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重型商用车建模与侧倾稳定性控制研究

重型商用车建模与侧倾稳定性控制研究

作者：喻俊红湖南大学

学位级别：硕士

由于重心高、体积大、轮距相对较小的特点,重型商用车的横向稳定性相对较差,经常发生侧翻事故。所以,如何利用主动安全手段来提高其侧倾稳定性是当今学者研究的一个重要课题,侧倾稳定性控制系统就是一种典型的主动安全系统。本文借鉴前... 详细信息

由于重心高、体积大、轮距相对较小的特点,重型商用车的横向稳定性相对较差,经常发生侧翻事故。所以,如何利用主动安全手段来提高其侧倾稳定性是当今学者研究的一个重要课题,侧倾稳定性控制系统就是一种典型的主动安全系统。本文借鉴前人的研究成果,基于三轴汽车动力学模型建立侧倾稳定性控制系统来提高重型商用车的侧倾稳定性,具体研究内容如下:首先,在ADAMS/Car软件中建立某样车的模型,再结合遗传算法和L-M数值优化算法在典型工况下对ADAMS模型的重要参数进行辨识。基于汽车系统动力学建立三轴汽车二自由度模型,再结合辨识结果在MATLAB软件中建立仿真模型,在角阶跃转向工况下比较MATLAB模型与ADAMS模型的仿真数据,使模型的准确性得到验证。其次,基于多体动力学和达朗贝尔原理,考虑悬架的K&C特性,创建二十六自由度三轴汽车非线性动力学模型。运用改进的欧拉迭代法使建立的车辆动力学微分方程组得到求解,并在MATLAB软件中编制仿真程序。在典型的工况下进行仿真试验,并与ADAMS和TruckSim模型的仿真数据进行对比,使该模型的精度和仿真效率得到验证。最后,建立三轴汽车线性三自由度模型并将其作为建立侧翻预警系统的参考模型;选择横向载荷转移率(LTR)作为侧翻预警指标,并设立侧翻门限值LTRmax;基于动态侧翻预警算法(TTR)来建立侧翻预警系统;利用差动制动的原理,采用附加横摆力矩的方法来抑制侧翻的发生;基于二次型最优控制算法(LQG)来决策附加横摆力矩的大小;建立差动制动控制调节器,采用控制制动轮缸压力的方法分配制动力矩,以达到控制横摆力矩的大小与方向的目的;在MATLAB软件中编写该稳定性控制系统并嵌入到建立的三轴汽车二十六自由度动力学模型中;在角阶跃转向和鱼钩转向工况下验证侧倾稳定性控制系统的有效性。

关键词：三轴汽车动力学模型侧倾稳定性控制 LTR 附加横摆力矩

商用车气压制动侧倾与横摆稳定性协调控制研究

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商用车气压制动侧倾与横摆稳定性协调控制研究

作者：白松奇吉林大学

学位级别：硕士

随着我国经济的发展以及交通基础建设的完善,使得商用车保有量持续增加。到17年底,我国商用车数量突破四千万,在货物运输以及公共交通中充当着相当重要的角色。商用车载重量大,质心位置高,由于车辆失稳所导致的交通事故频发,通过装配电... 详细信息

随着我国经济的发展以及交通基础建设的完善,使得商用车保有量持续增加。到17年底,我国商用车数量突破四千万,在货物运输以及公共交通中充当着相当重要的角色。商用车载重量大,质心位置高,由于车辆失稳所导致的交通事故频发,通过装配电子稳定性控制系统可以较好的提高车辆的稳定性。目前商用车多配备气压制动系统,但气压制动系统工作时存在迟滞性,对控制系统的响应时间以及控制精度有一定的影响。目前国内对于此方面起步较晚研究较少,研究机构主要集中在各个高校,目前还没有较为成熟的产品。本文的主要研究目的是借助课题组对稳定性控制系统的研究经验,开发一套应用于气压制动系统的稳定性控制系统。本文的主要工作内容包括结合国内外研究现状对商用车的气压制动系统结构进行研究,了解制动系统以及关键部件的基本结构和工作原理。购买气压制动实验台架所需的各个部件对实验台架进行搭建并对气压阀进行了测试。由于硬件在环实验中制动气室的压力可以由压力传感器直接测得,但在对控制算法进行离线仿真验证时无法直接对制动气室的压力进行测量。所以使用AMESim建立了气压制动系统的模型,建立完成后为了验证模型对压力估算的准确性,将实验台架传感器所测得压力与模型估算的压力进行对比。经过对压力图像进行对比后可以看出,模型可以较为准确的对制动气室的压力进行估算,估算压力与实际压力基本保持一致。通过对横向轴荷转移率以及零力矩点两种侧翻指标进行分析后,选取了零力矩点对车辆横向稳定性进行评价。通过传感器测得的数据对零力矩点的y轴坐标值(5(5(5(5(5(5)进行计算,通过与设定的门限值进行对比来判断车辆的横向稳定性并对其进行控制。横摆稳定性方面选取了质心侧偏角和横摆角速度对横摆稳定性进行判断,通过计算横摆角速度理想值和实际值的差值判断车辆当前处于不足转向还是过多转向。通过建立模糊控制器对车辆发生失稳时所需的附加横摆力矩进行计算,推导出所需的制动力,最后估算出制动气室所需的压力后通过调节气压阀使制动气室压力值跟随期望值,根据车辆当前的转向状态来决策出所需制动的车轮。控制过程中优先对侧翻进行抑制,检测到无侧翻危险时对横摆稳定性进行控制,使二者协调从而最大程度上保证车辆的稳定行驶。控制策略模型以及制动系统模型搭建完成后,通过Simulink、TruckSim和AMESim的联合仿真对控制策略进行初步验证,其中制动系统模型基于AMESim搭建,整车模型基于TruckSim搭建,控制策略基于Simulink建立。使用TruckSim设置需要测试的开环双移线以及正弦增幅两种工况对控制策略进行验证,通过对仿真图像进行分析后可以看出经过控制后车辆稳定性有明显提升。最后通过硬件在环实验进一步对控制策略进行验证,通过搭建好的气压制动系统实验台架与快速原型控制器MicroAutobox以及实时仿真系统Simulator共同组成硬件在环实验平台。通过对正弦增幅以及开环双移线两种工况对控制策略进行验证,通过对质心侧偏角、横摆角速度以及-?相图进行分析后可以看出经过控制车辆具有更高的稳定性。

关键词：横摆稳定性控制侧倾稳定性控制协调控制联合仿真硬件在环仿真

分布式电动车侧倾稳定性与制动稳定性协调控制研究

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分布式电动车侧倾稳定性与制动稳定性协调控制研究

作者：兰绍鑫辽宁工业大学

学位级别：硕士

分布式电动车汽车采用轮毂电机驱动,会引发车辆质心位置升高、簧下质量增加等情况,从而会影响车辆的侧倾稳定性和制动性协调控制。为解决这一问题,以装有磁流变半主动悬架,采用电机液压复合制动的前轮转向分布式电动车为研究对象,考虑... 详细信息

分布式电动车汽车采用轮毂电机驱动,会引发车辆质心位置升高、簧下质量增加等情况,从而会影响车辆的侧倾稳定性和制动性协调控制。为解决这一问题,以装有磁流变半主动悬架,采用电机液压复合制动的前轮转向分布式电动车为研究对象,考虑到磁流变半主动悬架阻尼可变的特点,发挥电动车电机液压复合制动优势,基于分层控制结构,解决分布式电动车侧倾稳定性和制动稳定性的协调控制问题。主要研究内容如下:(1)针对单独侧倾稳定性控制,选取载荷的横向转移作为控制目标。保证车辆在高速转弯工况不发生侧翻,采用模型预测控制的控制方法,设计顶层侧倾稳定性控制器,控制由半主动悬架产生的总抗侧倾力矩,同时设计了设计悬架力矩分配器,并选取双移线工况和鱼钩工况进行仿真,对设计的控制器进行验证,试验结果表明本节所设计的控制器能改善极端工况下的侧倾稳定性,只是轻微影响了横摆稳定性。(2)针对单独制动稳定性控制,研究了常规工况下的制动性和附加横摆极端工况下的制动稳定性。针对常规工况,根据I曲线制定了前后轴制动分配策略,并制定常规工况下液压电机复合制动策略。并根据国标对常规工况下制动策略进行验证,试验结果表明控制策略符合国家标准;并基于附加横摆力矩的极端工况,进行制动稳定性控制策略研究,选用模型预测控制算法,设计了基于差动制动技术的横摆力矩控制器,同时给出了横摆力矩和车轮制动力矩的分配关系,以及该工况下的液压电机复合制动策略,并选低附着双移线工况进行制动稳定性仿真试验,对设计的横摆力矩控制器和制动力矩分配策略进行验证,试验结果表明控制策略能改善附加横摆力矩的极端工况的制动稳定性。(3)针对分布式电动车侧倾稳定性与制动稳定性协调控制,以载荷的横向转移和横摆角速度作为控制目标。为了保证车辆在极限工况转弯不失稳不侧翻,采用模型预测控制的方法,设计顶层侧倾稳定性与制动稳定性协调控制器,控制由悬架产生的抗侧倾力矩和由分布式电动车产生的抗横摆力矩。采用前节设计的悬架力矩分配器去分配总侧倾力矩,制动力矩分配器去分配总横摆力矩,并选取双移线工况和鱼钩工况进行仿真试验,对设计的协调控制器进行验证,同时对比了协调控制与悬架单独控制效果,试验结果表明协调控制,比单独悬架控制在侧倾稳定性和制动稳定性都表现得更加优越。

关键词：侧倾稳定性控制制动稳定性控制协调控制模型预测控制分布式电动车

分布式电驱动汽车状态参数估计及横摆与侧倾稳定性集成控制研究

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分布式电驱动汽车状态参数估计及横摆与侧倾稳定性集成控制研究

作者：梁帅湖南大学

学位级别：硕士

随着电驱动和电动汽车的发展,分布式电驱动汽车因其四轮扭矩独立可控、响应时间短、精度高、能量利用率高,且能实现更复杂的控制方式,被认为是未来汽车的终极形式,已经成为国内外学者研究的热点之一。而现有的主动安全技术如电子稳定控... 详细信息

随着电驱动和电动汽车的发展,分布式电驱动汽车因其四轮扭矩独立可控、响应时间短、精度高、能量利用率高,且能实现更复杂的控制方式,被认为是未来汽车的终极形式,已经成为国内外学者研究的热点之一。而现有的主动安全技术如电子稳定控制(ESC)、防抱死系统(ABS)、牵引力控制(TCS)还主要针对某项状态到达门限值进行单独控制或采取制动措施,无法充分融合车辆及路面信息,并同时实现纵向控制、横摆和侧倾稳定性等相互耦合的多目标需求。因此,要提升分布式电驱动汽车的主动安全性能,一方面在于准确的获取车辆状态参数及路面参数,另一方面则是需要综合考虑纵向、横摆、侧倾方面的集成控制。鉴于以上两点,本文开展了如下研究工作:(1)针对分布式电驱动汽车特性建立了轮毂电机模型和非线性轮胎模型;同时建立了包含纵向、侧向、横摆、侧倾和四轮转动的8自由度整车动力学模型,并与Carsim模型进行对比验证。(2)基于无迹卡尔曼滤波(UKF)理论,为稳定性控制提供关键信息,设计了切换式双UKF状态及参数联合估计算法,该算法包含一个状态观测器和两个分别适用于纵、侧向运动的参数估计器,量测量选取横摆角速度、纵、侧向加速度、侧倾角速度及轮速,状态观测器能在线实时估计车辆纵向车速、质心侧偏角、车身侧倾角、轮胎侧向力等状态量,并将其输入到参数估计器,而参数估计器根据当前车辆状态判断车辆行驶状态进行切换,纵向运动时估计整车质量、质心高度、质心位置,侧向运动时估计横摆、侧倾转动惯量参数和路面附着系数,估计的参数同样输入到状态观测器进行更新,形成闭环。在对开路面上仿真验证了此估计算法的有效性。(3)分别对车辆横摆及侧倾稳定性控制进行分析。横摆稳定性方面,分析了横摆稳定性表征量和控制目标,采用分层控制方法,上层通过滑模控制(SMC)理论获取目标附加横摆力矩,然后下层控制器通过上层得到的附加横摆力矩以及驾驶员的输入,通过二次规划的方法以及满足附着椭圆和轮毂电机输出功率等约束的条件下实现轮胎纵向力的最优分配,最后对滑移率进行限制,实现对车轮扭矩的分配,提高了车辆横摆稳定性;侧倾稳定性方面,采用相平面法划分了侧倾稳定域,建立了相平面侧翻指标(RI),并结合改进侧翻预测时间(TTR)方法实现侧翻预警,确定了介入时机,仍采用分层控制方式,上层控制器采用线性二次规划(LQR)理论计算附加横摆力矩,下层控制器与横摆稳定性控制中相同,实现了车辆侧倾稳定性控制。(4)为实现多目标的主动安全需求,通过对四轮扭矩的独立控制,采用模型预测控制(MPC)理论设计了包含决策层、上层控制器和下层控制器的纵向、横摆和侧倾集成控制策略。决策层根据相平面侧翻指标,侧翻预测时间以及理想横摆角速度偏差等综合判断控制模式,并将各代价函数目标参考值及权重提供给上层控制器;上层的MPC控制器考虑总纵向力、横摆角速度、质心侧偏角和相平面侧翻指标与目标参考值在预测时域里的偏差最小、四个车轮轮胎利用率以及控制量变化最小,实现最优的控制量输出;下层控制器通过车轮扭矩控制滑移率实现上层控制器的目标轮胎纵向力分配。最后通过仿真实验验证了该集成控制策略能够实现纵向控制、横摆及侧倾稳定性等多目标控制需求,优于传统的ESC。

关键词：分布式电驱动汽车状态及参数联合估计横摆稳定性控制侧倾稳定性控制集成控制

分布式驱动电动汽车轨迹跟踪与稳定性集成控制研究

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分布式驱动电动汽车轨迹跟踪与稳定性集成控制研究

作者：安伟彪桂林电子科技大学

学位级别：硕士

目前电动汽车已成为汽车产业发展的重点主攻方向。相比其他驱动形式的电动汽车,以轮毂电机作为直接动力源的分布式驱动电动汽车具有以下突出优势:结构简单,采用轮毂电机驱动,提高了能量传递效率且力矩响应迅速;提供了扭矩矢量控制方法,... 详细信息

目前电动汽车已成为汽车产业发展的重点主攻方向。相比其他驱动形式的电动汽车,以轮毂电机作为直接动力源的分布式驱动电动汽车具有以下突出优势:结构简单,采用轮毂电机驱动,提高了能量传递效率且力矩响应迅速;提供了扭矩矢量控制方法,可连续调节车辆的被控状态量,为实现更加出色的稳定性控制技术提供了基础。本文以分布式驱动电动汽车为研究对象,从主动安全控制技术入手,针对车辆高速行驶在高附着系数路面,易发生侧翻事故。高速行驶在低附着系数路面,易发生侧滑失稳事故。以及在极限工况进行轨迹跟踪时由于车辆失稳,导致轨迹跟踪失败等问题。为提高车辆在不同附着系数路面的行驶稳定性和轨迹跟踪性能,本文对车辆的防侧翻稳定性控制、横向稳定性控制、轨迹跟踪控制以及集成控制展开了研究,并基于模型预测控制算法(MPC)设计了相应的控制器。主要研究内容如下:1、整车动力学模型的建立和基于UKF的车辆状态观测。首先综合车辆的纵向,横向,横摆以及侧倾动力学特性,建立了整车平面四轮、单轨动力学模型和侧倾动力学模型,为各个MPC控制器的设计提供了基础。其次根据魔术轮胎公式建立了轮胎模型,考虑到实时获取精确的车辆状态量也是稳定性控制的重点,设计了无迹卡尔曼滤波(UKF)状态估计器,对控制器所需的状态量如侧向速度,侧倾角等进行了实时估算。2、对车辆的侧倾和横向稳定性控制进行了研究。首先对车辆的侧倾、横向稳定性控制目标和控制方式的选取进行了分析,并基于MPC算法设计了侧倾稳定性控制器和横向稳定性控制器。然后在仿真环境下完成了MPC侧倾稳定性控制器高附路面,高速鱼钩转向工况测试,和MPC横向稳定性控制器低附路面,高速蛇形转向工况测试。仿真结果表明,上述各MPC控制器通过产生附加扭矩的方式,有效地将控制目标控制在阈值范围内,实现了车辆极限工况下的稳定性控制。3、对车辆的稳定性集成控制进行了研究。针对单一控制器在不同附着系数路面适应性较差,无法达到预期控制效果等问题。为提高控制系统在不同工况的控制效果,对稳定性状态判定条件的选取和协调策略的制定进行了研究,基于分层式集成控制系统设计了MPC稳定性集成控制器。该控制器上层监督决策模块包含了协调控制器,下层执行控制模块包含了各MPC控制器。并完成了高速,对接路面仿真测试。仿真结果表明,MPC稳定性集成控制器有效提升了复杂工况下的车辆稳定性控制效果。4、对车辆的轨迹跟踪稳定性控制进行了研究。基于MPC算法设计了车辆轨迹跟踪控制器,对控制器设计过程中目标函数的建立,约束条件的设定等步骤进行了介绍。然后通过仿真测试,分析了不同工况对轨迹跟踪控制效果的影响。为提升车辆高速轨迹跟踪过程中稳定性和轨迹跟踪精度,对MPC轨迹跟踪控制系统进行了改进,将其与MPC稳定性集成控制器结合,设计了轨迹跟踪稳定性控制器。并对该控制器进行了仿真对比测试,结果表明MPC轨迹跟踪稳定性控制器有效降低了车辆高速轨迹跟踪过程中的横向载荷转移系数,质心侧偏角等状态量,在保证车辆稳定性的前提下,提高了不同附着系数路面的轨迹跟踪性能。5、为更好地满足实际需求,在实车平台上进行了稳定性控制实验。基于Simulink设计了车辆横向稳定性控制器和轨迹跟踪稳定性控制器,在实验室已有的分布式驱动电动汽车实验平台上,首先采用不同控制模式进行了多组横向稳定性控制对比实验,验证了所设计的横向稳定性控制器的有效性。然后又进行了轨迹跟踪稳定性控制试验,试验数据表明在车辆进行轨迹跟踪过程中,稳定性控制器的开启在保证轨迹跟踪精度的前提下,有效降低了横摆角速度和侧向加速度。

关键词：分布式驱动模型预测控制侧倾稳定性控制横向稳定性控制轨迹跟踪稳定性控制集成控制

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半挂汽车防侧倾鲁棒非线性控制方法

半挂汽车防侧倾鲁棒非线性控制方法

作者：苏帅康重庆理工大学

学位级别：硕士

近年来我国经济不断增长,在诸如电子商务因素的驱动下,我国货物运输的需求量大幅增加。半挂汽车列车具有较高的有效载荷、较低的运行成本、可靠性好等众多优势,但半挂汽车列车往往质量大、质心高,同时受道路条件的限制,轮距的宽度也无... 详细信息

近年来我国经济不断增长,在诸如电子商务因素的驱动下,我国货物运输的需求量大幅增加。半挂汽车列车具有较高的有效载荷、较低的运行成本、可靠性好等众多优势,但半挂汽车列车往往质量大、质心高,同时受道路条件的限制,轮距的宽度也无法增大很多,因此半挂汽车列车的防侧倾性能很差,驾驶员的不当操作将会使车辆的侧倾稳定性急剧下降甚至出现侧翻事故。侧翻的半挂汽车会极大地破坏其周边汽车的安全行车环境,甚至引发恶性连环交通事故。运行过程中的半挂汽车是一个高度非线性的系统,并且行车过程中存在诸多不确定性因素的干扰,如驾驶员的不确定性转向,在对半挂汽车进行防侧倾控制时容易出现模型失配的问题。因此,在研究半挂汽车列车防侧翻的主动控制方法的同时,设法提高控制器的鲁棒性,探索更适合半挂汽车非线性特性的控制策略及控制器是实现车辆安全、稳定运行的有力保障。本文主要进行了以下几个方面的研究:（1）针对不确定性干扰半挂车的强非线性导致的模型失配问题,首先建立了反映半挂车横摆、侧向及侧倾运动学特性的七自由度动力学模型作为预测模型,轮胎选用了魔术公式非线性轮胎模型,而后在Simulink中搭建七自由度的车辆动力学模型,并通过仿真试验验证了所搭建模型的准确性,最后将驾驶员转角的不确定性考虑在内,重构了系统模型,为鲁棒防侧倾控制系统的设计奠定了基础。（2）应用不变集理论来处理系统中的参数不确定性和附加驾驶员输入不确定性因素。首先对不变集理论进行了简要介绍,然后对所搭建的预测模型进行鲁棒可达性分析,求解鲁棒可控集和可达集保证系统的可控性,最后将线性稳定区域的状态、控制输入和干扰的约束考虑为鲁棒控制不变集并作为控制器的终端约束。（3）采用无迹卡尔曼滤波算法（UKF）对系统进行状态估计与参数辨识,应用模型预测控制策略设计控制器,跟踪参考信号,滚动优化求解带约束的有限时域最优控制问题,求解得出最优控制输入,即三根主车轴的防侧翻力矩,并由主动防侧倾杆实施以达到防侧倾控制的目的。（4）最后搭建了Matlab/Simulink和Truck Sim的联合仿真平台,通过四种典型工况下的仿真对比得出,本文所设计的鲁棒非线性模型预测控制器拥有较好的防侧倾性能,同时也保证了终端状态不超出稳定状态的约束范围。在常规工况和极限工况下均能较好的控制半挂汽车列车的横向载荷转移率值在0.7左右;并且在存在不确定性因素扰动时,本文控制器的鲁棒性要优于传统的防侧翻稳定性控制器。

关键词：侧倾稳定性控制鲁棒不变集鲁棒模型预测控制半挂汽车