汽车ESP控制策略的仿真研究

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汽车ESP控制策略的仿真研究

摘要

ESP（电子稳定系统）是在汽车防抱死制动系统(ABS)和驱动力控制系统

(TCS)等技术的基础上发展起来的一种新型主动安全控制系统。ESP实时监控汽车

的运行姿态，依据驾驶员对车辆的操作(包括驾驶员对转向盘、制动踏板、油门踏

板的操作)，决策出理想的车辆运行状态，确保车辆行驶的稳定性和安全性。然而

我国在此领域的研究才刚刚起步，开展这项研究工作具有重要的现实意义和广阔的

应用前景。

首先，本文首先建立九自由度车辆动力学模型，包括车身模型、轮胎模型、发

动机模型、传动系模型、制动系统模型，用MATLAB/SIMULINK实现数学模型到

仿真模型的转化，并对模型进行仿真与验证，为后面控制系统的理论研究提供正确

的车辆模型。

其次，以横摆角速度和质心侧偏角作为控制量，确定稳定性控制策略总体方案

名义横摆角速度和名义质心侧偏角由线性二自由度车辆动力学模型和路面附着系数

决定。运用滑模变结构控制理论，基于质心侧偏角和横摆角速度这两个控制变量设

计了横摆力矩控制器。并以横摆角速度名义值和实际值的偏差、转向盘转角、转向

盘转角速度作为输入，设计合适的制动力分配策略。

最后，在不同工况下对带有电子稳定性控制器和不带电子稳定性控制器的车辆

模型进行仿真试验，验证了该ESP控制算法的有效性和鲁棒性。

关键词：电子稳定系统　汽车建模　控制策略　仿真

ABSTRACT

E S P (E l e c t r o n i c S t a b i l i t y P r o g r a m) i s t h e a n t i - l o c k b r a k i n g s y s t e m ( A B S ) a n d

driving control system (TCS), and other technologies developed on the basis of a new

k i n d o f a c t i v e s a f e t y c o n t r o l s y s t e m . E S P r e a l - t i m e m o n i t o r i n g o f r u n n i n g a t t i t u d e ,

according to the driver of the vehicle's operation (including the driver on the steering

wheel, brake pedal, gas pedal operation), the decision out of ideal vehicle running, make

sure that the vehicle's stability and security. In China, the research in this field is at very

b e g i n n i n g . A s a r e s u l t, t o s t u d y E S P i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e f o r o u r c o u n t r y a n d

it also has broad application prospect.

In this paper, a 9 degree-of-freedom (DOF) vehicle dynamics modeling based on

E S P i s e s t a b l i s he d , w h i c h i n c l u d e s t h e b o d y m o d e l, t i r e m o d e l, e n g i n e m o d e l,

powertrain model, and braking system and then transform mathematical model into the

s i m u l a t i o n m o d e l u s i n g M A T L A B / S I M U L I N K. T h e r e s u l t s h o ws t h a t th e v e h i c l e

m o d e l p r o v i d e s a r e l i a b l e f o u n d a t i o n f o r r e s e a r c h i n g o n s t a b i l i t y

control system.

S e c o n d l y , t h e o v e r a l l s t r a t e g y o f e l e c t r o n i c s t a b i l i t y p r o g r a m i s d e s i g n e d ,

which has two control variables: yaw rate and sideslip angle. The nominal yaw rate and

no m i n a l s i d e s l i p a n g l e a r e d e t e r m i n ed b y 2 D O F l i n e a r m o d e l a n d r o a d a d h e s i o n

c o e f f i c i e n t. Ba s e d o n v a r i a b l e s t r u c t u r e c o n t r o l w i t h s l i d i n g m o d e

theory, yaw-moment controller is built. According to the deviation between the actual

ya w r a t e a n d t h e n o m i n a l v a l u e, s t e e r i n g w h e e l a n g l e a n d s t e e r i n g w h e e l a n g l e

speed, the appropriate strategy of braking force distribution is established.

Finally, a simulation platform based on ESP is developed, and effective analysis is

d o n e b y c o m p a r i n g t h e p e r f o r m a n c e o f c a r s w i t h a n d w i t h o u t E S P i n

different conditions, which proves the validity and the robustness of the control

strategies.

Keyword：ESP, vehicle modeling, control strategy, simulation

目  录
摘  要........................................................................................................................I
ABSTRACT...........................................................................................................II
目  录......................................................................................................................III
第一章　绪 论.........................................................................................................1
§1.1 课题的背景与意义......................................................................................1
§1.2 ESP系统介绍...............................................................................................2
§1.3 ESP国内外研究现状...................................................................................3
§1.4 本文的主要内容..........................................................................................4
第二章　汽车动力学模型的建立及SIMULINK实现.........................................6
§2.1 车辆动力学模型的简化及假设..................................................................6
§2.2 车体模型的建立..........................................................................................6
§2.3 轮胎模型......................................................................................................8
§2.4 制动系统模型............................................................................................10
§2.5 发动机模型................................................................................................12
§2.6 转向系模型................................................................................................13
§2.7 车辆动力学模型的验证............................................................................13
§2.8 本章小结....................................................................................................16
第三章　汽车ESP控制策略................................................................................17
§3.1 汽车ESP控制策略总体方案.....................................................................17
§3.1.1
控制目标
..............................................................................................17
§3.1.2
控制变量的选择
..................................................................................17
§3.1.3
车辆
ESP
控制策略的整体结构
...........................................................18
§3.2 理想状态下参考模型的建立....................................................................19
§3.2.1
名义横摆角速度的计算
......................................................................20
§3.2.2
名义质心侧偏角的计算
......................................................................21
§3.2.3
路面附着系数估算
..............................................................................21
§3.3 质心侧偏角模块........................................................................................21
§3.3.1
质心侧偏角的估算方法
......................................................................21
§3.3.2
质心侧偏角的控制准则
......................................................................23
§3.4 横摆力矩控制器设计................................................................................24
§3.4.1
滑模变结构控制系统的基本原理
......................................................24
§3.4.2
滑动模态的条件
..................................................................................25
§3.4.3
滑模变结构控制的特点
......................................................................26
§3.4.4
横摆力矩控制器设计
..........................................................................26
§3.5 制动力决策方案........................................................................................30
III

§3.6 本章小结....................................................................................................32

第四章　汽车ESP仿真试验及分析....................................................................33

§4.1 操纵稳定性评价的主要内容....................................................................33

§4.2 角阶跃试验................................................................................................34

§4.3 蛇行试验....................................................................................................36

§4.4 本章小结....................................................................................................39

第五章　结论与展望............................................................................................40

参考文献................................................................................................................41

参考文献

第一章　绪论

§1.1 课题的背景与意义

近年来，随着社会的发展，人们的生活水平的提高，汽车大规模的走进社会

生产生活中。但同时也带来了一系列的社会问题，如环境污染、能源消耗、交通安

全等。其中，最引人关注的问题是，由于汽车数量的不断增多，驾驶者驾驶水平

的参差不齐，车速的不断提高，交通环境的改变，以及驾驶者的违章驾驶等各种

原因所导致的交通事故。据统计[1]，全世界每年交通事故造成的死亡人数超过50

万，受伤人数超过1200万，经济损失超过500亿美元。交通事故已成为世界性的社

会问题，严峻的现实使人们不得不重视汽车安全问题。

随着汽车技术的进步以及道路交通条件的改善，汽车的车速在不断增加，车

辆在高速下失稳引起的事故也逐渐增多。奥迪公司的调查研究表明 [2]，在高速行

驶所发生的交通事故中，行驶车速在80km/h到100km/h之间，有大约40%的事故与

车辆失去稳定有关；相关的研究还表明[3]，若车速越高，汽车失去稳定所引发的

交通事故所占的比例就会越大，当行驶车速超过160km/h时，几乎所有的交通事

故都与车辆失去稳定有关。日本丰田公司的研究也指出，在失去控制而发生严重

交通事故的车辆中，82%的车辆在失去控制后还行驶40米以上。由于汽车失稳而导

致的交通事故大部分是由于难以控制汽车的侧滑运动而造成的。

因此，人们为了提高车辆行驶时的操纵稳定性，提出了通过主动控制汽车的

侧滑运动来确保车辆稳定性，使潜在的事故化险为夷，降低经济损失，减少人员

伤亡。

作为一种新型主动安全控制系统，车辆电子稳定系统ESP（Electronic

Stability Program）通过传感器了解车辆的运行状态，横摆惯量以及抱死情况，

当车辆有失去稳定的趋势时，对发动机系统进行控制，改变车辆的牵引力，或者

对某个车轮施加相应的制动力，使车轮的附着力增加，车辆的行驶状态恢复平衡

从而避免交通事故的发生。

ESP具有广阔的市场前景。数据显示，2008上半年，在德国的小型车辆电子稳

定系统ESP装配率为42%，比2007年增加了4百分点。81%的新注册乘用车ESP，较

2007年上升了2百分点。在整个欧洲，小型车辆电子稳定系统ESP装配率达53%，上

升了3个百分点。与欧美一些发达国家相比，我国的ESP装配率还处于起步阶段。

2008年，我国新注册乘用车ESP装配率仅8%，但较2007年上升了2百分点。随着汽

车市场的不断发展，未来装配ESP的车辆必会显著增加。但是，由于欧美一些发达

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汽车ESP控制策略的仿真研究摘要ESP（电子稳定系统）是在汽车防抱死制动系统(ABS)和驱动力控制系统(TCS)等技术的基础上发展起来的一种新型主动安全控制系统。ESP实时监控汽车的运行姿态，依据驾驶员对车辆的操作(包括驾驶员对转向盘、制动踏板、油门踏板的操作)，决策出理想的车辆运行状态，确保车辆行驶的稳定性和安全性。然而我国在此领域的研究才刚刚起步，开展这项研究工作具有重要的现实意义和广阔的应用前景。首先，本文首先建立九自由度车辆动力学模型，包括车身模型、轮胎模型、发动机模型、传动系模型、制动系统模型，用MATLAB/SIMULINK实现数学模型到仿真模型的转化，并对模型进行仿真与验证，为后...

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