四輪轉(zhuǎn)向車輛滑模魯棒控制策略及其實驗研究.pdf

1、節(jié)能、環(huán)保、安全是二十一世紀汽車工程領(lǐng)域具有重大意義的研究熱點,而安全是汽車設(shè)計的主要首選,特別是主動安全是汽車安全設(shè)計的重要研究方向,其目的是為了消除事故隱患,在事故發(fā)生之前避免其發(fā)生。四輪轉(zhuǎn)向(Four-wheel Steering,4WS)作為一項先進的汽車底盤主動安全控制技術(shù),其主要目的是增強汽車在高速行駛時的操縱穩(wěn)定性,改善橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角等瞬態(tài)響應(yīng)指標,減小低速轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)彎半徑,提高汽車操縱靈活性。因此,四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)成為

2、當今汽車主動安全領(lǐng)域研究的熱點并具有非常重要的現(xiàn)實意義。
　　 本文的研究工作由國家自然基金項目“基于智能多主體機制的車輛集成控制系統(tǒng)架構(gòu)研究”(編號:50575041)資助,圍繞基于四輪轉(zhuǎn)向車輛的先進控制系統(tǒng)開發(fā)研究這一主題,在借鑒國內(nèi)外研究成果特別是本課題組已經(jīng)完成的成果基礎(chǔ)上,展開四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)建模分析、先進滑?？刂扑惴ㄔO(shè)計、硬件在環(huán)仿真控制系統(tǒng)開發(fā)方法以及實車試驗等方面進行了研究,主要內(nèi)容如下:
　　 1.詳細

3、分析了各種輪胎動力學(xué)模型并建立了反映研究問題的本質(zhì),且滿足實時仿真與試驗需要的4WS車輛控制系統(tǒng)的三自由度動力學(xué)系統(tǒng)模型。同時基于此模型,分析橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角對車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性的表征,以及汽車橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角對車輛穩(wěn)定性的影響。
　　 2.為了系統(tǒng)分析非線性四輪轉(zhuǎn)向車輛的動力學(xué)行為,并同時考慮實際車輛運行工況的復(fù)雜性,選擇質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度作為控制變量,基于滑模魯棒控制理論和最優(yōu)反饋控制理論,分別設(shè)計控制器抑制外部

4、擾動;在MATLAB/Simulink環(huán)境下實現(xiàn)仿真結(jié)果的對比,結(jié)果表明,滑?？刂葡滤妮嗈D(zhuǎn)向車輛具有更優(yōu)的操縱性能,將質(zhì)心側(cè)偏角控制在穩(wěn)定范圍內(nèi),并能夠很好地跟蹤車輛的期望橫擺角速度,可較理想地提高四輪轉(zhuǎn)向車輛行駛時的抗干擾能力。
　　 3.建立基于非線性輪胎模型的車輛穩(wěn)定性控制動力學(xué)模型,推導(dǎo)側(cè)向干擾下的車輛質(zhì)心側(cè)偏角估計方法理論公式;以跟蹤理想模型為基礎(chǔ)設(shè)計基于模糊邏輯的控制器,仿真分析車輛穩(wěn)定性控制的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角

5、狀態(tài)變量的響應(yīng),進一步驗證質(zhì)心側(cè)偏角的估計方法,結(jié)果表明估計方法的有效性。
　　 4.運用多體動力學(xué)理論和方法,在ADAMS/VIEW軟件里建立了包含前后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向、車身、動力傳動、輪胎等子模塊在內(nèi)的整車非線性多剛體數(shù)字化虛擬樣機;綜合考慮仿真精度和仿真時間,基于多剛體動力學(xué)模型,應(yīng)用修正的Craig-Bampton模態(tài)綜合法對行駛過程中相對變形較大且由于客觀原因無法得到試驗特性值的前懸架橫擺臂、前后穩(wěn)定桿及后扭轉(zhuǎn)梁進行模態(tài)

6、分析,把生成的模態(tài)中性文件引入到多剛體模型中取代相應(yīng)的剛體,建立整車剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型;對虛擬試驗車進行了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)和單移線兩種操縱穩(wěn)定性試驗,并比較對比純數(shù)字仿真及虛擬仿真試驗結(jié)果;進一步驗證滑模魯棒控制的虛擬試驗技術(shù)的魯棒性及抗干擾性,并比較了車輛虛擬模型在不同車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)對整車操縱穩(wěn)定性能的影響。
　　 5.基于dSPACE實時仿真環(huán)境設(shè)計4WS車輛系統(tǒng)開發(fā)平臺,論文從車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)各個開發(fā)階段的研究目標出發(fā),詳細論述了

7、開發(fā)平臺的功能設(shè)計方案,從軟件設(shè)計和硬件設(shè)計分別論述4WS車輛系統(tǒng)開發(fā)平臺的配置。在MATLAB/Simulink環(huán)境中搭建用于系統(tǒng)仿真的車輛模型和車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)控制算法;開發(fā)平臺硬件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思路,主要包括基于TMS320F2812的主控單元模塊、系統(tǒng)電源模塊、信號處理模塊和通訊模塊。基于車輛動力學(xué)模型和車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)控制算法在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建離線仿真平臺,比較虛擬樣機試驗和硬件在環(huán)試驗仿真結(jié)果,表明硬

8、件在環(huán)仿真平臺可以實現(xiàn)4WS車輛系統(tǒng)控制算法在各種操縱條件下的性能分析,所設(shè)計的4WS車輛系統(tǒng)能有效提高車輛的穩(wěn)定性,實現(xiàn)橫擺角速度跟蹤和質(zhì)心側(cè)偏角限幅的控制目標。因此設(shè)計開發(fā)的4WS硬件在環(huán)仿真開發(fā)平臺為先進控制算法的分析與設(shè)計、開發(fā)和評價及ECU的開發(fā)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持,也為各種控制算法和策略的探索性研究提供了物質(zhì)條件。
　　 6.將本文設(shè)計的先進4WS車輛魯棒控制系統(tǒng)試裝于實車,在車輛系統(tǒng)開發(fā)平臺基礎(chǔ)上,對改裝車輛進行