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原文传递分布式电驱动汽车主动转向与复合制动集成控制研究

论文题名：	分布式电驱动汽车主动转向与复合制动集成控制研究
关键词：	电动汽车;主动前轮独立转向系统;电液复合制动系统;集成控制
摘要：	近年来，由于石油燃料危机和越来越严格的车辆排放与安全标准，车辆电动化即新能源汽车的研发正逐步成为全球汽车工业研发的焦点。然而，这对已经建立成熟体系的传统汽车技术，如动力系统的设计与布置、底盘的设计与布置以及车辆动力学与控制，提出了巨大的挑战并迫切需求革命性替代产品的出现。不可避免的，电池和电机控制以及能量管理系统的开发和研究受到了大量的关注，然而针对车辆电动化所带来的对车辆动力学的冲击的研究却鲜有报道。例如，以目前的技术，电池仍然是车辆部件中较重的一部分，这往往会带来簧载质量、惯量的增加甚至质心高度的升高，造成车辆稳定性恶化。即使保证了车辆的行驶稳定性，仍然存在着节能和提高系统效率的挑战，因此基于新能源汽车进行车辆稳定性与节能性的集成控制是亟需解决的新的研究课题。电机是联系电动汽车节能性与车辆动力学特性的关键部件，但受其外特性和SoC（荷电状态）的影响，单独电机制动产生的最大制动力矩往往无法满足一些强制动工况的需求，故其制动系统常采用电制动与液压制动的复合制动方式。复合制动的出现使得滑移率控制(WSC)产生了更加复杂的作用机理，这个过程存在如何进行电液扭矩分配以及如何处理制动能量回收与轮胎非线性动力学之间耦合的难点问题，而基于电液复合制动的WSC又是实现车辆稳定性节与能性控制的关键所在。　　鉴于此，本文以装备有主动前轮独立转向(AIFS)系统和电液复合制动系统的分布式电动驱动汽车为研究对象，注重电动汽车与燃油汽车在车辆动力学集成控制方面的区别，考虑基于电液复合制动的滑移率控制对ABS、ESP等的冲击，发挥四轮独立制动和前轮独立转向的优势，结合复合制动所具备的车辆稳定性控制和制动能量回收两方面的特点，基于分层控制结构，利用先进控制分配理论技术，实现车辆的综合稳定性和节能性控制。主要研究工作如下: 　　(1)车辆动力学模型建立与验证，首先建立了主动前轮独立转向子系统与电液复合制动子系统模型。其中，AIFS子系统模型包含用于分析悬架特性与整车性能的多体动力学模型和用于车辆稳定性控制的数学模型，复合制动子系统模型包含对时间延迟的pade近似处理以及离散状态方程模型;然后建立了用于验证控制器效果的车体动力学模型和轮胎模型;最后，分别应用车辆动力学商业软件ADAMS/Car和Carsim对模型精度进行了验证。　　(2)车辆动力学控制是建立在对车辆运动状态、行驶环境、路面与轮胎附着状态等精确判断的基础上，本文基于卡尔曼滤波算法研究了车辆质心侧偏角、车身侧倾角、车身侧倾角速度等车辆状态的估计，并应用姿态方位组合导航系统进行了实车试验，对车辆状态估计效果进行了验证。同时研究了基于滑模观测器的轮胎纵向力观测方法。　　(3)针对新近被提出的AIFS系统，本文创新性地从多体动力学角度分析了AIFS的安装对悬架特性和整车操纵稳定性的冲击，为车辆稳定性控制提供了指导;然后设计了对参数扰动鲁棒性较好的滑模控制器和基于规则的转角分配算法，对车辆进行稳定性控制;最后，针对基于规则的转角分配算法无法实现最优分配的问题，提出一种基于控制分配的AIFS转角分配算法，并通过数值仿真对其控制效果进行了验证。　　(4)目前电液扭矩分配的研究主要集中于对电液力矩的开环规划，但这会使实际复合后的力矩与期望值之间存有偏差，故提出一种基于预测动态控制分配的电液扭矩分配方法;针对变路面条件下的最优滑移率复杂多变的特点，提出一种基于滑模极值搜索算法的滑移率控制方法，并推导了极值搜索算法的滑模可达条件。基于以上所提出的控制分配方法和极值搜索算法，首先在复杂直线制动工况下进行了仿真计算，通过对比静态控制分配（即开环规划法）和动态控制分配的电液扭矩分配效果，所提控制分配方法实现了更好的复合效果;然后，针对转弯制动工况，从滑移率与轮胎纵横向耦合动力学角度，提出AFS补偿法和滑移率控制律修正法来提高车辆侧向稳定性，并通过数值仿真对控制方法进行了验证。　　(5)以实现车辆稳定性和节能性为目标，提出一种AIFS与复合制动的集成控制策略。首先，规划了集成控制系统的整体结构，利用对车辆侧倾动力学和横摆动力学的相平面分析，设计了协调控制规则;其次，阐述了基于嵌入式凸优化工具CVXGEN的快速预测动态控制分配的求解器生成与编译流程;然后，重点研究了分层集成控制策略，协调层依据所设计的协调规则变换不同的控制模式，上层控制器基于驾驶员意图识别和车辆状态估计得到车辆稳定性控制所补偿的广义力，中层控制分配器将上层控制器得到的广义力在前轮独立转向和四轮复合制动之间进行分配，并将滑移率控制闭环引入中层控制分配模块，同时考虑执行器的幅值和速率约束。在下层执行器中，采用预测动态控制分配方法将得到的轮胎制动力在电机与液压执行器之间进行分配，实现车辆稳定性控制的同时兼顾制动能量回收。最后，利用双移线和鱼钩试验工况，对所提控制策略进行了仿真验证。
作者：	袁希文
专业：	机械工程
导师：	文桂林
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文