四輪轉(zhuǎn)向車(chē)輛滑模魯棒控制策略及其實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、節(jié)能、環(huán)保、安全是二十一世紀(jì)汽車(chē)工程領(lǐng)域具有重大意義的研究熱點(diǎn),而安全是汽車(chē)設(shè)計(jì)的主要首選,特別是主動(dòng)安全是汽車(chē)安全設(shè)計(jì)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(xiàng)先進(jìn)的汽車(chē)底盤(pán)主動(dòng)安全控制技術(shù),其主要目的是增強(qiáng)汽車(chē)在高速行駛時(shí)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(biāo),減小低速轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)彎半徑,提高汽車(chē)操縱靈活性。因此,四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)成為

2、當(dāng)今汽車(chē)主動(dòng)安全領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)并具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文的研究工作由國(guó)家自然基金項(xiàng)目“基于智能多主體機(jī)制的車(chē)輛集成控制系統(tǒng)架構(gòu)研究”(編號(hào):50575041)資助,圍繞基于四輪轉(zhuǎn)向車(chē)輛的先進(jìn)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究這一主題,在借鑒國(guó)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(kāi)四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)建模分析、先進(jìn)滑?？刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)、硬件在環(huán)仿真控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法以及實(shí)車(chē)試驗(yàn)等方面進(jìn)行了研究,主要內(nèi)容如下:
　　 1.詳細(xì)

3、分析了各種輪胎動(dòng)力學(xué)模型并建立了反映研究問(wèn)題的本質(zhì),且滿(mǎn)足實(shí)時(shí)仿真與試驗(yàn)需要的4WS車(chē)輛控制系統(tǒng)的三自由度動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型。同時(shí)基于此模型,分析橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)穩(wěn)定性的表征,以及汽車(chē)橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響。
　　 2.為了系統(tǒng)分析非線(xiàn)性四輪轉(zhuǎn)向車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)行為,并同時(shí)考慮實(shí)際車(chē)輛運(yùn)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(jì)控制器抑制外部

4、擾動(dòng);在MATLAB/Simulink環(huán)境下實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的對(duì)比,結(jié)果表明,滑模控制下四輪轉(zhuǎn)向車(chē)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(chē)輛的期望橫擺角速度,可較理想地提高四輪轉(zhuǎn)向車(chē)輛行駛時(shí)的抗干擾能力。
　　 3.建立基于非線(xiàn)性輪胎模型的車(chē)輛穩(wěn)定性控制動(dòng)力學(xué)模型,推導(dǎo)側(cè)向干擾下的車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)方法理論公式;以跟蹤理想模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)基于模糊邏輯的控制器,仿真分析車(chē)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(jìn)一步驗(yàn)證質(zhì)心側(cè)偏角的估計(jì)方法,結(jié)果表明估計(jì)方法的有效性。
　　 4.運(yùn)用多體動(dòng)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(chē)身、動(dòng)力傳動(dòng)、輪胎等子模塊在內(nèi)的整車(chē)非線(xiàn)性多剛體數(shù)字化虛擬樣機(jī);綜合考慮仿真精度和仿真時(shí)間,基于多剛體動(dòng)力學(xué)模型,應(yīng)用修正的Craig-Bampton模態(tài)綜合法對(duì)行駛過(guò)程中相對(duì)變形較大且由于客觀原因無(wú)法得到試驗(yàn)特性值的前懸架橫擺臂、前后穩(wěn)定桿及后扭轉(zhuǎn)梁進(jìn)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(chē)剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型;對(duì)虛擬試驗(yàn)車(chē)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)和單移線(xiàn)兩種操縱穩(wěn)定性試驗(yàn),并比較對(duì)比純數(shù)字仿真及虛擬仿真試驗(yàn)結(jié)果;進(jìn)一步驗(yàn)證滑模魯棒控制的虛擬試驗(yàn)技術(shù)的魯棒性及抗干擾性,并比較了車(chē)輛虛擬模型在不同車(chē)輛結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)整車(chē)操縱穩(wěn)定性能的影響。
　　 5.基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真環(huán)境設(shè)計(jì)4WS車(chē)輛系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái),論文從車(chē)輛穩(wěn)定性系統(tǒng)各個(gè)開(kāi)發(fā)階段的研究目標(biāo)出發(fā),詳細(xì)論述了

7、開(kāi)發(fā)平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)方案,從軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)分別論述4WS車(chē)輛系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的配置。在MATLAB/Simulink環(huán)境中搭建用于系統(tǒng)仿真的車(chē)輛模型和車(chē)輛穩(wěn)定性系統(tǒng)控制算法;開(kāi)發(fā)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)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(hào)處理模塊和通訊模塊?；谲?chē)輛動(dòng)力學(xué)模型和車(chē)輛穩(wěn)定性系統(tǒng)控制算法在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建離線(xiàn)仿真平臺(tái),比較虛擬樣機(jī)試驗(yàn)和硬件在環(huán)試驗(yàn)仿真結(jié)果,表明硬

8、件在環(huán)仿真平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)4WS車(chē)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(jì)的4WS車(chē)輛系統(tǒng)能有效提高車(chē)輛的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)橫擺角速度跟蹤和質(zhì)心側(cè)偏角限幅的控制目標(biāo)。因此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的4WS硬件在環(huán)仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)為先進(jìn)控制算法的分析與設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和評(píng)價(jià)及ECU的開(kāi)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(jì)的先進(jìn)4WS車(chē)輛魯棒控制系統(tǒng)試裝于實(shí)車(chē),在車(chē)輛系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)基礎(chǔ)上,對(duì)改裝車(chē)輛進(jìn)行