四轮转向汽车横向动力学特性及控制研究

论文摘要

针对目前汽车操纵稳定性研究领域尚没有综合考虑线性、非线性和不确定性因素影响的现状,将四轮转向汽车横向动力学特性及控制作为本文的研究方向,从而全面考虑线性、非线性及不确定性因素对汽车操纵稳定性的影响,开展研究工作。首先建立了比例前馈与反馈的汽车横向动力学数学模型。并利用Matlab/ Simulink进行了动力学仿真。通过对相同参数和工况下的4WS汽车与FWS汽车的频域、时域的仿真结果对比分析表明:虽然两者相位基本相同,但前者的横摆角速度波动幅值和超调量等主要技术指标明显均优于后者,稳定性好。运用现代非线性动力学理论、Hopf分叉理论对四轮转向非线性动力学模型进行了理论研究。主要分析了产生Hopf分叉的前提条件;运用中心流形定理、Normal Form范式理论推导了系统的Hopf分叉范式;并根据Hopf分叉范式中的系数判断了周期解的稳定性。通过仿真验证了理论分析结果的正确性。建立了基于外界干扰的二、三自由度汽车四轮转向不确定性模型,并运用鲁棒控制中H∞控制理论对模型进行了理论分析。通过迭代求解设计出了基于外界干扰抑制指标的H∞最优控制器;实现了系统鲁棒性能的增强。运用鲁棒控制的H 2 /H∞混合控制理论,设计了基于干扰抑制指标的H2/H∞最优控制器。仿真计算结果表明控制效果良好,为四轮转向控制器研制提供了理论依据。运用ADAMS软件,从整车多体系统动力学的角度着手,建立了三轴四轮转向汽车的ADAMS动力学模型。对前轮转角阶跃输入下该模型的时域瞬态响应仿真结果的分析表明,相同参数和工况下的4WS汽车操纵稳定性指标多优于FWS汽车。通过研究汽车的整体参数对操纵稳定性的影响,为4WS汽车设计方案优化提供了理论依据。在上述研究工作的基础上,分别对硬件设计、软件设计、数据分析接口模块和机械执行机构进行了研究分析,首次开发出基于嵌入式实时操作系统、在32位ARM处理器上运行的汽车四轮转向控制器。通过模型实验和样机的测试均表明所研制的控制器提高了汽车四轮转向的高速稳定性能和低速灵活性能。总之,本文对4WS汽车横向动力学特性与控制进行了比较深入的研究和分析,并研制了汽车四轮转向控制器,为深入研究汽车四轮转向技术奠定了基础。本论文受国家自然科学基金项目(50075060)和天津市科技发展计划项目(033105011)的资助。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 汽车横向动力学概述
• 1.2 4WS 汽车横向动力学的发展
• 1.3 汽车四轮转向技术的研究现状
• 1.3.1 汽车四轮转向系统的非线性动力学研究现状
• 1.3.2 汽车四轮转向系统的控制研究现状
• 1.4 论文的工作和内容安排
• 第二章 汽车四轮转向系统的线性理论研究
• 2.1 引言
• 2.1.1 汽车转向机理
• 2.1.2 转向受力分析
• 2.1.3 轮胎侧偏特性
• 2.1.4 不确定性因素分析
• 2.1.5 轮胎侧偏时驱动和制动
• 2.2 汽车四轮转向系统模型研究
• 2.2.1 二自由度汽车四轮转向系统模型
• 2.2.2 三自由度汽车四轮转向系统模型
• 2.3 汽车四轮转向系统操纵特性分析
• 2.3.1 二自由度汽车四轮转向系统操纵特性
• 2.3.2 三自由度汽车四轮转向系统操纵特性
• 2.4 小结
• 第三章 汽车四轮转向系统的非线性理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 四轮转向系统的非线性模型
• 3.2.1 轮胎非线性模型的选择
• 3.2.2 司机模型的选择
• 3.2.3 四轮转向系统的非线性模型
• 3.3 理论分析基础
• 3.4 自治情形下四轮转向系统的Hopf 分叉
• 3.5 汽车四轮转向系统非线性动力学数值仿真
• 3.6 小结
• 第四章 汽车四轮转向系统的控制研究
• ∞鲁棒控制理论概述'>4.1 H_∞鲁棒控制理论概述
• ∞鲁棒控制理论的概念及其实质'>4.1.1 H_∞鲁棒控制理论的概念及其实质
• ∞鲁棒控制理论的发展及其特点'>4.1.2 H_∞鲁棒控制理论的发展及其特点
• ∞标准控制问题描述'>4.1.3 系统H_∞标准控制问题描述
• ∞控制'>4.2 汽车四轮转向系统H_∞控制
• 4.2.1 汽车四轮转向系统模型的建立
• ∞控制器设计'>4.2.2 H_∞控制器设计
• 4.2.3 仿真与计算分析
• ∞控制设计'>4.3 三自由度汽车四轮转向系统的H_∞控制设计
• 4.3.1 三自由度汽车四轮转向系统模型的建立
• ∞控制器设计'>4.3.2 H_∞控制器设计
• 4.3.3 仿真与计算分析
• ∞混合控制研究'>4.4 汽车四轮转向系统的H2 /H_∞混合控制研究
• ∞混合控制模型的建立'>4.4.1 汽车四轮转向系统H2 /H_∞混合控制模型的建立
• ∞混合控制设计'>4.4.2 汽车四轮转向系统的H2 /H_∞混合控制设计
• 4.4.3 仿真结果分析
• 4.5 小结
• 第五章 ADAMS 在三轴汽车四轮转向动力学仿真中的应用
• 5.1 ADAMS 软件的动力学理论
• 5.1.1 广义坐标选择
• 5.1.2 动力学方程的建立
• 5.1.3 动力学方程的求解
• 5.1.4 静力学分析、运动学分析和初始条件分析
• 5.2 三轴汽车多体仿真模型
• 5.2.1 轮胎模型
• 5.2.2 悬架模型
• 5.2.3 转向系模型
• 5.2.4 虚拟物体的设置
• 5.3 整车模型的建立
• 5.4 仿真分析
• 5.4.1 4WS 汽车连续正弦试验仿真分析
• 5.4.2 4WS 汽车同FWS 汽车转向特性仿真比较
• 5.4.3 4WS 汽车质心位置对操纵稳定性的影响
• 5.4.4 整车质量对操纵稳定性的影响
• 5.5 小结
• 第六章 汽车四轮转向控制器的研制
• 6.1 汽车四轮转向控制器的研究目的和现状
• 6.2 汽车四轮转向系统的鲁棒控制研究
• 6.2.1 鲁棒控制理论
• 6.2.2 4WS 鲁棒控制研究
• 6.3 四轮转向控制系统的研制
• 6.3.1 四轮转向控制系统的设计目标及要求
• 6.3.2 系统设计路线
• 6.3.3 控制系统模块设计
• 6.3.4 数据分析接口模块设计
• 6.3.5 机械执行模块设计
• 6.4 四轮转向控制系统测试
• 6.4.1 控制系统测试条件
• 6.4.2 四轮转向控制系统样机测试实验
• 6.5 小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢