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

1、汽車操縱穩(wěn)定性主動(dòng)控制是目前國際上汽車技術(shù)研究的熱點(diǎn)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(shì)。同時(shí)人們對(duì)車輛的平順性和舒適性要求也越來越高，因此對(duì)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(shí)車輛操縱穩(wěn)定性及低速時(shí)的操縱靈活性，是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(dòng)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(shí)際改裝的四輪轉(zhuǎn)向主動(dòng)控制轎車的試驗(yàn)測(cè)試和對(duì)比分析，主要獲得了以下創(chuàng)新性成果： 1．考慮在實(shí)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(cè)量，建立四輪轉(zhuǎn)向車輛控制系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，提出一種基于降階觀測(cè)器的前輪和四輪轉(zhuǎn)向車輛擾動(dòng)操縱控制策略，應(yīng)用最優(yōu)控制理論設(shè)計(jì)反饋控

3、制系統(tǒng)，進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)仿真。結(jié)果表明該降階觀測(cè)器跟蹤性能良好、速度快且估計(jì)誤差?。幌到y(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性和魯棒性，4WS車輛更能有效地提高車輛擾動(dòng)操縱穩(wěn)定性和安全性。 2.實(shí)際汽車行駛總承擔(dān)不同載荷以及運(yùn)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(jì)μ綜合魯棒控制器來抑制外部干擾，優(yōu)化權(quán)函數(shù)，實(shí)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(jì)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(duì)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(jì)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(xiǎn)性，應(yīng)用μ綜合魯棒控制理論，針對(duì)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(jì)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(jì)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(duì)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(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)

5、四輪轉(zhuǎn)向難以實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)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(dòng)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(jì)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(yàn)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(tái)。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(cè)試和性能評(píng)估。在此平臺(tái)的基礎(chǔ)上，利用HILs技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各控制算法魯棒性能的評(píng)價(jià)，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(jì)開發(fā)的4WS硬件在環(huán)仿真開發(fā)平臺(tái)為先進(jìn)控制算法的分析與設(shè)計(jì)、開發(fā)和評(píng)價(jià)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(shí)滯的四輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用多項(xiàng)式判別理論，系統(tǒng)地研究時(shí)滯四輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。采用CACSD(計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì))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(tái)，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(shí)際運(yùn)行，證明了所用算法的有效和優(yōu)勢(shì)。 7．研究先進(jìn)4WS車輛底

8、盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(tái)的成套技術(shù)。設(shè)計(jì)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(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，成功改裝國內(nèi)第一輛四輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制轎車，并對(duì)論文提出的高魯棒性控制算法進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)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(píng)價(jià)方法》規(guī)定的試驗(yàn)方法，選取了兩種客觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)：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(yàn))、蛇行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明改裝的四輪轉(zhuǎn)向優(yōu)于原來的前輪