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原文传递基于有限时间的车辆纵横向稳定性控制研究

论文题名：	基于有限时间的车辆纵横向稳定性控制研究
关键词：	汽车有限时间约束控制器;防抱死制动系统;直接橫摆力矩控制;车轮滑移率;质心侧偏角;横纵向稳定性
摘要：	随着交通状况的日益严峻，人们对汽车主动安全性、操纵稳定性的要求不断提高。防抱死制动系统（Antilock Braking System，ABS）通过调整制动力矩以跟踪最优车轮滑移率，进而获取车轮与地面的最大附着力，提高车辆纵向制动稳定性；直接橫摆力矩控制（Direct Yaw Moment Control，DYC）则通过调节附加橫摆力矩，跟踪上层控制器规划的期望值以保证车辆转向过程中横向的稳定性。因此ABS和DYC对于提高车辆横纵向稳定性和主动安全性至关重要。然而由于控制系统的非线性及外界干扰的影响，在跟踪期望值过程中存在响应缓慢、超调、震荡及违反约束边界的情况，严重影响车辆稳定性，从而导致追尾、侧滑及侧翻等交通事故的发生。　　综上所述，为了提高车辆横纵向稳定性，本文基于有限时间控制算法对车辆稳定性控制策略进行研究，即基于有限时间控制理论，结合tan型障碍李雅普诺夫函数（Barrier Lyapunov Function,BLF）分别设计了ABS与DYC的有限时间约束控制器，保证车轮滑移率与车辆质心侧偏角能在有限时间收敛到最优值并始终保持在设定边界内，进而提高车辆稳定性。本文的主要研究成果包括：　　（1）基于Burckhardt轮胎模型，建立了含有不确定性和未知有界干扰的ABS滑移率状态方程。根据路面附着系数与滑移率的曲线关系得到滑移率稳定域边界。针对ABS系统有限时间约束控制问题，采用一种tan型BLF函数结合有限时间控制理论与backstepping控制算法设计了滑移率有限时间障碍李雅普诺夫函数（Finite-Time Barrier Lyapunov Function，FT-BLF）控制器。所设计的FT-BLF控制器不仅能够保证ABS系统有限时间内稳定，还能自适应抑制外界干扰。同将滑移率控制在稳定域内，不违反约束边界。并通过Simulink仿真对比，验证了所提出的基于BLF的有限时间反步控制方法可以保证在满足滑移率约束的前提下，ABS系统输出跟踪误差在有限时间内收敛于原点的一个小邻域内。　　（2）基于车辆二自由度模型，建立了DYC系统动力学模型，并通过车辆横向稳定性分析得到质心侧偏角稳定域约束条件。针对DYC系统有限时间约束控制问题，采用tan型BLF函数结合有限时间控制理论与反步控制算法设计了质心侧偏角有限时间约束控制器。通过Simulink仿真验证了所设计的DYC有限时间控制器不仅能使质心侧偏角始终满足稳定域边界条件，并且能在有限时间内使DYC系统趋于稳定，避免车辆甩尾、侧翻等事故的出现，提高车辆稳定性与主动安全性。　　（3）针对ABS系统，使用MATLAB/Simulink和LabVIEW软件，搭建ABS硬件在环(Hardware in the Loop，HiL)测试系统并进行制动测试；针对DYC系统搭建CarSim整车模型，并建立CarSim和Matlab/Simulink联合仿真平台进行仿真测试。试验结果与联合仿真表明，两种FT-BLF控制器不仅能使车轮滑移率和质心侧偏角始终在稳定域内，而且能使状态变量快速、准确地跟踪期望轨迹，使ABS与DYC系统在有限时间内稳定。
作者：	刘鑫
专业：	车辆工程
导师：	何友国
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022