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原文传递基于功能分配的汽车底盘集成系统协调控制与稳定性分析

论文题名：	基于功能分配的汽车底盘集成系统协调控制与稳定性分析
关键词：	汽车底盘;集成控制系统;工艺设计;稳定性分析;模拟仿真
摘要：	汽车是重要的载运工具之一，与人们的生产生活联系最为密切。底盘作为汽车的重要总成之一，对改善汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性和安全性等性能具有重要作用。底盘系统由悬架、转向和制动等子系统构成，对其施加主动控制作用可以改善汽车的某方面的性能。由于其子系统之间存在相互耦合，对底盘集成系统的优化控制带来了困难，研究者所设计的控制系统均能从某些方面改善底盘系统的控制性能。如何考虑各子系统间功能区别，对底盘集成系统各子系统进行功能分配且协调控制系统设计，保证底盘全局控制系统性能最优，是当前研究的难点。　　本文针对汽车底盘系统的悬架、转向和制动三个子系统间耦合作用，展开系统建模、子系统控制器设计和高阶悬架控制器模型降阶、基于功能分配的集成系统协调优化控制和稳定性分析等方面的研究，并进行了硬件在环仿真试验研究。具体为如下几个方面。　　1)针对整车悬架系统控制器阶数高、工程上难以实现的问题，建立整车7自由度主动悬架模型，基于最小信息损失模型降阶方法对20阶主动悬架控制器进行降阶研究，通过对降阶前后主动悬架闭环控制系统频域仿真和乘坐舒适性分析表明，20阶主动悬架控制器阶数能够被大大降低且系统状态能控能观信息损失不大。　　2)在建立汽车悬架与转向耦合动力学系统模型的基础上，选取偏差与偏差微分作为特征量，建立关于特征量的可拓集合。根据关联函数，划分经典域、可拓域、非域三种测度模式。在不同可拓集合范围内对控制功能进行分配，分别设计对应功能控制算法，构建基于功能分配的可拓控制器。通过仿真研究结果表明，基于功能分配的可拓控制可进一步全面提高悬架和转向集成系统的控制性能。　　3)对参数不确定性和时滞的系统，给出了系统稳定的充分性条件，并对悬架和转向系统进行了稳定性分析。在不同控制方法下，以悬架、转向系统参数作为变量，对集成控制系统的稳定性进行分析。结果表明，采用可拓控制，控制系统稳定性更佳;增大悬架阻尼、车速、前轮转向角至一定值时，汽车时域响应不稳定程度增加;改变可拓控制器偏差控制系数，对集成控制系统性能均有不同程度的影响;不断增加可拓控制器功能控制系数，系统各项控制性能会发生突变而失去稳定性。　　4)针对悬架与转向非线性集成系统，基于偏差分离的双线性控制、H∞控制、滑模变结构控制设计了非线性控制器，基于模糊规则的人车功能分配模块协调悬架和转向系统控制输出权重。通过仿真验证了双线性控制较H∞控制、滑模变结构控制，能更好地改善汽车乘坐舒适性和操纵稳定性能，同时体现了人车功能分配模块对进一步提升集成系统控制性能的有效性。　　5)针对汽车底盘悬架、转向、制动子系统耦合动力学关系，对悬架子系统设计非线性H∞控制器，对转向子系统设计直接横摆力矩PID控制器，对制动子系统设计滑模变结构控制器。基于功能分配原理对子系统控制功能进行分配，采用博弈论对子系统控制功能指标进行博弈，模糊规则实时自整定子系统控制器输出量以跟踪期望控制目标。对整车协调控制系统进行仿真，结果表明基于博弈论的整车协调控制系统较子系统单独控制、不加控制时能取得更好的控制性能。　　6)基于NI Compact-cRIO设计了硬件在环仿真试验平台，进行了悬架子系统、转向子系统和悬架与转向集成系统的硬件在环仿真试验，验证了所设计的可拓控制器和双线性控制器对改善汽车乘坐舒适性和操纵稳定性的有效性。在此基础上，采用Compact-cRIO9025在三种不同工况下，进行了基于快速原型的实车试验，进一步验证了所设计的双线性控制器的有效性。
作者：	汪洪波
专业：	机械工程
导师：	陈无畏
授予学位：	博士
授予学位单位：	合肥工业大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文