1、漫談汽車系統動力學與控制1.“動力學”運動力學！ 速度遠小于光速的宏觀物體、對象、系統的運動均遵循動力學普遍定理：動量定理、動量矩定理、能量守恒定律。這是許多工程學科的基礎。力學：Mechanics機械：Mechanical運動力目的設計控制研究動態：系統、對象越來越復雜！其組成、結構、材料多種多樣。機、電、液、氣、人、環境的綜合；不同尺度上的運動（宏觀、細觀、微觀）相互作用、耦合、相互影響！如汽車整體的低頻振蕩運動與發動機高速運轉產生的振動、噪聲，還有電子控制系統中電流、電壓、光、波、電磁干擾等等相互聯系在一起！迷惑？幾十年來，我們周圍都沒有離開動力學這個詞。究竟研究內涵是什么？動態？主講：

2、舒紅宇 教授023-汽車縱向系統動力學漫談汽車系統動力學與控制3.正確的研究方法(1)系統思想(2)力學模型(3)動/力分析(4)數學模型(5)數學分析設計控制2.正確的研究、生活觀點和態度分析綜合實際理論感性理性)( tfkxxcxm漫談汽車系統動力學與控制3.正確的研究方法(1)系統思想系統輸入激勵輸出響應面向實際的對象，觀察、思考，在頭腦中建立、明確對象的結構和特性、運動的形式，然后從環境中隔離出來，考察它與外界的相互作用！力學研究最重要的概念：質點/質點系！系統均是由質點/質點系的物體所組成的。我們首先看的是物體塊，然后再看它們的連結，再看它與外界的作用！系統是有機的多體，多體之間連接

3、關系多種多樣。只有徹底弄清這種連接關系，才能組成所需要功能的產品。所以組成結構非常重要，其中一個元件或連接失效，整個系統的運動就完全不同！隔離是關鍵！漫談汽車系統動力學與控制3.正確的研究方法(2)力學模型明確物體、系統對象及其結構特性明確物體、系統對象及其結構特性的基礎上，對現實的復雜對象進行的基礎上，對現實的復雜對象進行簡化、抽象、分解為典型的力學組簡化、抽象、分解為典型的力學組件和元素：質點（質量）、彈簧、件和元素：質點（質量）、彈簧、阻尼、激勵；阻尼、激勵；MKC力學參數及元件的力學參數及元件的物理意義：物理意義：剛度剛度/彈簧元件：振動系統抵抗位移或變形的能力。彈簧元件：振動系統抵抗

4、位移或變形的能力。阻尼阻尼/減振元件：振動系統抵抗變形速度的能力。減振元件：振動系統抵抗變形速度的能力。質量質量/慣性元件：振動系統抵抗加速度的能力。慣性元件：振動系統抵抗加速度的能力。XR漫談汽車系統動力學與控制3.正確的研究方法(3)運動描述動力學研究運動和力的關系！在面向對象的觀察思考基礎上，要明確運動的時空描述方法：自由度和坐標系統！YA(x,y)Xol222sincosyxllylx系統自由度2.1 單自由度系統的自由振動ox mgsk彈簧自由狀態s(2)-1確定廣義坐標并建立其坐標系統；km(2)-2將慣性質量隔離出來，進行平衡位置受力分析：0skmg(2-1)(2)-3進行任意振

5、動位置受力分析，利用牛頓定律建立振動微分方程并整理;xkmgxms (2-2)kxxm (2-3)02xpx (2-4)mkp (2-5)其中：其中：mgxsxk漫談汽車系統動力學與控制3.正確的研究方法(4)數學模型動力學分析基礎上建立數學模型！)(tfkxxcxm振動系統參數響應激勵 常微分方程有深刻而生動的實際背景。它在生產實踐與科學技術中產生，而又成為現代科學技術中分析問題與解決問題的一個強有力的工具；數學應用于實際問題的關鍵是要找出具有特定性質的函數，而很多的實際問題中，往往不能直接找出所需要的函數，有時我們需要建立含未知函數的導數或微分方程，如果這些方程可求解，就可以求得所需的函數

6、。這就是我們所要討論的微分方程。列寧：自然界的統一性顯示在各種現象領域的微分方程式的“驚人相似中”。動和力_數量關系汽車縱向動力學整體模型T2FT4FT3FT1F輪胎路面輪胎路面作用力作用力GF坡度阻力坡度阻力DF空氣阻力空氣阻力汽車縱向動力學模型汽車縱向動力學模型GDTiFFFXm汽車縱向動力學方程汽車縱向動力學方程-數學模型數學模型V決定于輪胎與路面的作用決定于輪胎與路面的作用作為路面交通工具的汽車，作為路面交通工具的汽車，其復雜性和重要性怎么強調其復雜性和重要性怎么強調都不過分！都不過分！又與驅動和制動力矩直接相關，進又與驅動和制動力矩直接相關，進一步與燃油、傳動系統和制動系統、一步與燃

7、油、傳動系統和制動系統、甚至轉向系統緊密聯系在一起！甚至轉向系統緊密聯系在一起！ 內燃機汽車的驅動力矩來源于燃油的燃燒，并經過復雜的傳動系統傳遞到車輪上。其內燃機汽車的驅動力矩來源于燃油的燃燒，并經過復雜的傳動系統傳遞到車輪上。其動力的供應鏈涉及燃油經濟性、汽車動力性、驅動效率等的深入研究。與發動機、傳動動力的供應鏈涉及燃油經濟性、汽車動力性、驅動效率等的深入研究。與發動機、傳動系統的結構、控制緊密相連系統的結構、控制緊密相連!當有側向風、橫向斜坡、轉彎等情況，汽車縱向運當有側向風、橫向斜坡、轉彎等情況，汽車縱向運動與橫向運動又發生關聯，又涉及到汽車穩定性的動與橫向運動又發生關聯，又涉及到汽車

8、穩定性的深入研究。深入研究。汽車制動力學模型與數學模型力學模型力學模型bdzwwMRFI數學模型數學模型制動力學基本方程制動力學基本方程車輪車輪轉動轉動慣量慣量車輪車輪角加角加速度速度車輪車輪路面路面附著附著系數系數車輪車輪路面路面間正間正壓力壓力車輪車輪滾動滾動半徑半徑車輪車輪制動制動力矩力矩對于單獨的一個車輪，在制動時對于單獨的一個車輪，在制動時可以簡化為：可以簡化為：沙堆沙堆VVABS的概念車輛制動依靠路面對車輪的作用力。車輛制動依靠路面對車輪的作用力。路面對輪胎的作用力又決定于車輪與路面的附著系數。路面對輪胎的作用力又決定于車輪與路面的附著系數。車輪與路面的附著系數又與滑轉率有關，如圖

9、所示。車輪與路面的附著系數又與滑轉率有關，如圖所示。縱向縱向橫向橫向純滾動純滾動純滑移純滑移縱向附著系數較大，而側向附著系數縱向附著系數較大，而側向附著系數又不太小又不太小縱向附著系數小且側向附著系縱向附著系數小且側向附著系數最小數最小Anti-lock Brake System%100VrVsABS作用：調節車輪制動壓力、控制作用：調節車輪制動壓力、控制制動強度以獲得最佳滑轉率，防止抱制動強度以獲得最佳滑轉率，防止抱死，提高縱向制動能力和側向穩定性。死，提高縱向制動能力和側向穩定性。GDTiFFFXmzTFFABS_最佳滑動率影響因素最佳滑動率受到路面最佳滑動率受到路面/輪胎輪胎/載荷載荷/

10、車速等諸多要素影響車速等諸多要素影響汽車，制動工況）輪胎路面汽車，制動工況）輪胎路面,(,(yyxxff側偏側偏角的角的影響影響ABS_最佳滑動率影響因素汽車，制動工況）輪胎路面汽車，制動工況）輪胎路面,(,(yyxxff最佳滑動率受到路面最佳滑動率受到路面/輪胎輪胎/載荷載荷/車車速等諸多要素影響速等諸多要素影響輪胎輪胎與路與路面特面特性影性影響響ABS_最佳滑動率影響因素最佳滑動率受到路面最佳滑動率受到路面/輪胎輪胎/載荷載荷/車車速等諸多要素影響速等諸多要素影響垂直垂直載荷載荷與車與車速影速影響響ABS_最佳滑動率影響因素最佳滑動率受到路面最佳滑動率受到路面/輪胎輪胎/載荷載荷/車車速等

11、諸多要素影響速等諸多要素影響ABS_最佳滑動率結論最佳滑移率是一個變值，輪胎、路最佳滑移率是一個變值，輪胎、路面、載荷、車速、側偏角不同，對面、載荷、車速、側偏角不同，對應的最佳滑移率也不同。應的最佳滑移率也不同。必須對滑移率進行檢測，以實現制必須對滑移率進行檢測，以實現制動力的控制。動力的控制。%100車速車速rS制動時車速變化快，瞬態車速難以測量準確影響要素和環境/工況的復雜性： 難！難！滑移率檢測方法滑移率檢測方法車輪轉速檢測和輪胎半徑測量容易推算得到參考車速相對滑移率ABS的控制的關鍵技術車輪角加速度車輪角加速度背景沙堆沙堆制動過程中制動過程中經常會碰到經常會碰到沙堆、水、沙堆、水、油

12、跡、雜物油跡、雜物等特殊情況，等特殊情況，附著系數可附著系數可能瞬間發生能瞬間發生較大變化！較大變化！ABS的控制目標與檢測wwdzbIRFM 地面附著系數變化地面附著系數變化與與車輪角速度瞬態變化車輪角速度瞬態變化幾乎幾乎是同步的。因此車輪角速度的陡然變化反應了路是同步的。因此車輪角速度的陡然變化反應了路面狀態的偶然變化，車輪角速度瞬態變化是我們面狀態的偶然變化，車輪角速度瞬態變化是我們進行制動力矩控制的重要信息和目標參數。進行制動力矩控制的重要信息和目標參數。力學分析相對變化緩慢ABS的控制目標與檢測輪胎地面作用力的測量方法輪胎地面作用力的測量方法通過測量輪胎剖面單元的變形間接測量輪通過測

13、量輪胎剖面單元的變形間接測量輪胎與路面間的附著率。胎與路面間的附著率。ABS的多目標控制方法相對滑移率滑移率車輪角減速度wwdzbIRFM附著系數輪胎變形 由于由于地面與輪胎作用的復雜性以及環境的多變地面與輪胎作用的復雜性以及環境的多變性，實際的制動力控制往往采用多目標控制的性，實際的制動力控制往往采用多目標控制的方法。方法。ABS的控制過程1.駕駛員踩下制動踏板，開始制動，制動壓力不斷增加。車輪線速度比車速下降變化更快。2.車輪角減速度超過-a門限值,說明制動壓力已經足夠而附著力接近最大值，因而保持不變。3.車輪轉速Sb1(滑移率門限值對應的值),說明制動力超限(但還沒有抱死)，須減小制動壓

14、力。4.隨著制動壓力的減小，車輪角減速度也減小，當車輪角減速度大回到-a門限值,說明制動壓力已經足夠而附著力接近最大值，因而保持不變。5.盡管制動力矩保持恒定，但汽車慣性推動車輪旋轉，因此車輪從角減速度轉變為角加速度，若加速度值大等于+A門限值,增加制動壓力6.車輪角加速度小等于+A門限值,制動壓力不變7.車輪角加速度小等于a門限值,制動壓力緩慢抖動增加8.車輪角加速度小等于-a門限值,減小制動壓力9.進入下一個循環48%100車速車速rS滑滑轉轉率率wwdzbIRFMABS聯合控制方式-控制策略1.單輪控制單輪控制每個車輪分別獨立進行控制，以最大地利用附著系數。附每個車輪分別獨立進行控制，以

15、最大地利用附著系數。附著系數利用率高，但容易產生橫擺力矩，車輛穩定性差。著系數利用率高，但容易產生橫擺力矩，車輛穩定性差。2.低選控制低選控制以附著系數低的那側車輪來決定施加到同一車軸兩側車輪以附著系數低的那側車輪來決定施加到同一車軸兩側車輪飛輪制動壓力。車輛穩定性好，但附著系數利用低。飛輪制動壓力。車輛穩定性好，但附著系數利用低。3.高選控制高選控制以附著系數高的那側車輪來決定施加到同一車軸兩側車輪以附著系數高的那側車輪來決定施加到同一車軸兩側車輪飛輪制動壓力。附著系數利用率高，但容易產生橫擺力矩，飛輪制動壓力。附著系數利用率高，但容易產生橫擺力矩，車輛穩定性差。車輛穩定性差。兩軸四輪車AB

16、S組合型式兩軸四輪車ABS組合型式ABS實現的關鍵技術傳感器傳感器控制器控制器執行元件執行元件電磁閥電磁閥ABS實現的關鍵技術增壓位置增壓位置保壓位置保壓位置減壓位置減壓位置ABS組成結構ABS實現的關鍵技術離合器、制動助力、離合器、制動助力、ABS執行單元一體化執行單元一體化ABS的關鍵零部件-液壓調壓器ABS的關鍵零部件-氣壓調壓器ABS的關鍵零部件-輪速傳感器ABS測速改進-G傳感器ABS的電子控制總體結構ABS的電子控制總體結構汽車電子汽車電子太難，望太難，望而卻步！而卻步！吸引人才、引進外智，加快我國汽車電子產品設計開發的步伐！促進公司成功轉型汽車電子設計開發汽車電子設計開發容易陷入

17、兩大誤區：容易陷入兩大誤區：汽車電子汽車電子容易，盲容易，盲目介入！目介入！使用環境非常復雜！可靠性要求很高！使用環境非常復雜！可靠性要求很高！吸引人才、引進外智，促進公司成功轉型汽車特點汽車特點溫、濕、振動、干擾溫、濕、振動、干擾 等等等等人身安全！人身安全！難點：不在于解決問題，而在于發現問題！難點：不在于解決問題，而在于發現問題！汽車電子產品的設計開發汽車電子產品的設計開發 至少是這樣的：至少是這樣的：1/5時間在時間在design設計、在想辦法解決設計、在想辦法解決Resolve問題，在問題，在How！4/5時間在時間在Debug調試，在找調試，在找Find問題究竟出在哪兒，在問問題究

18、竟出在哪兒，在問why？看不見，問題的潛在性！軟件更重要！看不見，問題的潛在性！軟件更重要！電子特點電子特點汽車電子汽車電子太難，望太難，望而卻步！而卻步！吸引人才、引進外智！目前兩大誤區：目前兩大誤區：汽車電子汽車電子容易，盲容易，盲目介入！目介入！吸取別人失敗的經驗！吸取別人失敗的經驗！不良品解析！不良品解析！正確之道正確之道TCS的概念2.路面切向作用力路面切向作用力輪胎與路面的作用環境和狀態輪胎與路面的作用環境和狀態(滑轉率滑轉率)縱向縱向橫向橫向純滾動純滾動純滑移純滑移縱向附著系數較大，而縱向附著系數較大，而側向附著系數又不太小側向附著系數又不太小縱向附著系數小且縱向附著系數小且側向

19、附著系數最小側向附著系數最小車輪轉動中的車輪轉動中的2個作用力個作用力1.驅動驅動/制動力矩制動力矩TCS/ASR的作用和意義調節的不是車輪制調節的不是車輪制動壓力而是發動機動壓力而是發動機輸出扭矩等輸出扭矩等Traction Control System /Anti-slip RegulationTCSTCS/ASR的概念Traction Control SystemTCS:驅動驅動/牽引牽引/循跡循跡控制系統控制系統TCS/ASR的概念Anti-Slip RegulationASR：防滑控制系統：防滑控制系統TCS/ASR的概念 車輛在起步、加速、爬坡、制動時車輛在起步、加速、爬坡、制動時

20、通過控制作用在車輪上的力矩通過控制作用在車輪上的力矩防止驅防止驅動輪發生過度滑轉，以獲得最大牽引力動輪發生過度滑轉，以獲得最大牽引力和最佳操縱穩定性的一種控制系統。和最佳操縱穩定性的一種控制系統。ASR：防滑控制系統：防滑控制系統TCS:驅動驅動/牽引牽引/循跡控制系統循跡控制系統TCS/ASR驅動防滑控制方法Traction Control System /Anti-slip Regulation發動機、傳動、制動控制系統間能夠通訊,實現聯合控制減小點火提前角，減小點火提前角，響應速度快，相響應速度快，相應速度可達到應速度可達到10_100ms10_100ms容易實現，與發容易實現，與發動機

21、電噴系統動機電噴系統ECUECU通信即可實現但通信即可實現但排放和發動機壽排放和發動機壽命受到影響。命受到影響。 串聯一個副節串聯一個副節氣門，響應速度氣門，響應速度慢，無污染慢，無污染TCS/ASR驅動防滑控制方法Traction Control System /Anti-slip Regulation發動機、傳動、制動控制系統間能夠通訊,實現聯合控制隨著電子燃油噴射隨著電子燃油噴射EFIEFI系統廣泛采用系統廣泛采用機械式節氣門的缺點越來越明顯，動態特性機械式節氣門的缺點越來越明顯，動態特性差，冷起動、低負荷等特殊工況下的控制效差，冷起動、低負荷等特殊工況下的控制效果很差，從而導致汽車發動

22、機的經濟性下降、果很差，從而導致汽車發動機的經濟性下降、排放量增加。排放量增加。全電子節氣門控制（全電子節氣門控制（Electronic Throttle Electronic Throttle ControlControl，簡稱，簡稱ETCETC）系統。）系統。ETCETC系系統的節氣門開度在任何工況下都直接由電機統的節氣門開度在任何工況下都直接由電機驅動控制，其控制器可以配合發動機管理系驅動控制，其控制器可以配合發動機管理系統工作，具有良好的怠速、加速及減速等工統工作，具有良好的怠速、加速及減速等工況過渡性能，同時也可按牽引力控制系統的況過渡性能，同時也可按牽引力控制系統的要求調節節氣門開

23、度，改變發動機扭矩輸出，要求調節節氣門開度，改變發動機扭矩輸出，實現牽引力控制。實現牽引力控制。TCS/ASR驅動防滑控制方法Traction Control System /Anti-slip Regulation發動機、傳動、制動控制系統間能夠通訊,實現聯合控制PWM控制電機轉速Electronic Throttle Control TCS/ASR驅動防滑控制方法Traction Control System /Anti-slip Regulation發動機、傳動、制動控制系統間能夠通訊,實現聯合控制TCS/ASR驅動防滑控制方法Traction Control System /Anti-

24、slip Regulation發動機、傳動、制動控制系統間能夠通訊,實現聯合控制信號前處理過程TCS/ASR驅動防滑控制方法Traction Control System /Anti-slip Regulation發動機、傳動、制動控制系統間能夠通訊,實現聯合控制輪速識別系統的核心是輪速識別系統的核心是DSPDSP處理器和數字濾波算法處理器和數字濾波算法TCS/ASR驅動防滑控制方法Traction Control System /Anti-slip Regulation發動機、傳動、制動控制系統間能夠通訊,實現聯合控制VSC車輛穩定性控制 ABS/TCS/ASR的中心：控制到最佳的滑轉率，以

25、獲得較大地面制動力和驅動力。但沒有顧及左右車輪的制動力和驅動力的平衡問題。縱向穩定性橫向穩定性通過左右車輪的制動力或驅通過左右車輪的制動力或驅動力之差控制車輛的橫擺力矩，動力之差控制車輛的橫擺力矩，限制車輪側偏角在一定范圍內，限制車輪側偏角在一定范圍內，防止車輛在高速轉彎或制動控制防止車輛在高速轉彎或制動控制中失控。一般主要在大側向加速中失控。一般主要在大側向加速度、大側偏角的極限工況下工作。度、大側偏角的極限工況下工作。 更好的方法是增加感測方向盤轉更好的方法是增加感測方向盤轉角、橫擺角速度、橫向加速度以角、橫擺角速度、橫向加速度以提高轉彎過程的穩定性控制效果。提高轉彎過程的穩定性控制效果。

26、Vehicle Stability /Dynamic Control=ABS+TCS+YSC(Yaw stability ControlESPVSC車輛穩定性控制Vehicle Stability /Dynamic Control=ABS+TCS+YSC(Yaw stability ControlVSC車輛穩定性控制Vehicle Stability /Dynamic Control=ABS+TCS+YSC(Yaw stability Control方向盤轉角、方向盤轉角、橫向偏擺率橫向偏擺率傳感器傳感器增加增加+VSC車輛穩定性控制Vehicle Stability /Dynamic Control=ABS+TCS+YSC(Yaw stability ControlVSC車輛穩定性控制Vehicle Stability /Dynamic Control=ABS+TCS+YSC(Yaw s