Aspekte der Simulation und Regelung der Querdynamik von Kraftfahrzeugen (eBook)

Herr Yingnan Wang, Dipl.-Ing. wurde 1978 in Shanghai, VR China, geboren. 1996-1999: Fachhochschule für Leichtindustrie Shanghai, VR China, Hauptfach : Elektroautomatisierung; 2000-2005: Brandenburgische Technische Universität, Cottbus, Hauptfach: Automatisierungs- und Kommunikationstechnik, Diplom-Ingenieur mit Abschluss-Note "Gut"; ab 2007: Technische Universität Berlin, Fachgebiet Elektrische Antriebstechnik, Doktorand. Berufserfahrung: 2000: Praktikum bei Firma DILO Armaturen und Anlagen GmbH; 2001: Praktikum bei Firma Neckarwerk-Stuttgart Technik Zentrum; 2002: Praktikum bei Firma Neckarwerk-Stuttgart Technik Zentrum; 2003-2005: studentische technische Aushilfe und Praktikum beim Lehrstuhl Elektrische Maschinen und Antriebstechnik, Brandenburgische Technische Universität Cottbus; 2005: Endmontage und Systemprüfung in Hübner Elektromaschinen AG Berlin; 2006: Elektronische Prüfung (nach VBG 3) bei Firma WISAG GmbH & Co. KG Hamburg; 2007: IPH Institut "Prüffeld für elektrische Hochleistungstechnik" GmbH, Berlin, im technischen Vertrieb; ab 02.2008: Technische Universität Berlin, Fachgebiet Elektrische Antriebstechnik, Wissenschaftlicher Mitarbeiter

I. Inhaltsverzeichnis 3
1 Regelungstechnische Problematik des Fahrzeugs 7
2 Grundlage der Lenkungsdynamik 10
2.1 Freiheitsgrade der Fahrzeugbewegung 10
2.2 Lenkgeometrie 11
2.3 Krümmungsmittelpunkt und Momentanpol 13
2.4 Schräglaufwinkel und Seitenkraft 15
2.5 Stationäre Kreisfahrt 17
2.6 Bewegungsgleichungen 19
2.6.1 Bewegungsgleichungen der horizontalen Fahrzeugsbewegung 19
2.6.2 Lineares Einspurmodell 21
2.6.3 Fahrt mit konstanter Fahrgeschwindigkeit 24
2.7 Kennwerte bei Seitenwind 24
3 Fahrer-Fahrzeug und Regierungssystem 28
3.1 Fahrerwunsch 28
3.2 Fahrzeugverhalten 29
3.3 Rolle der Regelungssysteme 30
3.4 Querdynamische Regelungssysteme 32
3.4.1 Zusätzliche Vorderachslenkung 32
3.4.2 Giermomentregelung 34
4 Bewertung der betrachteten Fahrmanöver 37
4.1 Ausgangsfahrzeug 37
4.2 Lenkwinkelsprungantwort 38
4.3 Seitenwindempfindlichkeit 41
5 Regelungssystem der Gierwinkelgeschwindigkeit 46
5.1 Klassische Kaskadenregelung 46
5.2 PID-Regler 47
5.3 Einstellung des PID-Reglers 49
5.3.1 Einstellung nach CHR 50
5.3.2 Einstellung nach Ziegler und Nichols 52
5.3.3 Kontrolle der Optimierung 52
5.4 Auslegung des Regelungssystems der Gierwinkelgeschwindigkeit 53
5.4.1 Unterlagerter Schwimmwinkelregelkreis 55
5.4.2 Überlagerter Gierwinkelgeschwindigkeitsregelkreis 57
5.4.3 Störverhalten bei Seitenwindstörung 60
6 Fahrerlos-Fahrzeug-Regelung 63
6.1 Kinematische Eigenschaften von Fahrer-Kurvenfahrt 64
6.2 Lineare Systemanalyse 70
6.2.1 Stabilität 70
6.2.2 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit 70
6.3 Zustandsregelung 72
6.3.1 Wahl der Eigenwerte 72
6.3.2 Entwurf des Zustandsreglers durch Polvorgabe 73
6.3.3 Rückführungsstrukturen mit PID-Reglung 76
6.4 Kombination von Beobachter und Zustandsregler 79
6.4.1 RICCATI-Entwurf 79
6.4.2 Zustandsschätzung-Entwurf 82
6.4.3 Zustandsregelung mit Zustandsschätzung 83
6.4.4 Anwendung der PID-Regler 86
7 Zusammenfassung 89
8 Anhang 90
8.1 Matlab-Programm 90
8.2 Systemanalyse in Frequenzbereich 96
8.2.1 Open-Loop-Analyse 96
8.2.2 Unity-Close-Loop-Analyse 102
8.3 Nomenklatur 107
8.4 Abbildungsverzeichnis 111
8.5 Tabellenverzeichnis 114
8.6 Literaturverzeichnis 115

Textprobe: Kapitel 3.2, Fahrzeugverhalten: Das Fahrzeugverhalten bzw. Fahrverhalten beschreibt die Kopplung der Freiheitsgrade des Fahrzeugs beim Fahren. Dabei ist er im Allgemeinen gewünscht, dass die einzelne Bewegungsformen möglichst unabhängig voneinander sind und sich nicht störend beeinflussen. Da sie beide querdynamischen Freiheitsgrade jedoch einer gewollten und für die Kurvenfahrt erforderlichen Zwangkopplung unterliegen, kommt diesen Bereich bei der Betrachtung und Bewertung des Fahrverhaltens das Hauptaugenmerk zu. Die Bewertung des Fahrverhaltens erfolgt im Wesentlichen durch die querdynamischen Größen Schwimmwinkel, Gierwinkelgeschwindigkeit und Querbeschleunigung. Dabei interessieren genauso einzelne Werte, wie zeitliche Verläufe oder auch Zusammenhänge zwischen zwei Werten, wie z.B. Schwimmwinkel und Querbeschleunigung. Aufgrund der Fahrzeugbewegung ergibt sich damit das querdynamische Verhalten eines Fahrzeugs in Wesentlichen aus der Differenz der Schräglaufwinkel an Vorderachse, die ein gutes Maß für die Kopplung der Gier und Querbewegung ist. Damit ist das Fahrverhalten besonders von Längsdynamik des Fahrzeugs auf dieses Verhältnis entscheidender Einfluss nimmt, ist die Bewertung des Fahrverhaltens auch ganz entscheidend davon abhängig, wie die querdynamischen Eigenschaften durch Seitenwind beeinflusst werden. Das Fahrzeug- bzw. Fahrverhalten wird durch die Kopplung der verschiedenen Freiheits-grade eines Fahrzeugs beschrieben. Von besonderer Bedeutung sind dabei die querdynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs, da die Quer- und Gierbewegung einer Zwangkopplung unterliegen. Ein besonders wichtiger Aspekt der kritischen Fahrt ist das instabile Verhalten eines Fahrzeugs. Das instabile Fahrzeugverhalten wird durch die Gierbewegung beschreiben. Voraussetzung ist dafür die begrenzte Zunahme der Reifenseitkräfte des Fahrzeugs. Aus Bild 2-6 ist es ersichtlich, dass die Seitenkraft nicht unbegrenzt ansteigen kann, sondern mit zunehmendem Schräglaufwinkel ein Maximum erreicht und dann in einen Bereich der Sättigung einläuft. Für die Fahrstabilität eines Fahrzeugs ist es unterscheidend, an welcher Achse die Gesamtseitenkraft zuerst ihr Maximum erreicht. Wenn das an Hinterachse eines Fahrzeugs der Fall ist, und die Gesamtkraft an der Vorderachse noch weiter ansteigen könnte, entsteht ein resultierendes Giermoment, das in Richtung der Gierwinkelgeschwindigkeit gerichtet ist. Dadurch wird die Gierbewegung verstärkt, ohne die Querbeschleunigung im gleichen Maß ansteigen kann, da die Seitenkraft der Hinterachse begrenzt ist. Entsprechend Gl. 2.5 steigt deswegen die Schwimmwinkelgeschwindigkeit ergibt sich eine zunehmende Abweichung zwischen der Fahrzeuglängsachse von der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs. Das Fahrzeug schleudert dann, bzw. dreht sich weitaus heftiger um die Hochachse als es entsprechende der Querbeschleunigung erforderlich ist. Dieser Fahrzustand gilt als besonders kritisch, da die einsetzende Gierbewegung sehr heftig sein kann. Besonders gefährlich ist aber auch, dass sich die Fahrzeugeigenschaften dadurch an der querdynamischen Grenze unerwartet ändern, und der normal geübte Fahrer überfordert ist. Wenn dagegen die Reifen der Vorderachse zuerst in den Bereich der Seitenkraftsättigung gelangen, und die Seitenkraft an der Hinterachse noch weiter zunimmt, ergibt sich ein stabiles Fahrzeugverhalten. In diesem Fall ist das resultierende Giermoment entgegen der Gierwinkelgeschwindigkeit gerichtet. Derartige Verhältnisse sind Ziel der quer-dynamischen Fahrzeugauslegung. Ein instabiles Fahrzeugverhalten zeichnet sich durch eine ansteigende Gierwinkelgeschwindigkeit aus, mit der keine entsprechende Zunahme der Querbeschleunigung verbunden ist. Es entsteht dann eine heftige Drehung um die Hochachse des Fahrzeugs, die für die meisten Fahrer so überraschend auftritt, dass sie die Kontrolle über das Fahrzeug verlieren. Rolle der Regelungssysteme: Das 'Fahren' ist oberflächlich betrachtet eine Bewegung zwischen zwei Orten, zu dessen Bewältigung der Fahrer sich eines Fahrzeugs bedient. Der Fahrer ist dabei für die Auswahl der Fahrstrecke zwischen Start und Ziel verantwortlich, er übernimmt also die Aufgabe der Navigation. Regelungssysteme können dem Fahrer diese Aufgabe nur bedingt abnehmen. Neuerdings kann der Fahrer zwar durch Navigationssysteme bei dieser Aufgebe unterstützt werden, die Umsetzung obliegt jedoch stets ihm selbst (siehe Bild 3-2: Funktionsweise des fahrdynamischen Regelungssystems). Bei der Stabilisierung des Fahrzeugs versucht der Fahrer, das Fahrzeug so zu führen, dass es sich nicht stärker um seine Hochachse dreht, als er zum Befahren einer gewünschten Kreisbahn erforderlich ist. Der Fahrer ist darum bemüht, dass die Fahrlängsachse nur wenig von der augenblicklichen Bewegungsrichtung abweicht. Auf diesen Anwendungsbereich bezeichnen sich die meisten fahrdynamischen Regelungssysteme. Sie sollen entweder alleine in der Lage sein, die Stabilität des Fahrzeugs zu gewährleisten oder aber Fahrer mindestens bei dieser Aufgabe unterstützen. In Bild 3-2 wird der Ablauf der Fahrzeugführung durch Fahrer und Regelungssystem deutlich. Im Sinne eines Regelkreises hat Fahrer eine Vorstellung über den Bahnverlauf. Das bedeutet, er führt seine Lenkbewegungen so aus, dass das Fahrzeug die gewünschten Bahnkoordinaten anfährt. Dabei ist er ebenfalls versucht, die Fahrstabilität zu regeln, die nicht durch Koordinaten, sonder durch fahrdynamische Größen wie Gierwinkelgeschwindigkeit, Querbeschleunigung oder Schwimmwinkel beschrieben wird. Diese Größen sind jedoch auch durch Sensoren messbar und können Sollwerten, die aus der Reaktion des Fahrers interpretiert werden, gegenübergestellt werden. Deswegen sind an dieser Stelle fahrdynamische Regelungssysteme möglich.