基于MATLAB的汽车ESP系统控制模型及方法研究 摘 要：汽车电子稳定装置ESP是继汽车防抱死制动系统和汽车驱动防滑控制系统之后，汽车主动安全性的又一重大飞跃。ESP系统能根据路面状况及汽车运动状态控制车辆的运动，防止汽车操纵失控，从而更加有效地提高汽车稳定性能和行驶安全性。本文针对ESP系统的特性，建立了合理的自由度汽车模型，并针对ESP系统的控制方法提出了以模糊控制技术为核心的三种控制方法，进行了仿真研究。 关键词：汽车电子稳定装置；汽车稳定性能；汽车模型
Abstract: The Electronic Stability System is all ascensive progress since the automotive anti-lock braking and anti-skid control system succeeded in the aspect of automotive active safety．For the ESP could adjust the automobiles to the road condition and moving status，it effectively prevents the occurrence of runaway operation so that the stability and the safety will be reinforced．
唯美主义This thesis aims at putting forward a fuzzy control technology as the core of the 3 main way
s to do the simulation research in connection with the specific characteristic of ESP and the establishment of a vehicle model in an appropriate modulation．
Key words大卫科波菲尔论文:braking;ABS;modeling and simulation
前言
现如今，汽车在我们的生活中已经不可缺少，而从汽车诞生时起，汽车的安全性就扮演着至关重要的角。在科技飞速发展的现在，汽车行驶速度的提高及道路行车密度的增大，致使交通事故的发生率逐年上升。随着经济和汽车科技的大发展，公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势，其伴随着的道路交通事故也直接造成了人类的生命财产的巨大损失，这已经成为世界性的社会问题。汽车驱动防滑控制系统简称ASR，又称为牵引力控制系统简称TCS或TRC。是继汽车防抱死制动系统(ABS)之后应用于车轮防滑的电子控制系统。其功用是防止汽车尤其是大马力的车子在起步、加速时驱动轮打滑的现象，以维持汽车行驶方向和稳定性，保持良好的操控性及尽可能利用车轮．路面间纵向附着能力，提供最适当的驱动力，达到良好的行车安全。ESP是ABS和ASR的扩展，它能防止汽车操纵失控，提高在汽车极限情况下的操纵稳定性，对高速行驶时的汽车 动力学性能的改善特别显著。
1汽车电子稳定装置(ESP)的基本原理
1．1 ESP系统的基本思想
当车辆在非常极端的操控情况，如高速转弯、高速躲闪障碍物的情形下。ESP会在极短的时间内收集包含ABS及ASRt拘庞大数据，并加上转向盘转向角度、车速、横向加速值及车身滚动情形。再以电脑记忆体中的基准值作一对比后，指示有关系统做出适当的应变动作，目的就是要使车辆遵从驾驶人意愿的方向行驶，这时即使驾驶人不断改变行驶路径，电脑也能持续运算。并以对个别车轮增加或降低刹车力道的方式，修正转向过度或不足的倾向，维持车身的动态平衡。
①湿滑路面：车辆在湿滑的路面上行驶时，前轮会出现打滑，并且转向不足，这时踩刹车：如果没有ESP，前轮会偏离正常的轨迹，使车辆失去转弯能力。如果有ESP，它将根据横摆速度传感器、车轮转速传感器、转向盘转角传感器等多个传感器采集到的信号，及时增大右后轮的制动力，同时减少发动机的输出扭矩，使车辆保持稳定行驶。
②转弯：车辆转弯时，如果速度过快，在没有ESP的情况下，车辆会出现甩尾。如果有ESP，它将根据多个传感器采集到的信号，及时启动右前轮上的制动装置，以修正转向过度的倾向，使车辆保持稳定行驶。
③高速闪避障碍物：车辆在高速闪避障碍物时，驾驶员慌忙制动，扭转转向盘，车辆转向不足，车辆继续冲向障碍物，驾驶员为避免冲撞。必须加大转弯角度，当躲过障碍物后，驾驶员迅速回正转向盘，车辆失控甩尾。如果有ESP，它将根据多个传感器采集到的信号，及时增大左后轮制动压力，增加前轮的转向角度。为使前轮返回原来轨迹，回正转向盘，车辆面临转向过多的危险，在ESP作用下前左轮自动制动，车辆继续向前稳定行驶。
1．2 ESP系统的工作过程
根据上述思想就知道ESP系统的工作原理和过程为：
①检测：通过一些传感器检测到汽车的一些运行状态参数，如：横摆角速度、侧向加速度、车轮转速、方向盘转角、制动系统压力等数据，并将数据传送给中央控制单元(CPU)。
②计算：CPU根据传感器检测到的数据进行处理、计算，得到能反应汽车目前运行状态的参数，并根据事先设计的汽车在稳定行驶时建立的线性二自由度参考模型，计算出目前理想状态下能反应汽车运行状态的参数。
③判断：CPU根据计算出来的数据，把理想状态的参考值与实际汽车运行的实际值作比较，并计算出它们之间的偏差，根据一定的稳定性判断准则，判断出汽车是否处于非稳定工况，确定是否调整某一车轮的制动力或通过控制发动机来减少驱动轮的驱动力。
④处理：根据CPU的指令对车轮施加制动力或减少驱动力，使汽车的转向系统和制动系统以及驱动系统始终保持最佳组合状态，同时对汽车出现的不稳定状态进行“即时”修正，以防止驾驶员误操作对行驶稳定性产生影响。
ESP系统的组成关系如图所示。
正电子湮没技术
2系统模型
2.1单轮车辆模型
汽车动力学建模是个十分复杂的过程。一般有四轮模型、两轮模型、单轮模型三种。四轮模型主要用于描述复杂的动力学性能，如转弯制动、横向动力学控制模拟等;双轮模型主要用于描述车辆的直线制动与驱动，考虑车辆加、减速度的影响，用于车辆动力学模拟和控制分析;单轮模型主要用于描述制动性能，用于基于模型控制系统的分析与设计等。本研究主要进行车辆的制动性能检测，对于仿真检测实时性要求较高，为了简化研究问题，采用单轮模型，忽略空气阻力和车轮滚动阻力。模型见图2，其动力学公式:Mdv/dt=-uFn,Idw/dt=uFnR-Mb。
图1 单轮模型受力分析
2.2轮胎模型
车轮模型反映车轮与地面附着系数与滑移率之间关系。如图3所示为在Simulink中通过取点建立的附着系数与滑移率的曲线图。 图2 附着系数与滑移率的关系
2.3控制模型
本文采用逻辑开关控制方式，开关控制方式是一旦设定好期望的输出门槛值，就使输出的控制量使误差向减小的方向运动，实际上是一种简单实用的逻辑门限控制方式。汽车防抱死制动系统开关控制器的门槛值是期望的车轮滑移率，控制器的输入变量是车轮滑移率误差，即期望车轮滑移率与实际车轮滑移率之差：
当车轮滑移率误差e<0时，输出控制量u=-1;当车轮滑移率误差e=0时，输出控制量u=0;当车轮滑移率误差e>0时，输出控制量u=1。
3仿真建模
Simulink是MATLAB的一个附加组件，是建模和仿真的平台。它是一种用来实现计算机仿真的软件工具。Simulink是采用模块组合的方法来创建动态系统的计算模型，其特点是快速准确。模型中将液压控制模型采用传递函数加一个控制器来代替，模型的原理以门限值控制算法，基本思想为保证车轮滑移率在理想的范围之内。制动开始后，随着制动压力的升高，车轮转速相应减少，车轮出现滑移；当车轮滑移率达到理想范围的上限值时，减少
制动压力；随着制动压力的减少，滑移率又逐渐减小，直至减少到滑移率下限值时，再增大制动压力，循环这个过程直至车辆停止。建立的仿真模型如图3所示。
图3 ABS仿真模型
4结果分析
该模型对初速度为安置房建设88Km/h的某车进行仿真，具体参数通过模块进行初始化，将输出的数据结果进行处理，可以清晰得出所需结论。图4为制动滑移率、车速和车轮角速度的变化曲线。由图可以看出，在逻辑开关控制方式下滑移率在制动起始阶段，由0逐渐上升，随着滑移率的增大，车轮有抱死的趋势，防抱死系统监测到滑移率增大到一定程度，降低制动油压，使车轮滑移率维持在最优滑移率0.2附近上下波动。在车轮速度接近于0时，车轮抱死，滑移率变为1。
图4 制动滑移率、车速、车轮角速度的变化曲线
5结论
本文通过MATLAB/Simulink搭建的模型，绘出汽车以88Km/h的初速度在路面上制动时，车速、车轮角速度及滑移率的变化曲线。从图中可以看出，车辆制动时短时间内车速就由88Km/h减至0这体现了所建模型制动效能很好，同时车轮的滑移率基本保持在20%左右；也体现了防抱死制动系统通过调节车轮制动压力，保证制动过程中获得最佳滑移率的控制目标。
参考文献：
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