汽车动力学稳定性横摆力矩和主动转向联合控制策略的仿真研究

论文摘要

现代汽车的发展趋势是“安全、节能、环保”，汽车主动安全性问题是影响道路交通安全状况的一个重要方面，而汽车稳定性控制系统是提高汽车主动安全性的有效措施，也是当前国内外的研究热点。本文针对汽车在转弯工况下的行驶和制动稳定性，利用横摆力矩和主动转向控制技术进行汽车稳定性控制，结合模糊控制和Fuzzy-PID控制理论，确定相关的控制策略和控制算法，对两种控制模式单独控制和联合控制机理进行了研究，为提高汽车稳定性集成控制提供了一定的研究思路。论文从车辆动力学的本质出发，在已有的轮胎实验数据基础上，利用神经网络方法得到轮胎力模型的多维空间特性曲面，分析了汽车在转弯制动时轮胎垂直载荷和侧偏角变化对制动力的影响，提出了根据特性曲面寻求轮胎最佳滑移率的控制策略，并对汽车弯道制动状况进行了仿真研究，验证了汽车弯道制动滑移率最优控制策略相比滑移率固定制动具有更好的制动效果。针对汽车在转弯制动时出现的侧向路径偏离状况，根据偏离量大小，利用横摆力矩和主动转向两种控制模式分别进行汽车制动稳定性控制，确立了两种控制模式下的控制策略和控制算法，设计了模糊控制器，根据轮胎最优滑移率变化状况，对模糊输出变量论域的大小按照动态比例系数进行实时在线调整，仿真实验验证了所提出的基于横摆力矩和前轮主动转向的模糊控制方法能提高汽车制动稳定性和路径跟踪能力。依据非线性轮胎模型和整车动力学模型，分析了横摆力矩和前轮主动转向控制模式对汽车过多和不足转向的控制特性，选择鲁棒性强的非线性Fuzzy-PID控制技术进行汽车稳定性控制，设计了Fuzzy-PID控制器，利用汽车理想模型的横摆角速度和质心侧偏角作为控制系统跟踪对象，车轮制动力和前轮叠加转角作为控制输出，以轮胎最优滑移率控制方法进行横摆力矩稳定性控制，以前轮叠加转向进行主动转向控制，按照两种控制模式各自的控制策略分别进行了仿真实验，验证了Fuzzy-PID控制系统能使汽车具有良好的操纵稳定性。针对横摆力矩和主动转向控制方法联合控制时的耦合作用，采用对两个子控制系统进行协调控制来提高整车性能，提出了前馈和反馈相结合的控制策略来跟踪理想模型，依据两种控制模式不同的适用工况，设计了联合控制双模糊控制器，确定了子控制系统之间的协调控制策略和切换逻辑；以横摆角速度和质心侧偏角作为控制器输入，以车轮制动力和前轮叠加转角作为控制器输出，通过调节双模糊控制器之间的权重系数来平衡控制系统的联合控制效能；对汽车角阶跃输入和变车道输入工况下的稳定性控制进行了仿真，并利用李雅普诺夫和相平面法研究了控制系统的稳定性，对控制系统进行了李雅普诺夫离散化分析。仿真结果表明，通过子控制系统之间的有机协调，联合控制可实现各子系统之间的功能互补，使汽车操纵稳定性得到较大程度的改善。本文的研究属于汽车动力学控制领域的较前沿课题。通过对汽车稳定性控制进行相关的研究，可以提高汽车的行驶安全性和操纵稳定性，为汽车稳定性联合控制的实际应用打好理论基础，对于促进汽车动力学控制技术的发展具有一定的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 论文的选题背景
• 1.1.2 论文的课题来源及意义
• 1.2 国内外研究现状及其发展趋势
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 发展趋势
• 1.3 论文完成的主要工作
• 1.4 本章小结
• 第二章 汽车动力学模型及其基本理论
• 2.1 系统动力学模型
• 2.1.1 汽车动力学模型
• 2.1.2 汽车理想模型
• 2.1.3 轮胎模型
• 2.1.4 制动系统模型
• 2.2 基于轮胎非线性的滑移率控制方法
• 2.2.1 轮胎滑移率最优控制
• 2.2.2 汽车转弯制动特性
• 2.3 仿真与计算分析
• 2.3.1 动力学模型的仿真分析
• 2.3.2 汽车转弯制动特性仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 汽车转弯工况下制动稳定性控制研究
• 3.1 汽车制动稳定性基本理论
• 3.1.1 汽车制动稳定性基本概念
• 3.1.2 汽车制动稳定性控制策略
• 3.2 汽车制动稳定性横摆力矩控制模式
• 3.3 汽车制动稳定性主动转向控制模式
• 3.4 汽车制动稳定性的模糊控制
• 3.4.1 模糊控制基本理论
• 3.4.2 模糊控制器的设计
• 3.5 模糊控制策略和控制算法
• 3.5.1 横摆力矩控制策略和控制算法
• 3.5.2 主动转向控制策略和控制算法
• 3.5.3 模糊变量论域的在线调整
• 3.6 仿真与计算分析
• 3.6.1 横摆力矩控制仿真
• 3.6.2 主动转向控制仿真
• 3.7 本章小结
• 第四章 汽车稳定性控制策略的研究
• 4.1 汽车稳定性控制基本理论
• 4.1.1 汽车稳定性控制基本原理
• 4.1.2 稳定性控制系统的控制目标
• 4.1.3 稳定性系统控制模式
• 4.1.4 稳定性系统控制参数
• 4.2 汽车稳定性控制策略和控制算法
• 4.2.1 汽车稳定性控制策略
• 4.2.2 横摆力矩控制模式和控制算法
• 4.2.3 横摆力矩前后轮叠加制动控制
• 4.2.4 主动转向控制模式和控制算法
• 4.2.5 状态观测器和前馈补偿控制器
• 4.2.6 横摆角速度和质心侧偏角理想值计算
• 4.3 汽车稳定性Fuzzy-PID控制
• 4.3.1 PID控制的原理和特点
• 4.3.2 PID控制器的参数整定
• 4.3.3 Fuzzy-PID控制策略和控制算法
• 4.3.4 Fuzzy-PID控制器的设计
• 4.4 仿真与计算分析
• 4.4.1 横摆力矩稳定性控制仿真
• 4.4.2 主动转向稳定性控制仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 汽车稳定性联合控制策略的仿真研究
• 5.1 稳定性联合控制系统概况
• 5.1.1 汽车稳定性联合控制基本理论
• 5.1.2 稳定性联合控制理想模型
• 5.2 汽车稳定性联合控制系统的设计
• 5.2.1 稳定性联合控制系统的控制目标
• 5.2.2 稳定性联合控制系统的协调控制模式
• 5.2.3 协调控制策略和控制算法
• 5.3 控制系统的稳定性分析
• 5.3.1 控制系统相平面稳定性判断
• 5.3.2 控制系统李雅普诺夫稳定性判断
• 5.3.3 控制系统稳定性判断
• 5.4 模糊控制策略和控制算法
• 5.4.1 模糊控制策略的确定
• 5.4.2 模糊控制器的设计
• 5.5 仿真与计算分析
• 5.5.1 角阶跃输入仿真
• 5.5.2 变车道输入仿真
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢