车辆稳定控制技术-牵引力控制系统计算技术

牵引力控制系统（Traction Control System，TCS）是稳定控制关键技术之一。根据轮胎的附着特性曲线（图5-15），当车轮的滑转率在10%～35%的范围内，轮胎纵向和侧向力均在较高水平。TCS通过发动机输出转矩控制和主动制动控制调节驱动轮滑转率在这一范围内，在实现驱动稳定性的前提下提高汽车的加速性能。常规路面条件下TCS多采用逻辑门限值控制。根据路面附着系数设定滑转率控制目标范围，需大量匹配试验获取相应阈值。考虑到PID控制的优点是无需了解被控对象的数学模型，只需根据经验调节控制参数即可获得满意效果。考虑到实际路况、驱动轮工况变化，设计了可变参数的自适应PID控制器来克服传统PID控制的不足，根据车辆行驶工况和路况的改变来调整PID的整定参数，保证复杂路面条件下驱动轮的良好驱动性能且无过度滑转。

图5-15 纵、侧向附着系数与滑转率的关系

TCS主要是对汽车纵向力的控制。在分析时，考虑到汽车的前后载荷转移，忽略行驶过程中的滚动阻力和空气阻力及坡道阻力的影响，建立包括4轮转动、车身俯仰运动和纵向运动的4轮6自由度整车模型。微分方程如下：

整车纵向：

整车俯仰：

四轮转动：

式中参数意义见表5-4。

表5-4 车辆动力学模型参数

驱动轮打滑现象主要出现在低附路面上，且路面附着系数的变化直接影响车轮的滑转程度。准确、快速地识别路面附着系数是TCS精确控制的关键，拟采用利用附着系数变化率估算路面附着系数，如图5-16所示。

图5-16 路面附着识别示意图(www.xing528.com)

若路面为高附，即μ_max0=0.8，根据实时观测到的轮胎纵向力和垂向力可以求得当前时刻的利用附着系数（μ_x=F_x/F_z），附着系数-滑转率曲线的变化率定义为k^t=（μ^t_x-μ^t-1_x）/（λ^t-λ^t-1）；在发动机转矩持续增大或维持不变的前提下，若轮胎力一直增加且k^t在某一正值区间波动，则说明轮胎工作在附着系数-滑转率的线性区间上，随着轮胎力不断增大，滑转率和利用附着系数也不断增大，如A点向C点移动，此时定义峰值附着系数为μ^t_max=1；若随着轮胎力增加k^t趋近于零，表明轮胎工作在附着系数-滑转率曲线的非线性区间，如B点，此时μ^t_max=μ^t_x+k′（λ^t-λ^t-1）；当轮胎力出现拐点开始减小且k^t趋近于零，这时轮胎工作点超过了峰值附着系数，可令峰值附着系数为μ^t_max=μ^t-1_x；当轮胎力出现拐点开始减小且k^t在负值区间内，此时认为路面发生由高附到低附的突变，可得_μ^t_max=μ^t_x。最优目标滑转率估算是滑移率控制的基础，最优滑转率与路面附着相关，体现了最终的路面附着能力的利用率。驱动轮滑转是由于发动机提供的驱动力大于路面附着所能够提供的最大驱动力造成的。当汽车在低附路面起步加速时，由于地面附着力小，驱动轮很容易发生滑转。TCS实时监测路面的附着变化，当滑转率超过设定门限时，采用转矩控制和主动制动的干预方法，控制滑转率达到最优目标滑转率λ_s附近。系统控制逻辑如图5-17所示，驾驶人输入包括加速踏板开度和档位控制，发动机模型采用MAP图实现，根据加速踏板开度和转速信号可得驾驶人期望的转矩；当期望的转矩远大于路面最大驱动力矩时，车轮出现滑转，控制器根据轮速传感器信息实时计算路面附着系数和最优目标滑转率，并且根据滑转率实际值与最优值之间的偏差计算出合适的节气门开度和主动制动压力，抑制驱动轮的滑转，从而确保汽车的加速性和稳定性。

根据滑转率的偏差选用最合适的控制系数，见表5-5，表中E1=0.05，E2=0.15。当驱动轮滑转率远离最优目标滑转率时，增大K_p并减小K_i值，使滑转率迅速接近目标滑转率，又不至于产生积分饱和现象；当滑转率在目标值附近时，减小K_p并增大K_i值，以使驱动轮滑转率连续平稳地维持在目标滑转率附近。

图5-17 TCS的控制逻辑

表5-5 不同偏差时节气门PI控制参数值

TCS主动制动增压速率很高并且滞后时间短，车轮对压力干涉的响应速度很快，压力干涉容易造成轮速较大的波动，因而必须迅速将轮速变化趋势反馈回控制系统。引入微分环节及时地识别驱动轮的抱死趋势或滑转趋势，在压力控制中实现压力迅速调整，抑制轮速的较大波动。由于主动压力是通过各个周期的增压、保压和减压动作来实现的，轮缸中的压力是各个周期压力控制效果的累加，因而选用增量式PID控制。与节气门控制相似，选用便于观测的驱动轮轮速作为受控对象。针对不同的路面条件及行驶工况，在主动制动压力控制中，驱动滑转率控制可以采用与ABS制动滑移率控制类似的逻辑门限值控制方法。利用PID控制计算出合适的增、减压速率，然后再由逻辑门限值控制根据实际的需要决定是增压、减压还是保压。为充分发挥车辆的动力性能，以体现TCS控制效果，仿真中加速踏板开度为100%，采用动力性自动换档策略且换档过程中无动力中断，车辆初始速度均为1m/s。路面为低附到高附变换对接路面，路面附着系数前2s为0.2，后2s为1.0，起步加速。结果如图5-18、图5-19所示，图中1代表车速，2、3分别代表左前、右前驱动轮轮速，4、5分别代表左前、右前轮缸内的主动干涉压力，6为加速踏板开度，7为电子节气门开度。在图5-18中，无TCS控制时，低附侧驱动轮获得的驱动力远大于路面附着力，驱动轮发生严重滑转，车辆从1档逐步升高到4档，仿真结束时末速度为4.78m/s，行驶距离为12.0m；图5-19所示为有TCS控制时，在低附侧施加主动压力干涉后，低附侧所能利用的驱动力矩增大，高附侧驱动轮可以施加更大的驱动力矩，充分利用该

图5-18 水平对开路面加速（无TCS控制）

图5-19 水平对开路面加速（有TCS控制）

侧路面附着能力，驱动轮无过度滑转，仿真末速度为8.55m/s，行驶距离为16.5m，分别提高78.87%和37.5%。

低附到高附对接路面上，在进入高附路面后，TCS能够迅速识别轮速的变化并退出TCS的干涉，提高车辆行驶的动力性。在对开路面上，TCS可以抑制低附侧驱动轮的滑转，提高对高附侧路面附着条件的利用程度，提高车辆的动力性能。此时同时采用发动机节气门干涉和主动压力干涉，既能提高车辆行驶的动力性能，又能保证车辆行驶的侧向稳定性。