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考虑侧偏刚度不确定性的电动车稳定性优化控制

考虑侧偏刚度不确定性的电动车稳定性优化控制

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作者：李秋媛吉林大学

学位级别：硕士

在日常生活中,随着汽车的广泛使用,其对环境的污染效应和自身的稳定性性能一直是众多学者关注的焦点,以电动汽车作为研究对象的车辆稳定性优化控制的相关研究已经备受关注。其中将电机镶嵌在车轮中的四轮驱动轮毂电动汽车,省去了传动装... 详细信息

在日常生活中,随着汽车的广泛使用,其对环境的污染效应和自身的稳定性性能一直是众多学者关注的焦点,以电动汽车作为研究对象的车辆稳定性优化控制的相关研究已经备受关注。其中将电机镶嵌在车轮中的四轮驱动轮毂电动汽车,省去了传动装置,可实行四个车轮的独立操纵,在提高车辆动力性能的同时有效提高了行车安全性能。因此根据以上分析,本文选择四轮驱动轮毂电动汽车作为控制对象。车辆在驾驶过程中,驾驶状态的改变会使车辆结构参数产生相应变化,其中,轮胎侧偏刚度是用来描述轮胎侧向力的关键参数,它会根据当前轮胎侧偏角、轮胎压力、垂向载荷及路面摩擦系数等一系列因素的变化而变化从而具有不确定性,若将轮胎侧偏刚度选为恒定值,则会与实际工程现象存在较大误差。轮胎与地面间的作用效果是影响车辆操纵性的关键因素,根据行车动力学可知,随着轮胎侧偏角的增大,轮胎侧向力在增大到一定程度后达到饱和不再变化,此时易导致交通事故。因此,本文针对在考虑侧偏刚度不确定性条件下的电动车稳定性优化控制开展了如下研究:首先对本文所选用的研究对象四轮驱动轮毂电动汽车的总体结构进行阐述,选用二自由度车辆模型作为参考模型,在考虑路面附着系数的同时,根据行车动力学参考模型求取状态参考值,同时搭建了车轮动力学模型以及考虑电机最大输出转矩的电机转矩跟踪模型。其次,在进行轮胎侧偏刚度拟合模型建立过程中,选取低附着路面条件,忽略胎压影响,以轮胎侧偏角变化及垂直载荷传递作为主要影响因素。分别采用最小二乘法及移动最小二乘法求取侧偏刚度拟合模型并进行对比。在稳定性控制系统设计时,采用了分层架构,上层控制器选用模型预测控制算法,将时变轮胎侧偏刚度加入到控制模型。为了避免侧滑现象,利用车辆动力学推导了前、后轴轮胎侧偏角约束条件,将其约束在小范围内从而提高车辆操纵性能。下层控制器为转矩优化分配控制器,将所得期望横摆力矩优化分配到四个车轮,选用二次规划算法,选取轮胎路面附着率作为优化目标,在约束条件下求解四个车轮转矩。最后,利用Carsim与Matlab/Simulink搭建联合仿真平台,在不同工况下进行仿真实验,从而验证本文所提出的轮胎侧偏刚度拟合模型的准确性,以及在考虑轮胎侧偏刚度不确定条件下的电动车稳定性控制器设计过程中,对侧偏角的约束效果与对状态参考值的跟踪效果。

关键词：电动汽车侧偏刚度不确定性车辆稳定控制模型预测控制转矩优化分配

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基于轮胎侧偏刚度辨识的车辆换道轨迹跟踪控制策略研究

基于轮胎侧偏刚度辨识的车辆换道轨迹跟踪控制策略研究

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作者：屈如意吉林大学

学位级别：硕士

主动换道技术作为智能汽车的核心技术之一,对于解决道路拥堵及提高驾驶安全具有重要研究意义。目前对于常规工况下的智能汽车换道策略研究已经相对成熟,但是对于低附着路面或高速行驶等极限工况下的换道策略研究仍存在不足,在极限工况... 详细信息

主动换道技术作为智能汽车的核心技术之一,对于解决道路拥堵及提高驾驶安全具有重要研究意义。目前对于常规工况下的智能汽车换道策略研究已经相对成熟,但是对于低附着路面或高速行驶等极限工况下的换道策略研究仍存在不足,在极限工况下车辆的驱/制动能力受限、结构参数发生变化等不确定因素会给行车安全带来隐患。轮胎侧偏刚度会随着轮胎侧偏角、垂直载荷及当前道路条件等因素的不断变化而发生改变,此时轮胎的非线性侧偏特性会产生剧烈变化从而影响车辆控制,给极限工况下的车辆行驶带来危险。因此,本文以提高智能汽车主动换道过程中对期望换道轨迹跟踪精度和换道过程的稳定性为目标,充分考虑轮胎侧偏特性的强非线性特征,研究基于侧偏刚度在线辨识的车辆主动换道跟踪控制策略。本文的研究内容有望提高极限工况下主动换道轨迹跟踪的可靠性,主要进行了如下研究工作:首先基于横向、纵向及横摆三自由度的车辆动力学模型搭建了智能汽车主动换道系统模型。为了精确表征车轮各项动力学参数之间的数学关系,搭建轮胎动力学模型。最后建立车路位置关系模型为后续轨迹规划研究提供基础。其次,由于极限工况下轮胎侧偏刚度的剧烈变化会引起车辆换道过程中的跟踪精度和稳定性降低,针对实车真实运行情况下的侧偏刚度的动态变化,采取了基于限定记忆的递推最小二乘法在线辨识侧偏刚度,以代替传统控制方法中的定值侧偏刚度。由于实车运行状态下轮胎侧向力会随着侧偏角的剧烈变化进入轮胎非线性区,采用传统线性轮胎侧向力模型会因为模型匹配度低导致参数估计精度降低。因此,本文建立了更能反应真实轮胎特性的非线性轮胎侧向力模型,同时采用基于限定记忆的递推最小二乘法的侧偏刚度辨识算法,来克服传统递推最小二乘法中随着数据采样过多出现的“数据饱和”现象所导致的参数估计值偏离真实值距离较远的问题。本文所提方法通过限定记忆长度来降低旧数据对参数拟合过程的影响,并对轮胎侧向力及侧偏角之间的非线性函数关系进行在线拟合,从而辨识得到换道过程中的时变轮胎侧偏刚度。最后建立了考虑侧偏刚度不确定性的模型预测轨迹跟踪控制器,通过将基于限定记忆的递推最小二乘法的侧偏刚度辨识模型加入至控制器的预测模型中,提高了模型预测控制算法在轨迹跟踪方面的精确度,并通过添加多项动力学约束保证换道过程的安全性及平稳性。最后,本文搭建了基于Car Sim与Matlab/Simulink联合仿真的实验平台以验证本文所提出的轨迹跟踪控制策略的有效性。大量实验数据表明,本文所采用的轮胎侧偏刚度辨识算法能够准确快速地在线辨识出实时变化的轮胎侧偏刚度,与传统算法相比,限定记忆的递推最小二乘法拟合精度更高、拟合过程更加平滑;在极限工况下,基于侧偏刚度辨识策略的模型预测轨迹跟踪控制器能够在保证换道安全舒适性的前提下有效地提高控制器的跟踪精度。

关键词：主动换道轨迹跟踪侧偏刚度不确定性限定记忆的递推最小二乘法模型预测控制

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基于自适应滑模的电动车稳定性控制

基于自适应滑模的电动车稳定性控制

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作者：刘鑫吉林大学

学位级别：硕士

近年来,汽车工业在人们对其的依赖下迅速发展,但汽车所带来的环境污染和能源消耗问题日益严重。新能源汽车由于其低排放,噪音小等优点被国内外学者广泛关注。随着汽车保有量的增加,道路安全问题日益严峻,电动车的稳定性控制研究已经成... 详细信息

近年来,汽车工业在人们对其的依赖下迅速发展,但汽车所带来的环境污染和能源消耗问题日益严重。新能源汽车由于其低排放,噪音小等优点被国内外学者广泛关注。随着汽车保有量的增加,道路安全问题日益严峻,电动车的稳定性控制研究已经成为研究焦点。其中,四轮独立驱动轮毂电动汽车,不需要额外的传动装置,用来驱动/制动的电机镶嵌在车轮中,能够实现对四个车轮的有效控制。因此本文选择四轮独立驱动轮毂电动汽车作为研究对象。车辆在行驶过程中,行驶工况会有所改变,这将导致车辆结构参数发生变化。在这些参数中,轮胎侧偏刚度作为关键参数之一,与侧向力大小密切相关。它会因当前自身状态,如轮胎侧偏角、轮胎压力、垂向载荷及外部因素如路面摩擦系数等因素的变化而具有不确定性。在进行车辆稳定性控制系统设计时,若将轮胎侧偏刚度当作定值进行处理,会与实际工程现象存在较大误差。因此,本文考虑侧偏刚度不确定性,对电动车稳定性控制问题开展了以下研究:首先对所选择的研究对象进行阐述,建立二自由度车辆模型,同时搭建轮胎动力学模型以及电机转矩跟踪模型。其次,针对车辆稳定性控制问题,采用分层控制架构。车辆系统十分复杂,且内部存在耦合关系,具有非线性特征。在复杂的行驶过程中,其内部参数会随着外部条件的变化而变化,这其中包括轮胎侧偏刚度。侧偏刚度是表征轮胎与路面摩擦系数关系的重要参数,侧偏刚度的变化会影响车辆稳定性。因此,考虑侧偏刚度变化对车辆稳定性的影响是十分有必要的。首先是上层控制器设计,针对参数不确定性问题,滑模控制器具有较好的控制效果及鲁棒性。但是需要确定不确定参数上界,若不能明确不确定性上界,则符号函数项系数需要选择较大的值,这样选择虽然可以抵消系统不确定性,但是较大的抖振现象会被带入到系统中来,控制精度也会因此而受到影响。针对参数不确定性问题,设计带有自适应率的自适应滑模控制器,通过自适应率抵消侧偏刚度不确定性带来的影响。下层控制器用来实现转矩分配,将上层考虑侧偏刚度不确定性的滑模控制器得到的期望横摆力矩,以轮胎最小利用率为优化目标,并在约束条件下,通过二次规划算法求解优化后分配到四个电机。最后,通过Carsim与Matlab/Simulink搭建联合仿真平台,在不同路面摩擦系数及不同速度下进行仿真实验,并对比在考虑轮胎侧偏刚度不确定条件下,滑模控制器和自适应滑模控制器对状态变量参考值的跟踪控制效果,验证自适应滑模控制器的有效性。

关键词：侧偏刚度不确定性自适应滑模控制车辆稳定性控制转矩优化分配

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