基于约束优化的汽车集成控制研究

发布时间：2017-10-24 21:17

  本文关键词：基于约束优化的汽车集成控制研究

  更多相关文章： 汽车集成控制 约束优化 控制分配 动态分配 失效分析 容错控制

【摘要】：汽车电子控制技术不仅代表了未来汽车技术发展的趋势,也是应对汽车工业发展面临的节能、环保、安全和拥堵等诸多挑战的关键技术途径。随着功能的不断增多、结构不断地复杂化,汽车电控系统往往具有较强的动态耦合特征,其控制目标多样且具有普遍的矛盾特征,控制手段冗余且具有较强的动态约束和非线性特征;此外汽车电控系统在信息资源共享、能量动力保障、轮胎力、人机交互等诸多方面也往往表现出了较强的耦合和冲突特征。因此,对汽车电控系统进行集成,能够提高控制系统效率,并最大程度上提升汽车的整体性能。汽车集成控制一直是国内外学术界和工业界的研究热点。虽然近年来对汽车集成控制的研究取得了许多卓有成效的进展,但许多不同的研究方法和技术路线的提出也突显了这一领域技术的欠成熟,特别是系统的集成控制设计理论与方法的缺乏,无法满足日益迫切的控制效率和控制性能改善与提高的需求。传统上基于分配的集成控制方法由于主要基于规则和逻辑判断以决定执行器的选择和控制量的分配,不仅难以适应汽车行驶复杂的动态过程,也无法反映执行器、执行器与轮胎以及轮胎与地面接触复杂的动态变化与耦合特征。基于约束优化的控制分配方法近年来也受到了广泛的关注,并在汽车控制领域得以应用。然而不少研究对于约束的考虑还过于简单且不够全面,并往往只限于轮胎与地面的附着约束。虽然一些研究也考虑了执行器的约束,但一般只将其简化为轮胎力的上下限约束,且较少地考虑轮胎力纵侧向耦合特性。因此在优化过程中由于约束的缺失或定义不准确等,可能导致优化求解无法实现,或不能充分发挥执行器的效率。汽车电子控制系统的执行器主要包括驱动、制动和转向等电控系统,其自身的动态响应特性各异,对轮胎力的产生机理及动态响应过程各不相同,且彼此高度耦合与制约。因此执行器的动态特性是设计过驱动系统控制分配方法的关键考虑因素。然而现有的控制分配方法大多基于执行器的稳态特性,也往往只考虑其执行力的幅值因素,而忽略执行器的瞬态特性和彼此的瞬态响应差异,其结果是导致控制系统的动态分配误差,严重影响控制性能和效率。汽车电子控制系统的可靠性伴随着电控和线控系统的不断增多其重要性日益突显,并因此不断推动着容错控制方法的研究与应用进展。虽然基于过驱动冗余控制分配的容错控制方法受到了较为广泛的关注,但现有研究对执行器的失效模式、执行器失效对控制系统性能的影响机理、影响程度和范围等的考虑还不多见。这直接导致了在容错控制设计时对冗余驱动分配一定程度上的随意性和盲目性,从而难以优化容错控制的性能和效率。本文提出了基于复杂约束下多目标优化的汽车集成控制方法。通过建立对汽车电控系统各执行器和轮胎力等复杂的约束关系,以及多目标的数学描述,建立了基于复杂约束下多目标优化的汽车集成控制方法。在此基础上,通过分析各执行器的动态特性,建立了考虑执行器动态特性的过驱动控制分配方法。进一步通过研究执行器失效模式和执行器失效对控制系统性能的影响机理,建立了执行器失效影响模型以及基于执行器失效的系统容错分析方法,并据此提出了基于约束优化和过驱动冗余的容错控制方法。首先,本文提出了基于复杂约束下多目标优化的汽车集成控制方法,包括建立了基于车辆动力学动态响应模型的驾驶员意图识别方法、基于控制分配与状态反馈相结合的汽车集成控制方法;基于约束优化的控制分配方法和基于轮胎逆模型的执行器控制方法等。通过深入分析多控制目标,建立了考虑轮胎耦合特性和简化的线性轮胎力约束,以及适用于轮胎力约束优化分配的伪逆重新分配方法与主动集方法等,从而为基于约束优化的集成控制方法的实时求解与应用奠定了基础。与此同时,本文所提集成控制算法与传统的稳定性控制算法进行了仿真对比,结果表明该集成控制方法不仅提高了控制系统的响应速度,而且控制更加精准高效。其次,本文通过建立驱动系统、制动系统和转向系统等在内的各执行器动力学模型,系统地分析并研究了它们的动态特性。提出了基于执行器动态特性分配与特性补偿的轮胎力分配方法。最后通过仿真与传统的控制分配方法进行了对比,结果表明考虑执行器动态特性的控制分配方法提高了系统的瞬态响应性能,也降低了控制能量需求。再次,本文提出基于约束优化的汽车容错控制方法,通过对执行器失效的建模分析,研究了执行器失效对控制系统性能的影响机理,建立了执行器失效影响模型以及基于执行器失效的系统容错分析方法,并据此提出了基于约束优化和过驱动冗余的容错控制方法。为验证本文所提容错控制方法,开展了典型故障模式的仿真,包括单轮制动失效、单轮车轮转角控自由转动和单轮车轮卡死等。仿真结果表明执行器失效模型的有效,所提出的故障检测方法能够迅速地检测执行器的失效状态,容错控制方法能有效处理执行器失效并避免性能退化。本文结合国家863课题搭建了实车试验平台以验证本文所提出的复杂约束下多目标集成控制方法,开展了包括机械结构设计、电子电气系统、控制系统与数采系统设计等在内的实车平台建造。该实车平台采用了四轮独立轮毂电机驱动、四轮独立电子液压制动线控方案,使用了快速原型控制器实现了对控制方法的快速验证。开发了通用的基本控制逻辑,以便用于专用控制算法的验证。在实车试验平台上对集成控制算法进行了基于ISO-3888-2:2002标准试验与FMVSS126法规试验,试验结果表明本文提出的集成控制方法能够更好地提高车辆的稳定性,而基于复杂约束下多目标优化的控制分配方法也具有良好的实时性。本文的主要创新点如下:(1)提出了复杂约束下多目标优化的汽车集成控制方法,解决了传统集成控制由于约束缺失或定义不准确导致优化求解无法实现,或不能充分发挥执行器效率的问题。(2)提出了考虑执行器动态特性的轮胎力分配方法,降低了基于执行器稳态特性分配导致的分配误差,提高了控制性能和效率。(3)提出了执行器失效对控制系统性能影响的分析方法,以及基于执行器失效分析与影响模式的过驱动容错控制方法。
【关键词】：汽车集成控制 约束优化 控制分配 动态分配 失效分析 容错控制
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.6
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-17
• 第1章 绪论17-35
• 1.1 汽车集成控制的研究意义17-18
• 1.2 汽车集成控制国内外研究现状18-32
• 1.3 汽车集成控制研究中的难点与不足32-33
• 1.4 本文主要研究内容33-35
• 第2章 复杂约束下多目标优化的汽车集成控制方法35-63
• 2.1 车辆控制与轮胎力分配模型建立35-39
• 2.2 汽车复杂约束的动态数学描述39-43
• 2.3 基于约束优化的汽车集成控制系统设计43-52
• 2.3.1 基于车辆动力学动态响应模型的驾驶员意图识别方法44-47
• 2.3.2 基于车辆逆模型的汽车运动控制47-48
• 2.3.3 基于约束优化的轮胎力分配48-51
• 2.3.4 基于轮胎逆模型的执行器控制方法51-52
• 2.4 轮胎力优化分配的数值求解方法52-56
• 2.5 复杂约束下多目标优化的汽车集成控制方法仿真分析56-61
• 2.5.1 对开路面紧急制动工况56-58
• 2.5.2 正弦延迟工况58-61
• 2.6 本章小结61-63
• 第3章 考虑执行器动态特性的汽车轮胎力分配方法63-81
• 3.1 影响轮胎力分配的执行器动态特性建模63-68
• 3.1.1 驱动系统动态特性63-66
• 3.1.2 制动系统动态特性66
• 3.1.3 转向系统动态特性66-67
• 3.1.4 轮胎动态特性67-68
• 3.2 考虑执行器动态特性的控制分配方法68-73
• 3.2.1 基于动态特性补偿的方法68-70
• 3.2.2 基于动态特性的分配方法70-72
• 3.2.3 基于模型预测控制的方法72-73
• 3.3 考虑执行器动态特性的汽车轮胎力分配73-75
• 3.4 考虑执行器动态特性的汽车轮胎力分配方法的仿真分析75-79
• 3.4.1 系统频率响应特性分析75-76
• 3.4.2 高附着角阶跃工况76-79
• 3.5 本章小结79-81
• 第4章 基于约束优化的汽车容错控制方法81-99
• 4.1 执行器失效分析与建模81-83
• 4.1.1 执行器失效分析81-82
• 4.1.2 执行器失效建模82-83
• 4.2 执行器失效对控制性能的影响83-86
• 4.3 基于约束优化的汽车容错控制86-88
• 4.4 典型执行器故障的仿真分析88-96
• 4.4.1 左前轮失效的直线制动工况88-91
• 4.4.2 右前轮转向失效（自由）的双移线工况91-94
• 4.4.3 右前轮转向失效（卡死）的双移线工况94-96
• 4.5 本章小结96-99
• 第5章 实车试验平台搭建与试验验证99-117
• 5.1 试验平台开发99-107
• 5.1.1 总体设计方案99-100
• 5.1.2 机械结构设计100-103
• 5.1.3 电子电气系统103-105
• 5.1.4 控制系统与数采系统105-107
• 5.2 基于约束优化的汽车集成控制算法的应用107-108
• 5.3 实车试验验证108-115
• 5.3.1 ISO-3888标准试验108-111
• 5.3.2 FMVSS126法规试验111-115
• 5.4 本章小结115-117
• 第6章 全文总结及展望117-121
• 6.1 全文工作总结117-119
• 6.2 本文创新点119
• 6.3 研究展望119-121
• 参考文献121-129
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果129-131
• 致谢131-132

【参考文献】

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本文编号：1090569