。

在Carsim軟件中設(shè)置好參數(shù)之后的界面如圖3所示。

2.1.2 仿真工況的設(shè)置

本文設(shè)計(jì)的牽引力控制系統(tǒng)仿真工況是分別在低附著均一路面和分離路面上直線加速，這兩種工況的參數(shù)如表2 所示。

表2 仿真工況參數(shù)

在Carsim軟件中設(shè)置好工況的參數(shù)界面如圖4及圖5。

圖4 低附著均一路面

圖5 分離路面

2.2 聯(lián)合仿真總體模型搭建

2.2.1 設(shè)置simulink接口

當(dāng)simulink和Carsim聯(lián)合仿真時(shí)，要先在carsim中設(shè)置好導(dǎo)入變量和導(dǎo)出變量。

1）導(dǎo)入變量

在節(jié)氣門(mén)開(kāi)度控制器中控制滑轉(zhuǎn)率是通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而在主動(dòng)制動(dòng)控制器中控制滑轉(zhuǎn)率是通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以前者導(dǎo)入變量為節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，后者導(dǎo)入變量為左右驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)輪缸壓力。

2）導(dǎo)出變量

根據(jù)在simulink環(huán)境中的建模需要，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度控制器和主動(dòng)制動(dòng)控制器的導(dǎo)出變量都是是左右驅(qū)動(dòng)輪的輪速以及車速。

2.2.2 搭建仿真總體模型以及調(diào)整控制算法參數(shù)

在設(shè)置好simulink接口之后，點(diǎn)擊carsim軟件的send to simulink 按鈕就能在simulink模型界面搭建由汽車模型和控制器模型連接的閉環(huán)模型框圖，如圖6和7所示。

搭建好總體模型之后就可以聯(lián)合調(diào)試確定兩模型的參數(shù)值，具體值見(jiàn)表3。

圖6 節(jié)氣門(mén)開(kāi)度控制器仿真總體模型

圖7 主動(dòng)制動(dòng)控制器仿真總體模型

表3 控制器參數(shù)值

3 D級(jí)轎車牽引力控制系統(tǒng)仿真分析

針對(duì)TCS系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行驗(yàn)證和比較，集中進(jìn)行了仿真及試驗(yàn)分析。研究了PID算法在不同路況下的仿真情況，給出了仿真結(jié)果，并進(jìn)行了詳細(xì)的算法分析與比較。

3.1 低附著均一路面直線驅(qū)動(dòng)仿真分析

3.1.1 無(wú)TCS低附著均一路面直線驅(qū)動(dòng)仿真分析

圖8 無(wú)TCS控制低附著路面速度曲線

圖9 無(wú)TCS控制低附著路面滑轉(zhuǎn)率曲線

圖8和9所示為汽車在低附著路面直線加速時(shí)無(wú)牽引力控制的仿真結(jié)果。仿真條件：汽車以初始速度1km/h并且保持二檔、節(jié)氣門(mén)全開(kāi)在附著系數(shù)為0.2的均一路面上直線加速行駛5s。圖8中的 VL1、VR1、VSM、Vt分別表示是左右驅(qū)動(dòng)輪輪速、車速、目標(biāo)車速的曲線，圖9中的S、So分別表示左右驅(qū)動(dòng)輪平均滑轉(zhuǎn)率、目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率。由圖可知，因?yàn)楣?jié)氣門(mén)全開(kāi)，因此在沒(méi)有牽引力控制控制情況下，驅(qū)動(dòng)力矩會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速增大，左右驅(qū)動(dòng)輪的平均滑轉(zhuǎn)率迅速升高（在0.1s時(shí)就達(dá)到了0.9），從而地面附著系數(shù)降低，車輪驅(qū)動(dòng)力下降，導(dǎo)致地面附著力不能得到充分利用，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，輸出轉(zhuǎn)矩下降。由于驅(qū)動(dòng)力矩大于地面附著力，所以車輪滑轉(zhuǎn)率迅速升高，驅(qū)動(dòng)輪輪速在短時(shí)間內(nèi)增大，遠(yuǎn)大于目標(biāo)輪速，由圖可知，在0.8s時(shí)滑轉(zhuǎn)率就達(dá)到0.9，此時(shí)驅(qū)動(dòng)輪輪速增大到92km/h。

3.1.2 有TCS低附著均一路面直線驅(qū)動(dòng)仿真分析

圖10、11、12所示為汽車在低附著路面直線加速時(shí)有牽引力控制的仿真結(jié)果。仿真條件和無(wú)TCS時(shí)一樣。

根據(jù)所制定的牽引力控制策略，通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩即控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度使前驅(qū)動(dòng)輪保持在最佳滑轉(zhuǎn)范圍內(nèi)。由圖12可知，在牽引力控制作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度在經(jīng)過(guò)0.7s的適應(yīng)階段之后保持穩(wěn)定的趨勢(shì)。由于控制了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，傳到驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩就降低了，所以降低了兩前驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率，在經(jīng)過(guò)0.7s的適應(yīng)階段之后穩(wěn)定在0.16左右，在期望的滑轉(zhuǎn)率附近（20%），因而有較大的側(cè)向附著力，保證了汽車的轉(zhuǎn)向能力。同時(shí)驅(qū)動(dòng)輪的地面附著力得到了充分利用，整車動(dòng)力性有一定的提高。

圖10 TCS控制的低附著均一路面速度曲線圖

圖11 TCS控制的低附著均一路面滑轉(zhuǎn)率曲線圖

圖12 TCS控制的低附著均一路面節(jié)氣門(mén)開(kāi)度曲線圖

3.2 對(duì)開(kāi)路面直線驅(qū)動(dòng)仿真分析

3.2.1 無(wú)TCS對(duì)開(kāi)路面直線驅(qū)動(dòng)仿真分析

圖13和14所示為汽車在對(duì)開(kāi)路面直線加速時(shí)無(wú)牽引力控制的仿真結(jié)果。仿真條件：汽車以初始速度1km/h并且保持二檔、節(jié)氣門(mén)全開(kāi)在對(duì)開(kāi)路面上直線加速行駛5s，路面中心左側(cè)附著系數(shù)為0.25，右側(cè)附著系數(shù)為0.6。

由圖可知，因?yàn)楣?jié)氣門(mén)全開(kāi)，因此在沒(méi)有牽引力控制控制情況下，左側(cè)驅(qū)動(dòng)力矩會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速增大，左驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率迅速升高（在0.1s時(shí)就達(dá)到了0.94），左驅(qū)動(dòng)輪的輪速0.9s時(shí)達(dá)到了177km/h，遠(yuǎn)大于右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪輪速，極大的降低了汽車的穩(wěn)定性。左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率升高導(dǎo)致地面附著系數(shù)降低，車輪驅(qū)動(dòng)力下降，所以地面附著力不能得到充分利用。

圖13 無(wú)TCS對(duì)開(kāi)路面直線加速速度曲線圖

圖14 無(wú)TCS對(duì)開(kāi)路面直線加速滑轉(zhuǎn)率曲線圖

3.2.2 有TCS對(duì)開(kāi)路面直線驅(qū)動(dòng)仿真分析

圖15、16、17所示為汽車在對(duì)開(kāi)路面直線加速時(shí)有牽引力控制的仿真結(jié)果。仿真條件和3.2.1節(jié)中無(wú)TCS時(shí)一樣。

根據(jù)所制定的牽引力控制策略，通過(guò)控制制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力即左右驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)輪缸壓力來(lái)使低附著系數(shù)一側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率保持在最佳滑轉(zhuǎn)范圍內(nèi)。由圖3.10可知，牽引力控制作用下，在0—0.5s這段時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)輪缸壓力從0迅速增大到6MPa，仿真結(jié)束時(shí)為3MPa。由于對(duì)驅(qū)動(dòng)輪施加了適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)輪缸壓力，因而驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩減少，導(dǎo)致降低了左前驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率，在經(jīng)過(guò)0.8s的適應(yīng)階段之后已經(jīng)在期望的滑轉(zhuǎn)率附近（20%），此時(shí)左右驅(qū)動(dòng)輪輪速都在目標(biāo)輪速附近(20%)，所以有較大的側(cè)向附著力，保證了汽車的轉(zhuǎn)向能力。同時(shí)驅(qū)動(dòng)輪的地面附著力得到了充分利用，整車動(dòng)力性有一定的提高。

圖15 有TCS對(duì)開(kāi)路面直線加速速度曲線圖

圖16 有TCS對(duì)開(kāi)路面直線加速滑轉(zhuǎn)率曲線圖

圖17 有TCS對(duì)開(kāi)路面直線加速制動(dòng)輪缸壓力曲線圖

4 總結(jié)

本文在carsim軟件環(huán)境中建立了汽車動(dòng)力學(xué)模型。選取了PID控制算法，以驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率為控制變量，在Maflab/ Simulink環(huán)境下進(jìn)行了建模與仿真的研究?？偨Y(jié)全文，得到如下結(jié)論：

（1）車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型是汽車牽引力控制的仿真分析基礎(chǔ)。以carsim為平臺(tái)，根據(jù)所給的轎車各參數(shù)在carsim參數(shù)設(shè)置界面進(jìn)行設(shè)置，得到的汽車動(dòng)力學(xué)模型為牽引力控制系統(tǒng)仿真提供了基礎(chǔ)。

（2）控制策略和控制算法是牽引力控制系統(tǒng)的核心。通過(guò)對(duì)各種仿真工況下的控制目標(biāo)進(jìn)行分析，確定了牽引力控制策略：在均一低附著路面直線加速時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)控制，在分離路面直線行駛時(shí)采用主動(dòng)制動(dòng)控制。在simulink環(huán)境下搭建的PI控制算法模塊和PID算法搭模塊是牽引力控制系統(tǒng)的核心。

（3）通過(guò)對(duì)有無(wú)基于PID控制理論的汽車牽引力控制的汽車仿真總體模型的仿真分析，可以看出：采用汽車牽引力控制系統(tǒng)能夠使驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率控制在期望的目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率（20%）附近，能夠抑制驅(qū)動(dòng)輪的過(guò)度滑轉(zhuǎn)，充分利用地面的附著條件，提高了汽車的動(dòng)力性和操縱穩(wěn)定性，增強(qiáng)了汽車的主動(dòng)安全，驗(yàn)證了所建模型及使用的控制方法的正確性與合理性。

[1] 羅俊奇.汽車驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)的研究[D].廣東工業(yè)大學(xué),2008. 05.

[2] 熊小根.汽車驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)的控制規(guī)律研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2010.04.

[3] 王良良.四輪驅(qū)動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.06.

[4] 鄒海斌.汽車驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)的仿真研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2005.03.

[5] 劉洋.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)的研究[D].遼寧工業(yè)大學(xué).2014.05.

[6] 嚴(yán)國(guó)慶.汽車防滑控制液壓制動(dòng)系統(tǒng)分析與應(yīng)用[J],重慶交通大學(xué),2009.04.

[7] 丁華.后輪驅(qū)動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)建模與控制研究[D].重慶大學(xué).2009.05.

[8] 任少卿,陳慧巖,黃江波,宋士偉.汽車防滑控制系統(tǒng)ABS/ASR基本原理及發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車電器.2006.03.

[9] 李剛.汽車防滑控制制動(dòng)系統(tǒng)分析與應(yīng)用[D].吉林大學(xué).2013.06.

[10] 王偉達(dá),丁能根,鄒紅明,余貴珍,徐向陽(yáng).汽車ASR系統(tǒng)控制算法及其硬件在環(huán)仿真研究[J].汽車工程. 2009(11).

[11] 楊宇,楊毅,余達(dá)太,林琳. 汽車驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)(ASR)的研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用.2004.02.

Design and simulation of automotive traction control system

Yan Yan
( Wuhan university of technology, Hubei Wuhan 430070 )

∶In this paper, the lightweight design of the steel plate spring of a light truck suspension system is designed as the carrier, and the optimal design of the thin plate spring is optimized by GUI program. By establishing the finite element of the leaf spring and the connecting piece The CAE model is analyzed and calculated. After the physical products are tested and verified by the physical products under the bench test conditions, the correction results of the GUI and CAE are proposed to ensure the practicality of the design.

small piece steel leaf spring lightweight optimization design method

U462.1

A

1671-7988 (2017)13-60-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.019

嚴(yán)彥，就讀于武漢理工大學(xué)。