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原文传递四轮转向车辆滑模鲁棒控制策略及其实验研究

论文题名：	四轮转向车辆滑模鲁棒控制策略及其实验研究
关键词：	四轮转向车辆;滑模控制;系统建模;质心侧偏角;虚拟样机;仿真平台;路面试验
摘要：	节能、环保、安全是二十一世纪汽车工程领域具有重大意义的研究热点,而安全是汽车设计的主要首选,特别是主动安全是汽车安全设计的重要研究方向,其目的是为了消除事故隐患,在事故发生之前避免其发生。四轮转向(Four-wheel Steering,4WS)作为一项先进的汽车底盘主动安全控制技术,其主要目的是增强汽车在高速行驶时的操纵稳定性,改善横摆角速度和质心侧偏角等瞬态响应指标,减小低速转弯的转弯半径,提高汽车操纵灵活性。因此,四轮转向技术成为当今汽车主动安全领域研究的热点并具有非常重要的现实意义。　　本文的研究工作由国家自然基金项目“基于智能多主体机制的车辆集成控制系统架构研究”(编号:50575041)资助,围绕基于四轮转向车辆的先进控制系统开发研究这一主题,在借鉴国内外研究成果特别是本课题组已经完成的成果基础上,展开四轮转向控制系统建模分析、先进滑模控制算法设计、硬件在环仿真控制系统开发方法以及实车试验等方面进行了研究,主要内容如下: 　　 1.详细分析了各种轮胎动力学模型并建立了反映研究问题的本质,且满足实时仿真与试验需要的4WS车辆控制系统的三自由度动力学系统模型。同时基于此模型,分析横摆角速度和质心侧偏角对车辆系统稳定性的表征,以及汽车横摆角速度和质心侧偏角对车辆稳定性的影响。　　 2.为了系统分析非线性四轮转向车辆的动力学行为,并同时考虑实际车辆运行工况的复杂性,选择质心侧偏角和横摆角速度作为控制变量,基于滑模鲁棒控制理论和最优反馈控制理论,分别设计控制器抑制外部扰动;在MATLAB/Simulink环境下实现仿真结果的对比,结果表明,滑模控制下四轮转向车辆具有更优的操纵性能,将质心侧偏角控制在稳定范围内,并能够很好地跟踪车辆的期望横摆角速度,可较理想地提高四轮转向车辆行驶时的抗干扰能力。　　 3.建立基于非线性轮胎模型的车辆稳定性控制动力学模型,推导侧向干扰下的车辆质心侧偏角估计方法理论公式;以跟踪理想模型为基础设计基于模糊逻辑的控制器,仿真分析车辆稳定性控制的横摆角速度和质心侧偏角状态变量的响应,进一步验证质心侧偏角的估计方法,结果表明估计方法的有效性。　　 4.运用多体动力学理论和方法,在ADAMS/VIEW软件里建立了包含前后悬架系统、转向、车身、动力传动、轮胎等子模块在内的整车非线性多刚体数字化虚拟样机;综合考虑仿真精度和仿真时间,基于多刚体动力学模型,应用修正的Craig-Bampton模态综合法对行驶过程中相对变形较大且由于客观原因无法得到试验特性值的前悬架横摆臂、前后稳定杆及后扭转梁进行模态分析,把生成的模态中性文件引入到多刚体模型中取代相应的刚体,建立整车刚柔耦合多体动力学模型;对虚拟试验车进行了稳态回转和单移线两种操纵稳定性试验,并比较对比纯数字仿真及虚拟仿真试验结果;进一步验证滑模鲁棒控制的虚拟试验技术的鲁棒性及抗干扰性,并比较了车辆虚拟模型在不同车辆结构参数对整车操纵稳定性能的影响。　　 5.基于dSPACE实时仿真环境设计4WS车辆系统开发平台,论文从车辆稳定性系统各个开发阶段的研究目标出发,详细论述了开发平台的功能设计方案,从软件设计和硬件设计分别论述4WS车辆系统开发平台的配置。在MATLAB/Simulink环境中搭建用于系统仿真的车辆模型和车辆稳定性系统控制算法;开发平台硬件设计采用模块化设计思路,主要包括基于TMS320F2812的主控单元模块、系统电源模块、信号处理模块和通讯模块。基于车辆动力学模型和车辆稳定性系统控制算法在MATLAB/Simulink环境下搭建离线仿真平台,比较虚拟样机试验和硬件在环试验仿真结果,表明硬件在环仿真平台可以实现4WS车辆系统控制算法在各种操纵条件下的性能分析,所设计的4WS车辆系统能有效提高车辆的稳定性,实现横摆角速度跟踪和质心侧偏角限幅的控制目标。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.将本文设计的先进4WS车辆鲁棒控制系统试装于实车,在车辆系统开发平台基础上,对改装车辆进行了典型双移线避障的高低附着路面试验。试验结果表明:改装设计的4WS车辆系统ECU能够辅助驾驶员在极限行驶工况下实现对车辆的安全操控,控制算法运行稳定。
作者：	陈建松
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：	2011
正文语种：	中文