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原文传递四轮转向车辆操纵鲁棒控制及其快速开发试验平台研究

论文题名：	四轮转向车辆操纵鲁棒控制及其快速开发试验平台研究
关键词：	操纵稳定性;四轮转向;鲁棒控制;汽车行驶
摘要：	汽车操纵稳定性主动控制是目前国际上汽车技术研究的热点之一。随着高速公路的发展，车辆高速化，车流密集化，使得交通事故呈现上升趋势。同时人们对车辆的平顺性和舒适性要求也越来越高，因此对汽车操纵稳定性控制的研究显得更加迫切和重要。汽车操纵稳定性中的四轮转向(4WS)控制技术能显著提高高速时车辆操纵稳定性及低速时的操纵灵活性，是实现主动安全性的先进方法，可成为改善汽车操纵稳定性的有效手段之一。由于车辆行驶环境的多变性导致控制建模中未建模不确定性的存在，高鲁棒性的4WS控制算法有重要意义，论文着重就此进行了深入研究。研究工作通过动力学模型理论分析，数字仿真，原型控制器硬件在环仿真，以及实际改装的四轮转向主动控制轿车的试验测试和对比分析，主要获得了以下创新性成果： 1．考虑在实际中车辆受到不确定情形的外扰及车辆质心侧偏角和侧倾角难以直接测量，建立四轮转向车辆控制系统动力学模型，提出一种基于降阶观测器的前轮和四轮转向车辆扰动操纵控制策略，应用最优控制理论设计反馈控制系统，进行高速动态仿真。结果表明该降阶观测器跟踪性能良好、速度快且估计误差小；系统具有良好的动态特性和鲁棒性，4WS车辆更能有效地提高车辆扰动操纵稳定性和安全性。 2.实际汽车行驶总承担不同载荷以及运行状态(如速度)变化，以横摆角速度跟踪反馈为控制逻辑，设计μ综合鲁棒控制器来抑制外部干扰，优化权函数，实现了传统四轮转向车辆控制器难以达到的性能指标。仿真表明，所设计的4WS汽车μ综合鲁棒控制器不仅可使其具有良好操纵性能鲁棒性和稳定鲁棒性，对外界干扰具有很好的抑制性能且不敏感于车辆参数变化，也改善了以往风控制器设计偏于保守的问题。 3．为提高车辆的抗侧倾性能及降低高速下的侧翻危险性，应用μ综合鲁棒控制理论，针对四轮转向车辆，以横摆角速度跟踪和侧倾角速度反馈为控制逻辑，合理选择加权函数，设计鲁棒控制器和最优控制器抑制车辆侧倾；经仿真比较，设计的μ综合鲁棒控制器更具有良好操纵性能鲁棒性和稳定鲁棒性，对于轮胎侧偏刚度等引起的侧向干扰具有很好的抑制性能，实现传统四轮转向难以实现的主动侧倾操纵控制和跟踪性能。 4．建立四轮转向与直接横摆力矩的广义四轮转向动力学模型，因在理论上μ综合控制是具有强路况或载重量的变化等。采用结构奇异值μ理论，设计鲁棒控制器，通过引入虚构的不确定块，将性能鲁棒控制问题转化为广义系统的稳定鲁棒性问题求解，兼顾了系统的稳定鲁棒性和性能鲁棒性。采用J-turn和Fishhook两种操纵方式在三种不同的路面(干路面，湿路面，冰雪路面)工况下仿真研究验证控制器的鲁棒性。 5．基于Matlab/Simulink/dSPACE开发了4WS车辆控制系统的HILs快速开发平台。以横摆角速度反馈为4WS车辆基本控制逻辑，将系统中关键硬件与复杂的仿真模型集成，进行各种测试和性能评估。在此平台的基础上，利用HILs技术实现了各控制算法鲁棒性能的评价，结果表明基于μ综合鲁棒控制方法有较好的综合性能。因此设计开发的4WS硬件在环仿真开发平台为先进控制算法的分析与设计、开发和评价及ECU的开发提供理论指导和技术支持，也为各种控制算法和策略的探索性研究提供了物质条件。 6．建立含时滞的四轮转向动力学模型，应用多项式判别理论，系统地研究时滞四轮转向动力系统的稳定性问题。采用CACSD(计算机辅助控制系统设计)系统的μ综合控制器的原型电子控制单元的硬件在环仿真平台，成功开发了加载先进转向控制算法的基于高性能DSP芯片的4WS转向控制器原型。该控制器原型在执行硬件在环下进行了实际运行，证明了所用算法的有效和优势。 7．研究先进4WS车辆底盘系统的设计、试制及开发核心的鲁棒控制算法的软硬件开发及开发平台的成套技术。设计开发4WS底盘系统及后轮转向控制线传操纵直线步进电动转向机构，成功改装国内第一辆四轮主动转向控制轿车，并对论文提出的高鲁棒性控制算法进行实车试验验证。根据国标OC/T 480-1999《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》规定的试验方法，选取了两种客观评价试验：方向盘角阶跃输入下的瞬态响应(转向瞬态响应试验)、蛇行试验。试验结果证明改装的四轮转向优于原来的前轮转向系统，具有良好的操纵稳定性，为国内四轮转向轿车的进一步研发和产业化提供了理论及试验依据。
作者：	殷国栋
专业：	车辆工程
导师：	陈南
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文