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原文传递新型四轮转向车辆稳定性控制分析与试验研究

论文题名：	新型四轮转向车辆稳定性控制分析与试验研究
关键词：	车辆动力学;四轮转向;最优控制;整车试验
摘要：	汽车作为现代社会主要的交通工具，推动着社会经济的飞速发展和人们生活水平的快速进步。汽车安全运行、快速行驶、操纵方便而又乘坐舒适是现代汽车追求的目标，然而频繁交通事故造成的死亡人数和经济损失触目惊心，汽车安全问题已成为世界性的社会问题。四轮转向（4WS）技术是改善汽车操纵稳定性、提高车辆行驶安全性能最常用和有效的主动底盘控制方法。在国外，伴随传感器技术、电子技术和车载网络技术的进步，以4WS技术为代表的底盘控制系统得到了高速的发展，已经在某些高端汽车上进行了试验和装备，并取得了不错的控制效果。我国经济的飞速发展和公路基础设施的逐步完善，促进了汽车保有量的逐年增加和人们对行驶车速的不断追求。然而在4WS领域的研究刚刚起步，开展这项研究对我们来说具有重要的现实意义和广阔的应用前景。　　本文结合湖南大学与滑铁卢大学合作研究课题“新型4WS车辆稳定性控制分析与试验研究”，借鉴国内外研究成果的基础上，研究新型4WS系统来提高车辆操纵稳定性能及其实现方法。基于线控转向技术，论文以前、后轮均可控的4WS车辆为研究对象，以车辆理想侧向动力学特性为控制目标，考虑非线性因素和不确定性因素对车辆操纵稳定性的影响，对4WS控制策略进行全面研究与验证。提出基于最优控制理论和滑膜变结构原理的主动全4WS控制策略。基于主动脉冲转向（APS）理念，提出一种新颖的 APS控制策略来提高车辆的稳定性能，并对此进行硬件在环（HIL）试验和整车试验研究。主要内容如下：　　1）为控制器设计与开发、仿真可视化以及控制效果验证的需要，基于试验Lexus样车的结构参数和特征属性建立汽车的数值模型和虚拟样机模型。考虑非线性因素对车辆的影响，建立8自由度（DOF）动力学模型并运用Matlab/Simulink实现模型的仿真计算，为4WS系统研究提供运算快、精度高的仿真测试平台；为实现仿真过程可视化，基于ADAMS/Car建立4WS车辆虚拟样机模型；利用ADAMS/Controls模块实现ADAMS/Car虚拟样机和Matlab/Simulink控制器进行“机械-控制系统”联合仿真测试的思路；通过试验验证，车辆模型误差能控制在10％之内，可用于4WS车辆稳定性控制研究。　　2）前、后轮主动控制转角和车辆稳定性之间关系的研究。从驾驶员和道路环境两个方面分析车辆失稳的原因以及车辆动力学参数与车辆稳定性的关系；研究4WS车辆控制机理以及前、后轮转向角度与车辆横摆角速度和质心侧偏角之间的动态关系；定性分析控制转角形式、频率和幅值对车辆操纵稳定性的影响，为后文4WS转角控制器的设计提供参考依据。　　3）考虑车轮侧向力非线性特性的影响，提出了基于车轮侧偏刚度权函数和最优控制原理的主动全4WS最优控制策略，实现理想横摆角速度的跟随和零化质心侧偏角的最优折衷。运用权函数将不同区域侧偏刚度平滑过渡模拟其非线性特性并与Carsim模型对比，得到了较好的一致性；基于车辆权函数模型和线控转向技术，运用线性二次型最优控制理论建立4WS最优控制策略并进行仿真验证。　　为进一步提高不确定因素影响下4WS车辆的操纵稳定性，进行能抵御车辆参数扰动和外界不确定性因素干扰的主动全4WS滑膜变结构控制器的研究。仿真结果表明：4WS滑膜控制能够抵御一定范围内车辆参数的扰动和外界不确定性因素干扰的影响，能较好跟踪理想模型运动状态，保证不确定性因素影响下车辆的转向响应品质，满足控制鲁棒性的要求。　　4）基于滑铁卢大学Amir Khajepour研究团队提出的APS理念，提出了一种新颖的主动后轮脉冲转向（ARPS）控制策略，控制转角是脉冲式的，它取代了传统4WS控制中转角为常数的形式，转向脉冲幅值和频率由控制器所决定。运用频率分析方法和最优控制理论设计车辆横摆和侧倾 ARPS最优控制策略并仿真验证。为充分利用转向时外侧车轮侧向力，避免内侧车轮过早到达饱和状态，集成独立转向和APS控制，提出了主动后轮独立脉冲转向（ARIPS）控制策略，并进行基于规则的后轮脉冲转角分配算法和基于轮胎力最优控制的脉冲转角分配算法的研究。为实现脉冲转角的最优分配，运用控制分配理论设计三层转角分配控制器并进行仿真验证。　　5）设计并研制基于 LabVIEW前轮 APS试验平台，进行 HIL试验研究。设计并制造前轮主动转向控制系统；构建基于NI PXI系统和sbRIO嵌入式系统实时控制平台，建立动力学仿真模型程序和主动脉冲转向控制器程序；HIL试验以软件方式模拟汽车行驶状态，以硬件方式对前轮进行主动脉冲转向控制输入。试验结果表明：控制器能实时判别车辆的侧倾程度，及时进行脉冲转向控制，快速的将车辆的侧翻指标控制在稳定的范围之内。　　设计并研制 ARPS控制系统，对 ARPS系统进行整车性能试验研究。设计全套液压脉冲转向装置，对试验车辆进行改造和转向系统安装，测试脉冲转向系统的可行性，进而进行整车试验研究。试验结果表明：脉冲频率对车辆稳定性能的影响程度与理论计算和仿真结果基本一致；不同脉冲信号对车辆稳定性能具有不同的影响，根据车辆运动状态选择合适的主动脉冲转向参数，能有效降低车辆的横摆角速度和侧向加速度，改善车辆横摆特性和侧向稳定性能。ARPS控制对改进4WS控制的性能提供了一个新的研究空间和试验基础。
作者：	张宝珍
专业：	机械工程
导师：	谢晖;Amir Khajepour
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文