车辆线控主动转向变传动比算法及转向系统控制策略研究

作     者：庄威洋 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈哲明

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：线控转向 变传动比 模拟退火算法 主动转向 线性二次规划 

摘      要：汽车转向系统作为车辆的关键组成部分,极大影响了车辆操纵性能的好坏与行驶安全。线控转向（Steering by Wire,SBW）系统作为转向系统当前最前沿的研究方向之一,可以有效解决车辆性能在低速行驶与高速行驶时的矛盾,彻底解决力传动特性与角传动特性的耦合。提升了车辆的稳定性,且更易于驾驶员操控,并提升驾驶体验。本文以线控转向系统作为研究对象,对变动比算法进行研究,提出利用模拟退火算法对关键参数定增益值进行优化,基于全局最优定增益值设计传动比。依据线控转向系统结构特点,提出并设计了基于线性二次规划的主动转向系统上层转角控制器。本文主要研究内容如下:1)分析线控转向系统的组成及原理,建立直流有刷永磁同步电机动力学模型。建立路感模拟总成以及转向执行总成动力学微分方程。将建立SBW系统模型替代C-Class型车辆中的原有转向系统得到整车模型。进行仿真测试,结果表明线控转向车辆模型准确有效,可以用于后续传动比算法与主动转向系统的研究。2)本文对已有研究进行分析,采用基于定横摆角速度增益法设计传动比。将传动比算法设计转换为前轮横摆角速度在增益值与转向盘横摆角速度增益值问题的求解。测试整车在多个前轮阶跃输入工况下的响应,根据车辆稳态横摆角速度值,计算得到离散前轮转角增益值。暂时选取方向盘定增益值,计算得到不同车速、转角下的离散传动比,利用最小二次插值得到全部传动比数值。并对所得传动比进行修正得到修正传动比算法。3)采用模拟退火优化算法优化关键参数定横摆角速度增益值。确定模拟退火算法搜索域、链长等基本参数,选取操纵稳定性综合评价指标作为能量函数。优化得到不同车速下对应定横摆增益值。基于各增益值分别设计变传动比算法,并在多个车速工况下进行的测试,对结果加权综合分析,得到最终采用的定增益值,以此设计传动比算法。进行仿真测试,结果表明采用优化后增益值设计的传动比算法效果比优化前更好,并且车辆转向性能都优于机械转向系统车辆。4)根据SBW系统结构特点,采用主动转向系统控制整车的动态稳定性。基于线性二次规划（Linear Quadratic Regulator,LQR）设计AFS系统的上层转角控制器。由第二章模型推导离散的时变参考模型。根据传动比算法以及车辆实时状态确定跟踪目标。采用工程整定法优化权重矩阵初值,确定性能指标函数。利用数值迭代求解黎卡提代数方程,解得LQR控制器最优控制率。仿真测试控制器效果,结果表明所设计LQR控制器可以有效提高车辆操稳性能,并可以独立于驾驶员对车辆进行控制,但是在极端路面状态下对车辆的控制效果恶化。