基于广义执行器—受控对象的车辆底盘集成控制的研究

论文摘要

车辆底盘集成控制是近年来车辆工程领域中的一个研究热点,其内涵正随着现代控制理论、计算机仿真、传感器信息融合（Sensor Fusion）等先进技术的发展而得到不断丰富,并成为今后车辆线控（X-by-Wire）技术发展的必然趋势。因此,对车辆底盘集成控制在性能上潜在的优势,及原先以各子系统为主的单独控制方式局限性进行理论上的深入分析与研究,应是首要的研究问题。本文从车辆动力学理论角度出发,以轮胎及车辆的纵向、侧向和垂向动力学耦合关系为基础,研究车辆运动控制系统的协调与集成机理。在绝大多数情况下,车辆动力学的控制问题本质上都归结为由轮胎-路面接触机制所产生的广义力（纵向力、侧向力、横摆力矩）对车辆运动状态的控制过程,因此,可将这个控制系统从概念上归纳为广义“执行器-控制对象”结构（General Actuator-Plant Structure）,其中,广义的执行器包括由轮胎材料及与地面接触机理所决定的力学耦合特性,以及如何利用这种耦合特性的机制;而广义受控对象则体现为最终控制目标的行驶车辆相互耦合的各运动状态。以此为基础,建立分层结构集成控制体系,将轮胎力的控制与车辆的运动状态控制进行解耦,分别通过伺服环路跟踪控制和主环路控制系统加以处理。在伺服环路中,基于轮胎力学特性的非线性耦合关系,利用序列二次规划法（Sequential Quadratic Programming,SQP）设计了广义力跟踪控制策略,将用于车辆运动控制的理想目标广义力通过最小化加权性能泛函的形式最优地分配于四个车轮,并通过主动转向控制（Four Wheel Steering,4WS）和纵向滑动率控制（Longitudinal Slip Control,LSC）的协调动作,加以实现。由于车辆操纵稳定性控制问题主要体现为对横摆角速度的目标值跟踪控制问题、及对车身侧偏角的零化调节器问题,根据用于控制设计的车辆简化模型,主环路环节的控制策略采用前馈与反馈结合的方式。由于轮胎高度非线性以及附着特性等因素的易变性,在主环路设计中,将伺服环路中力跟踪环节所引起的误差当作不确定源,考虑了系统非线性和各种不确定因素（参数不确定、建模不确定）及测量噪声的干扰影响,运用现代鲁棒控制理论讨论反馈控制环节的建立。为了从鲁棒控制理论角度研究集成控制体系中的车辆操纵稳定性控制问题,根据处理不确定扰动的不同方式,分别采用了标准H∞最优控制、混合灵敏度H∞频域整形控制（Mixed Sensitivity H∞Loop Shaping）以及结构奇异值合成（μ-Synthesis）算法对反馈系统进行了设计。其中,标准H∞控制以直接降低名义系统的H∞范数为控制目标;混合灵敏度频域整形通过对名义系统闭环传递函数进行频域整形,从而实现对系统的鲁棒品质、名义跟踪性能之间的动态折衷;结构奇异值合成则利用了不确定环节中的结构化信息,根据鲁棒控制理论的基础——小增益理论降低系统的结构奇异值,使包含不确定扰动的闭环系统具有良好的鲁棒稳定性（Robust Stability）和鲁棒性能（Robust Performance）。通过以上步骤建立的包括转向控制和纵向滑动率控制的集成控制体系,其控制目的以提高车辆主动安全性为主;以此为基础,在集成控制体系中引入主动悬架（Active Suspension, AS）的作用。此时,车辆垂向运动控制与转向控制、纵向滑动率控制系统协调作用,组成全局集成控制体系,使得轮胎的纵向、侧向和垂向力学耦合特性能够同时用于车辆运动状态的控制。通过对车辆开环和闭环操纵工况的仿真,验证和分析了集成控制对于提高车辆行驶性能的意义,从中可得出如下结论:虽然子系统单独控制方式理论上也可采用所提出的主环路和伺服环路分层控制结构,但此时伺服环路系统只能利用到轮胎耦合特性的某一方面,广义力跟踪误差相当明显,往往超出控制策略所允许的不确定上限,鲁棒性能无法维持,难以获得良好的车辆运动状态;在集成控制体系中,轮胎耦合特性能通过相互协调的子系统被充分利用,力跟踪误差所引起的不确定扰动能维持在较低水平,能够保证控制策略的鲁棒品质,因此能应付多种复杂工况下的车辆操纵稳定性控制;而引入主动悬架的全局集成控制体系可有效地改善垂向运动控制与纵向、侧向及横摆运动的干涉,因此需要较小的悬架控制力,就可取得更好的舒适性能指标,同时能够有效地消除路面不平激励对于车辆操纵稳定性的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 常用符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 车辆底盘集成控制背景概述
• 1.2 底盘集成控制技术发展现状
• 1.2.1 集成控制概念的发展
• 1.2.2 集成控制实现方式
• 1.3 底盘集成控制算法概述
• 1.3.1 线性最优控制
• 1.3.2 非线性滑模控制
• 1.3.3 现代鲁棒控制
• 1.4 论文研究内容与思路
• 第二章 整车动力学及执行机构子系统建模
• 2.1 车体运动模型建立
• 2.2 轮胎力学模型
• 2.3 整车动力学仿真验证
• 2.3.1 车辆建模细化与仿真过程建立
• 2.3.2 与ADAMS 模型仿真结果的比较与分析
• 2.4 主动悬架执行机构建模及分析
• 2.4.1 主动悬架执行机构建模
• 2.4.2 主动悬架执行机构频域响应分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 分层结构集成控制体系
• 3.1 集成控制问题提出的背景
• 3.2 分层结构集成控制体系
• 3.3 伺服环路系统设计
• 3.4 伺服环路控制仿真验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 集成控制主环路设计
• 4.1 控制问题的描述
• 4.2 简化车辆模型的建立
• 4.3 主环路前馈控制设计
• 4.4 主环路反馈控制设计——标准H∞控制算法
• 4.4.1 车辆模型的线性化
• 4.4.2 控制问题的定义及求解
• 4.4.3 仿真结果分析
• 4.5 主环路反馈控制设计——H∞混合灵敏度频域整形控制
• 4.5.1 混合灵敏度整形问题的定义
• 4.5.2 控制问题的求解
• 4.5.3 仿真结果分析
• 4.6 主环路反馈设计——结构奇异值合成方法
• 4.6.1 结构奇异值合成算法简介
• 4.6.2 结构奇异值合成数值算法
• 4.6.3 结构奇异值合成在集成控制主环路体系中的应用
• 4.6.4 仿真结果分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 车辆底盘全局集成控制
• 5.1 垂向动力学伺服环路控制
• 5.2 全局集成控制系统主环路设计
• 5.3 全局集成控制仿真分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 文章创新点
• 6.3 研究工作展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表（录用）论文