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1、第46卷第5期201 6年9月吉林大学学报(工学版)Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition)V0146 No5Sept2016复杂工况下基于最佳滑移率的汽车牵引力控制算法刘 刚12，靳立强1，陈鹏飞1(1吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022；2河南工学院，河南新乡453002)摘 要：为了提高车辆在复杂路面下的起步加速驱动能力和稳定性，提出了基于最佳滑移率的牵引力控制策略。根据当前路况下的滑转率和附着系数采用可变遗忘因子最小二乘法求出最佳滑转率。系统通过发动机转矩调节和主动制动调节两种方式协
2、调控制，将车轮的滑转率保持在最佳滑转率附近，从而提高车辆加速性能和稳定性。在MatlabSimulink下的仿真结果及实车冬季场地试验表明了该系统的有效性和工程应用价值。关键词：车辆工程；牵引力控制系统；驱动防滑；主动制动；转矩调节；协调控制中图分类号：U461 文献标志码：A 文章编号：16715497(2016)051391一08DOI：1013229icnkiidxbgxb201605002Vehicle traction control algorithm based on optimal slip ratiounder complicated road conditionsLIU G
3、an91，JIN Liqian91，CHEN Pengfeil(1State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130022，China；2HenanInstitute of Technology，Xinxiang 453002，China)Abstract：In order to improve vehicle starting acceleration performance and stability under complicatedroad conditions
4、，a traction control algorithm based on extremumseeking with forgetting factorsRecursive Ieast Square(RLS)algorithm was proposedThe tire slip ratio close to the optimal slipratio can be controlled by the coordinate strategy between the engine torque control and the activebrake contr01Simulation and w
5、inter road test results show that the proposed control strategy canimprove the vehicle dynamics performanceKey words：vehicle engineering；traction control system；driving slip；active braking；torque adj ustment；coordinated contr010 口牵引力控制系统(Traction control system，TCS)是电子稳定程序(Electronic stabilityprogra
6、m，ESP)的一个重要组成部分1弓1。TCS可以有效地抑制车辆在低附着路面、分离路面等复杂工况下起步或者加速时出现的驱动轮打滑现象，使车辆获得较好的地面摩擦力，提高车辆的加速性能和稳定性。TCS是通过将驱动轮控制在最佳滑转率附近从而获得良好的驱动力，实现方收稿日期：2015一0714基金项目：国家自然科学基金项目(50907030)；中国博士后科学基金项目(2013M54024B)作者简介：刘刚(1981一)，男，博士研究生研究方向：汽车底盘电子控制技术E-mail：gliul4mailsjlueducn通信作者：靳立强(1976一)，男，教授，博士生导师研究方向：汽车底盘电子控制技术，电动汽
7、车四轮独立驱动技术Email：jinlqjlueducn万方数据 1392 吉林大学学报(工学版) 第46卷法有多种，如调整发动机的输出扭矩、驱动轮的主动制动、差速器锁止控制以及变速箱的控制等611|。国内外学者在TCS控制算法和策略方面做了大量研究。文献E12针对于不平路面的行驶工况，采用逻辑门限值算法对车辆的驱动轮进行控制；文献13提出了基于可变参数自适应PID控制的TCS系统，该算法根据滑移率与目标滑移率的差值调整PID参数，以使车辆适应各种复杂路况；文献14采用滑模极值搜索算法计算出当前路况下的轮胎力一滑转率曲线的极值点作为目标滑转率进行牵引力控制；文献E15采用基于最优滑转率的模型预
8、测控制算法，并通过硬件在环仿真验证了TCS系统的可靠性和鲁棒性。本文针对乘用车TCS系统进行研究，提出了牵引力控制策略。首先对地面附着系数进行估计，再利用可变遗忘因子最小二乘法估算当前行驶工况的最佳滑转率，然后采用模糊PID算法和模糊算法分别对车辆的发动机转矩和主动制动转矩进行调整，使得车辆在复杂工况下仍能保持良好驱动性能。仿真和冬季场地试验表明该方法控制效果良好。1路面附着系数估计路面附着系数的准确估计一直是牵引力控制中的难点，国内外学者在此方向做了大量的研究。文献16采用模糊逻辑算法对路面附着系数进行了估计。文献173针对Dugoff轮胎模型采用扩展卡尔曼滤波的方式进行路面附着系数估计。文
9、献18采用基于多传感器信息融合的方式估计附着系数。由于牵引力控制算法运行周期约为1ms，因此路面附着系数估计实时性很重要，本文利用动力学模型进行路面附着系数的估计。本文设计的牵引力控制算法只涉及直线加速行驶的低附着路况，因此忽略车辆坡道阻力，根据纵向驱动力及行驶阻力模型可得：Ma，一墨一F。一Ff (1)，式中：F。为风阻；Td为车辆的驱动力矩；M为车辆质量；r为车轮半径；n，为车辆纵向加速度；Ff为车辆所受滚动阻力。考虑到风阻F。正比于车辆车速口的平方，因此式(1)可整理为：TdMa，r+Ffr+kwu2 r (2)式中：k。为风阻系数。根据车辆单轮模型可得车轮滚动方程：J。03一Td只r
10、(3)式中：工。为转动惯量；0为车轮转速微分，即角加速度。根据式(2)和(3)可得车辆的车轮与地面的纵向作用力只：F。一些掣竽盟一譬 (4)o o 2 车辆在直线加速行驶的情况下，侧向加速度较小，因此可以忽略侧向的载荷转移的情况，车辆所受垂向力为：耻等等L F 一=L!一 、l1。 2(L，+，) 式中：L。和L。分别为车辆质心与前、后轴的距离；。为车辆的质心高度；g为重力加速度。附着系数的计算公式为：肚一只F： (6)在附着系数估计的过程中，车辆的车速铷是根据轮速估计而得，纵向加速度a，由偏航率传感器测量而得。2最优滑转率估计车辆在行驶过程中，滑转率和附着系数之间的关系可用Kiencke等口
11、叼提出的模型表示： m卜讦赫)式中：P。和P：在不同路况下有不同的典型值；口(A)为路面附着系数；A为车辆滑转率；搴为调试系数。对式(7)求极值可得车辆在当前路况下的最大附着系数和最优滑转率：mPz一1 72似产寿丢 根据式(8)可知，当前最大附着系数和最优滑转率是一个关于参数P。和P。的函数。实时地估算出参数P，和P。是求当前路况最优滑转率的关键。将式(7)做等效变换可得：302一“(A)一z(2)Apl+l-t()t)pz)t 2一p(A)A户(A)A2p，P：7 (9)式(9)经过数学处理后得到最小二乘法形式的模型。当前路况下的附着系数弘(A)和滑转率A可以通过实时计算得到。对式(9)做
12、离散化处理万方数据第5期 刘 刚，等：复杂工况下基于最佳滑移率的汽车牵引力控制算法 。1393。得：v(尼)一垂7(忌)9(是) (10)式中：fO(k)一p。(志)P2(走)1ly(是)一301(k)一卢(南)l7(壶)=Ep(k)A(志)卢(足)A2(尼)对式(10)采用可变遗忘因子递推最小二乘法，算法如下：r8(k)一G(志)一：E。At+KDE。At (13)式中：E。为车辆当前滑转率与最优滑转率的差值。同理可求得燃油供给的模糊PID的输出值，发动机转矩调节部分总的扭矩输出值可以表示为：T。一T。h，+T。 (14)式中：T。为发动机目标扭矩；Tm为节气门部分模糊PID控制器的扭矩输出
13、值；T。为燃油供给调节部分扭矩输出值。33主动制动控制在分离路面工况下，接触低附着路面的驱动轮会出现滑转现象，且由于差速器作用使得高低附着两侧的驱动轮驱动力矩相等，车辆驱动力不足。针对于此种情况，采用基于模糊算法的主动制动控制调整两驱动轮的轮速差，然后再采用发动机扭矩调节提高驱动力，从而提高车辆的加速度性能。模糊控制器具有两个输入变量E和EC，E为两驱动轮之间的轮速差，即E=虮一cU。，EC为E的变化率。输出变量为目标压力的变化量夕。E的语言变量量化为负大(NB)、负中(NM)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)；EC的语言变量量化为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零
14、(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)；压力变化量量化为rNB、Z、PS、PB。隶属度函数采用具有较强灵敏度和鲁棒性的三角形隶属度函数。模糊规则的制定依靠经验关系及后期车辆匹配调试，规则如表1所示。最后采用重心法对推理结果进行解模糊处理。表1 TCS模糊控制器规则表Table 1 Table of fuzzy control rulesENB NM NS Z PS PM PBNB PB PB PB PS PS PS PSNM PB PB PB PS PS Z ZZ PS PS PS Z NS NS NSPS PS Z Z Z NS NS NSPM NS NB NB NB NB NB
15、NBPB NB NB NB NB NB NB NB4仿真与试验41 Simulink仿真为了验证车辆模型、最优滑转率及控制算法，在MatlabSimulink中建立仿真模型进行算法验证。车辆模型参数采用国产某车型，参数如下：车辆质量为1560 kg；质心高度为053 In；前轴、后轴到质心距离分别为1275 rfl和1437 m；绕X轴、y轴、Z轴转动惯量分别为350、1674和1800kg1112；车轮转动惯量为52 kgrn2；轮胎阻尼常数为50 Nsm。仿真车型加速踏板的位移和车辆速度成正比。车辆速度最大值为1 10 kmh，此时踏板行程为满行程的90。图3为在低附着路面(附着系数02的
16、压实雪路面)仿真车辆加速踏板位移从0加到满行程的50时的仿真结果对比图。图3(a)为无TCS介入时车辆速度和车轮线速度对比图，可以看到车轮线速度急剧增加，远超过当前车辆速度。图3(b)为TCS介入，车轮线速度得到有效控制。图3(c)为无TCS和有TCS介入时车辆滑移率的对比图，无TCS介入时，驱动轮滑移率在085左右，驱动轮出现过度滑转；在有TCS介入时滑移率则保持在最佳滑转率016附近，此时车辆驱动轮获得了较大的纵向驱动力。对接路面工况在验证算法实时性方面具有代表意义，所以设置了车辆行驶从湿土路面(峰值附着系数为05)到压实雪路面的对接路面仿真试验，路况转换发生在第4 S，仿真结果如图4所示
17、。图4(a)为无TCS介入时，车辆在中附着路面行万方数据第5期 刘 刚，等：复杂工况下基于最佳滑移率的汽车牵引力控制算法 1395(c)图3低附着路面起步加速仿真结果对比图Fig3 Simulation result in low mue surface6050-一40!=兰30魁删20100图4对接路面起步加速仿真结果对比图Fig4 Simulation result in mue-jump surface驶没有出现驱动轮打滑现象，车辆在过渡到低附着路面后，车轮开始急剧打滑；图4(b)为车辆有TCS介入的仿真结果，车辆在路况变化时有效控制车轮线速度，充分利用了路面附着力；图4(C)为无TCS
18、和有TCS介入对接路况下滑转率的对比图，由图可见，在路况发生变化时，有TCS系统的仿真车辆能够实时计算出当前路况下最优滑转率，及时调整输入转矩，使得当前滑转率稳定在最优滑转率附近，得到较大附着力。42冬季场地试验试验车型为某乘用车前置前驱自动挡轿车，轮胎采用雪地轮胎，所有测试项目均是在油门全开和轻载的条件下进行。由于本文所设计的TCS控制系统为乘用车电子稳定系统(ESP)项目中重要的组成部分，所以保留原车ESP控制器中的液压单元和电磁阀部分，仅将ECU单元更换为本项目组开发的ECU控制单元。车辆的轮速传感器、双轴加速度传感器、横摆角速度传感器等均保持不变。ECU控制单元安装和试验场地如图5所示
19、，试验时间为2015年2月，试验场地为黑河红河谷冬季试验场。试验车辆所有试验数据均通过Vector公司的CANalyzer分析仪采集，数据通过CAN总线发送，周期为10 ms。图6为车辆在关闭TCS功能后在冰直路面的试验数据。在开始阶段，加速踏板开度达100，图中车轮速度为车轮角速度乘以车轮半径，由图可见，车辆前驱动轮远大于车身速度，表明前驱动轮出现严重打滑，且自动变速器频繁跳档，车辆稳定性较差。试验车辆在25 S的时间仅加速到17 kmh。图7为冰直路面直线起步加速试验结果。图7(a)是CANalyzer采集得到的数据，将该数据导入Matlab软件中进行整理后得到图7(b)(c)OOOOOO
20、OO爵瓣磐，0000O00O0O瓣蜱察万方数据 1396 吉林大学学报(工学版) 第46卷80，60车喜40蜊制20图5控制器及试验场地Fig5 Photo of ECU and test site。L=二二：，：125 15左前轮轮速参考车速挡位25图6无TCS介入冰路面直线起步加速Fig6 Driven wheelsvehicle velocity curves onice road without TCS(d)。由图7(b)可见，起步阶段加速踏板开度迅速增大到100，此时前左车轮和前右车轮有轻微打滑。2 S时，驱动轮滑移率达到门限值，TCS介入控制，TCS系统根据当前路况附着系数和车轮滑
21、转率计算出最优滑转率，然后对发动机输出转矩进行调整，使得车辆滑转率位置在最优滑转率附近，从而获得良好的附着力。与图7(a)相比，装配TCS功能的试验车辆在95 S的时间加速到40 kmh，车辆加速度大于未装配TCS功能车辆的加速度。图7(c)为车辆当前滑转率，输出值大部分维持在005o2。图7(d)为车辆的发动机目标转矩和实际转矩对比图，可以看出对节气门和燃油供给的协调控制有效地控制了驱动轮 沙j形3、I；：。 j j 5an*；d；a女Ya)截屏图l 0O 8鐾磐04O20 0E之聚瓣ds(b)速度0 5 10 15 20 25 30ts(c1滑转率图7低附看路面试验结果Fig7 Test
22、result with TCS under Iow-mue surface的滑转，发动机实际输出转矩紧密跟踪目标值。图8(a)为试验车辆在对开路面的试验结果截屏图。试验车辆左轮在低附着路面(冰路面，附着系数为01，最优滑转率为007左右)，右轮在万方数据第5期 刘 刚，等：复杂工况下基于最佳滑移率的汽车牵引力控制算法 。1397- q口，-m日(a)截屏图左后轮右后轮左前轮右前轮TCS介入标志位挡位 剥TCS介入标志位发动机转矩目标值转矩实际值主缸压力r一一寸广一一一15rs(d)转矩图8对开路面试验结果Fig8 Test result with TCS under split-mue sur
23、face高附着路面(水泥路面，附着系数为085左右)。由图8(b)可以看到，车辆在起步阶段，加速踏板开度达到100，车辆左前驱动轮出现打滑，TCS迅速介人控制，此后车辆左前驱动轮没再出现车轮打滑的现象。图8(c)为试验车辆左前驱动轮和右前驱动轮的滑转率，左前车轮滑转率维持在005o15范围内，保证了车辆获得足够的附着力。由图8(d)可知，车辆在对开路面加速过程中，低附着路面在出现滑转后，TCS控制系统迅速降低发动机转矩，主动制动单元制动干预，从而保证了左前驱动轮滑转率维持在最优滑转率附近，保证了车辆纵向稳定性。5 结论(1)采用基于最佳滑转率的牵引力控制策略，实现了实时计算当前路况的最佳滑转率
24、并作为控制目标，控制方法采用调整发动机转矩和主动制动调节相结合的方式。通过两种方式的协调控制，为今后实现车辆的ESP控制打下基础。(2)搭建了基于MatlabSimulink的TCS控制仿真平台，通过对仿真结果分析可知，该控制策略较好地维持了车辆在复杂工况下的稳定性。(3)在冬季场地试验中，装配TCS控制器的车辆在低附着冰路面路况试验中，起步加速过程加速度比未装配TCS的车辆提高了54，且车辆在行驶过程驱动轮不打滑、噪音低，舒适性优于未装配TCS的车辆。参考文献：1van Zanten A TControl aspect of BoschVDCCThe 3rd International Sy
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