基于廣義執(zhí)行器—受控對(duì)象的車輛底盤集成控制的研究.pdf

1、車輛底盤集成控制是近年來(lái)車輛工程領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，其內(nèi)涵正隨著現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)仿真、傳感器信息融合(Sensor Fusion)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展而得到不斷豐富，并成為今后車輛線控(X-by-Wire)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，對(duì)車輛底盤集成控制在性能上潛在的優(yōu)勢(shì)，及原先以各子系統(tǒng)為主的單獨(dú)控制方式局限性進(jìn)行理論上的深入分析與研究，應(yīng)是首要的研究問(wèn)題。本文從車輛動(dòng)力學(xué)理論角度出發(fā)，以輪胎及車輛的縱向、側(cè)向和垂向動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系為基礎(chǔ)

2、，研究車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與集成機(jī)理。 在絕大多數(shù)情況下，車輛動(dòng)力學(xué)的控制問(wèn)題本質(zhì)上都?xì)w結(jié)為由輪胎一路面接觸機(jī)制所產(chǎn)生的廣義力(縱向力、側(cè)向力、橫擺力矩)對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制過(guò)程，因此，可將這個(gè)控制系統(tǒng)從概念上歸納為廣義“執(zhí)行器-控制對(duì)象”結(jié)構(gòu)(General Actuator-Plant Structure)，其中，廣義的執(zhí)行器包括由輪胎材料及與地面接觸機(jī)理所決定的力學(xué)耦合特性，以及如何利用這種耦合特性的機(jī)制；而廣義受控對(duì)象

3、則體現(xiàn)為最終控制目標(biāo)的行駛車輛相互耦合的各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 以此為基礎(chǔ)，建立分層結(jié)構(gòu)集成控制體系，將輪胎力的控制與車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制進(jìn)行解耦，分別通過(guò)伺服環(huán)路跟蹤控制和主環(huán)路控制系統(tǒng)加以處理。在伺服環(huán)路中，基于輪胎力學(xué)特性的非線性耦合關(guān)系，利用序列二次規(guī)劃法(Sequential Quadratic Programming，SQP)設(shè)計(jì)了廣義力跟蹤控制策略，將用于車輛運(yùn)動(dòng)控制的理想目標(biāo)廣義力通過(guò)最小化加權(quán)性能泛函的形式最優(yōu)地分配于四個(gè)

4、車輪，并通過(guò)主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制(Four Wheel Steering，4WS)和縱向滑動(dòng)率控制(Longitudinal Slip Control，LSC)的協(xié)調(diào)動(dòng)作，加以實(shí)現(xiàn)。 由于車輛操縱穩(wěn)定性控制問(wèn)題主要體現(xiàn)為對(duì)橫擺角速度的目標(biāo)值跟蹤控制問(wèn)題、及對(duì)車身側(cè)偏角的零化調(diào)節(jié)器問(wèn)題，根據(jù)用于控制設(shè)計(jì)的車輛簡(jiǎn)化模型，主環(huán)路環(huán)節(jié)的控制策略采用前饋與反饋結(jié)合的方式。由于輪胎高度非線性以及附著特性等因素的易變性，在主環(huán)路設(shè)計(jì)中，將伺服環(huán)路中力

5、跟蹤環(huán)節(jié)所引起的誤差當(dāng)作不確定源，考慮了系統(tǒng)非線性和各種不確定因素(參數(shù)不確定、建模不確定)及測(cè)量噪聲的干擾影響，運(yùn)用現(xiàn)代魯棒控制理論討論反饋控制環(huán)節(jié)的建立。 為了從魯棒控制理論角度研究集成控制體系中的車輛操縱穩(wěn)定性控制問(wèn)題，根據(jù)處理不確定擾動(dòng)的不同方式，分別采用了標(biāo)準(zhǔn)H<,∞>最優(yōu)控制、混合靈敏度H<,∞>頻域整形控制(Mixed Sensitivity H<,∞> Loop Shaping)以及結(jié)構(gòu)奇異值合成(μ-Synth

6、esis)算法對(duì)反饋系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其中，標(biāo)準(zhǔn)H<,∞>控制以直接降低名義系統(tǒng)的H<,∞>范數(shù)為控制目標(biāo)；混合靈敏度頻域整形通過(guò)對(duì)名義系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行頻域整形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的魯棒品質(zhì)、名義跟蹤性能之間的動(dòng)態(tài)折衷；結(jié)構(gòu)奇異值合成則利用了不確定環(huán)節(jié)中的結(jié)構(gòu)化信息，根據(jù)魯棒控制理論的基礎(chǔ)一一小增益理論降低系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)奇異值，使包含不確定擾動(dòng)的閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的魯棒穩(wěn)定性(Robust Stability)和魯棒性能(Robust Perf

7、ormance)。通過(guò)以上步驟建立的包括轉(zhuǎn)向控制和縱向滑動(dòng)率控制的集成控制體系，其控制目的以提高車輛主動(dòng)安全性為主；以此為基礎(chǔ)，在集成控制體系中引入主動(dòng)懸架(Active Suspension，AS)的作用。此時(shí)，車輛垂向運(yùn)動(dòng)控制與轉(zhuǎn)向控制、縱向滑動(dòng)率控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)作用，組成全局集成控制體系，使得輪胎的縱向、側(cè)向和垂向力學(xué)耦合特性能夠同時(shí)用于車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。 通過(guò)對(duì)車輛開環(huán)和閉環(huán)操縱工況的仿真，驗(yàn)證和分析了集成控制對(duì)于提高車輛

8、行駛性能的意義，從中可得出如下結(jié)論：雖然子系統(tǒng)單獨(dú)控制方式理論上也可采用所提出的主環(huán)路和伺服環(huán)路分層控制結(jié)構(gòu)，但此時(shí)伺服環(huán)路系統(tǒng)只能利用到輪胎耦合特性的某一方面，廣義力跟蹤誤差相當(dāng)明顯，往往超出控制策略所允許的不確定上限，魯棒性能無(wú)法維持，難以獲得良好的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；在集成控制體系中，輪胎耦合特性能通過(guò)相互協(xié)調(diào)的子系統(tǒng)被充分利用，力跟蹤誤差所引起的不確定擾動(dòng)能維持在較低水平，能夠保證控制策略的魯棒品質(zhì)，因此能應(yīng)付多種復(fù)雜工況下的車輛操縱