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原文传递车辆动力学切换T-S建模与质心侧偏角估计方法研究

论文题名：	车辆动力学切换T-S建模与质心侧偏角估计方法研究
关键词：	车辆动力学;质心侧偏角;分段仿射模型;切换T-S观测器
摘要：	汽车安全是推动汽车技术发展的原动力和技术创新的重要领域。目前，大量汽车主动安全技术不断呈现，并得到应用。汽车电子稳定系统(ElectronicStabilityProgram,ESP)和车辆动力学系统集成控制作为重要的主动安全技术，能有效提升汽车的运动性能。质心侧偏角是表征车辆稳定行驶性能的重要参数，需通过估计技术得到。尽管车辆质心侧偏角的估计问题已得到大量研究，但复杂工况的适用性、较高的估计精度以及满足在线计算需求仍是制约质心侧偏角估计技术应用的瓶颈。本文的研究动机在这一背景下提出。研究目标是建立适用于复杂行驶工况、能有效表征动力学系统特征、面向控制器和观测器设计的车辆动力学模型，并在此基础上提出满足在线计算需求的质心侧偏角估计方法。本文的主要研究内容如下：　　考虑到轮胎力模型是车辆动力学建模的基础与核心，本文首先分析了轮胎力的特征以及几种典型轮胎力模型的表达方式。针对现有轮胎模型表达式过于复杂，难以用于观测器设计的问题，本文从分段仿射（PiecewiseAffine,PWA）建模的角度，提出了一种新的轮胎侧向力PWA建模方法。其主要思想是通过引入表征附着系数影响的参变量并结合轮胎力理论模型，建立了能完整表征载荷转移与附着系数影响的轮胎侧向力PWA模型。本文给出的轮胎力PWA建模方法可准确反映纯侧偏工况下的轮胎侧向力特性，具有模型结构简洁，便于车辆动力学系统建模的优点。　　基于所建立的纯侧偏工况下的轮胎侧向力PWA模型，分析了垂向动态与参数对侧向动力学的影响因素和作用规律，提出了有效表征垂/侧向耦合特性的侧向动力学建模方法，建立了考虑侧倾的3自由度(Degree-of-Freedom,DOF)侧向动力学PWA模型。对于模型中存在的残余非线性项，采用Takagi-Sugeno(T-S)模糊化方法，得到了侧向动力学切换T-S模糊模型，并基于该模型提出了一种质心侧偏角同步切换T-S观测器设计方法。仿真与实车实验结果表明，本文设计的同步切换T-S观测器具有较高的质心侧偏角估计精度和较小的计算代价。此外，对采用3DOF模型和2DOF（忽略侧倾）模型设计的观测器的估计性能进行了分析对比，结果表明在反映侧倾动态特性的输出变量的作用下，两种不同模型观测器的估计性能是接近的，这为简化动力学建模和观测器设计提供了依据。本文的研究工作为采用切换T-S观测器设计方法解决质心侧偏角估计问题提供了新的思路和方法。　　针对采用切换T-S模糊模型设计侧偏角观测器时，存在实际车辆状态与观测器状态不在同一分区导致异步切换的问题，本文提出了一种异步切换T-S观测器设计方法。通过构建增广系统，采用线性矩阵不等式求解方法，设计异步切换T-S观测器，使得侧偏角估计误差系统渐近稳定。尽管异步观测器设计更为复杂、计算代价增加，还带来更大的保守性的问题，但异步观测器有更宽泛的工况适用性和更好的稳定性。通过不同工况的实验与仿真对异步观测器与同步观测器的估计性能进行了分析对比。结果表明，当实际系统状态在分区点附近变化时，异步观测器具有更好的估计性能。本文的这一工作为明确不同观测器的特征与适用范围提供了依据。　　为适应车辆运动集成控制技术的发展需求，纵滑-侧偏联合工况（纵向滑移率不为零）下的质心侧偏角估计方法得到了关注。本文在前述研究工作的基础上，提出了纵滑-侧偏联合工况下的轮胎力PWA建模以及质心侧偏角估计方法。通过引入表征滑移率、附着系数影响的参变量，建立了轮胎侧向力与名义侧向力的联系，并结合理论轮胎力模型，提出了纵滑-侧偏联合工况下的轮胎侧向力PWA模型，并建立了考虑纵向车速变化的侧向动力学PWA模型。针对多时变参数的问题，通过引入前件变量，将侧向动力学PWA模型变换为切换T-S模糊模型，并设计了切换T-S观测器。不同工况下的仿真与实验结果表明，本文针对滑移-侧偏工况提出的观测器设计方法有较高的质心侧偏角估计精度和较好的实时计算性能。　　本文是以复杂行驶工况适用性、较高估计精度和满足实时计算为目标的车辆动力学建模与质心侧偏角估计方法的探索性研究，为满足应用需求的质心侧偏角估计技术提供了新的思路和方法。
作者：	张茜
专业：	控制科学与工程
导师：	刘志远
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021