基于状态变量约束的车辆稳定性控制算法研究

作     者：陆传道 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何友国

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：滑移率 橫摆角速度 质心侧偏角 障碍Lyapunov函数 车辆约束控制 

摘      要：随着车辆主动安全技术的不断发展,人们对行车的安全性、稳定性及操控性要求越来越高。车辆防抱死制动系统(Antilock Braking System,ABS)与直接橫摆力矩控制系统(Direct Yaw Moment Control,DYC)是提高车辆主动安全性的重要装置。ABS系统通过调节车辆滑移率以获得最佳的制动效能,保证车辆制动的稳定性。DYC系统通过控制附加的橫摆力矩来调整质心侧偏角与横摆角速度以保证车辆转向操纵稳定性。但是在ABS和DYC系统中滑移率与质心侧偏角状态变量都存在一定的约束范围,滑移率和质心侧偏角违反约束边界,会导致车辆纵向和横向稳定性下降,严重时会导致车轮打滑抱死,车身失稳等危险情况。因此,针对含有不确定性的ABS与DYC系统,基于障碍李雅普诺夫函数(Barrier Lyapunov Function,BLF),本文研究了滑移率与质心侧偏角的约束控制问题,从根本上避免滑移率与质心侧偏角工作在非稳定区域,提高了车辆的制动与转向稳定性。本文的主要工作与研究成果如下:1.针对ABS系统中滑移率为非时变的约束控制问题,建立了不确定ABS滑移率动力学模型,基于非时变不对称障碍李雅普诺夫方法,设计了自适应约束控制器。同时,针对Backstepping控制算法中的虚拟控制量微分爆炸问题,本文采用了动态面滑移率约束控制算法降低控制器设计难度。为了验证算法的有效性,在单一路面与跃变路面的工况下,进行了Simulink仿真和硬件在环(Hardware In Loop,HIL)实验,结果表明:ABLF策略不仅能在有限时间内跟踪最优滑移率,而且可始终保证滑移率约束在稳定区域范围内,从根本上避免了车轮打滑抱死情况。2.针对ABS系统中滑移率时变约束控制问题,基于时变非对称障碍李雅普诺夫函数,分别设计了两种时变自适应约束控制器(TABLF1与TABLF2)。为了验证算法的有效性,在期望滑移率为时变工况下,进行了Simulink仿真和硬件在环(Hardware In Loop,HIL)实验,结果表明:两种时变约束控制器都能始终保证滑移率约束在时变稳定区域范围内,从根本上避免了车轮打滑抱死情况。在参数相同的情况下,与TABLF2相比,TABLF1收敛速度更快、制动效能更佳。3.针对DYC系统中质心侧偏角时变约束控制问题,建立了含有不确定时变参数的DYC动力学系统模型,采用相平面法得到了质心侧偏角稳定域约束边界,基于时变非对称障碍李雅普诺夫函数,设计了质心侧偏角和横摆角速度自适应动态面约束控制器。为了验证算法的有效性,在前轮转角为阶跃与双移线工况下,进行了Simulink仿真验证,结果表明:在参数摄动下,质心侧偏角和横摆角速度可以实现跟踪误差收敛于零,且质心侧偏角始终满足时变稳定域约束条件,从根本上提高车辆转向操纵稳定性。