操纵动力学与控制系统.ppt

操纵动力学与控制系统,第三讲,,通常认为汽车的操纵稳定性包含互相联系的两个部分，一是操纵性，一是稳定性操纵性是指汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力稳定性是指汽车受到外界扰动(路面扰动或突然阵风扰动)后恢复原来运动状态的能力两者很难断然分开，稳定性好坏直接影响操纵性的好坏，因此通常只统称为操纵稳定性基本假设： 1、忽略转向系统的影响,直接以前轮转角作为输入 2、忽略悬架的作用 3、汽车沿x轴的前进速度u视为不变 4、汽车的侧向加速度限定在Ｏ.４ｇ以下，轮胎侧偏特性处于线性范围 5、没有空气动力的作用 6、忽略左右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用 7、车辆坐标系的原点与汽车质心重合3.1数学模型,3.1数学模型,2 模型,,ux=,ay=,3.1数学模型,3.1数学模型,汽车前、后轴中点的速度为ｕ1、ｕ2，侧偏角为1、2，质心的侧偏角为，=v/u是ｕ1与ｘ轴的夹角，其值为：,3.1数学模型,汽车前、后轮侧偏角为：,3.1数学模型,2．模型,,二、稳态响应,汽车等速行驶时，在前轮角阶跃输入下进入的稳态响应就是等速圆周行驶。

常用输出与输入的比值，如稳态时的横摆角速度与前轮转角之比来评价稳态响应这个比值称为稳态横摆角速度增益，也称为转向灵敏度，以符号 )s 表示r为定值，则v0´=0 ; r´=0 所以：,3.2稳态响应,1．稳态响应 （等速圆周行驶） 稳态时： ， 则线、角加速度均为零解方程可得稳态横摆角速度增益，即转向灵敏度： 其中 —稳定性因数（s2m-2）,,,,,3.2稳态响应,2．稳态响应的三种类型 K=0 — 中性转向： K>0 — 不足转向： ，特征车速 K<0 — 过多转向： ，临界车速,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,R,L,,,,,,3.2稳态响应,１．中性转向（K=0)(Neutral steer),3.2稳态响应,2．稳态响应的三种类型,,,,,,,,3.2稳态响应,根据日本汽车研究所发表的试验数据，近年来轿车的稳定性因数Ｋ值约为０．００２～０．００３５ｓ2／ｍ2（在侧向加速度为０．３ｇ时）。

德国几个大学的汽车研究所通过对近代小轿车进行试验后统计得出：轿车的稳态横摆角速度增益，即转向灵敏度为 0.16~0.33s-1sw为方向盘转角，其单位为（°）；r为汽车横摆角速度，其单位为（°)s-1相应的试验工况为：ｕ=22.35m/s,ay=0.4g3.2稳态响应,3．表征稳态响应的参数（1）,,,,,,,,,,,3.2稳态响应,3．表征稳态响应的参数 （2）转向半径的比值 当 时，,,,,,,,,,,,,,,3.2稳态响应,3．表征稳态响应的参数 （2）转向半径的比值,,,,,,,,,,,,,,3.2稳态响应,（３）静态储备系数Ｓ.Ｍ．1、使汽车前、后轮产生同一侧偏角的侧向力作用点Cn称为中性转向点C是重心 2、静态储备系数Ｓ.Ｍ．就是中性转向点至前轴距离ａ和汽车质心C至前轴距离ａ之差（ａ-ａ）与轴距Ｌ之比值,FY2,FY1,3.2稳态响应,（３）静态储备系数Ｓ.Ｍ．Ｓ.Ｍ．>0 1- 2>0 不足转向Ｓ.Ｍ．=0 1- 2=0 中性转向Ｓ.Ｍ．<0 1- 2<0 过多转向S.M.一般为0.05~0.07,FY2,FY1,3.3 瞬态响应,（一）前轮角阶跃输入下的横摆角速度瞬态响应将二自由度汽车运动微分方程式（５－９）重写如下,1）,2）,3.3 瞬态响应,由第二式得,3.3 瞬态响应,上式写成以r为变量的形式如下式中：,•,3.3 瞬态响应,单自由度一般强迫振动微分方程式，通常写作式中：,•,三、前轮角阶跃输人下的瞬态响应,汽车前轮角阶跃输人时，前轮转角的数学表达式为 故当ｔ＞０后，上式进一步简化为,3.3 瞬态响应,这是二阶常系数非齐次微分方程，其通解等于它的一个特解与对应的齐次微分方程的和显然其特解为对应的齐次方程式为,3.3 瞬态响应,齐次方程的通解为,令,则,或,显然<1时横摆角速度为,3.3 瞬态响应,下面确定积分常数Ｃ、Ａ1、Ａ2,3.3 瞬态响应,下面确定积分常数Ｃ,三、前轮角阶跃输人下的瞬态响应,下面确定积分常数Ф,3.3 瞬态响应,因此,3.3 瞬态响应,3.3 瞬态响应,3.3 瞬态响应,3.3 瞬态响应,用瞬态响应中的几个参数来表征响应品质的好坏，这些参数是：1、横摆角速度r波动时的固有（圆）频率0。

3.3 瞬态响应,用瞬态响应中的几个参数来表征响应品质的好坏，这些参数是：1、横摆角速度r波动时的固有（圆）频率03.3 瞬态响应,用瞬态响应中的几个参数来表征响应品质的好坏，这些参数是：1、横摆角速度r波动时的固有（圆）频率03.3 瞬态响应,用瞬态响应中的几个参数来表征响应品质的好坏，这些参数是：1、横摆角速度r波动时的固有（圆）频率03.3 瞬态响应,用瞬态响应中的几个参数来表征响应品质的好坏，这些参数是：2、阻尼比  3.3 瞬态响应,用瞬态响应中的几个参数来表征响应品质的好坏，这些参数是：2、阻尼比  推荐0.5-0.8),3.3 瞬态响应,３．反应时间 横摆角速度第一次达到稳定值的时间应小一些）,3.3 瞬态响应,3.3 瞬态响应,４．达到第一峰值的时间, 又称为峰值反应时间汽车因数Ｔ. Ｂ:峰值反应时间与质心侧偏角的乘积 德国几个大学的汽车研究所通过方向盘角阶跃试验得出如下统计数值：近代轿车的＝0.23~0.59s汽车因数Ｔ. Ｂ．=0.25~1.45s(°)，相应的试验工况为ｕ=31.3ｍ／ｓ（70mile/h），ay=0.4gＢｅｎｚ中型货车装备不同轮胎时，在ｕ=20m/s、 ay=0.3g的试验条件下，  =0.94~1.72s,。

T . B．=2.06~4.76s(°)，质心侧偏角=2.05°~3.03°,3.3 瞬态响应,3.3 瞬态响应,瞬态响应的稳定条件 ： （1） 时，只要 就收敛 （2） 时， 应为正值，即 过多转向汽车， 的车速为临界车速 ，不稳定 ，与稳态响应的临界车速是一样的<=1, 0为正值，收敛3.4横摆角速度频率响应特性,由其运动微分方程两边富氏变换求得,3.4横摆角速度频率响应特性,3.4横摆角速度频率响应特性,一个线性系统，如输入为一正弦函数，达到稳定状态时的输出亦必为具有相同频率的正弦函数，但两者的幅值不同，相位也要发生变化输出、输入的幅值比是频率f的函数，记为A（ｆ），称为辐频特性相位差也是f的函数，记为 （ｆ），称为相频特性两者统称为频率特性3.4横摆角速度频率响应特性,Santana Xi5轿车的频率响应特性,货车与高速客车的频率响应特性,3.4横摆角速度频率响应特性,用横摆角速度频率特性上的五个参数来评定汽车操纵稳定性：１）频率为零时的幅值比，即稳态增益。

２）共振峰值频率ｆ3）共振时的增幅比b/a，增幅比ｂ／ａ应小些,3.4横摆角速度频率响应特性,用横摆角速度频率特性上的五个参数来评定汽车操纵稳定性： ４）f=0.1Hz时的相位滞后角f=0.1,，它代表缓慢转动方向盘时响应的快慢，这个数值应接近于零；,3.4横摆角速度频率响应特性,用横摆角速度频率特性上的五个参数来评定汽车操纵稳定性： 5）f=0.6Hz时的相位滞后角f=0.6,，它代表较快转动方向盘时响应的快慢，这个数值应 当小些；,3.4横摆角速度频率响应特性,1987年汽车的共振频率平均值为1.16Hz 1996年Motor Fan杂志给出的共振频率平均值为1.22，共振频率处的平均增幅为3.38dB，相位滞后角平均为25.90°汽车操纵稳定性的评价,二）、汽车操纵稳定性的国家标准1、GB63231－86 蛇形试验2、 GB63232 －86 方向盘转角阶跃输入3、 GB63233 －86方向盘转角脉冲输入4、 GB63234 －86转向回正性能试验 5、 GB63235 －86转向轻便性试验 6、 GB63236 －86 稳态回转试验7、 GB/T13047-91汽车操纵稳定性指标限值与评价方法,蛇形试验,测量量：方向盘转角、汽车横摆角速度、车身侧倾角。

轿车L=30m,基准车速 65Km/h 满载，1/2基准车速开始，至安全最高车速（最高不超过80 Km/h) 比较方向盘转角车速特性、横摆角速度车速特性、车身侧倾角车速特性,蛇形试验结果,方向盘转角阶跃输入,测量量：方向盘转角、汽车横摆角速度、车身侧倾角、前进车速、侧向加速度、重心侧偏角评价指标：响应时间、峰值响应时间、横摆角速度超调量、总方差 、 TB因素,横摆角速度响应时间,方向盘转角脉冲输入,车速 60、80至70％ Vmax；满载，最大测向加速度0.2-0.3g. 测量量:方向盘转角、汽车横摆角速度、前进车速、侧向加速度 评价指标：频响特性曲线,,,,,,,,0.3-0.6,时间s,角度,角脉冲输入试验结果,回正性能试验,测量量：方向盘转角、汽车横摆角速度、前进车速、侧向加速度低速回正 R=15m,ay=4m/s2 高速回正 V=70%Vmax ay=2m/s2 评价指标：稳定时间、残留横摆角速度、超调量、频率与阻尼,回正试验结果,转向轻便性试验,测量量：方向盘转角、前进车速、方向盘力矩、方向盘直径方法：8 字试验,转向轻便性试验结果,稳态回转试验,测量量：方向盘转角、汽车横摆角速度、车身侧倾角、前进车速、侧向加速度、重心侧偏角、方向盘力矩、纵向加速度R0=15m评价：不足转向与过多转向,一些汽车的测量结果,日本汽车研究所统计的汽车稳定性因数的平均值,3.6提高操纵稳定性的电子控制系统,过去各国的工程师一直致力于改进轮胎、悬架、转向与传动系来（被动地）提高汽车固有的操纵稳定性。

80年代中叶以来，随着支持控制系统的计算机与传感器、执行机构的迅速发展，各汽车公司陆续开发、生产了多种显著改善操纵稳定性的电子控制系统不断开发出价格更低廉、性能更优良的电子控制系统已是当前提高操纵稳定性的一条重要途径各国均开发出许多电子控制系统，以日本为例就有：ABS，TCS，4WS，EMCD(电子磁控有限差速作用差速器)，前后轴转矩分配系统，左、右轮驱动力分配系统，前、后轴制动力分配系统，VSC（车辆稳定性控制系统）,主动悬架中的前、后侧倾角刚度分配系统…等3.6提高操纵稳定性的电子控制系统,车辆稳定性控制系统（Vehicle Stability Control System, 缩写为VSC）“车辆动力学控制系统（Vehicle Dynamics Control System, 缩写VDC)它是Bosch公司于1995投入市场的新型主动安全系统（Active Safety System ）这种系统是以ABS、TCS为基础发展而成的系统主要在大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下工作它利用左、右两侧制动力之差产生的横摆力矩来防止出现难以控制的侧滑现象例如，在弯道行驶中因前轴侧滑而失去路径跟踪能力的驶出(DriftOut)现象及后轴侧滑甩尾而失去稳定性的激转(Spin )现象等危险工况。

1994年丰田皇冠汽车上装有VSC。