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车辆动力学及其非线性控制理论技术的研究

赵治国

  随着汽车行驶速度的显著提高和道路行车密度的急剧增大,交通事故的发生率逐年呈上升趋势,所以全方位、可靠地提高汽车的主动安全性能就成为摆在汽车设计、开发及科研人员面前一项紧迫而艰巨的任务。而基于汽车轮胎与路面之间的附着性能随车轮滑动率改变而变化的机理所开发的、旨在改善车辆在不同工况下操纵性稳定性的一些高技术系统包括防抱制动(ABS)、防滑驱动(ASR)及车辆动力学稳定性控制(VDSC)系统,更是受到汽车制造商的青睐和厚爱,都在积极地加紧试制,以期更快更早地占领市场。ABS侧重于在制动过程中防止车轮抱死,缩短制动距离。ASR着眼于在驱动过程中通过牵引力控制来防止驱动车轮发生滑转,获得良好的加速性能和行驶方向稳定性。而VDSC系统主要在车辆大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下工作,通常利用左、右两侧车轮附着力之差产生的横摆力矩来达到稳定性控制目的。本文在充分地分析了ABS、ASR及VDSC这三个主动安全技术的研究现状和发展趋势的基础上,主要针对ABS、ASR及VDSC系统的车辆动力学建模、控制系统结构及非线性控制策略选择与应用等理论问题展开研究,围绕ABS控制器开发,探讨了ABS的ECU开发中所涉及到的几个关键技术问题,基于PC机与80C196KC单片机串口通信和硬件在环仿真技术,对所研制控制器的部分硬件和模糊控制逻辑进行了模拟验证。主要研究工作分为七个部分:ABS、ASR及VDSC技术的发展历程、研究现状、实用化过程中所涉及到的关键技术及发展趋势;车辆动力学数学模拟方法、轮胎模型、整车动力学建模及仿真;滑模变结构控制理论在基于滑移率ABS控制中的应用;模糊控制算法在基于滑移率ABS控制中的应用;ASR系统控制途径,目标、逻辑门限值控制,模糊、变结构控制研究;VDSC系统控制结构、实现及最终滑动模态变结构控制研究;ABS控制器的开发及模拟实验。主要研究内容及创新成果包括:1.通过实例研究了车辆动力学数学模拟的三种常用方法,归纳并对比了常用三种轮胎模型,分析了整车动力学的建模过程,开发了整车动力学性能计算机仿真程序VDPCSP,并进行了试算。利用BOLTMANN-HAMEL方法所推导的双轴车辆动力学方程,可开环或闭环模拟转弯制动车辆的操纵稳定性,特别在分析ABS对车辆转弯制动性能的影响或VDSC系统研究中有重要作用。2.提出了带有削颤措施的不确定二阶系统参数自适应滑模变结构控制算法,并设计了相应的ABS控制器。建立了四自由度四分之一车辆模型,并基于此模型,设计了滑模优化器,以实时在线确定轮胎路面间的最佳滑移率;并在对系统可观测性进行论证的基础上,提出了滑模状态观测器,来估计车辆瞬时运行速度,为抑制车辆参数的波动,设计了带颤振削减的滑模变结构控制器,对整个闭环控制系统的性能进行了仿真。3.提出了模糊模型参考学习控制算法,该算法可在线、实时调整模糊控制器的知识基,使整个闭环控制系统的输出能跟踪参考模型的理想输出。并将其应用于所建立的直线制动双轮车辆模型,分别设计了相应的前后轮控制器,同时考察了前后轮在跳变附着系数西北工业大学搏士学位论文路面下的制动性能。针对单轮车辆模型,设计了带有多个修正因子的参数化ABS模糊控制器,为进一步改善其性能,用遗传算法优化并确定了模糊变量隶属函数参数。将TS模糊模型应用于路面辨识中,提出了具有四个输入一个输出的模糊路面探测器。为消除由于模糊量化误差与调节死区所引起系统的稳态误差和稳态颤振现象,采用矩形域上的曲面磨光插值算法修正具有多个加权因子的ABS模糊控制器,并用四自由度四分之一车辆模型进行模拟。4.针对双轮和四轮车辆模型,对采用油门开度逻辑门限值控制的ASR性能进行了模拟。初步探讨了简单模糊控制、变结构控制在基于滑移率的ASR系统中的应用。5.建立了VDSC系统完整嵌套控制结构和初步控制算法,提出了车辆侧滑速度估计的三种方法(包括积分法、代数法及Luenbefger观察器法人基于非线性两自由度车辆横向运动方程,将最终滑动模态变结构控制算法应用于VDSC中,设计了相应车辆动力学控制器。6.围绕ECU的开发,对ABS所涉及的一些关键技术问题展开研究,主要包括轮速传感技术、轮速信号软、硬件抗干扰处理技术、轮速计算技术、保证可靠性的故障诊断技术及实时硬件在环仿真技术。基于PC机与80C 96KC单片机串行口通信方案和所研制的ABS硬件控制器,组建了纯模拟试验台,并采用双轮车辆模型,对三种模糊控制策略进行了对比研究。总之,基于车辆动力学建模,提出并探索了几种实用且具有高鲁棒性的变结构、模糊控制策略在ABS、ASR及VDSC系统中的应用,而后开发了ABS的ECU原形,采用实时硬件在环仿真技术,对三种模糊控制策略进行了性能模拟。但这些工作还仅仅是初步探索,距离产品化,还有诸多工作尚需进行。……