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基于预测控制理论的车辆鲁棒稳定性控制器设计
| 论文题名： | 基于预测控制理论的车辆鲁棒稳定性控制器设计 |
| 关键词： | 车辆稳定性控制器;轮胎力最优分配;前轮主动转向;预测控制;鲁棒性能 |
| 摘要： | 本文设计和验证了一种基于轮胎力最优分配和前轮主动转向技术相结合的底盘集成控制系统，即通过控制和分配四个车轮的滑移率以及前轮附加转角来影响控制器施加在车辆上的附加横摆力矩和侧向力，以保持车辆的稳定性和轨迹跟踪性能。在所设计的系统中，使用模型预测控制理论、鲁棒最优分配方法以及滑模控制方法解决了控制器车辆模型中存在的参数不确定以及轮胎模型的非线性问题。 本文所提出的控制器包含三层控制逻辑： 1）顶层控制器为基于线性时变模型的预测控制逻辑（LTV-MPC:Linear Time-Varying Model Predictive Control），其使用的模型包括恒定轮胎侧偏刚度的单轨模型和线性化的时变单轨模型，前者用于计算理想的车辆横摆角速度和车辆质心侧偏角；后者在模型预测控制方法中使用：通过调节合适的预测控制器参数，并根据理想横摆角速度及车辆质心侧偏角，计算出所需的附加横摆力矩和前轮附加转角。 2）中间层控制算法通过鲁棒最优分配方法将LTV-MPC控制器计算所得的附加横摆力矩分配到四个车轮，并计算出相应的滑移率。在这个过程中，因为充分考虑了由于车辆参数的不确定以及轮胎非线性模型的线性化所带来的效率矩阵不准确的问题，所设计的分配算法具有一定的鲁棒性。 3）考虑到车辆垂向力、路面附着系数等的估算精度问题，底层控制器使用了具有一定鲁棒性能的滑模控制器（SMC:Sliding-Mode Control）以实现对车路目标滑移率的跟踪和保持。 本文所设计的车辆稳定性控制器，可以实现车辆在高速行驶时对驾驶员转向意图和轨迹的精确跟踪，从而提高车辆的高速行驶稳定性。同时，使用制动力鲁棒最优分配方法，将非线性系统线性化，并在这个过程中充分考虑了车辆参数的不确定性；最后，底层使用滑模控制器，也具有较好的鲁棒性，因而保证了控制器在车辆参数不确定、模型精度有限的情况下依然具有满意的控制效果。 为了验证控制器的控制效果，本文在MATLAB/Simulink-CarSim联合仿真环境下对所设计控制器进行了各项仿真试验，包括转向阶跃试验，方波渐增转向试验以及闭环双移线试验。试验结果表明，所设计的控制器在不同工况下均具有较好的性能，且在参数不确定情况下，依然可以保证车辆的行驶稳定性，达到了预期的设计效果。 |
| 作者： | 贺登博 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 喻凡 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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