车辆操纵与转向动力学研究现状

第一篇：车辆操纵与转向动力学研究现状

车辆操纵与转向动力学

研究现状

姓名：赵方 班级：研1002班

学号：2010020038 指导老师：林慕义

完成日期：2011年1月3日

目录

一、国内外发展现状.................................................................................................2

1、汽车操纵动力学的研究现状..........................................................................2

2、车辆四轮转向技术发展现状..........................................................................4

二、车辆操纵与转向动力学的新发展.........................................................................5

1、智能方法在车辆操纵稳定性中的应用研究.....................................................5

2、虚拟仿真在汽车操纵稳定性研究中的应用.....................................................6

3、ADAMS在四轮转向车辆仿真研究中的应用..................................................7

三、存在的不足........................................................................................................8 前言.................................................................................................................................1 车辆操纵与转向动力学研究现状.......................................................................................2

四、努力的方向........................................................................................................9 总结...............................................................................................................................10 参考文献.........................................................................................................................11

I

前言

汽车操纵动力学的研究已经有70多年的历史。首先要研究的问题是具有怎样运动规律和行驶性能的汽车容易为不同的人所驾驶，其次要研究优化设计方法来提高汽车的操纵动力学特性[2]。随着汽车技术的飞速发展和道路条件的不断改善，车辆行驶车速大幅度提高，汽车的安全性能倍受重视，与汽车主动安全性能密切相关的操纵稳定性的研究日渐重要。传统的研究方法主要采用实车试验法，不仅需要耗费巨大成本，而且有些试验因其危险性而难以进行。近十多年来，由于计算机技术的飞速发展及对汽车动力学模型和轮胎模型的精确构建，以计算机仿真技术为手段来研究汽车的操纵稳定性成为必要和可能[4]。

电动助力转向系统是一种新型的汽车转向系统，具有以往任何助力转向系统所不具备的车速感应能力，其核心部件—ECU(电控单元)能根据车速和方向盘操舵力矩的不同决定是否助力以及助力的大小。随着现代汽车技术的迅猛发展，人们对汽车转向操纵性能的要求也日益提高。为了保证车辆在任何工况下转动方向盘时，都有较理想的操纵稳定性和转向轻便性，即使在停车情况下转动方向盘也能轻便灵敏，而高速行驶时又不会感到轻飘不稳，人们对转向系统进行了不断地改进。汽车转向系统的发展经历了简单的纯机械转向系统到机械液压动力转向系统，到电控液压动力转向系统，直到更为节能、操纵性能更优的电子控制式电动助力转向系统等几个阶段[1]。电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)是汽车动力转向的发展方向，是继液压动力转向系统之后，汽车转向技术的又一次飞跃。它具有体积小、重量轻、结构简单、安装和维修方便、节能环保的优点，更重要的是它具有优越的性能，如可随车速变化调整转向助力大小从而可获得不同的转向路感，可广泛应用于轿车、货车等众多车型，国外已有多家汽车公司采用此种先进的转向系统。我国汽车产业急需研究开发这种高新技术产品，因此对这种转向系统进行研究和开发是十分必要的[10]。

车辆操纵与转向动力学研究现状

控制策略的好坏直接决定整个电动助力转向系性能的优劣，为使转向系获得合适的助力矩，对电动机电流的控制是关键。近些年，国内外许多专家学者在汽车助力转向控制方面做了大量的研究工作，采用了诸如常规PID控制、模糊控制、等控制策略，并进行了仿真。从仿真效果来看，当汽车侧偏角较小时，仿真结果与试验结果较吻合，而当侧偏角较大时则出现较大偏差；并且这些控制方法的引入大多是针对转向系的某一方面性能，如仅提高手感或轻便性，对转向性能缺乏总体考虑。造成这一问题的重要原因是尚未建立起一个综合考虑轮胎接地转向特性和整车转向特性的汽车转向模型[1]。

一、国内外发展现状

1、汽车操纵动力学的研究现状

几十年来，国内外对汽车操纵动力学做了大量研究。国内主要集中在长春汽车研究所、清华大学、吉林大学等单位。国外主要集中在美国、日本和欧洲等汽车工业发达的国家和地区。现有的研究方法可以归结为开环方法和闭环方法。开环方法仅以汽车为研究对象，不允许驾驶员对汽车运动做出任何操纵修正动作，是汽车的固有特性。闭环方法将驾驶员与汽车作为统一的整体，即人一汽车系统，而不能忽略驾驶员的分析、判断和修正等操纵的反馈作用。

一般认为，1956年10月9日在英国伦敦机械工程师学会上所发表的5篇论文是公认的汽车操纵动力学领域的经典著作。其中的主要贡献是，把航空工业的“系统工程法”作为技术转移用于汽车操纵动力学。从 1956年以后到1969年的10余年间，尽管有关的基本理论有很大的发展，但基本特性并没有改变。20世纪60年代以前，基本上都是开环方法，所应用的基础是经典控制理论。20世纪70年代初，试验安全车(ESV)研究计划的实施，促使人们去研究实用的操纵动力学设计方法。各国研究人员依据大量试验与理论分析，首先提出了稳态响应特性、瞬态响应特性、回正特性和侧向滑移特性的安全容许极限，对操纵动力学特性进行客观评价。70年代中期以后，开始利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯行驶性能和转向轻便性等特性的感觉，进行主观评价。然而，人们发现：对汽

车的瞬态响应等特性，客观评价与主观评价甚至不一致，难以有效设计汽车的操纵动力学特性。原因是客观评价方法仍按照一般控制系统的要求提出，为开环方法。而主观评价却是驾驶人员按照一定的跟踪要求操纵汽车时对操纵动作难易程度的感觉，这种感觉不完全取决于汽车本身的特性，还取决于人的行为特性，取决于道路跟踪的要求。

20世纪80年代初，人们逐渐认识到在应用汽车模型中有一个基本的障碍，那就是对驾驶员的特性缺乏基本的认识。最早开始研究人一车闭环操纵系统的大概要算Mcruer等，他们作了不少飞行员一飞机闭环控制的研究，并推广到汽车上。但是这些工作没有考虑驾驶员的前视作用这个十分重要的因素。为此，MacAdam与McRuer等于1980 ,1981年相继提出了不同的“最优预瞄控制模型”。1982年郭孔辉提出了“预瞄跟随理论”和“预瞄最优曲率模型”，该模型仿真精度高、物理概念清晰、运算简单，并可应用于非线性系统。另外，在试验方面，考虑到驾驶员模型的进展程度不能满足主动安全性闭环设计的要求，以及安全试验设计方法只能在样车试制后采用并受自然条件限制等缺陷，研制了开发驾驶模拟器。这种模拟器缓和了理论研究的发展程度与汽车主动安全性闭环设计要求之间的矛盾。

20世纪90年代初，郭孔辉提出了闭环系统主动安全性的综合评价与优化设计方法，基于定常的驾驶员特性建立了以二个单项均方值指标为基础的综合性能指标，对汽车的主动安全性进行了较好的综合评价。90年代后期，赵又群等从驾驶员汽车闭环系统的角度，进行了系统模型建立、闭环系统微分方程求解的高精度方法、驾驶员不确定性的闭环操纵系统主动安全性评价、具有演变随机道路输入的闭环操纵系统主动安全性评价、驾驶员汽车闭环系统主动安全性的优化设计等问题的系列研究，为驾驶员汽车闭环系统主动安全性的客观评价与优化设计提供了一定的理论依据。1998年Crolla等给出了汽车操纵性的主客观综合评价方法。20世纪90年代以来，利用开发型驾驶模拟器进行驾驶员一汽车一环境闭环系统主动安全性研究，改善汽车操纵动力学特性，是国际上主要的发展方向之一。

对于汽车操纵动力学的闭环方法，理论研究和模拟试验都是从与主观评价指标相一致的易操纵性开始的。每个驾驶员作为个体，他的驾驶技能是千差万别的。因此，驾驶员的建模问题，始终是驾驶员一汽车闭环系统操纵动力学研究趋于成熟和实用化的一个“瓶颈”问题。为了避开驾驶员建模的一些难以解决的问

题，美国学者Bernard等较系统地研究了汽车操纵逆动力学问题。2000年，英国的Casanova等研究了最速操纵问题，虽然没有提出一般的解法，但也可归结于汽车操纵动力学的“逆问题”。到目前为止，关于汽车操纵逆动力学问题的研究还处于初期阶段[2]。

2、车辆四轮转向技术发展现状

随着人们对四轮转向这一领域研究的不断进展，备公司在提高汽车稳定性方面所持的侧重点也备不相同。在4WS客车的研究和开发方面主要是探索由于后轮参与转向而带来的车辆响应变化以及采用备种转向控制策略而产生的差异。但到目前为止，4WS还是一种新兴技术，人们对它的研究途径很多，这些将会使4WS系统更加完善。

目前以日本的Nissan公司为代表的西方国家的各大汽车公司都开始致力于4WS的研究。Nissan公司为它的Nissan300ZX和Infiniti汽车设计了SUPER HICAS系统，可以根据车速和方向盘的转向条件来控制后轮的转向。Nissan公司的Fukunaga发表的论文研究了三种不同的控制方式下，汽车的动态响应特性t并试图找出优化的控制方法。Mazda公司在他的新型豪华Sentia轿车上安装了电控的四轮转向系统，它可以根据前轮转角和车速来转动后轮。Mazda公司的Nakamoto，Masatome和Kanesllina提出了车辆横摆中心的概念。美国California大学的John C，Whitehead采用转向盘的转动力矩作为系统的输入而不是传统的转向角输入，研究了4WS的稳定性结果。还说明了在纵列式驻车这样的情形下，车辆的操纵灵话性不会得到显著的改善，这是由于在有限的空间里转弯时，虽然转弯半径减小，但4WS车尾部更易于撞到障碍物。现在已投入的4WS汽车普遍受到各界的关注和认同，但并不完全一致。

国内对于4WS系统的研究主要集中在几所大学里进行的，像北京理工大学、吉林工业大学、上海交通大学等高校，在国内的汽车行业中基本上还没有展开4WS的研究和开发工作。高校由于条件的限制特别是试验条件和试验经费的限制，对于4WS的研究基本还处于初级阶段，其研究的重点主要是4WS车辆的动力学响应和控制方法的研究。其中北京理工大学则在轻型卡车上安装了4WS系统，并进行了一些试验尝试。总的说来国内对4WS系统的研究基本还处在理论研究阶段。目前，国内外已有至少6种不同的4WS系统在处于不同的投产和研制阶段。这些系统的主要区别在于其驱动后轮转向的控制器和控制策略的不同。以及采用的控制方式的差别。但是这些4WS系统的研究基本是基于一个简单的两自由度的车辆模型。这种模型在研究时忽略了诸如悬架运动、侧向质量转移和底盘转动等很多重要因素的影响，因而不是非常精确的，对汽车4WS系统的进一步研究还有待于深化。目前随着电子技术的发展，汽车也越来越广泛地应用各种电子设备。而4WS作为改善汽车操纵稳定性的重要途径，也不仅仅单独应用在汽车上，它往往与4WD、ABS等共同应用，从而改善汽车的操纵稳定性、动力性、制动性等汽车的综合性能来满足人们对汽车越来越高的要求[5]。

二、车辆操纵与转向动力学的新发展

1、智能方法在车辆操纵稳定性中的应用研究

汽车操纵稳定性的研究方法通常包括开环方法和闭环方法。开环方法：已知汽车模型、道路模型和驾驶员操纵输入，来求得汽车的运动状态(汽车响应)。闭环方法：已知驾驶员汽车闭环操纵系统模型和驾驶员所要跟随的理想路径，驾驶员不断的观察、判断和修正操纵输入，来求得汽车跟随理想路径的最佳运动状态(汽车响应)。汽车操纵逆动力学的研究思路与“正问题”的不同。它是在已知汽车模型、汽车的运动状态(汽车响应)的基础上，反求得所允许的驾驶员的操纵输入，进而分析什么样的操纵，才是大多数驾驶员所容易接受的、行驶最安全的和最快速的等。

径向基函数(Radial Basis Function，简记为RBF)刚络是前向神经网络中的一类特殊的三层神经网络。其隐含层单元的作用函数采用非线性的径向基函数，以对输入层的激励产生局部化响应，即仅当输入落在输入空问某一规定的小范围内时，隐单元才会做出有意义的非零响应，输出节点则对隐节点的基函数输出进行线性组合。其基本结构图是一个三层前向神经网络：输入层、隐含层(中间层)、输出层。径向基刚络能很好地拟合任意有限值函数，而且能通过快速的设计来取代漫长的训练。

角阶跃试验是目前检测汽车瞬态横摆响应性能常用的试验方法之一。根据公式以及轿车参数，进行汽车操纵稳定性“正问题”的仿真计算，其目的是为得到RBF神经网络所需的输入样本和输出样本。以横摆角速度仿真值为输入样本，方向盘转角值为输出样本，建立RBF神经网络模型。网络训练结束后，为检验RBF网络模型的识别精度，另取一组“正问题”得到的横摆角速度数据，代入已训练

好的网络中，识别汽车的方向盘转角。

根据仿真试验数据，由汽车的横摆角速度响应识别出了方向盘的转角输入。识别结果表明，该方法便于操作，且精度较高、运算速度较快。因此，将人工神经网络应用于汽车操纵动力学的研究是合适的。

[3]

2、虚拟仿真在汽车操纵稳定性研究中的应用

自1989年美国计算机科学家雅龙·拉尼尔提出后，虚拟现实技术发展十分迅速，被广泛地应用到汽车的设计和开发中。德国几乎所有的汽车制造公司都建成了自己的虚拟现实开发中心。Daimler-Benz汽车公司已成功地将虚拟试验技术用于系列化高速轿车的产品开发中，设计者只要给出新车型、新部件的设计方案和参数，就可以通过汽车动态仿真器进行仿真试验，从而准确地预测和评价新型汽车的动力学特性。通用汽车公司有一套被称为“虚拟眼睛”(Virtual Eyes)的虚拟现实设计系统，该系统主要目的是评价车身内外饰的设计效果。福特汽车公司在新型汽车设计和开发中已经大量应用虚拟现实技术。宝马公司能在7个系列的产品开发中都应用虚拟产品研发的解决方案。丰田公司实施了“前期装载”的概念，进行早期的虚拟设计并配合相应的流程改进，使研发时间和成本降低了30％-40％。在1999年，美国的Zhang，Y等人应用虚拟现实技术研究车辆移线试验，给出了动力学和操纵稳定性的试验结果，这些结果包括轮胎的受力、转向轮在转向时压力分布及长安大学硕士学位论文轮胎的压痕的变化、转向轮在转向时倾斜的位置，这些试验结果是用图像实时显示出来的。

与国外相比，我国采用虚拟现实技术来进行汽车性能的研究起步较晚，但近年来发展迅速，一些高等院校如长安大学、吉林大学、中国农业大学、合肥工业大学、昆明理工大学在这方面也取得了不少成果。长安大学汽车学院建立了人．车一路(环境)联合运行虚拟仿真平台，该平台由RC(Reality Center)系统、模拟驾驶操纵台和数据采集系统组成。驾驶人利用模拟驾驶操作台结合显示系统在虚拟场景中进行仿真试验，研究人员根据仿真过程获得的试验数据进行相应的研究和评价。该系统可以进行人一车．路系统的协调性研究、道路安全性评价和车辆性能虚拟试验。吉林大学动态模拟国家重点试验室从人-车-环境系统的整体性能为出发点，能够对汽车主动安全性能进行全工况的仿真研究。在动态仿真系统中，可以设定系统相关的各种参数，对人-车-环境进行全工况的仿真；能够对驾驶员模型进行比较精确的模拟，克服了驾驶员行为模型难以用数学描述的困难，系统

[4]

具有汽车实车场地试验所无法比拟的优势。中国农业大学尹念东、王树凤等人设计了一套桌面虚拟现实系统(DesktopVR)。利用该系统开发了一种汽车操纵稳定性虚拟试验平台，并在平台上进行了汽车双移线的虚拟试验。但建立的车辆仿真模型过于简单、缺乏真实感，也没有车内仪表部分，无法以驾驶员的角度来进行虚拟试验。昆明理工大学熊坚、曾纪国等人研制了用于汽车操纵动力学仿真的虚拟场景自动生成软件，结合汽车操纵动力学仿真数学模型和相关软件，初步建立了一个具有真实视觉感的、实时的汽车操纵动态仿真系统。但是该系统在虚拟试验时不能自行控制，不能进行人机交互，且试验过程中无法实时地查看试验数据。合肥工业大学汪文龙利用ADAMSNiew模块建立了某轿车的整车模型，进行了稳态回转试验、转向盘角阶跃输入、转向盘角脉冲输入等试验，并建立了基于OpenGL的虚拟试验场。浙江大学刘星星、杨绪剑等应用ADAMS软件进行了转向盘转角脉冲输入的汽车操纵稳定性分析试验，利用虚拟仿真软件WTK创建虚拟试验系统，并应用ADAMS仿真分析结果驱动虚拟试验系统的汽车模型，实现了整个虚拟试验系统的动态仿真。这些方法由于采用ADAMS软件作为基本软件平台，缺乏地形、道路、环境的三维建模功能，进行二次开发也较为困难[4]。

3、ADAMS在四轮转向车辆仿真研究中的应用

虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，这项技术以机械系统运动学、动力学以及控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法，可以显著提高设计质量，降低产品开发成本，极大地提高企业的创新能力、竞争能力和经济效益。目前，市场上已有多种成熟的虚拟样机技术的软件，大都是国外机械动力学公司所开发。较有影响的有美国机械动力公司(MechanicalDynamics Inc．)的ADAMS，CADSI的DADS，德国航天局的SIMPACK，其它还有Working Model、Flow3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、Pamcrash等等。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以使用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学，运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。

ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用

专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。基本的ADAMS配置方案包括交互式图形环境ADAMS View和求解器ADAMS／Solver。ADAMS／View采用分层方式完成建模工作，它将一组构件通过机械运动副连结在一起，通过将运动激励作用于运动副或构件形成机械系统。ADAMS／Solver则自动建立机械系统模型的动力学方程，并提供静力学、运动学和动力学的解算结果。仿真结果采用形象直观的方式描述系统的动力学性能，并将分析结果进行形象化输出。ADAMS的设计流程，它包括以下5个方面：（1)创建模型，在创建机械系统模型时，首先要创建构成模型的机构，它们具有质量、转动惯量等物理特性。使用ADAMS／View创建的物体有三种：刚体、点质量和弹性体。创建完物体后，可以使用约束库建立两个物体之间的约束副，这些约束副确定物体之间的连接情况以及物体之间是如何相对运动的。最后，通过施加力、力矩或者运动，以使模型按照设计要求进行运动仿真。（2)测试和验证模型，创建完模型后，或者在创建模型的过程中，都可以对模型进行运动仿真，通过测试整个模型或者模型的一部分，以验证模型的正确性。在进行仿真时，ADAMS／View可以通过测量曲线直观地将显示仿真的结果。（3)细化模型和迭代，通过初步地仿真分析，确定模型的基本运动后就可以在模型中增加更复杂的因素以细化模型。为了便于比较不同的设计方案，可以定义设计点和设计变量，将模型进行参数化，这样就可以通过修改参数自动地修改整个模型。（4)优化设计ADAMS／View可以自动进行多次仿真，每次仿真改变模型的一个或多个设计变量，帮助找到机械系统设计的最优方案。（5)定制界面为了使ADAMS／View符合设计环境，可以定制用户界面，将经常需要改动的设计参数制定成菜单或者便捷的对话窗，还可以使用宏命令执行复杂和重复的工作，提高工作速度。

[6]

三、存在的不足

尽管国内外研究者做了大量理论与应用研究，目前汽车操纵逆动力学的应用仍存在许多问题。频域法虽可以用于稳态响应情况，但应用于瞬态响应情况有较大局限性。时域法尚不完善，因其对汽车运动的边界条件和初值条件比较敏感，求解精度不甚理想，而且稳定性、鲁棒性均有待提高。在求解精度方而，模态参数的确定和高阶模态截断会带来模型或计算误差。如果幂级数的收敛性、稳定性差，则级数展开法具有明显的缺点。源于控制理论的逆系统的正问题解法，则由于逆系统存在的条件较苛刻，应用受到极大的限制。因为逆问题求解过程呈现着

强烈的非线性，本身十分复杂，再加入汽车非线性将使难度大幅度增加。目前的汽车操纵逆动力学的研究对象仍停留在以线性系统为主的水平上，这与工程实际中的需要相差较远。另外，汽车操纵逆动力学问题的实验验证也是急需解决的问题[2]。

动力转向系统不仅较好地解决了转向轻便和转向灵敏的矛盾，还能提高行驶安全性和舒适性，呈现出汽车的一大发展趋势，比较成熟的是液压动力转向系统，但该系统无论是否转向都需要消耗一定的能量，电动液压助力转向系统已经在部分车上采用，但液压装置的固有缺陷仍不能根除。

[10]

四、努力的方向

汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后，EPS在轿车和轻型汽车领域正逐步取代传统液压助力转向系统并向更大型轿车和商用客车方向发展，它己成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，具有广泛的应用前景[1]。

汽车操纵逆动力学的研究，将会解决虚拟样车设计阶段中汽车行驶安全性、汽车最佳行驶性能的动态仿真与控制等关键问题，为汽车操纵动力学优化设计和汽车/赛车运动员训练提供理论指导。今后一个时期，可以从方向盘力输入下汽车操纵逆动力学的研究和计算智能在汽车操纵逆动力学上的应用研究进行尝试，以期解决“最速问题”中汽车的可操纵性问题中驾驶员的负担与速度的综合评价问题、用汽车操纵逆动力学的结果来识别闭环方法中驾驶员模型参数问题、驾驶员的生理极限实验验证问题等[2]。

电动助力转向系统较液压动力转向表现出很多优点，继电子技术在发动机、变速箱、控制器和悬架等系统得到广泛应用之后，国外汽车电动助力转向已部分取代传统液压动力转向，电动助力转向已成为世界汽车技术发展的研究热点。研究和开发电动助力转向系统是与汽车发展巾的安全、环保、节能二大主题相吻合的，具有一定的现实和长远意义。电动助力转向系统研究已被我国列为高科技产业项目之一。我国汽车产量正以每年30%的速度递增，2004年汽车产量已突破500万辆，目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向，仅有少数采用电动助力转向。按照发展趋势，今后大部分微型车和轿车都将采用电动助力转向，因此电动助力转向的市场前景十分广阔，对电动助力转向系统的研究具有很重要的理论价值和实际意义[10]。

总结

随着社会的不断发展进步和人们生活水平的不断提高，自20世纪80年代以来，国内、国际汽车市场的竞争变得空前激烈，用户对操纵稳定性、转向灵敏性的要求越来越高。然而，汽车本身是一个复杂的多体系统集合，外界载衙的作用复杂多变，人、车、环境三位一体的相互作用，致使汽车动力学模型的建立、分析、求解始终是一个难题。基于传统的解决方法，需经过反复的样车试制、道路模拟试验和整车性能试验。如此，不仅需花费大量的人力、物力、财力和漫长的时间，而且有些试验由于存在危险性而难以进行。ADAMS软件采用虚拟样机模拟技术，为上述问题提供了一种较好的解决方案。虚拟样机模拟技术可以用于指导和修正设计，按照并行工程的概念组织产品设计和生产，在真正意义上实现整车系统优化设计[9]。

EPS系统可以很容易地实现在全速范围内的最佳助力控制，在低速行驶时保证汽车的转向灵活轻便，同时兼具在高速行驶时保证汽车转向稳定可靠。与传统的转向系统相比，EPS系统结构简单、灵活性大，可以获得理想的转向操纵稳定性，能动态地适应汽车行驶状况的变化，在操纵舒适性、安全性、节能等方面也充分显示了其优越性。虽然目前应用还不很广泛，但具有非常广阔的市场前景。据专家预测，EPS的产量正以10%的速度增加，到2010年，全世界30%的轿车已基本都安装EPS。与电控液压助力转向系统相比EPS用电能取代液压能，减少了发动机的能量消耗，符合汽车发展中的安全、环保、节能二大主题，已成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]杨孝剑.汽车电动助力转向系统的动力学分析与控制研究[[D],合肥工业大学硕士学位论文,2003.04 [2]赵又群,尹浩等.汽车操纵逆动力学的现状与发展[J].中国机械工程,2005,6(1):77-82．

[3]马兆允,尹浩.智能方法在车辆操纵稳定性中的应用研究[J].科技资讯,2007(34):6-7.[4]彭鹏峰.汽车操纵稳定性虚拟仿真研究[D],长安大学硕士学位论文,2008.05.[5]焦凤.四轮转向汽车虚拟样机与闭环控制操纵动力学仿真[D],东南大学硕士学位论文,2004.03.[6]陈烨.基于ADAMS的四轮转向车辆仿真研究[D],南京林业大学硕士学位论文,2009.06.[7]杨昌明,高举成,张兆合.汽车稳态转向动力学分析及稳态响应特性判别[J].动力学与控制学报,2010,8(2):188-192．

[8]逯海燕.汽车电动助力转向系统动力学分析[D],重庆交通大学硕士学位论文,2010.04.[9]龙建云.虚拟仿真技术在汽车操纵动力学设计中的应用[D],江苏大学硕士学位论文,2009.06.[10]王万永.汽车电动助力转向系统动力学分析与控制研究[D],哈尔滨工业大学硕士学位论文,2008.06.[11]Masahiko Kurishige,Takayuki Kiful Noriyuki Inoue,Usumu Zeniya and Shigeki Otagki.A Control Strategy to Reduce Steering Torque for Stationary Vehicles Equipped With EPS.SAE Paper 1999-01-0403 [12] Roy McCann.Variable Effort Steering for Vehicle Stability Enhancement Using an Electric Power Steering System.SAE 2000 World Congress Detroit, Michigan March 6-9, 2000 [13]Aly Badawy.Jeff Zuraski.Farhad Bolourchi and Ashok Chandy, Modeling and Analysis of an Electric Power Steering System.SAE Paper，1999-O1-0399 [14]Yoshihiro Ikushima，Kaoru Sawasc．A Study 011 the Effects of the Active

Yaw Moment Control[p]．SAE Paper 950303：425-433 [15]Heinz Lcffler．Considemtion of Lateral and Longitudinal Vehicle Stabilityby Function Enhanced Brake and Stability Control System[J]．SAE Paper,No．940832，1994

第二篇：车辆动力学论文

车辆动力学稳定性的研究

摘要：近年来，汽车动力学控制得到广泛的研究。兼容了ABS和TRC的优势，车辆动力学稳定性控制（VDC）使车辆在各种路面和各种工况下都获得良好的操纵稳定性和方向性，大大降低交通事故的发生及其伤害。本文从理论上研究了汽车稳定性控制的基本原理和稳定性控制策略，以及路面状况、转向角、车速对汽车操纵稳定性的影响。采用MATLAB/Simulink建立车辆模型进行稳定性仿真分析。关键词：动力学；稳定性控制；阈值控制；

引言

车辆动力学是近代年发展起来的一门新兴学科。随着人类社会的发展和人们生活水平的提高，人们对车辆动力学稳定性提出了更高的要求。自20世纪70年代末，从飞机设计技术中引入的防抱死制动系统（Anti-lock Braking System，简称ABS）可以称得上是向车辆底盘控制迈出的第一步，ABS通过限制制动压力来保证车轮的最佳滑移率，从而避免了车轮的抱死。随后，通过限制发动机输出转矩防止车轮滑转的驱动力控制系统（Traction Control System，简称 TCS）在20世纪80年代中期得到应用。到20世纪80年代末，在ABS和TCS的基础上，又成功地开发了防滑转控制（Acceleration Spin Regulation，简称ASR）装置，这种装置在车辆急剧变速时，可改善车辆与地面的附着力，避免车辆产生侧向滑动的危险。20世纪90年代初，研究人员根据轮胎印迹处的纵向力和横向力满足摩擦圆规律的原理，提出了在高速行驶中通过驱动力控制来保证车辆的横向稳定性的动态稳定性控制（Dynamic Stability Control，简称 DSC），它对车辆高速转动时制动特别有效。20世纪 90 年代末期，研究人员发现，车辆在高速行驶过程中的横向稳定度较小，通过调节四个车轮的纵向力而形成一定的回正力矩，就可以控制车辆的横摆角速度，由此提出了“直接横摆控制”（Direct Yaw moment Control，简称 DYC）算法，并经过试验验证了该算法的有效性。在此基础上，近年来又提出了限制一定侧偏角范围的车辆动力学控制（Vehicle Dynamics Control，简称 VDC）。自2000年以来，VDC系统得到了世界各国汽车厂商的关注，并进行开发研制。

用户对车辆稳定性的需求是车辆动力学稳定性控制发展的动力，而车辆动力学技术的发展为车辆动力学稳定性控制进一步发展提供了技术保障。动力学稳定性控制(VDC)出现，它兼容了ABS和TCS的优势功能，利用车辆动力学状态变量反馈来调节车轮纵向力大小及匹配，统计分析知：VDC 能够大大降低交通事故的发生及其伤害。车辆动力学稳定性控制方法

1.1 车辆动力学控制模型介绍

车辆动力学控制模型主要包含整车模型、轮胎模型和驾驶员模型。①

整车模型

在分析中采用的模型可以分为线性模型和非线性模型两类。也可以根据分析的自由度数分类，在动力学仿真中主要使用的模型一般有单轮模型、双轮自行车模型和四轮模型等。单轮模型一般应用于车辆牵引和制动研究，这种模型直观简洁。这一模型主要应用在 ABS 和 TCS 的控制策略的研究开发上。

双轮自行车模型结构相对简单，对于开发 VDC 而言采用两轮模型具有以下优势： 结构简单，运算量小，能够保证控制的实时性的要求。因此双轮自行车模型是进行 VDC 控制策略的开发及控制算法的研究的基础。

四轮模型更为真实地反映了车辆的实际情况。为了尽可能的接近车辆的实际情况，必须考虑悬架、轮胎和车身的非线性，以及车辆的动态非线性，因此在理论建模和分析过程中也有采用四轮多自由度车辆仿真分析模型。②

轮胎模型

轮胎对车辆的动力学控制具有非常重要的影响，因为车辆的一切动力学控制的外力都是来自轮胎和路面的附着作用。因此，轮胎模型和实际工况的符合程度决定了控制系统仿真分析及控制算法的精确性。

由 Pacejka 教授提出的“魔术公式”轮胎模型是动力学仿真分析应用的主要的模型。国内外学者在研究中常用到该模型以及其修正模型。

此外，在研究中，人们还可以运用梁模型、刷子模型、辐条模型以及 Swift 轮胎模型。然而，在研究中应用最广泛的仍然是“魔术公式”轮胎模型以及其修正模型。③ 驾驶员模型

在车辆的驾驶过程中，驾驶员是首要的控制元素。对于车辆动力学控制而言，车辆的实际操作过程中都需要考虑驾驶员的因素。因此，对驾驶员进行建模的思想在人—车闭环系统中进行了研究。在车辆主动安全控制系统中，如带有预瞄模型的 VDC 控制系统中都需要应用驾驶员模型。1.2 车辆动力学控制的策略和算法

VDC 控制系统的核心是控制策略和算法。控制策略和算法直接决定了控制系统的性能，这也是国内外研究的重点。①

控制变量的选择

为了进行车辆动力学控制，VDC 必须确定控制状态量。在光滑的路面上进行控制时，横摆角速度和横向加速度不对应，因此横摆角速度和侧偏角都必须加以门限控制。

轮胎的纵向力和横向力决定于滑移率、侧偏角和垂直力。因此轮胎的滑移率成为了基本的控制变量，控制车辆的横向力和横摆力耦矩。此外应当考虑纵向力控制和驾驶员输入实际的车辆的状态的估算等问题；同时车辆的侧翻角反映了车辆的抗侧翻性能，一般将其转化为翻转系数进行控制。VDC 的主控变量主要有以下五种：横摆角速度控制，；横摆控制+侧偏控制+侧翻控制；侧偏角控制主要有丰田，；横摆控制+侧偏控制；横摆控制+侧偏控制+主动转向等。②

控制器的实现策略

VDC 的控制系统一般都是利用理想的线性模型来预测车辆的运动状态，而实际的车辆横摆角速度由传感器来控制，实际的车辆侧偏角度通过为数不多的几个传感器信号及各种估算算法得到。将预测模型和实际测出的结果进行对比，基于差值进行控制，因此主要的控制是基于反馈理论的控制。当前采用的控制策略介绍如下。

反馈控制—目前市场上的 VDC 主要是采用横摆角速度反馈控制，将通过传感器测量得到的控制变量的数值和经过参考模型计算得到的数值进行对比，根据偏差进行控制。这也是相对成熟、实现成本较低的一种控制方式。

前馈+反馈控制—祁永宁等人将四轮转向和横摆力矩控制相结合，采用跟随理想模型的前馈加反馈控制，实现对侧偏角和横摆角速度的多目标控制。

模糊控制—由于系统存在非线性，延迟性，和参数的不确定性，因此可以采用模糊控制或则模糊PID控制来进行车辆动力学控制。在对ABS和四轮转向的研究中，人们广泛地采用了模糊控制以及模糊 PID 控制。

滑模控制—稳定性控制被视作与驾驶员驾驶意图的匹配，所以横摆角速度首要成为控制目标。但在低附路面上，实际的横摆角速度和预期的横摆角速度不能有效的阻止侧 偏角的增加和车辆的激转；过大的侧偏角降低了驾驶员的稳定性操作的质量。采用滑模控制方法能够实现更优的控制鲁棒性能：附着的变化，侧向坡度的变化，速度的变化，动态载荷变化。研究人员在对制动防抱死系统的研究中大量应用到滑模控制以及变形的滑模控制。

神经网络控制—由于路面-轮胎特性的非线性决定了VDC的控制策略基于非线性，所以确定合适的VDC控制器和有效的输出是一件困难的工作。非线性的控制策略可以通过神经网络（NN）和遗传算法获得。系统帮助驾驶人员进行道路修正，增强转向和直线行驶时的稳定性。

此外，研究人员在研究中还运用到了PID控制、最优控制、自适应控制、预瞄控制和相平面控制等方法。③

控制算法

VDC需要解决的问题包括：驾驶员驾驶意图的识别，车辆状态的测量和评估，控制目标的生成，系统执行的效率和平稳性，道路bankangle的测定，系统的开发和评估，以及错误测试等。为了对各种不同的路面作出不同的响应，必须对轮胎-路面之间的附着进行预估。采用较多的方式是利用卡尔曼滤波构造系统观测器，进行车辆操纵稳定性动力学信号的实时软测量。1.3 动力学仿真模型的建立步骤

基于数学模型的数字化虚拟样机仿真技术可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。是当今车辆研发领域的一项关键核心技术。以下是计算机仿真研究的关键步骤：

1）建立系统的数学模型

数学模型是系统仿真的研究依据，其对系统的近似程度需要根据仿真要求或者目的来调整。

2）建立仿真模型

一般的数学模型特别是复杂非线性问题不方便通过直接编程并用计算机求解，通常需要把数学模型通过一定算法对原系统的数学模型进行离散化等方便计算机求解的处理。

3）模型验证、试验结果分析

仿真程序负责在计算机内建立、解算、显示仿真模型和试验结果等工作，提供仿真平台，一般采用面向对象高级语言编写。目前有很多商业化的仿真软件，如MATLAB、ADAMS 等等。通过运行仿真程序，将仿真试验数据与实际系统试验数据进行比较、检验，确认模型是否足够代表实际系统，足够反映需求下的实际系统运行的特性，否则要通过结果分析对模型进行修改，直至达到仿真要求。

4）基于仿真模型进行进一步应用

经过不断调整，仿真模型足够反映需求下的实际系统运行的特性，采用仿真模型代替实际系统进行一些深入的研究应用，可以研究哪些参数的变化对性能的影响权重的灵敏度分析；系统在其特性或参数发生变动时仍可使品质指标保持不变的性能的稳健性分析，即系统对特性或参数变动的不敏感性等等。进一步的应用让仿真模型为解决实际工程化问题提供依托，甚至是完整的解决方案。VDC系统的基本原理

2.1 轮胎附着极限状态分析

车辆丧失稳定性时，汽车处于失控状态，出现转向半径迅速减少或迅速增大的严重的过多转向或不足转向，从而导致侧滑、激转、侧翻或转向反应迟钝等，在轮胎的侧偏 力达到饱和状态下，如果前轮首先达到侧偏力饱和极限，会产生“漂移” 现象、侧滑，维持车辆保持期望驾驶轨迹所提供的横摆力矩随之减少，车辆实际的转弯半径比驾驶员期望的要大，导致不足转向，如图1。

图1 车轮达到极限饱和

如果后轮首先达到侧偏力饱和极限，会产生“急转”现象，维持车辆保持期望驾 驶轨迹所提供的横摆力矩随之增大，车辆实际的转弯半径比驾驶员期望的要小，导致过度转向。这两种情况下车辆都处于不稳定状态，还可能导致侧翻或转向反应迟钝等，车辆的操纵性将难以预测和控制。一般的驾驶员很难通过方向盘控制前轮转角很难正确的调整车辆的运动状态，将车辆稳定下来，很容易发生危险，导致事故的发生。

在这种情况下，通过主动控制避免车轮达到极限饱和状态是非常有必要的。2.2 车辆动力学的稳定性分析

目前车辆动力学控制的主要控制目标有以下两种：一个是轨迹保持问题，这个可以由车辆的侧偏角来进行描述；另外一个是稳定性问题，可以由车辆的横摆角速度来描述。作为描述车身状态的两个主要变量，它们之间是相互耦合的。在横摆角速度较小的情况下，车辆的质心侧偏角主要由车辆的纵向力和横向力影响决定，但是直接控制车辆的纵向力和横向力是很困难的；如果只考虑横摆角速度，它的大小取决于质心位置的横摆力矩，最直观的施加横摆力矩的理想方式就是在车辆的两个对角的车轮上施加一对大小相等的但是方向相反的一个驱动力和一个制动力。需要选择一个变量作为主要控制变量，另外一个作为辅助控制变量，两个被控变量需要通过控制算法相互协调。

由于安全在主动控制中是最重要的，相对于轨迹保持，稳定性的重要性更强，所以，车辆动力学稳定性控制以稳定性控制为主，在非理想轨迹的情况下要首先保证汽车的稳定性。通过差动制动来控制车辆的横摆角速度，对于侧偏角的变化就是间接控制，进行适当的修正，尽量接近期望的轨迹。

驾驶员驾驶的理想目标是车辆行驶状态能够按照线性方式在变化，那么也可根据两个能控制变量的实际值与线性状态名义值的差值对汽车动力学稳定性进行判断，当两者差值较小时，粗略的认为汽车的行使状态是稳定的，不予以修正；但当差值变大超出某一额定范围时，认为汽车己经进入需要动力学稳定性控制的准稳定状态。

由于侧偏角的范围很难确定，而只使用横摆角速度状态变量进行反馈控制，实际汽车的横摆角速度ω和侧偏角β的确定：

横摆角速度由汽车上装有的横摆角速度传感器测得。侧偏角是由侧向加速度和横摆角速度积分估算出来：

（t）=0vydt v0t由各传感器测得的信号经过一定的算法和汽车模型运算后，便可以知道期望值与实际横摆角速度ω和侧偏角β,经比较器比较得Δω、Δβ。若在容许范围内，则VDC无须作用；若不在容许范围内，则根据Δω、Δβ的大小确定要产生的修正横摆力矩大小 ΔM。然后根据修正横摆力矩大小值确定各个车轮最优的滑移率。知道滑移率，根据轮胎模型便可以确定每一车轮的制动力大小，从而可以确定每一车轮的制动电磁阀的开关时间（或节气门开度），制动电磁阀工作后（或节气门开度改变）便实现对汽车的稳定性控制。车身状态参数的测量和估算

3.1 车身传感器和基本车身状态参数测量

主要的传感器有：方向盘转角传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、轮速传感器、制动压力传感器。

目前基本是将侧向加速度传感器和横摆角速度 2 个传感器进行一体化设计集成，通过 CAN 总线与 ECU 通讯。3.2 派生车身状态参数的估算

1）侧向加速度的估算：加速度计得到侧向加速度；

2）质心侧偏角的估算：本文采取质心侧偏角由侧向加速度和横摆角速度积分估算的方案：在纵向和侧向水平的路面上，忽略汽车点头和侧倾角，则汽车的质心侧偏角β可 由下式确定：

vx1vy2 21vv式中：v为车速；vy为侧向加速度；vx纵向加速度。若汽车车速变化不大，上式简化为

vyv，则：

t0dt00tvydt v0t

3.3 附着系数的估算

由汽车在垂直方向、纵向受力平衡及力矩平衡，得到下列 3 个方程：

N1N2mg

11dyFNNmbi21122234dt

dyN1Lmgl2mhdt将方程联立求解可得各轮的附着系数（参数下标 1, 2, 3, 4 分别表示各车轮对应参 数值）。VDC 系统经典控制仿真

ADAMS/Controls是ADAMS软件包中的一个集成可选模块。在ADAMS/Controls 中，可以通过简单的继电器、逻辑与非门、阻尼线圈等建立简单的控制机构，也可利用通用控制系统软件(如：MATLAB，EASY5)建立的控制系统框图，建立包括控制系统、液压系统、气动系统和运动机械系统的仿真模型。

Simulink 是 MATLAB 软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包。Simulink 提供了一些按功能分类的基本的系统模块，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以方便的构成所需要的控制类型的系统模型，进而进行控制系统仿真与分析。本文选用 Simulink 完成包括两自由度线性模型计算的 ECU 控制系统的设计。

通过ADAMS/Control接口把ADAMS/Car中建立的非线性整车模型作为Simulink中的S-function函数和控制模型联合起来进行VDC控制系统联合仿真分析。

图2 ADAMS多体模型-控制系统的联合仿真

如图 2 所示，ADAMS/Car 的车辆模型输入信号包括：左前轮制动力矩、右前轮制动力矩、左后轮制动力矩、右后轮制动力矩和发动机节气门调节信号，输出信号为四个车轮的转速、车身横摆角速度、质心侧偏角、方向盘转角和车辆前进方向速度等信号。VDC主控ECU为VDC系统的控制逻辑单元，该单元包括多个作用子系统。根据采集到的四个轮速信号、车身横摆角速度、侧偏角和前进速度等按照控制逻辑对四个轮子制动系统系统和节气门调节系统发出控制指令。制动调节系统采用脉冲信号结合ABS子系统进行输入，ABS控制采用结构简单、稳定性能好、可靠性高的PID控制实现；节气门信号通过在两个前轮上施加相同的制动力矩模拟。主控ECU内部采用不同的控制方法配合不同的控制策略可以达到不同的控制效果。4.1 基于 TCP/IP 分布式联合仿真

MSC.ADAMS 中的控制接口模块 ADAMS /Controls 有两种通信机制，即基于管道式的通信机制与基于 TCP/IP 的通信机制。管道式的通信机制运行速度较快，但不支持不同机器之间的通信。基于 TCP/IP，就可以在一台机器上运行 ADAMS 求解程序，而在网络上的另一台机器运行控制程序 MATLAB，两者之间进行信息的实时传递，实现动力学模型和控制系统的联合仿真。

本文选用 Simulink 完成控制系统的设计。在 ADAMS/Control 模块下，可以建立 与 MATLAB /Simulink 的接口，采用 client/server(客户端/服务器)模式，它的通讯过程 是基于 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）协议实现的。该协议中 接口是两个程序之间进行双向数据传输的网络通讯端点，有一个地址和一个端口号来标识。ADAMS/Control 服务程序在提供服务时在一个端口进行，使用该服务的客户机 Simulink 也必须连接该端口。4.2 车辆 VDC 的阈值控制

基于阈值控制的稳定性控制器的设计为：

本文将表征车身运动轨迹的质心侧偏角作为主要辅助门限；为了区分不同工况下的控制实施，添加横摆角速度上下限辅助判断门限作为是否施加控制的判断开关。

由实际横摆角速度和期望横摆角速度差值Δω触发 VDC 控制的执行，当Δω大于上限值 Ahigh，那么就施加反馈 Tout，反馈根据方向盘转角判断并确定其具体在哪个车轮上施加，例如当方向盘左转，驾驶员期望车身左向转弯时，轮胎达到附着极限，横摆角速度不能跟踪前轮转角变化Δω绝对值增大大于Ahigh，发生转向过度，需要施加反向的横摆力矩遏制继续增大趋势，根据单独车轮施加制动力对横摆力矩影响不同，确定在前外轮施加制动力；当Δω逐渐减小到低于Ahigh，停止施加制动力。

图3 横摆角速度阈值控制框图

如图

3、图 4 所示，修正横摆角速度，可以保证车辆的稳定性；车身轨迹通过辅助的质心侧偏角阈值控制修正。对两个前轮进行制动或者发动机进行加减速的调节。

图4 质心侧偏角辅助阈值控制框图

4.3 阈值控制仿真结果与分析

STEP 工况 Mu=0.2 车速 100Km/H 方向盘30度急转

图5 车身轨迹与横摆角仿真

图6 质心侧偏见与修正扭矩仿真

从上面图 5~图 6 可以看出，在摩擦系数很小的 mu＝0.2 的模拟冰雪路面下方向盘阶跃试验中，如果不采用 VDC，尽管轨迹能够基本按照驾驶员意图行驶，但是 从质心侧偏角和横摆角速度来看，车辆已经进入不稳定状态，很难再正确按照驾驶员的操纵行驶；采取 VDC 主动控制，轨迹较原曲线更加充分利用的地面的附着力，转向半径更小，而且质心侧偏角和横摆角速度都保持在稳定区域，车辆没有丧失稳定性。但是可以看出制动力控制的施加频率比较大，导致横摆角速度、质心侧偏角等都出现局部的小范围的锯齿状波动，这个是由于阈值控制的特性决定的，属于阈值控制的固有缺点，需要采用其他控制方法才能够有所改进。总结

本文结合线性两自由度理想模型，运用阈值控制，基于ADAMS多体动力学模型和 Simulink反馈控制模型的联合仿真，进行多种极限工况下的汽车操纵稳定性仿真试验研究，对车辆VDC系统的控制方法进行仿真分析。得到的仿真结果显示，阈值控制具有使制动力控制的施加频率较大，从而导致横摆角速度等出现小范围的锯齿波动的缺点，但是，车辆仍保持稳定。本文的不足之处：没有讨论其他控制方法对稳定性的影响，比如PID控制，模糊控制等。参考文献：

[1] 李健,管西强.滑模控制在车辆电控稳定系统中的应用[J].汽车工程,2004,26(3).[2] 赵治国.车辆动力学稳定性系统变结构滑模控制研究[J].中国机械工程,2003,14(2).[3] 朱德军,陈南,任祖平.基于 H∞理论的车辆稳定性控制[J].2005,1.[4] 丁海涛,郭孔辉,张建伟等.汽车 ESP 硬件与驾驶员在回路仿真试验台的开发与应用[J].汽车工程, 2006,28(4).[5] 程军.汽车防抱死制动系统的理论与实践[M].北京: 北京理工大学出版社,1999.[6] 李亚军，黄浩.虚拟样机技术及其应用[J].航空制造技术,2002(2):36.[7] 王凯湛,马瑞峻,胡健锋.虚拟样机技术在农业机械设计上的应用和发展[J].中国农机化，2008(8)：10.[8] 郭孔辉.轮胎附着极限下差动制动对汽车横摆力矩的影响[J].汽车工程,2002,24(2).[9] 王德平,郭孔辉.车辆动力学稳定性控制的控制原理与控制策略研究[J].机械工程学报,2000, 3(22).[10] 刘晓东,章晓明.基于ADAMS与NASTRAAN的刚柔耦合体动力学分析方法[J].机械设计与制造，2008(2):168-170.[11] 王德平,郭孔辉.车辆动力学稳定性控制的理论研究[J].汽车工程, 2000,22(1).[12] 程军.车辆动力学控制的模拟[J].汽车工程,1999,21(4).[13] 宋健.用于电子稳定程序的汽车模型和控制策略[J].公路交通科技,2004.5.[14] 陈祯福.汽车底盘控制技术的现状和发展趋势[J].汽车工程,2006,28(2).[15] 刘又午.多体动力学在机械工程领域的应用[J].中国机械工程，2000(8):10.

第三篇：车辆动力学概述

车辆动力学概述

回顾车辆动力学的发展历史，揭示车辆动力学研究内容及未来发展趋势，对车辆特性和设计方法也作了简要介绍。

1.历史发展

车辆动力学是近代发展起来的一门新兴学科。其发展历史可追溯到100多年前[1]，直到20世纪30年代初人们才开始注意车轮摆振问题等；而后一直到1952年间，人们通过不断研究，定义了不足转向和过度转向，建立了简单的两自由度操纵动力学方程，开始进行有关行驶平顺性研究并建立了K2试验台，提出了“平稳行驶”概念，引入前独立悬架等；1952年以后，人们扩展了操纵动力学分析，开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行性能预测，理论和试验两方面对动力学的发展也起了很大作用。然而，在新车型的设计开发中，汽车制造商仍然需要依赖于具有丰富测试经验与高超主观评价技能的工程师队伍，实际测试和主观评价在车辆开发中还有不可替代的作用。

2.研究内容

严格地说，车辆动力学是研究所有与车辆系统运动有关的学科。它涉及范围很广，除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应（纵向动力学）外，还有行驶动力学和操纵动力学。人们长期以来习惯按纵向、垂向和横向分别独立研究车辆动力学问题，而实际情况是车辆同时受到三个方向的输入激励且各个方向运动响应特性相互作用、相互耦合。随着功能强大的计算机技术和动力学分析软件的发展，我们已经有能力将三个方向的动力学问题结合起来进行研究。

纵向动力学研究车辆直线运动及其控制的问题，主要是车辆沿前进方向的受力与其运动的关系，按工况不同分为驱动动力学和制动动力学两大部分。与行驶动力学有关的主要性能及参数包括悬架工作行程、乘坐舒适性、车体的姿态控制及轮胎动载荷的控制等；而行驶动力学研究的首要问题是建立考虑悬架特性在内的车辆动力学模型。操纵动力学内容相当丰富，轮胎在其中起着相当重要的作用；通常操纵动力学研究范围分为三个区域，即线性域、非线性域和非线性联合工况。

3.车辆特性和设计方法 车辆动力学特性的设计方法主要以系统建模和分析为主，而车辆设计则可以是一个迭代循环的过程。在此，不得不提一下人们所期望的车辆特性。

在车辆纵向动力性能方面，人们期待车辆能够有很好的动力性、燃油经济性和制动性，为实现这些理想特性，就要对车辆的动力与传动系统及制动系统的良好设计来保证[2]。就乘坐舒适性而言，被广为接受的评价指标是使驾驶员和乘员所感受到的加速度水平降至最小。在操纵性方面，总体目标包括两个方面，一是对于风的扰动或不平路面的干扰车辆所产生的运动响应控制在最小范围，二是对驾驶员输入响应达到最优；实际中，驾驶员本身作用不容忽视。具体而言，所期望的车辆操纵稳定性可归纳为稳定性、可操纵性、一致性和常规性等四个方面，便于我们进行研究。

在实际研究中，我们可以通过对实际车辆的数学建模、动力学方程求解，然后再用所求得的结果对实际车辆进行分析解释。我们建模要能够准确描述车辆动力学特性，预测车辆性能并由此产生一个最佳设计方案，解释现有设计中存在的问题并找出解决方案。

4.发展趋势

传统的车辆动力学研究都是针对被动元件的设计而言，而采用主动控制来改变车辆动态性能的理念，则为车辆动力学开辟了一个崭新的研究领域。在车辆系统动力学的研究中，采用“人-车-路”大闭环的概念应该是未来的趋势。作为驾驶者，人既起着控制器的作用，又是车辆性能的最终评价者[3]。计算机技术和控制技术共同推动了现代汽车系统动力学的发展。

车辆的控制系统包括三大部分，即控制算法、传感器技术和执行机构。后两者在技术上可以解决，而作为控制系统的关键，寻求一个能够为车辆提供良好性能的控制律，则需要控制理论与车辆动力学的机密结合。

与传统的集中质量模型相比，近代发展起来的多刚体系统动力学可大大地提高复杂车辆模型的精度[4]，已经成为汽车CAE技术的重要组成部分。采用人-车闭环系统也将是未来汽车系统动力学研究的趋势[5]。

参考文献 [1] Lanchester F W.Some problems peculiar to the design of automobile.Automobile Engineers, 1908, II:187 [2] 喻凡，林逸.汽车系统动力学[M].北京：机械工业出版社，2005:7-10 [3] Dynamik D, Kraftfahrzeuge.汽车动力学[M].北京：清华大学出版社，2009:575-578 [4] Kortum W, Sharp R S.A report on the state of affairs on application of multi-body computer codes to vehicle system dynamics.Vehicle System Dynamics, 1991,20(3-4)：177-184 [5] Guo K H, Guan X.Modelling of driver/vehicle directional control system.Vehicle System Dynamics, 1993,22(3):141-184

第四篇：车辆动力学 综述

车辆动力学综述

人们常说控制一辆高速机动车的主要作用力产生于四块只有手掌般大小的区域——车轮与地面的接触区。这种说法恰如其分。对充气（橡胶）轮胎在路面生所产生的力和力矩的认识。是了解公路车辆动力学的关键。广义上，车辆动力学包括了各种运输工具——轮船、飞机、有轨车辆、还有橡胶轮胎车辆。各种类型运输工具的动力学所包含的原理，各不相同并且十分广泛。

车辆动力学主要分为车辆系统动力学和车辆行驶动力学。因为车辆性能——在加速、制动、转向和行驶过程中运动的表现——是施加在车辆上的力的响应。，所以多是车辆动力学的研究必须涉及两个问题：怎样以及为什么会产生这些力。在车辆上影响性能的主要作用力是地面对轮胎产生的反作用力。因此，需要密切关注轮胎特性，这些特性有轮胎在各种不同工况下产生的力和力矩所表征。研究轮胎性能。而不彻底了解其在车辆中的重要意义，是不够的：反之亦然。

车辆系统动力学的研究的主要方向是如何提高车辆的平顺性、稳定性以及安全性。主要将动力学原理用于车辆行驶系统的控制以及优化控制，包括轮胎、转向、悬架以及电控系统的分析研究，进而得到更优的力学特性。

1、悬架

传统的被动悬架具有固定的悬架刚度和阻尼系数，设计的出发点是在满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折中。被动悬架在设计和工艺上得到不断改善，实现低成本、高可靠性的目标，但无法解决平顺性和操纵稳定性之间的矛盾。20世纪50年代产生了主动悬架的概念，这种悬架在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振阻尼器。汽车悬架可分为被动悬架和主动悬架。主动悬架根据控制方式，可分为半主动悬架、慢主动悬架和全主动悬架。目前，主动悬架的研究主要集中在控制策略和执行器的研发两个方面。图1所示为上述各种悬架系统的结构示意图，其中K代表悬架弹性元件刚度，代表轮胎等效刚度，C。代表减振器阻尼，代表主动装置，代表非悬挂质量，代表悬挂质量。

（a）被动悬架（b）阻尼可测试半主动悬架（c）刚度可调式半主动悬架

(d)慢主动悬架(e)全主动悬架

图1各类悬架结构示意图（1）半主动悬架

半主动悬架系统介于被动悬架系统和全主动悬架系统之间。它只消耗少量的能量，可进行刚度或阻尼控制；半主动悬架比全主动悬架结构简单、成本低；自20世纪90年代以来半主动悬架系统已较为广泛地使用在高级汽车和军用汽车上半主动悬架可分为刚度可调式和阻尼可调式两种。目前，弹簧的刚度调节普遍通过空气弹簧或油气弹簧来实现。刚度可调式半主动悬架可提高汽车行驶的路面友好性，减

轻汽车对道路的损伤程度。福特汽车公司的Continental Mark VⅡ车型和丰田公司LEXSUS(LS400)车型上均成功应用了弹簧刚度有级可调的半主动空气悬架。全球汽车零部件供应商大陆集团为保时捷开发了弹簧刚度可调的空气悬架，装备于Panamera车型上。

（2）全主动悬架

A一执行元件 E一比较器 F一力传感器 P一电位器一控制阀 l一悬挂质量2一加速度传感器 3一信号处理器 4一控制单元 5一进油 6一出油 7一非悬挂质量 8一路面输入

图2全主动悬架工作原理

全主动悬架系统采用一个可控的执行器代替了被动悬架的相应部件，是有源控制系统。全主动悬架系统所采用的执行元件具有较宽的响应频带，为0～15Hz，有的高达100Hz，对车轮的高频共振也可以控制。全主动悬架系统结构复杂，主要由执行元件、各种传感器、信号处理器和控制单元等组成，执行元件多采用电控液压或电控气压伺服系统。

（3）汽车主动悬架的研究发展趋势 目前，被动悬架的应用在一定时间内仍是最广泛的，可以通过进一步优化结构和参数来提升悬架性能。半主动悬架性能优于被动悬架，成本比全主动悬架低，它将是今后悬架系统的主要发展方向之一，而研发可靠、调节方便的可调阻尼减振器和算法简单有效的控制策略则是其主要课题。全主动悬架性能突出，由于其高成本。结构复杂，目前还只装备于高级汽车上。全主动悬架研究的重点在于高性能的执行器和控制策略两方面。电控式全主动悬架是汽车悬架的发展方向。

2、轮胎

车辆动力学性能的稳定控制系统（DSC）就是主要分析与估计轮胎的实时特性与性能，对轮胎的实时状态进行评估，对收集的参数进行计算分析，从而得到更为直观可靠的数据，有利于研究人员做出判断和改进。这对于汽车的行驶稳定性及安全性有积极的意义。

实用轮胎模型，一般通过实验获得，常用于车辆动力学与控制分析。大部分的实用的轮胎模型描述的线性或非线性静态轮胎性能。遵守一个规则：在松弛长度轮胎（RLT）模型插入一阶轮胎动力。然而在描述低速轮胎动力时，RLT模型能创建一个无阻尼振荡模型在.3、转向系统

（1）汽车转向系统的概述

汽车转向系统是驾驶员用来控制汽车运动方向的系统，它直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶的舒适性。转向系统发展至今，出现了机械式、液压助力式、电控液压动力式、电动助力式和线控转向系统。

随着我国汽车工业的不断发展，汽车转向系统运动学和动力学的分析与研究变得日益重要。汽车的转向系统作为整车的一个重要组成部分，它对汽车的操纵稳定性、平顺性和驾驶员的安全驾驶都有着直接的影响。汽车转向系是通过对左、右转向车轮不同转角之间的合理匹备来保证汽车沿着设想轨迹运动的机构。它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。其中最为广泛利用的转向器是齿轮—齿条式转向器。多刚体仿真软件ADMAS技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一个全新的研发机械产品的设计方法。它通过设计中的反馈信息不断的指导设计，保证产品寻优过程的顺利进行。在汽车的转向系统设计中，当转向器、悬架的类型和车轮的布置在汽车设计时确定以后。那么，转向系设计的主要方面是转向梯形机构杆系的空间设计和布置问题。目前，在汽车转向系统的设计方法中，主要包括平面设计方法、空间机构设计方法、多体动力学软件模拟仿真方法。

(2)现代汽车转向系统的发展趋势

随着汽车电动助力转向系统技术的成熟和成本的降低，在乘用车中将广泛使用，并将逐步取代液压动力转向系统（HPS）和机械转向器。小齿轮助力式电动转向系统（P-EPS）、双小齿轮助力式电动转向系统（D-P-EPS）、齿条助力式电动转向系统（R-EPS）将会广泛在乘用车和混合电动汽车上应用，特别是P-EPS和D-P-EPS。随着新型大功率小型无刷直流和永磁同步交流电机的控制和制造技术的成熟，42V电源的使用，在一些商用车上也将会使用D-P-EPS和R-EPS。线控转向系统将会大量在低排放汽车（LEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池汽车（FCEV）、电动汽车（EV）上应用。四轮转向系统将会从原来的应用大型车辆、SUV、跑车和越野车向轿车上应用。主动转向系统、ARS技术在未来几年内也会从高级轿车向中级轿车上普及和应用。

4、汽车制动

汽车的制动性能对车辆运行的安全性起着至关重要的作用。对轿车制动性能的检测就显得特别重要。汽车安全检测，作为在用汽车不解体检测的主要手段，在我国已基本得到普及。目前已建成的汽车检测站中，其制动检测普遍采用反力滚筒式制动检测台。随着科学技术的发展，人们在汽车制动性能方面作了大量的工作如：ABS(汽车制动方抱死系统)、EBD(制动力分配装置)、ESP(电子稳定程序)、BAS(制动辅助系统)、ASR(驱动防滑系统)、EBA(电子刹车辅助系统)汽车ABS&ASR控制系统是一种有效减少交通肇事，提高公路交通运输能力，全面提高汽车制动、驱动和高速行驶性能的主动安全装置。ABS&ASR 作为一种汽车电子控制技术，大大地提高了汽车在各种附着系数路面的通过性、操纵稳定性。

5、结论

通过对本门课程的学习和参看了大量的期刊、论文。我对车辆动力学和相关的知识有了更多的了解，

第五篇：中小企业利润操纵现状及其治理研究

中小企业利润操纵现状及其治理研究

任永宏2011-01-11

摘 要： 论述了中小企业在国家经济运行中的地位和作用，分析了中小企业利润操纵的现状，总结出相关的中小企业利润操纵所存在的一些问题，以及中小企业利润操纵的手段，从而提出了若干针对中小企业利润操纵行为的治理措施，并为我国中小企业利润操纵正规化提出了具有一定理论参考价值的对策和建议。

关键词： 中小企业，利润操纵，企业治理，内部控制

中小企业是社会经济发展中不可缺少的力量，它在国民经济和社会发展中具有大企业不可替代的战略地位。中小企业是相对于大企业而言的，不同国家对中小企业的划分是不同的，一般有定性和定量两种标准：从定性方面看，中小企业属于独立经营、生产经营规模比较小、在某一领域不占支配地位的企业；从定量方面看，目前世界各国和地区大多数是以资产额、营业额、人数等数量来作为衡量和划分中小企业的标准。现阶段，我国存在着大量的中小企业。中小企业的特点是：规模小、底子薄、企业管理层法制观念还较淡薄、各种规章制度不太健全、会计核算缺乏规范等。对于中小企业会计信息失真、利润操纵等问题，目前研究的人员不多，论著也较少，因此笔者选择从完善中小企业的利润操纵制度着手，为企业的财务管理提供建议。

一、中小企业的地位和作用

企业行为目标与企业所有者目标高度重合是中小企业最具“魅力”之处，也是其所具有的诸如市场竞争的主体、最富有活力、灵活变通等一切优点的“起源”，但是中小企业产权制度的不健全也是其一切弱点的“病根”。中小企业的地位和作用具体表现如下。

1.中小企业是国民经济发展的重要力量

中小企业是推动经济发展的重要力量之一。中小企业分布在我国现代化建设的各个领域，逐渐成为经济增长的主要因素。我国现有中小企业已占全国企业总数的89%，占全国工业产值的59%，占全国实现利税的42%，占全国就业人数的74%，占全国销售收入的63%，占全国出口额的59%。我国改革开放以来，中小企业得到了迅速发展，有力地支持了国民经济的持续发展。

2.中小企业促进了我国所有制结构的调整

从1978年到2008年，在工业总产值中，国有和集体经济的产出份额分别由77.2%和22%调整到40.1%和40.8%，非公有制经济由0.8%上升到19.1%；在全社会商品零售总额中，国有和集体经济的比重分别由55.5%和42.4%调整到31.9%和21.2%，非公有制经济由2.1%上升为46.9%，形成了以公有制为主体，多种经济成分共同发展的格局。

在今后一个较长的时期内，就业将面临来自农村剩余劳动力、实行合同制以来合同期满重新失业人员和下岗职工这四方面的压力，而中小企业经营方式灵活、对劳动力技术要求较低，是失业人员重新就业和部分新增劳动力就业的主渠道，积极地促进了我国所有制结构的调整。

3.中小企业是技术创新的生力军

随着以信息技术为核心的新技术革命，出现了高技术群，并且不断向高层次、深层次发展。在某一阶段的20年之间，根据统计，发达国家共开发670件重大创新项目，有300件为中小企业创造，占45.2%；20世纪的飞机、光纤监测设备、心脏起搏器、光学扫描器、个人计算机等都是中小企业率先发明的。中小企业熟悉市场环境，非常了解客户关心的问题，技术创新一开始就瞄准了特定的市场，这样不仅成功率高，而且在市场营销方而也可以节约大量的成本。

4.中小企业是防范化解金融风险危机的调节器

中小企业数量的多少影响着国家经济的繁荣发展，数量众多的中小型企业与一定量的大型企业并存，就像金字塔一样，中小企业是金字塔的塔底，而大型企业是金字塔的塔顶。没有一般的中小企业做基础，特别是为大企业配套服务的中小企业，就没有大型企业的稳定健康发展。特别是在经济危机的时候，因为中小企业的自有资金比例较高，受到金融危机的影响远远低于大型企业，在很大程度上能够带动市场的繁荣。

二、中小企业利润操纵的现状分析

中小企业的利润操纵行为中，非法操纵占多数，合法操纵占少数，即至少超过55%的中小企业会根据需要非法操纵利润。当然，一部分中小企业也会根据需要合法操纵利润，且操纵利润的主要目的是为了偷逃税款或者是为了争取商业信用。

随着我国经济的高速发展，中小企业对我国的GDP所做的贡献越来越大，已经成为推动经济高速发展的重要力量。就目前来看中小企业操纵利润的目的主要是获取经济利益，如为了偷税漏税而操纵利润、为了享受税收优惠而操纵利润、为了争取银行贷款而操纵利润等。利润操纵的手段主要有：利用应收项目操纵，达到隐瞒收入，偷逃税款的目的；利用“管理费用”账户操纵，增加费用支出，减少企业盈利；利用存货项目操纵，人为地调高产品成本，减少企业盈利；利用固定资产折旧账户操纵，虚增成本，减少企业盈利等。出于各种目的，一些企业利润可以人为调控甚至操纵。虽然操纵手法随着环境的变化而不断推陈出新，且其具体内容十分复杂，但常见的利润操纵手法主要有：操纵会计估计、操纵销售收入、操纵会计政策、操纵关联交易等等。

三、中小企业利润操纵行为的治理措施

中小企业利润操纵有其特定的社会背景和动机，想要将其彻底根除很难实现，但在一定程度上加以消除或抑制还是能够做到的。要有效地消除或抑制利润操纵，必须通过合理的制度设计，构筑起综合的、多维度的防范和治理体系。这里，主要归纳了以下几点对策：

1.建立健全相关的法律法规，为中小企业的发展提供良好的外部环境

近年来我国已初步形成了各种相关的法律法规等规范性文件为补充的全方位多层次的会计监管体系，该体系从原则性到操作性等规范，都做了较为详尽、合理的规定。但同时也必须承认，与我国会计监管相关的法律、法规还很不完善，做出的规定不便于操作，执行起来难度较大。所以要做到以下几点：

（1）现有会计准则允许过多的判断和选择，而且有关规定不甚具体明确，缺乏可操作性。完善会计准则体系对防止中小企业管理当局操纵利润具有重要意义。

（2）法律法规应避免使用意义不准确的定义释义，而使用明确的法律用语，并应增加量化标准，减少原则性、抽象性的条款，以增强实际工作中的可操作性，所以就需要建立健全相关的法律法规。

（3）应在税收法规方面给予政策扶持。商业银行应在贷款安全的前提下，放宽对中小企业贷款的限制，简化审批手续。

中小企业占被调查企业总数的74.8%。另外，有关专家对上海460家小企业的调查也表明，其希望依次是减轻小企业负担、减少税收和解决融资问题[3]。

2.完善企业治理结构

目前，我国企业治理结构中存在制约机制不够健全的问题，主要表现为权利过于集中，企业在人员财务等方面分离不彻底、转移资产等问题、致使容易发生内幕交易。健全和完善中小型企业治理结构，必须建立好所有者与经营者之间一种制衡关系。

相关的法律规定：“纳税人伪造、变造、隐匿、擅自销毁账簿、记账凭证，或者在账簿上多列支出或者

不列、少列收入，或者经税务机关通知申报而拒不申报或者进行虚假的纳税申报，不缴或者少缴应纳税款的，是偷税”。[4]对于理性经济人的中小企业管理当局当然愿意冒风险去获得较此更大的造假收益。因此鉴于这种情况，我们建议：适当增加处罚的种类和提高罚款的下限，使造假者的造假成本数倍于其获得的经济利益和所造成的损失，对于一些情节特别严重的会计造假问题，通过司法途径予以解决；同时，司法机关应加强对弄虚作假的处罚力度和民事赔偿力度，使提供虚假会计信息者得到法律的制裁。

3.加强对关联交易的控制和监管

对于目前存在大量关联交易的企业，应该加强资本运作的力度，通过收购、兼并、资产剥离等方式，完善企业的产供销资源系统。同时应该加强披露内容：对经营发展存在重大影响的关联交易，要对这些交易进行披露，同时应该披露其影响程度，应披露其定价原则、转让缘由、对交易双方当前生产经营及长远发展的影响、产生的效益占公司净利润的比重等。对明显偏离正常标准的交易，要求关联方做出解释说明。

4.进一步加强中小企业的内部控制制度

企业内部控制包括内部会计控制和其他管理控制两部分。为此我们应从下面四个方面着手：

（1）健全的账簿制度、科学的预算制度、合理的会计政策和会计程序、可靠的内部凭证制度、严格的内部稽核制度等等。

（2）诚信是市场经济的基础，诚信是会计职业机构和会计人员安身立命之本，是会计人员最基本的职业道德和行业准则。

（3）实现管理体制创新，积极推进会计人员管理体制改革，只有才能使会计人员敢于坚持原则，依法行使职权。因此建议可成立会计从业人员中介机构。

（4）加强会计人员的业务培训，提高会计人员的专业技能水平。在中小企业工作的高素质的会计人员不多，在会计确认、计量、计价等方面都有很大的选择空间，这就要求会计人员具有较高的专业判断能力，应该采取有效的措施提高中小企业会计人员的专业知识和技能。

总之，要认识到中小企业利润操纵行为具有普遍性，只要我们的会计制度和监管政策存在漏洞，只要中小企业利润操纵的收益大于其所付出的成本，那么中小企业利润操纵行为就不会消失。因此，要实现对中小企业的有效监管，降低中小企业利润操纵的概率，应该坚持贯彻“规范、监管、自律、诚信”这八字方针，还必须国家、社会、个人多管齐下，常抓不懈。

作者：任永宏

出处：《经济研究导刊》

经济类别：经营管理

库别：国内论文子库