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分布式电动车驱动系统执行器失效的容错控制研究

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分布式电动车驱动系统执行器失效的容错控制研究

作者：张猛重庆理工大学

学位级别：硕士

在车辆电动化发展趋势下,分布式电动车因其独特的驱动布置形式及传动方式成为电动汽车研究的热点。相比于传统电动车,分布式电动车在转向性能、驱动转矩响应、整车操控性等方面具有较大的优势。但是,随着分布式电动车执行器、传感器等... 详细信息

在车辆电动化发展趋势下,分布式电动车因其独特的驱动布置形式及传动方式成为电动汽车研究的热点。相比于传统电动车,分布式电动车在转向性能、驱动转矩响应、整车操控性等方面具有较大的优势。但是,随着分布式电动车执行器、传感器等数目的增加,驱动系统的可靠性就会降低。因此,本文针对分布式电动车驱动系统执行器失效的不同种情况,以提高故障车辆的稳定性和安全性进行了容错控制算法研究,具体内容包括:首先,搭建满足研究所需的分布式电动车整车动力学模型,包含车身纵向、侧向、横摆及四个车轮回转运动的七个自由度。在此模型基础上,分别建立了“魔术公式”轮胎模型、车轮旋转动力学模型、轮毂电机模型及纵向速度跟踪控制等子模型。通过联立Car Sim在不同工况下,验证了所搭建整车模型的准确性。其次,针对分布式电动车驱动系统执行器失效的问题,采用分层建模的思想,搭建了一种纵、横向力协同容错控制系统。上层为运动跟踪控制层,采用模型预测控制理论跟踪车辆期望的行驶状态,求出车辆所需的纵向合力、横向合力及横摆合力矩。下层为纵、横向力重构优化控制分配层,将上层总的力和力矩以最小化轮胎负荷率为优化目标函数,考虑轮胎力及附着圆简化约束,经过优化求解得出各轮所需的纵向力和横向力。通过力矩公式和轮胎侧偏特性逆模型,将所需的纵向力和横向力转化为驱动力矩和前轮转角作为执行器预输入。根据执行器的故障检测信息判断失效情况,进而采用不同的失效控制策略,进行重构控制分配得到新的驱动力矩和前轮转角输出,保障了车辆在故障发生后的稳定性和动力性。最后,针对三种可控失效情况设置了四种不同的仿真工况,以方向盘转角作为系统输入,验证了容错控制算法能够确保失效车辆跟随驾驶员操作意图保持稳定行驶。同时,基于NI-PXI实时系统搭建了硬件在环仿真测试平台,进一步验证了容错控制算法的有效性。

关键词：分布式电动车容错控制模型预测控制重构控制硬件在环

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

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分布式电动车自适应容错控制方法研究

分布式电动车自适应容错控制方法研究

作者：宋红松重庆理工大学

学位级别：硕士

能源利用与可持续发展是当前世界的发展目标,传统汽车的石油消耗给国家能源带来巨大的压力,现在新能源汽车已经成为当前世界发展的潮流,分布式电动车逐渐进入到了大众的视野。当分布式电动车在行驶时发生故障,可能会引发惨烈的交通事故... 详细信息

能源利用与可持续发展是当前世界的发展目标,传统汽车的石油消耗给国家能源带来巨大的压力,现在新能源汽车已经成为当前世界发展的潮流,分布式电动车逐渐进入到了大众的视野。当分布式电动车在行驶时发生故障,可能会引发惨烈的交通事故,驾驶员的生命安全不能得到保障,因此对车辆的故障容错研究的重要性就不言而喻了。本文针对分布式电动车具有驱动冗余的特点,对轮毂电机完全失效后的车辆横摆稳定性进行控制研究。首先,对车辆驱动系统的故障模式进行分类,分成6类15种失效情况,并在不同的失效模式下,对车辆的控制目标进行划分。然后对车辆的模型框架进行简化,采用模块化思想,分别建立了绕X、Y轴运动,绕Z轴转动的车辆运动学模型、轮胎模型、车辆旋转动力学模型以及轮毂电机模型。通过子模块链接,最后搭建成为车辆七自由度模型。通过Carsim软件中的现有车辆模型进行联合仿真,验证了搭建的车辆模型能够替代实车模型。其次,采用分层控制结构对故障后的车辆进行横摆稳定性控制,上层控制器设计为模型预测控制与自适应PID控制,跟随或预测车辆的期望纵向速度,计算得出车辆总的纵向力。下层控制器设计是以轮胎的总附着率为目标函数以及相应的边界条件,针对不同的故障情况,设计出名义控制和重构控制分配方案。当车辆无故障时,采用名义控制分配;当车辆出现故障时,采用重构控制分配。最后,把搭建的七自由度模型与设计的容错控制策略进行联合仿真,进行了四种工况的离线仿真实验,进行数据分析,最后验证了算法的可行性,能够提高车辆的横摆稳定性。为了验证容错控制策略在实车上的有效性与可靠性,搭建了基于NI平台的硬件在环仿真系统。通过单轮失效的角阶跃工况验证了硬件在环系统的可靠性与设计的容错控制算法的实时性与有效性。

关键词：分布式电动车容错控制重构控制分配自适应PID 模型预测

基于重构控制分配的分布式电动车容错控制方法

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重庆理工大学学报（自然科学） 2021年第1期35卷 16-24页

作者：欧健丁凌志夏祖钶杨鄂川重庆理工大学车辆工程学院重庆400054 重庆理工大学机械工程学院重庆400054

针对分布式驱动电动车过驱动系统存在的冗余现象,以带有主动前轮转向系统的四轮轮毂电机驱动电动汽车为研究对象,设计了执行器故障后的容错控制算法。容错控制器采用集成控制结构,上层为运动跟踪层,基于模型预测控制算法,得到车辆跟踪... 详细信息

针对分布式驱动电动车过驱动系统存在的冗余现象,以带有主动前轮转向系统的四轮轮毂电机驱动电动汽车为研究对象,设计了执行器故障后的容错控制算法。容错控制器采用集成控制结构,上层为运动跟踪层,基于模型预测控制算法,得到车辆跟踪期望状态所需总的力与力矩;下层为重构控制分配器,针对驱动电机的多种故障情况,以整车稳定性和安全性为目标制定重构控制分配率。通过实验表明,在高速高附的仿真工况下,面临多种执行器故障模式时,相比无控制的车辆,处于容错控制算法控制下的车辆横摆角速度最大值由0.3rad/s降低到0.1rad/s,质心侧偏角由0.03rad降低到0.015rad,显著提高了车辆的横摆稳定性与安全性能。

关键词：分布式电动车重构控制分配容错控制横摆稳定性

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滑模方法在分布式电动车容错控制上的应用

机械设计与制造 2021年第2期 27-30,34页

作者：欧健陈瑞楠杨鄂川张勇重庆理工大学车辆工程学院重庆400054 重庆理工大学机械工程学院重庆400054

分布式电动车是一种由轮毂电机驱动的新型车辆。针对其驱动系统部分失效的情况下车辆发生跑偏等的问题,设计了一种基于滑模变结构控制的被动容错控制方法,该控制方法不需要精确的故障估计信息便能够对车辆进行有效控制。首先,讨论了可... 详细信息

分布式电动车是一种由轮毂电机驱动的新型车辆。针对其驱动系统部分失效的情况下车辆发生跑偏等的问题,设计了一种基于滑模变结构控制的被动容错控制方法,该控制方法不需要精确的故障估计信息便能够对车辆进行有效控制。首先,讨论了可能发生的失效,建立了所需的车辆模型。而后,使用二自由度车辆模型作为参考模型,建立了基于横摆角速度、质心侧偏角的协调控制滑膜变结构容错控制器,并对收敛性进行了讨论。最后,使用NI-PXI硬件在环测试设备进行试验,以检验所设计控制器的性能。结果表明,所设计控制策略能够改善故障车辆性能。

关键词：分布式电动车驱动系统失效滑膜变结构控制容错控制附加横摆力矩

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基于观测器的分布式电动车容错控制方法研究

基于观测器的分布式电动车容错控制方法研究

作者：陈瑞楠重庆理工大学

学位级别：硕士

四轮轮毂电机独立驱动的分布式电动车相较于传统车辆而言,拥有系统构成简单、输出响应迅速、各车轮能够独立控制等特点,如今已受到越来越多的研究者们的关注。但由于其自身的结构特点,车辆传感器、执行器数目急剧增加,这将导致车辆驱动... 详细信息

四轮轮毂电机独立驱动的分布式电动车相较于传统车辆而言,拥有系统构成简单、输出响应迅速、各车轮能够独立控制等特点,如今已受到越来越多的研究者们的关注。但由于其自身的结构特点,车辆传感器、执行器数目急剧增加,这将导致车辆驱动系统可靠性的降低。若车辆某轮轮毂电机发生失效不能按照期望进行输出,传统车辆控制方法将难以满足车辆的纵横向力需求,且控制性能急剧下降。本文从提升故障车辆稳定性的角度出发,以四轮轮毂电机驱动的带有主动前轮转向的电动汽车为研究对象,针对电机失效因子观测、主动/被动容错集成控制策略和电机转矩分配问题进行了相应的研究。首先,本文建立了包含车身纵向、侧向、横摆和四个车轮转动的七自由度非线性车辆动力学模型(7-DOF),并对模型的有效性和精确性进行了检验。利用所建立的七自由度车辆模型作为参考模型,使用车轮转速信号作为输入,建立了一种模型参考自适应的故障观测器,以对当前车辆失效因子进行实时观测。随后采用分层控制结构形式,对车辆主/被动及集成容错控制系统进行了研究。上层控制选取横摆角速度和质心侧偏角作为状态变量,选择二自由度单轨车辆模型作为参考模型。分别设计并使用基于模型预测控制和滑模变结构控制理论的主/被动控制器,计算跟踪参考状态所需的附加前轮转角及附加横摆力矩。随后对车辆当前状态进行评判,根据规则决策出合适当前的上层控制方法,以充分发挥主/被动容错控制方法的优点。下层控制器将所得到的附加横摆力矩等控制变量进行处理,以在考虑执行器约束、地面附着条件等的多重约束条件下,求解出当前各轮最优期望输出。最后为了检验所设计容错控制系统的性能,本文搭建了硬件在环仿真试验平台,选取了典型工况进行仿真试验验证。结果表明,本文设计的容错控制系统具有优良的性能,能够对车辆当前故障进行观测,能够有效提升故障车辆安全性。

关键词：分布式电动车故障观测器容错控制模型预测控制滑模控制

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基于模型预测控制的分布式电动车稳定性控制

北京汽车 2017年第4期 11-15,30页

作者：秦健刘博林合肥工业大学汽车与交通工程学院安徽合肥230009

基于CarSim/Simulink建立分布式电动车的整车动力学模型,同时建立2自由度的参考模型,用于求解车辆行驶时的期望横摆角速度及质心侧偏角以保持车辆行驶稳定性。同时,基于模型预测控制设计控制器,通过改变驱动轮转矩,获得附加横摆力矩,实... 详细信息

基于CarSim/Simulink建立分布式电动车的整车动力学模型,同时建立2自由度的参考模型,用于求解车辆行驶时的期望横摆角速度及质心侧偏角以保持车辆行驶稳定性。同时,基于模型预测控制设计控制器,通过改变驱动轮转矩,获得附加横摆力矩,实现对车辆横摆角速度及质心侧偏角的控制。通过仿真试验,在前轮转角阶跃输入及正弦输入两种工况下,验证控制方法的有效性。

关键词：分布式电动车模型预测控制行驶稳定性附加横摆力矩

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智能分布式电动汽车容错控制方法研究

智能分布式电动汽车容错控制方法研究

作者：梁顺利重庆理工大学

学位级别：硕士

进入21世纪以来,新能源车成了不可阻挡的趋势,相对于利用轮间差速器等机械传动装置的传统油车,分布式电动车直接利用轮毂电机进行驱动,大大简化了汽车结构,受到学术界和工业界的广泛重视,而在推进分布式电动汽车产业化的驱使下,其安全... 详细信息

进入21世纪以来,新能源车成了不可阻挡的趋势,相对于利用轮间差速器等机械传动装置的传统油车,分布式电动车直接利用轮毂电机进行驱动,大大简化了汽车结构,受到学术界和工业界的广泛重视,而在推进分布式电动汽车产业化的驱使下,其安全性受到一定的重视。本文从在提升汽车在轮毂电机发生失效时的横摆稳定性为目的,以带有前轮转向系统的分布式电动汽车为对象,针对车辆在行驶过程中出现驱动系统部分失效情况,以保证车辆稳定性为目标,设计了主动容错控制系统。对于分布式电动汽车的容错控制,本文主要有以下研究:首先构建汽车的七自由度模型,包含车辆动力学模型,非线性轮胎模型,轮胎旋转动力学模型,电机模型等,以分块模型的思路构建了整车模型,并与Carsim中相同状态的汽车进行联仿,从而检验了所构建汽车模型的正确性。同时考虑了汽车的非线性问题并以此为基础,通过随机模型将故障因子1))处理为系统状态,搭建无迹卡尔曼滤波观测器对驱动系统的故障情况进行识别。最后通过仿真验证所设计的算法准确性和实时性。其次设计分层FTC（容错控制）控制方案。该方案由上下两层控制,上层控制器通过利用车辆实际速度对期望车速跟踪信息基于PI控制理论计算输出的期望纵向力,以保证车辆的动力性;基于MPC理论通过对参考车辆模型（二自由度车辆模型）所输出的期望车辆参数的跟踪,计算出车辆所需的附加横摆力矩和附加前轮转角。之后设计下层为力矩重构分配控制器,基于轮胎的负荷率最小化为目标,并兼顾了路面附着条件和驱动电机能力的约束,经过推导计算出优化的目标纵向力矩和横摆力矩,并且由UKF观测器所输入的故障因子f来判断各个执行器的失效情况,并且根据不同的失效模式进行一个力矩重构控制,从而稳定车辆的不足转向或过多转向,以保证车辆的稳定性与安全性。最后基于MATLAB/Simulink平台搭建整个容错控制系统,以验证所设计控制器的有效性,输入不同的方向盘转角,不同工况下的车辆执行器失效模式,通过仿真结果的对比图,验证所设计的容错控制算法的有效性。

关键词：分布式电动车故障估计模型预测控制重构控制分配主动容错控制

分布式驱动电动汽车状态软测量及横摆稳定性控制策略研究

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分布式驱动电动汽车状态软测量及横摆稳定性控制策略研究

作者：钟双雷重庆理工大学

学位级别：硕士

随着全球能源以及气候的变化,新能源汽车成为了汽车行业的研究重点。而电动汽车相比于传统汽车有了较大的改变,包括从能量传递、传动系统、驱动形式等。又根据驱动形式的不同,电动汽车可以分为两类,分别是集中驱动式电动汽车以及多个电... 详细信息

随着全球能源以及气候的变化,新能源汽车成为了汽车行业的研究重点。而电动汽车相比于传统汽车有了较大的改变,包括从能量传递、传动系统、驱动形式等。又根据驱动形式的不同,电动汽车可以分为两类,分别是集中驱动式电动汽车以及多个电机分布驱动式电动汽车。其中四轮独立驱动的分布式电动汽车,具有良好的车辆动力学控制特性,具有驱动链短,传动效率高,并且每个车轮都独立可控等优点,更容易实现车辆的主动控制。又因为其稳定性控制系统相比于传统汽车控制系统更加复杂,需要实时获取车辆的状态参数,保证控制系统对车辆本身的精确控制。基于上述原因,车辆行驶过程中状态参数的获取以及转向时横摆稳定性的控制成为了本文的主要研究内容。本文针对布式驱动电动汽车状态软测量及横摆稳定性控制策略进行研究。状态软测量方法研究主要涉及分段递推的最小二乘算法(RLS)以及容积卡尔曼滤波(CKF)算法的联合估计方法。横向稳定性控制系统研究主要涉及对滑模控制方法进行改进应用,并设计了力矩分配算法。本文具体内容包含如下:首先,在CarSim中选定目标车型参数并搭建车辆动力学模型,设置初始条件以及道路等。其次,在车辆模型搭建好的基础上,在起步阶段对整车质量进行估算。在估算过程中采用改进的分段递推的最小二乘算法,对整车质量进行估算,并采用仿真验证估算质量的准确性,再将估算的质量输入到容积卡尔曼滤波(CKF)算法中,进行横摆角速度和质心侧偏角的估算。并基于MATLAB/Simulink和CarSim联合仿真平台,对估算的质心侧偏角和横摆角速度进行双移线仿真,验证其有效性。接着采用分层设计理念,设计了包括信号处理层、管理层、横摆力矩控制层和执行层在内的横向稳定性控制系统。选定控制参数和确定控制参数的,在对滑模算法理论研究的基础上,采用改进的滑模控制方法采用指数趋近律和函数替代法相结合来消除抖振,以提高系统的稳定性和抗干扰能力,力矩分配系统则采用路面附着消耗最小的分配方法进行力矩分配。构建Simulink/CarSim联合仿真平台对横向稳定性控制系统进行仿真验证,验证实验包括:高附着系数路面双移线仿真、低附着系数路面双移线仿真以及蛇形工况仿真。三种仿真实验结果表明,本文设计的横向稳定性控制系统可以对车辆的横向稳定性进行良好的控制。

关键词：分布式电动车软测量容积卡尔曼滤波(CKF) 横摆稳定性改进的滑模控制