分布式驅(qū)動電動汽車狀態(tài)參數(shù)估計與側(cè)向穩(wěn)定性魯棒控制研究.pdf

1、與集中式驅(qū)動電動汽車相比，分布式驅(qū)動電動汽車使用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動四個車輪，以線控系統(tǒng)(X-by-wire，X代表驅(qū)動、制動等)取代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動鏈接，在大幅簡化底盤結(jié)構(gòu)、提高傳動效率的同時，可實(shí)現(xiàn)各車輪轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制與快速響應(yīng)，為車輛動力學(xué)控制提供了獨(dú)特的優(yōu)勢（例如，容易產(chǎn)生需要的橫擺力矩)，更易實(shí)現(xiàn)車輛底盤側(cè)向動力學(xué)主動安全系統(tǒng)（前輪主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AFS、直接橫擺力矩控制系統(tǒng)DYC等）的集成控制，將極大地改善車輛操縱舒適性和緊急轉(zhuǎn)向工況

2、下車輛側(cè)向穩(wěn)定性。然而，準(zhǔn)確而實(shí)時地獲得電動汽車行駛過程中的狀態(tài)參數(shù)信息是實(shí)現(xiàn)車輛底盤側(cè)向動力學(xué)主動安全控制的前提與必要條件，同時先進(jìn)的控制技術(shù)是發(fā)揮分布式驅(qū)動電動汽車獨(dú)立驅(qū)動優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)車輛底盤動力學(xué)側(cè)向穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵。本文以分布式輪轂驅(qū)動電動汽車為研究對象，圍繞電動汽車側(cè)向動力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)非線性估計和側(cè)向穩(wěn)定性魯棒控制策略等問題展開研究，論文的研究主要內(nèi)容如下:
　　(1)深入研究三階球面-相徑容積準(zhǔn)則求解貝葉斯濾波中的“非

3、線性函數(shù)×高斯密度”問題，將全新高斯域貝葉斯非線性濾波框架下的容積卡爾曼濾波理論引入車輛動力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)估計中，利用分布式驅(qū)動電動汽車提供的標(biāo)準(zhǔn)車載信息測量量，設(shè)計車輛縱向速度、側(cè)向速度、質(zhì)心側(cè)偏角等車輛狀態(tài)容積卡爾曼濾波估計算法，在CarSim/Matlab環(huán)境中開發(fā)了高保真的分布式輪轂驅(qū)動電動汽車CaiSim和Simulink聯(lián)合仿真平臺，仿真驗(yàn)證了容積卡爾曼濾波理論在車輛動力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)估計中的可行性與適應(yīng)性。
　　(2)為實(shí)時

4、估計車輛行駛過程中的車身側(cè)傾角等側(cè)傾狀態(tài)及輪胎與路面之間相互作用的輪胎側(cè)向力、路面附著系數(shù)等參數(shù)，采用非穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的Dugoff動態(tài)輪胎模型刻畫輪胎瞬時力學(xué)特性，設(shè)計分布式驅(qū)動電動汽車雙容積卡爾曼濾波車輛狀態(tài)參數(shù)聯(lián)合估計理論框架，其中第一個容積卡爾曼濾波估計器估計車輛運(yùn)行的速度、車輛車身側(cè)傾角、輪胎側(cè)向力等狀態(tài)，另一個串聯(lián)的容積卡爾曼濾波估計器估計路面附著系數(shù);同時，為有效地提高雙CKF狀態(tài)參數(shù)聯(lián)合估計的實(shí)時性、精度和穩(wěn)定性，在CKF估計

5、過程中直接以協(xié)方差矩陣的平方根進(jìn)行迭代更新，推導(dǎo)了平方根雙容積卡爾曼濾波的車輛狀態(tài)參數(shù)聯(lián)合估計的算法流程，仿真驗(yàn)證雙CKF估計算法能對車輛狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行在線估計，且具有較高的估計精度。
　　(3)利用相平面法分析車輛橫擺動力學(xué)系統(tǒng)的非線性運(yùn)動穩(wěn)定性，將車輛的橫擺運(yùn)動張成質(zhì)心側(cè)偏角-橫擺角速度的相空間，構(gòu)建了以非穩(wěn)定平衡點(diǎn)-鞍點(diǎn)為臨界穩(wěn)定邊界的相平面穩(wěn)定域來分析車輛橫擺穩(wěn)定性，考察路面附著系數(shù)、方向盤轉(zhuǎn)角、車輛縱向速度等重要因素對車輛

6、橫擺運(yùn)動穩(wěn)定性的影響。針對分布式驅(qū)動電動汽車側(cè)向動力學(xué)系統(tǒng)的不確定性問題，將能應(yīng)對參數(shù)攝動的不確定魯棒H∞控制技術(shù)引入車輛側(cè)向動力學(xué)系統(tǒng)，發(fā)展了面向電動汽車AFS和DYC集成系統(tǒng)定向控制的不確定車輛側(cè)向動力學(xué)模型，構(gòu)建了基于動態(tài)誤差變量的不確定電動汽車側(cè)向動力學(xué)橫擺運(yùn)動增廣系統(tǒng)，推導(dǎo)了車輛閉環(huán)系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的H∞反饋控制器的成立條件，完成了AFS和DYC系統(tǒng)的魯棒H∞集成控制器設(shè)計，仿真驗(yàn)證了魯棒控制器能利用左右輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩差提高車輛行駛

7、過程中的側(cè)向穩(wěn)定性。
　　(4)為提高車輛轉(zhuǎn)向操縱過程中的側(cè)傾穩(wěn)定性，根據(jù)定義的車輛載荷參數(shù)、車輛車身側(cè)傾角和臨界側(cè)向加速度組合的側(cè)傾穩(wěn)定指標(biāo)對車輛橫擺角速度名義值進(jìn)行修正，發(fā)展了面向主動側(cè)傾穩(wěn)定性定向控制的不確定電動汽車側(cè)傾動力學(xué)系統(tǒng)模型?？紤]執(zhí)行器飽和特性，在抗飽和問題廣義H∞控制系統(tǒng)的統(tǒng)一框架下，采用Lyapunov理論設(shè)計了車輛主動側(cè)傾穩(wěn)定性抗飽和魯棒控制器，根據(jù)Finsler遞歸定理推導(dǎo)了車輛主動側(cè)傾穩(wěn)定性抗飽和魯棒反饋

8、控制器存在的條件，使電動汽車主動側(cè)傾動力學(xué)閉環(huán)系統(tǒng)滿足漸近穩(wěn)定且具有期望的控制性能指標(biāo)，仿真驗(yàn)證了抗飽和主動側(cè)傾魯棒控制的車輛在轉(zhuǎn)向過程中具有較大的側(cè)傾穩(wěn)定裕度，能避免車身姿態(tài)側(cè)傾過大導(dǎo)致的車輛不安全甚至失穩(wěn)。
　　(5)對分布式驅(qū)動輪轂電動汽車進(jìn)行實(shí)車路面試驗(yàn)研究，在低速下采用J轉(zhuǎn)向和蛇形試驗(yàn)對車輛狀態(tài)參數(shù)的估計進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，采用半圜轉(zhuǎn)向和兩種長時間歷程的連續(xù)激烈轉(zhuǎn)向試驗(yàn)對車輛側(cè)向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計的