四轮转向汽车稳定性控制系统研究

论文摘要

本文围绕四轮转向(4WS)汽车操纵稳定性控制中的直接横摆力偶矩控制系统展开研究,着重讨论了汽车稳定性控制系统的滑模变结构控制的控制逻辑与控制算法,并通过仿真分析为实际汽车操纵稳定性控制系统的设计提供了理论依据。本文利用H.B.Pacejka教授提出的魔术公式建立了轮胎力学模型,在此基础上建立了四轮转向汽车的动力学模型,并通过仿真对车辆模型进行了验证,为控制系统的仿真分析奠定了模型基础。分析了直接横摆力偶矩控制方法提高极限工况下弯道加速(或制动)行驶能力,从而改善汽车操纵稳定性的机理,为汽车稳定性控制提供了理论基础。运用滑模变结构控制理论,分别设计了基于质心侧偏角和横摆角速度这两个控制变量的三种具有针对性的控制器——横摆角速度控制、质心侧偏角控制和联合控制策略下的控制。在MATLAB/Simulink仿真平台上,对不同工况下汽车稳定性控制策略及控制参数等因素对控制品质的影响进行了研究。对仿真结果的比较分析表明:在低附着路面上应以质心侧偏角控制为主,从而控制过大的质心侧偏角;在高附着路面上应以横摆角速度控制为主,以抑制较大的侧向加速度;而在中等附着路面上,应根据实际车辆响应参数来决定到底应该采用何种控制策略。模拟考察了在变结构控制方法下,四轮转向汽车模型的瞬态和稳态响应特性,包括横摆角速度和侧向加速度的响应特性,以及其他的动力学特性指标。考虑质心位置,整车质量和后轮主销位置等因素对控制系统的影响,对不同参数下的行驶特性进行了比较。仿真结果表明,四轮转向汽车稳定性控制系统可以改善稳态转向特性、提高极限工况下弯道行驶能力,提高了汽车的安全行驶性能;也表明汽车稳定性控制系统中应用滑模变结构控制理论具有良好的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究目的和意义
• 1.2 国内外汽车操纵稳定性控制的历史和研究现状
• 1.2.1 汽车稳定性控制的历史演变
• 1.2.2 汽车稳定性控制的研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 车辆动力学系统建模
• 2.1 轮胎模型
• 2.1.1 数学模型
• 2.1.2 虚拟模型
• 2.2 车辆动力学模型
• 2.2.1 数学模型
• 2.2.2 轮胎模型与车辆动力学方程的连接
• 2.3 车辆动力学模型仿真验证
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于滑模变结构控制理论的直接横摆力偶矩控制器设计
• 3.1 四轮转向汽车的稳定性控制思想
• 3.1.1 稳定性控制思想
• 3.1.2 直接横摆力偶矩控制
• 3.2 DYC中的滑模变结构控制
• 3.2.1 滑模变结构控制思想
• 3.2.2 DYC中的滑模变结构控制
• 3.3 稳定性控制器的设计
• 3.3.1 以横摆角速度为控制变量设计控制器
• 3.3.2 以质心侧偏角为控制变量设计控制器
• 3.3.3 以横摆角速度和质心侧偏角为联合控制变量设计控制器
• 3.3.4 汽车稳定性控制系统模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 变结构控制策略的仿真计算和结果分析
• 4.1 稳定性控制域的研究
• 4.2 低附着路面上的控制策略的比较
• 4.3 中附着路面上的控制策略的比较
• 4.4 高附着路面上的控制策略的比较
• 4.5 联合控制参数对控制器效果的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 4WS车辆操纵稳定性试验仿真
• 5.1 4WS与2WS转向特性仿真比较
• 5.1.1 操纵稳定性试验
• 5.1.2 转向盘转角阶跃输入试验
• 5.1.3 蛇行试验
• 5.2 质心位置对转向特性的影响
• 5.3 整车质量对转向特性的影响
• 5.4 主销位置对转向特性的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢