車輛電子控制技術-第3課-四輪轉向控制課件

車輛電子控制技術講授內(nèi)容：第九章轉向控制（第3課）主講人：魯植雄教授《車輛電子控制技術》課件08八月2023Email：QQ：1607357229車輛電子控制技術講授內(nèi)容：第九章轉向控制（第3課）《車輛1208八月2023本章內(nèi)容安排第九章轉向控制第1課

電動助力轉向控制第2課

線控轉向第3課

四輪轉向控制231七月2023本章內(nèi)容安排第九章轉向控制第1課2308八月2023一、四輪轉向系統(tǒng)的優(yōu)點二、四輪轉向的類型三、汽車后輪轉向控制類型四、四輪轉向汽車模型五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法六、汽車四輪轉向系統(tǒng)的發(fā)展方向本節(jié)課的主要內(nèi)容第3課四輪轉向控制第九章轉向控制331七月2023一、四輪轉向系統(tǒng)的優(yōu)點本節(jié)課的主要內(nèi)容3408八月2023能夠全面改善汽車的轉向性能，汽車在低速行駛過程中進行轉向時，使后輪與前輪反向偏轉，可以減小汽車的轉向半徑；汽車在中速行駛過程中進行轉向時，使后輪與前輪同向偏轉，可以提高汽車的轉向靈敏性；汽車在高速行駛過程中進行轉向時，使后輪也與前輪同向偏轉，可以減小汽車在轉向過程中的橫擺運動，改善汽車的穩(wěn)定性。一、四輪轉向系統(tǒng)的優(yōu)點第3課四輪轉向控制第九章轉向控制431七月2023能夠全面改善汽車的轉向性能，汽車在低速4508八月2023四輪轉向汽車與兩輪轉向汽車相比，具有以下優(yōu)點：提高了汽車在高速行駛時和在濕滑路面上的轉向性能；駕駛員操縱轉向盤反應靈敏，動作準確；在不良路面和側風等條件下，汽車也具有較好的方向穩(wěn)定性，提高了高速下的直線行駛穩(wěn)定性；提高了汽車高速轉向的行駛穩(wěn)定性，不但便于轉向操縱，而且在進行急轉彎時，也能保持汽車的行駛穩(wěn)定性；通過使后輪轉向與前輪轉向相反，減小了低速行駛時的轉向半徑，不但便于在狹窄路面上進行U形轉彎，而且在駛入車庫等情況下便于駕駛。一、四輪轉向系統(tǒng)的優(yōu)點第3課四輪轉向控制第九章轉向控制531七月2023四輪轉向汽車與兩輪轉向汽車相比，具有以5608八月2023一、四輪轉向系統(tǒng)的優(yōu)點第3課四輪轉向控制第九章轉向控制二輪轉向汽車與四輪轉向汽車的比較631七月2023一、四輪轉向系統(tǒng)的優(yōu)點第3課四輪轉6708八月2023機械式、液壓式、電動式和復合式。1．機械式4WS機械式四輪轉向的工作原理是根據(jù)轉向盤的轉角進行控制，它利用后輪齒輪轉向機構中的偏心軸、行星齒輪等部件的工作來實現(xiàn)同相位和逆相位的轉向。后輪的轉向運動只是在前輪轉動時才有。后輪齒輪轉向機構在轉向盤角度約為120°時，同相位轉角達到最大值，然后后輪逐漸恢復直線行駛狀態(tài)；當轉向盤角度約為240°時，后輪重新回到直線行駛狀態(tài)。當轉向盤角度繼續(xù)增大，后輪就會向與前輪反方向轉動。該系統(tǒng)利用了隨著車速的提高，駕駛員轉動轉向盤的角度變小的操縱特點，實現(xiàn)了前后輪的同時轉向，結構簡單，成本低，但它無法根據(jù)車速進行精確地控制。二、四輪轉向的類型第3課四輪轉向控制第九章轉向控制731七月2023機械式、液壓式、電動式和復合式。二、四7808八月2023二、四輪轉向的類型第3課四輪轉向控制第九章轉向控制831七月2023二、四輪轉向的類型第3課四輪轉向控8908八月20232．液壓式4WS液壓四輪轉向系統(tǒng)可以采用液壓控制和電子控制兩種方式。轉動轉向盤產(chǎn)生的轉向液壓被傳到控制后輪的控制閥上，使滑閥移動，從而控制油泵的油路把液壓傳至后輪轉向的動力缸，實現(xiàn)液壓推動后輪轉向。后輪的轉向角還可根據(jù)行駛速度產(chǎn)生不同的液壓，當停車時，油泵不產(chǎn)生油壓，后輪不轉向，隨著車速的提高，液壓升高，后輪便可轉向。另外還可以根據(jù)路面的阻力大小來實現(xiàn)對后輪轉向角的控制。電子控制式的轉向條件是由裝在車上的角位移、角速度傳感器檢測到的轉向角、轉向角速度等參數(shù)。液壓系統(tǒng)四輪轉向的問題是需要專門設計一套油路及密封。液壓系統(tǒng)能夠實現(xiàn)的后輪轉向角較小，同時還存在液壓油的泄露問題。二、四輪轉向的類型第3課四輪轉向控制第九章轉向控制931七月20232．液壓式4WS二、四輪轉向的類型第391008八月20233．電動式4WS電子控制電動式四輪轉向的前輪就是普通的機械轉向，后輪的轉向是由裝在后輪的電動機來實現(xiàn)的，后輪的轉向角由計算機控制?？刂坪筝喌挠嬎銠C通過檢測轉向角、轉向時車身的角速度、角加速度等參數(shù)來監(jiān)視汽車的轉向狀況。它根據(jù)轉向盤的操作狀態(tài)及車速，計算出后輪的目標轉向角，向步進電動機輸入脈沖電流使后輪轉向，并且可以實時監(jiān)視汽車狀況來計算目標轉向角與后輪的實際轉向角之間的差來實時調(diào)整后輪的轉向角。二、四輪轉向的類型第3課四輪轉向控制第九章轉向控制1031七月20233．電動式4WS二、四輪轉向的類型第101108八月2023電子控制四輪轉向系統(tǒng)主要有ECU、車速傳感器、轉向角比例傳感器和執(zhí)行器等組成。前、后轉向機構由機械連接。轉向盤的轉動通過前轉向齒輪箱（齒輪齒條式）中的齒條帶動前橫拉桿左右移動，使前輪產(chǎn)生偏轉。同時，使前轉向齒輪轉動的輸出齒輪轉動，并通過一個連接桿將轉動傳動到后轉向器中。二、四輪轉向的類型第3課四輪轉向控制第九章轉向控制1131七月2023電子控制四輪轉向系統(tǒng)主要有ECU、車111208八月20234.復合式4WS可以將幾種結構方式結合起來，形成復合式4WS系統(tǒng)，但是結構較為復雜。電子控制電動系統(tǒng)是四輪轉向系統(tǒng)中可以進行精確控制的一種方式，它是由計算機進行控制，驅動可靠，而且體積小，便于布置。二、四輪轉向的類型第3課四輪轉向控制第九章轉向控制1231七月20234.復合式4WS二、四輪轉向的類型121308八月2023按后輪的偏轉角與前輪偏轉角或車速之間的關系不同分：轉角傳感型、車速傳感型兩種。1.轉角傳感型后輪轉向控制后輪的偏轉角與前輪的偏轉角之間存在某種函數(shù)關系。即后輪可以按與前輪旋轉方向相同方向旋轉，即同相位偏轉；也可以按與前輪旋轉方向相反的方向旋轉，即反相位偏轉。此外，前、后輪轉向角之間也有一定關系。2.車速傳感型根據(jù)設計程序，當車速達到某一預定值時(35-40km/h)，后輪能與前輪同方向偏轉，而當?shù)陀谶@一預定值時，則反方向偏轉。三、汽車后輪轉向控制類型第3課四輪轉向控制第九章轉向控制1331七月2023按后輪的偏轉角與前輪偏轉角或車速之間131408八月2023在建立四輪轉向汽車模型時，假設：汽車只有側向和橫擺兩個自由度運動；忽略縱向力和空氣動力的作用：忽略轉向系影響，以前輪轉角作為輸入；不考慮車輪載荷變化引起的輪胎側偏特性變化和回正力矩的作用。四、四輪轉向汽車模型第3課四輪轉向控制第九章轉向控制1431七月2023在建立四輪轉向汽車模型時，假設：四、141508八月2023前輪轉角、后輪轉角、汽車的行駛速度、汽車的側向速度、橫擺角速度、偏角、汽車質心至前軸距離、汽車質心至后軸距離、汽車軸距。（橫擺角速度、偏角）與（前輪轉角、后輪轉角）的方程關系四、四輪轉向汽車模型第3課四輪轉向控制第九章轉向控制圖4．2四輪轉向汽車簡化模型1531七月2023前輪轉角、后輪轉角、汽車的行駛速度、151608八月2023四輪轉向系統(tǒng)的控制目標可歸納為：減小側向加速度與橫擺角速度之間的相位差及它們各自的相位；減小汽車質心處的側偏角；汽車低速行駛時具備良好的機動性，高速行駛時具有很好的穩(wěn)定性；實現(xiàn)所希望的轉向特性；抵御汽車參數(shù)的變化，保持所希望的轉向特性；在輪胎處于附著極限時，仍具備良好的響應特性。這些控制目標是相互聯(lián)系和相互影響的，四輪轉向的各種控制方法分別有其側重點。隨著計算機技術和控制理論的不斷發(fā)展，各種新的控制理論和控制方法在不斷地應用于四輪轉向系統(tǒng)。主要介紹比例控制、動態(tài)補償式控制和前饋+反饋控制等。五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法第3課四輪轉向控制第九章轉向控制1631七月2023四輪轉向系統(tǒng)的控制目標可歸納為：五、161708八月20231．比例控制比例控制又分為前饋控制和反饋控制。后輪轉角δr取決于前輪轉角δf的大小，而汽車的運動狀態(tài)靠駕駛員來進行反饋控制。因此，這種系統(tǒng)能夠修正轉向以抵御側向風和路面激勵等外部干擾。即使在松開轉向盤時，轉向回正力矩的作用也能使四輪轉向比兩輪轉向更迅速地趨于穩(wěn)定。五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法第3課四輪轉向控制第九章轉向控制四輪轉向比例控制系統(tǒng)1731七月20231．比例控制五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制171808八月2023(1)前饋型四輪轉向控制前饋控制也稱為前輪轉向角比例控制。設前、后輪轉向角分別為式中，δ為轉向盤轉角；n為轉向機傳動比；K為比例系數(shù)。為了保證汽車穩(wěn)態(tài)行駛時的側偏角為零，后輪轉向角與前輪轉向角的比例系數(shù)K，應隨汽車的行駛速度變化而變化。當K<0時，前、后輪轉向相反；當K>0時，前、后輪轉向相同。五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法第3課四輪轉向控制第九章轉向控制1831七月2023(1)前饋型四輪轉向控制五、汽車四輪181908八月2023也就是說，利用前、后輪轉向角比例控制方法，可以設計出低速轉向時，前、后輪轉向相反；中高速轉向時，前、后輪轉向相同、且穩(wěn)態(tài)側偏角為零的四輪轉向系統(tǒng)。也稱為車速感應型4WS系統(tǒng)。這種控制方式可以使汽車在中、高速轉向行駛時，前后輪保持相對穩(wěn)定的平衡。讓汽車的前進方向與其車身的方向保持一致，獲得穩(wěn)定的轉向特性。在轉向初期的過渡階段，由于從一開始，前、后輪都同時產(chǎn)生側偏力，使得車身的公轉運動早于其自轉的橫擺運動，與2WS汽車的轉向相比，其轉向方向的偏差要小得多。五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法第3課四輪轉向控制第九章轉向控制1931七月2023也就是說，利用前、后輪轉向角比例控制192008八月2023（2)反饋控制型四輪轉向控制反饋控制也稱前輪轉向角函數(shù)控制。前饋控制只考慮了前、后輪的比例關系，反饋控制以傳遞函數(shù)來控制后輪。設K(S)是后輪轉向角對于前輪轉向角的傳遞函數(shù)，則后輪轉向角為

利用此傳遞函數(shù)控制后輪，質心處側偏角始終為零，能夠實現(xiàn)汽車的朝向始終與行駛方向一致、且穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)側偏角為零的4WS系統(tǒng)。稱為前輪轉向角感應型4WS系統(tǒng)。五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法第3課四輪轉向控制第九章轉向控制2031七月2023（2)反饋控制型四輪轉向控制五、汽車202108八月20232．動態(tài)補償式控制動態(tài)補償式控制分為轉向角動態(tài)補償和轉向力矩動態(tài)補償。（1)轉向角動態(tài)補償前、后輪轉向角的關系為通過橫擺角速度r補償后輪的附加轉角，可以改變側偏角和橫擺角速度對轉向盤轉角的傳遞函數(shù)。因為通過橫擺角速度可直接檢測出車身的自轉運動。因此，根據(jù)測驗出的數(shù)值，對后輪的轉角也作相應的增減，就可能從轉向初期開始，使車身方向與前進方向之間的誤差非常小。又由于它能直接感知到汽車的自轉運動，因此，即使有轉向以外的力（如橫向風等）引起車身自轉，也能馬上感知到，并可迅速通過對后輪的轉向控制來抑制自轉運動。五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法第3課四輪轉向控制第九章轉向控制2131七月20232．動態(tài)補償式控制五、汽車四輪轉向系212208八月2023(2)轉向力矩動態(tài)補償設前輪轉向系統(tǒng)的轉向力是作用于前輪的外力產(chǎn)生的力矩，則前、后輪轉向角的關系為與前輪轉向力成比例地轉向后輪時，能改變側偏角和橫擺角速度對轉向盤轉角的傳遞函數(shù)，說明該控制具有反饋特性。五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法第3課四輪轉向控制第九章轉向控制2231七月2023(2)轉向力矩動態(tài)補償五、汽車四輪轉222308八月20233．前饋+反饋控制這里主要指前輪轉向角比例前饋加橫擺角速度比例反饋，控制后輪轉向，并且使汽車質心處側偏角始終為零。此時后輪轉向角為通過選擇比例系數(shù)，可實現(xiàn)質心側偏角始終等于零，并由于反饋存在，提高了汽車抗外來干擾的穩(wěn)定性。五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法第3課四輪轉向控制第九章轉向控制2331七月20233．前饋+反饋控制五、汽車四輪轉向系232408八月20234．四輪主動轉向控制前面3種控制方式，都是在前輪轉向角直接與轉向盤轉角聯(lián)系，然后再對后輪轉向角進行控制。這從動態(tài)意義上說，可以自由設定的只不過是一個獨立的變量。如果能夠同時對前、后輪進行自由控制，就可以獲得與希望的特性十分接近的旋轉運動和平移運動。四輪主動轉向控制將是發(fā)展方向。主動前后輪控制的4WS系統(tǒng)是2輸入、2輸出系統(tǒng)。使側偏角為零和橫擺角速度為一階滯后響應的前、后輪控制規(guī)律。由此可見，通過對兩個輸入變量進行協(xié)調(diào)控制，基本上可以實現(xiàn)對所有運動性能的隨動控制。五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法第3課四輪轉向控制第九章轉向控制2431七月20234．四輪主動轉向控制五、汽車四輪轉向242508八月20235.汽車四輪轉向的神經(jīng)網(wǎng)絡控制早期的四輪轉向控制器設計均是基于跟隨線性動力學方程的假設，但由于汽車動力學參數(shù)的變化，使得所設計的控制系統(tǒng)不一定滿足實際的需要。當汽車轉彎行駛時，如果側向加速度較大，輪胎側偏特性將進入非線性區(qū)域，此時線性控制理論就無能為力?？紤]到汽車動力學參數(shù)的變化，許多研究者試圖用其他理論(如自適應控制和魯棒控制)來探討新的控制策略。近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論在四輪轉向的控制系統(tǒng)中得到了應用。神經(jīng)網(wǎng)絡模型目前發(fā)展到了幾十種之多，綜合考慮各種因素，采用遞歸BP網(wǎng)絡模型的思想，結合多層前饋網(wǎng)絡構造了四輪轉向汽車的辨識模型。多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡在隱層激發(fā)函數(shù)為Tauber-Wienar(TW)函數(shù)時，任意單隱層神經(jīng)網(wǎng)絡，當神經(jīng)元趨于無窮大時，能完成任意所需映射。雙隱層結構的網(wǎng)絡在神經(jīng)元個數(shù)有限的情況下就能完成任意所需映射。五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法第3課四輪轉向控制第九章轉向控制2531七月20235.汽車四輪轉向的神經(jīng)網(wǎng)絡控制五、汽252608八月2023四輪轉向汽車模型可用輸入和輸出的非線性差分方程來描述如下：

該網(wǎng)絡有五個輸入節(jié)點、兩個輸出節(jié)點，通過試驗試湊法，確定四輪轉向汽車拓撲結構為三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡，第一隱層節(jié)點數(shù)為10，第二隱層節(jié)點數(shù)為8，五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法第3課四輪轉向控制第九章轉向控制四輪轉向汽車神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結構2631七月2023四輪轉向汽車模型可用輸入和輸出的非線262708八月2023輸入輸出層的轉移函數(shù)為線性傳遞函數(shù)，隱層轉移函數(shù)為S型傳遞函數(shù)?？梢灾苯痈鶕?jù)非線性汽車模型產(chǎn)生的輸入輸出數(shù)據(jù)來訓練神經(jīng)網(wǎng)絡汽車模型，使其能夠充分描述汽車的動力學，然后再根據(jù)該神經(jīng)網(wǎng)絡模型去設計和訓練四輪轉向汽車神經(jīng)網(wǎng)絡控制器。五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法第3課四輪轉向控制第九章轉向控制神經(jīng)網(wǎng)絡模型的訓練框圖2731七月2023輸入輸出層的轉移函數(shù)為線性傳遞函數(shù)，272808八月2023四輪轉向汽車系統(tǒng)控制框圖如右圖所示，控制系統(tǒng)的仿真可在MATLAB平臺下進行。研究結果表明，與控制前相比，側偏角趨于穩(wěn)定，并且穩(wěn)定在0的附近，達到了4WS的控制目標；另外隨著車速的增加，側偏角逐漸增大，這與實際情況也是相符合的。橫擺角速度也趨于穩(wěn)定，而且橫擺角速度的幅值大幅度減小，達到了4WS模型控制的目標。系統(tǒng)中加入神經(jīng)網(wǎng)絡控制器后動態(tài)響應特性較好。五、汽車四輪轉向系統(tǒng)控制方法第3課四輪轉向控制第九章轉向控制四輪轉向汽車系統(tǒng)控制框圖2831七月2023四輪轉向汽車系統(tǒng)控制框圖如右圖所示，282908八月2023ECU根據(jù)轉向角傳感器、車速傳感器等輸入信號，可進行如下控制。轉角控制。依據(jù)轉向角控制脈譜圖，再根據(jù)行駛車速控制主電動機，從而實現(xiàn)對轉角的控制。駕駛員可使用4WS模式切換開關，選擇“NORMAL”或“SPORT”模式。2WS選擇功能。當2WS選擇開關設定在ON，且變速器被掛入倒擋位置時，后輪轉向量就被設置為零，對那些習慣于使用2WS轉向系統(tǒng)倒車的人來說，可利用這一功能。防誤操作控制。當系統(tǒng)發(fā)生異常情況時，防誤操作控制會進行如下的處理：使駕駛室內(nèi)的“4WS警示燈”點亮，告之駕駛員已出現(xiàn)異常情況，同時將發(fā)生異常部位的信息存儲到E