四輪轉(zhuǎn)向車輛操縱魯棒控制及其快速開發(fā)試驗平臺研究.pdf

1、汽車操縱穩(wěn)定性主動控制是目前國際上汽車技術(shù)研究的熱點之一。隨著高速公路的發(fā)展，車輛高速化，車流密集化，使得交通事故呈現(xiàn)上升趨勢。同時人們對車輛的平順性和舒適性要求也越來越高，因此對汽車操縱穩(wěn)定性控制的研究顯得更加迫切和重要。汽車操縱穩(wěn)定性中的四輪轉(zhuǎn)向(4WS)控制技術(shù)能顯著提高高速時車輛操縱穩(wěn)定性及低速時的操縱靈活性，是實現(xiàn)主動安全性的先進(jìn)方法，可成為改善汽車操縱穩(wěn)定性的有效手段之一。 由于車輛行駛環(huán)境的多變性導(dǎo)致控制建模中未建

2、模不確定性的存在，高魯棒性的4WS控制算法有重要意義，論文著重就此進(jìn)行了深入研究。研究工作通過動力學(xué)模型理論分析，數(shù)字仿真，原型控制器硬件在環(huán)仿真，以及實際改裝的四輪轉(zhuǎn)向主動控制轎車的試驗測試和對比分析，主要獲得了以下創(chuàng)新性成果： 1．考慮在實際中車輛受到不確定情形的外擾及車輛質(zhì)心側(cè)偏角和側(cè)傾角難以直接測量，建立四輪轉(zhuǎn)向車輛控制系統(tǒng)動力學(xué)模型，提出一種基于降階觀測器的前輪和四輪轉(zhuǎn)向車輛擾動操縱控制策略，應(yīng)用最優(yōu)控制理論設(shè)計反饋控

3、制系統(tǒng)，進(jìn)行高速動態(tài)仿真。結(jié)果表明該降階觀測器跟蹤性能良好、速度快且估計誤差??；系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性和魯棒性，4WS車輛更能有效地提高車輛擾動操縱穩(wěn)定性和安全性。 2.實際汽車行駛總承擔(dān)不同載荷以及運行狀態(tài)(如速度)變化，以橫擺角速度跟蹤反饋為控制邏輯，設(shè)計μ綜合魯棒控制器來抑制外部干擾，優(yōu)化權(quán)函數(shù)，實現(xiàn)了傳統(tǒng)四輪轉(zhuǎn)向車輛控制器難以達(dá)到的性能指標(biāo)。仿真表明，所設(shè)計的4WS汽車μ綜合魯棒控制器不僅可使其具有良好操縱性能魯棒性和穩(wěn)

4、定魯棒性，對外界干擾具有很好的抑制性能且不敏感于車輛參數(shù)變化，也改善了以往風(fēng)控制器設(shè)計偏于保守的問題。 3．為提高車輛的抗側(cè)傾性能及降低高速下的側(cè)翻危險性，應(yīng)用μ綜合魯棒控制理論，針對四輪轉(zhuǎn)向車輛，以橫擺角速度跟蹤和側(cè)傾角速度反饋為控制邏輯，合理選擇加權(quán)函數(shù)，設(shè)計魯棒控制器和最優(yōu)控制器抑制車輛側(cè)傾；經(jīng)仿真比較，設(shè)計的μ綜合魯棒控制器更具有良好操縱性能魯棒性和穩(wěn)定魯棒性，對于輪胎側(cè)偏剛度等引起的側(cè)向干擾具有很好的抑制性能，實現(xiàn)傳統(tǒng)

5、四輪轉(zhuǎn)向難以實現(xiàn)的主動側(cè)傾操縱控制和跟蹤性能。 4．建立四輪轉(zhuǎn)向與直接橫擺力矩的廣義四輪轉(zhuǎn)向動力學(xué)模型，因在理論上μ綜合控制是具有強(qiáng)路況或載重量的變化等。采用結(jié)構(gòu)奇異值μ理論，設(shè)計魯棒控制器，通過引入虛構(gòu)的不確定塊，將性能魯棒控制問題轉(zhuǎn)化為廣義系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性問題求解，兼顧了系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。采用J-turn和Fishhook兩種操縱方式在三種不同的路面(干路面，濕路面，冰雪路面)工況下仿真研究驗證控制器的魯棒性。

6、 5．基于Matlab/Simulink/dSPACE開發(fā)了4WS車輛控制系統(tǒng)的HILs快速開發(fā)平臺。以橫擺角速度反饋為4WS車輛基本控制邏輯，將系統(tǒng)中關(guān)鍵硬件與復(fù)雜的仿真模型集成，進(jìn)行各種測試和性能評估。在此平臺的基礎(chǔ)上，利用HILs技術(shù)實現(xiàn)了各控制算法魯棒性能的評價，結(jié)果表明基于μ綜合魯棒控制方法有較好的綜合性能。因此設(shè)計開發(fā)的4WS硬件在環(huán)仿真開發(fā)平臺為先進(jìn)控制算法的分析與設(shè)計、開發(fā)和評價及ECU的開發(fā)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持

7、，也為各種控制算法和策略的探索性研究提供了物質(zhì)條件。 6．建立含時滯的四輪轉(zhuǎn)向動力學(xué)模型，應(yīng)用多項式判別理論，系統(tǒng)地研究時滯四輪轉(zhuǎn)向動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。采用CACSD(計算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計)系統(tǒng)的μ綜合控制器的原型電子控制單元的硬件在環(huán)仿真平臺，成功開發(fā)了加載先進(jìn)轉(zhuǎn)向控制算法的基于高性能DSP芯片的4WS轉(zhuǎn)向控制器原型。該控制器原型在執(zhí)行硬件在環(huán)下進(jìn)行了實際運行，證明了所用算法的有效和優(yōu)勢。 7．研究先進(jìn)4WS車輛底

8、盤系統(tǒng)的設(shè)計、試制及開發(fā)核心的魯棒控制算法的軟硬件開發(fā)及開發(fā)平臺的成套技術(shù)。設(shè)計開發(fā)4WS底盤系統(tǒng)及后輪轉(zhuǎn)向控制線傳操縱直線步進(jìn)電動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，成功改裝國內(nèi)第一輛四輪主動轉(zhuǎn)向控制轎車，并對論文提出的高魯棒性控制算法進(jìn)行實車試驗驗證。根據(jù)國標(biāo)OC/T 480-1999《汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評價方法》規(guī)定的試驗方法，選取了兩種客觀評價試驗：方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)(轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗)、蛇行試驗。試驗結(jié)果證明改裝的四輪轉(zhuǎn)向優(yōu)于原來的前輪