提高车辆操纵稳定性的底盘集成控制系统设计与方法研究

论文摘要

车辆底盘集成控制是近年来汽车工程研究领域的一个热点和难点,其内涵正随着汽车动力学、现代控制理论、计算机仿真和微电子等先进技术的发展而得到不断丰富,并朝着线束控制（X-by-Wire）的方向不断发展。因此,论文分析了以往以车辆底盘各子系统为主的单独控制方式的局限性和底盘集成控制的潜在优势,并从车辆动力学本质出发,研究了车辆的四轮转向（4WS）和横摆控制力矩（DYC）的协调与集成控制机理。通常情况下,车辆动力学控制的本质都可归结为轮胎与地面之间纵向力、侧向力和横摆力矩对车辆运动状态的控制过程。论文从车辆动力学本质出发,分析了轮胎的稳态特性与瞬态特性,建立了8自由度的整车模型,设计了集成四轮转向和横摆力矩控制的双层结构底盘集成控制系统。集成控制系统的第一层,即主环路是基于线性矩阵不等式（LMI）的H∞控制,它优化了车辆的四轮转向角和横摆控制力矩,并计算相应车轮的纵向参考滑移率;集成系统的第二层,即伺服环路是具有旋转滑动平面的滑模控制,旋转的滑动平面使系统运动状态一开始就在滑动平面上移动,减小了系统抖动,加快了响应速度,提高了控制器跟踪车轮参考滑移率的精度,使车辆的横摆力矩控制得以快速、准确地实现。在集成控制策略中用到的反馈变量如车身侧偏角在车辆实际运动中是难以用传感器进行测量的,为减小控制器设计难度,降低设计成本,论文还设计了车身侧偏角滑模观测器。通过极限操纵工况下车辆的开环与闭环仿真实验,验证了底盘集成控制系统可以显著提高车辆的操纵稳定性与主动安全性,而且滑模观测器不论在幅值还是相位上都准确跟踪了车身的实际侧偏角。为缩短控制系统开发周期,减少实车试验带来的风险,论文基于底盘集成控制系统的基础上,建立了包含收敛场向量驾驶员模型的人-车闭环交互集成控制系统,整个闭环系统可分为内环控制回路和外环控制回路。内环控制回路即车辆底盘集成控制系统,它集成控制了4WS、DYC与TCS在纵向、侧向和横摆角速度上对车辆操纵稳定性和主动安全性的影响;外环路控制器即车辆驾驶员模型,它为底盘集成控制提供了参考控制变量,和车辆的参考行驶路径跟踪。通过S弯转路径的人-车闭环交互集成控制的仿真试验,验证了基于底盘集成控制的人-车闭环控制系统不但可以提高车辆的操纵稳定性与主动安全性,而且还可以提高车辆的路径跟踪能力,减轻驾驶员的工作强度。论文还从硬件和软件上开发了底盘转向系电动助力转向控制系统（EPS）,建立了EPS试验平台,实现了车辆底盘转向系统的助力电机输出控制。EPS系统硬件包括主控电路和驱动电路,软件则分为底层驱动程序、应用层程序和算法层程序。底盘EPS试验平台的建立,为车辆底盘转向系与制动系集成控制系统算法检验平台,即其硬件在环仿真（HIL）系统的建立打下了坚实的基础。极限工况下车辆的开环和闭环仿真,验证了底盘集成控制对提高车辆操纵稳定性的意义。分析仿真试验结果可知,底盘各子系统的单独控制虽然在一定程度上可以提高车辆的操纵稳定性,但系统的跟踪误差相当明显,往往超出控制策略所允许的不确定上界,难以获得良好的车辆运动状态。对于集成控制车辆,系统的跟踪误差限制在了较小水平范围内,保证了系统的鲁棒性,车辆在各种极限工况下也能保证良好的操纵稳定性和路径跟踪能力。因此,车辆底盘集成控制系统的研究和车辆硬件在环仿真试验平台的开发将提高车辆行驶的主动安全性,加快控制系统的开发速度,加快车辆线控技术的实现,使未来车辆的驾驶更加安全、舒适。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 车辆底盘集成控制系统研究背景概述
• 1.2 底盘集成控制技术研究现状
• 1.3 底盘集成控制系统算法概述
• 1.3.1 非线性滑模控制
• 1.3.2 现代鲁棒控制
• 1.4 底盘转向系EPS 控制系统的开发
• 1.5 论文研究内容与思路
• 第二章 整车动力学系统建模
• 2.1 车体动力学模型建立
• 2.2 轮胎力学模型的建立
• 2.3 整车动力学仿真验证
• 2.3.1 角阶跃输入操纵仿真
• 2.3.2 单移线操纵仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 分层结构的车辆底盘集成控制系统设计
• 3.1 车辆底盘分层结构集成控制系统的提出
• 3.2 伺服环路车轮纵向滑移率控制器的设计
• 3.2.1 伺服环路控制理论基础——滑模控制
• 3.2.2 车轮纵向滑移率移动滑模控制器的设计
• 3.3 伺服环路纵向滑移率控制器的仿真验证
• 3.4 本章小结
• 第四章 车辆底盘集成控制系统主环路设计
• 4.1 主环路控制问题的提出
• 4.1.1 主环路控制理论基础——基于线性矩阵不等式的鲁棒控制
• 4.1.2 基于线性矩阵不等式的鲁棒控制系统综合分析
• 4.2 主环路集成控制器的设计
• 4.2.1 车辆的线性简化模型
• 4.2.2 鲁棒模型匹配控制器的设计
• 4.3 车身侧偏角滑模观测器的设计
• 4.4 底盘集成控制系统的仿真验证
• 4.4.1 J-turn 操纵稳定性仿真
• 4.4.2 低附着系数下Slalom 操纵稳定性仿真
• 4.4.3 Crosswind 干扰下的操纵稳定性仿真
• 4.4.4 μ-split 工况下制动的操纵稳定性仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于底盘集成控制的人－车闭环系统的设计
• 5.1 基于场向量的驾驶员模型
• 5.2 内环路底盘鲁棒集成控制器的设计
• 5.3 基于底盘集成控制的人－车闭环系统的仿真验证
• 5.3.1 单移线车辆操纵稳定性的仿真
• 5.3.2 车辆路径跟踪能力的仿真验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 底盘转向系EPS 控制系统的开发
• 6.1 底盘转向系EPS 控制系统硬件的设计
• 6.1.1 EPS 控制系统输入信号调理电路
• 6.1.2 EPS 系统主控与驱动电路的设计
• 6.1.3 EPS 故障检测电路的设计
• 6.2 EPS 控制系统软件的设计
• 6.2.1 EPS 底层驱动程序的初始化
• 6.2.2 EPS 系统上电检测与数据预处理
• 6.2.3 EPS 应用层CAN 通讯模块
• 6.2.4 EPS 系统算法层控制程序的设计
• 6.3 EPS 控制系统的试验测量与分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 论文的创新点
• 7.3 研究工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的主要学术成果
• 致谢