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原文传递基于相平面域的车辆稳定性控制及转矩分配优化研究

论文题名：	基于相平面域的车辆稳定性控制及转矩分配优化研究
关键词：	电动汽车;车辆稳定性控制;转矩分配优化;相平面域;四轮轮毂电机
摘要：	由于加装了四轮轮毂电机的汽车具有每个车轮可进行独立控制、电机转速及转矩可测量、污染小以及节约资源等优点，已成为现代汽车发展的大势所趋，因此对于其稳定性与安全性的研究，成为了世界汽车产业所关注的重点。为了提高电动汽车的稳定性能，国内外学者设计了基于不同控制理论的车载稳定性控制单元，其中模型预测控制（ModelPredictiveControl,MPC）算法作为一种强大的处理多约束优化问题的滚动优化控制算法，有着其他先进控制理论无法超越的优势。但基于MPC所设计的稳定性控制策略只能根据预先设定的固定约束对目标函数进行求解，无法通过测量并分析车辆当前的行驶状态，设定时变的约束区域进行特定的求解，因此对于提高MPC车辆稳定性控制器的约束精度方面，还需要进一步研究。　　针对目前四轮轮毂电动汽车中，基于MPC设计的稳定性控制器由于约束精度有限而计算出的控制序列精度有待于进一步提高的问题，本文提出了一种划分行驶车辆横摆角速度—质心侧偏角（γ-β）相平面线性稳定域的边界函数，并研究将该稳定域边界函数引入MPC的稳定性控制策略，从而使MPC的约束是随着车辆当前行驶状态而实时生成的，基于此设计的稳定性控制器能够实现对于失稳车辆的精准控制。综上，本文通过引入随车辆状态实时变化的MPC状态约束从而提高控制器的输出序列的精度，进而改善车辆的稳定性能。本文的具体工作内容主要有以下几点：　　首先，本文建立了四轮轮毂电动汽车的整车系统模型。包括反映车辆动态特性的二自由度车辆模型、反映轮胎非线性特征的魔术轮胎模型、包含车轮运动参数的车轮模型以及电机转矩跟踪模型，并计算行驶车辆的状态参考值。为后文γ-β相平面引入MPC状态约束的稳定性控制单元以及电机转矩分配优化单元的设计做出了充分的模型理论分析。　　其次，本文划分了γ-β相平面稳定边界。基于已建立的二自由度车辆模型以及轮胎模型，绘制了车辆在不同行驶参数下的γ-β相平面，并将相平面稳定域边界进行合理的简化，从而定量的描述出稳定域边界的边界函数，为提高MPC控制器的计算精度奠定了基础。　　再次，本文提出了基于相平面稳定域约束的MPC稳定性单元以及转矩分配优化单元的控制策略。为解决MPC稳定性控制器无法对车辆状态进行精准识别，从而导致控制精度较低的问题，本文将所设计的相平面稳定域边界函数引入MPC的状态变量约束中，从而使MPC的控制序列随着车辆的状态变化而实时计算，实现了稳定性控制器对车辆失稳趋势的精准控制。同时设计转矩优化分配单元，将计算出的附加力矩合理的分配给四个车轮。　　最后，搭建了Matlab/Simulink和CarSim联合仿真平台，对所提出的控制策略有效性进行验证。结果表明，引入了相平面稳定域边界函数的MPC稳定性控制策略能使车辆状态值以更高精度跟随期望值，并且在以较小轮胎附着率的前提下，能将转矩合理地分配给四个车轮，留有较大地稳定裕度，车辆的稳定性与安全性得到了提高。
作者：	魏玉博
专业：	控制工程
导师：	李寿涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023