分布式电驱动汽车操纵稳定性与能量效率优化控制研究

发布时间：2017-07-16 16:24

  本文关键词：分布式电驱动汽车操纵稳定性与能量效率优化控制研究

  更多相关文章： 分布式电驱动汽车 二阶超螺旋滑模状态观测器 直接滑动率分配横摆稳定性控制 操纵稳定性与能量效率多目标优化控制

【摘要】：环境污染和能源短缺问题推动了电驱动技术的研究与推广应用。作为电驱动技术的一种,分布式电驱动技术具有能耗低、污染少的优点,而且其车轮转矩能够独立、连续控制。基于这一优势,国内外学者进行了大量的车辆动力学控制研究。但是现有研究在车辆状态观测、差动驱动与差动制动协调控制和车辆操纵稳定性与能量效率多目标控制方面仍存在较多问题。本文研究分布式电驱动汽车车轮转矩控制方法,目标为提出一种能够在不同工况下提高车辆操纵稳定性与能量效率的控制策略,主要研究内容与成果如下。搭建了七自由度车辆动力学模型,其中电驱动系统采用实验建模的方法,将电驱动/电制动力矩的稳态和瞬态响应特性描述出来,并根据实验测试得到的电驱动系统能量效率数据,分别建立了驱动和回馈制动工况下不同转速时的能量效率模型。借助dSPACE-asm提供的车辆动力学商业软件进行了不同行车工况下的模型验证,为控制策略开发打下基础。建立了适用于分布式电驱动汽车的行驶状态观测器,降低了运算成本,提高了车辆在非线性附着状态时的参数观测精度。本文基于滑模变结构控制设计了车辆状态观测器,为提高观测误差的收敛速度,引入二阶超螺旋算法对状态更新方程进行了改进,并证明了考虑系统噪声和模型误差时所设计观测算法的收敛性。仿真表明,在车辆行驶于轮胎非线性附着状态下,基于轮胎模型的状态观测方法难以取得较高观测精度。为此,本文引入车辆质心加速度估计误差对车速估计值进行了反馈调节,显著提高了观测精度。最后借助d SPACE-asm车辆模型进行了不同行驶工况下观测效果的验证,结果表明应用加速度信息修正显著提高了滑模观测器在车辆非线性行驶时的观测精度。提出了一种基于直接滑动率分配的车辆行驶稳定性控制策略,实现了轮胎纵向力与侧向力的解耦控制,提高了稳定性控制效果。控制策略分为运动控制层和车轮转矩分配层。在运动控制层,首先进行期望的横摆角速度识别。其中,考虑到单一横摆角速度控制的局限性,依据车辆质心侧偏角大小对横摆角速度期望值施加约束。后基于滑模变结构控制进行主动横摆力矩计算。车轮转矩分配层依据所计算出的主动横摆力矩进行车轮驱动/制动转矩控制。在车速较高、路面附着条件较差的极限行车工况下,车轮转矩分配围绕提高车辆的操纵稳定性展开。为充分利用四个车轮与地面的附着资源改善车辆极限行驶性能,本文将主动横摆力矩分配为四个车轮的驱动或制动转矩。首先结合车辆底盘动力学的特点,制定四个车轮的驱动/制动优先级,将控制任务优先分配到侧偏角较小的轴。基于魔术轮胎模型,建立了车辆主动横摆力矩与单个车轮滑动率之间的关系并计算出滑动率分配限值。据此将主动横摆力矩按照事先设定的优先级分配为四个车轮的滑动率,最后对单个车轮施加驱动/制动转矩以追踪目标滑动率。仿真证明所提控制策略显著提高了车辆的循迹能力,降低了稳定性控制对车速的影响。提出一般行驶工况下的车轮转矩多目标优化控制方法,实现直行和转向工况下车轮驱动或制动转矩的控制分配,满足车辆的横摆运动控制、能量效率控制和防滑控制等多目标需求。对不同控制目标的表征方法进行了对比研究,在此基础上构造了多目标优化问题。为完成非线性非凸优化问题的求解,提出了一种离线加在线的求解方法。首先将复杂优化问题简化为适于离线计算的形式,并获得车轮转矩的初始分配值。基于Newton-Lagrange法将非凸优化问题转换为凸优化问题,以离线计算所得初始值为起点进行在线优化。在保证多目标优化问题求解精度的前提下,降低了控制器的运算成本。不同工况下的仿真证明,所提控制算法提高了车辆的操纵稳定性与能量效率。进行了分布式电驱动汽车操纵稳定性与能量效率优化控制策略的实验验证。基于不同路面条件、不同驾驶工况的实车实验,进行了车辆状态估计算法的验证。实验结果显示,所设计滑模观测器能够在考虑系统噪声和测量噪声前提下较准确估计出车速。基于所搭建的驾驶员在环工况模拟平台,开展了极限和一般工况下驾驶模拟,完成了控制策略验证。
【关键词】：分布式电驱动汽车 二阶超螺旋滑模状态观测器 直接滑动率分配横摆稳定性控制 操纵稳定性与能量效率多目标优化控制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U461.6;U469.72
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-26
• 1.1 选题背景14-16
• 1.1.1 传统汽车所面临的问题14-15
• 1.1.2 分布式电驱动汽车的优势15-16
• 1.2 研究现状16-21
• 1.2.1 研究切入点16-17
• 1.2.2 车辆状态参数估计技术的研究现状17-18
• 1.2.3 横摆稳定性控制技术的研究现状18-20
• 1.2.4 一般工况下转矩控制的研究现状20-21
• 1.3 存在的问题21
• 1.4 主要研究内容21-26
• 第2章 分布式电驱动汽车动力学模型建立26-48
• 2.1 车辆动力学模型自由度确定26-27
• 2.2 车辆动力学模型的建立27-41
• 2.2.1 电驱动系统模型27-34
• 2.2.2 制动系统模型34
• 2.2.3 减速器模型34-35
• 2.2.4 转向系统模型35
• 2.2.5 车轮模型35
• 2.2.6 轮胎模型35-39
• 2.2.7 车体模型39-41
• 2.2.8 建模总结41
• 2.3 车辆动力学模型验证41-47
• 2.3.1 dSPACE asm仿真平台42
• 2.3.2 仿真验证42-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第3章 分布式电驱动汽车行驶状态观测研究48-70
• 3.1 车辆行驶状态参数估计48-52
• 3.1.1 车辆状态观测器的设计方法48-49
• 3.1.2 车辆状态观测器的典型算法49-52
• 3.2 滑模状态观测器分析52-59
• 3.2.1 系统的能观性判断52-53
• 3.2.2 滑模观测算法研究53-59
• 3.3 车辆状态滑模观测器设计59-64
• 3.3.1 基于七自由度模型的滑模状态观测器设计59-61
• 3.3.2 车辆滑模状态观测器优化61-63
• 3.3.3 车辆侧向附着水平与路面附着条件辨识63-64
• 3.5 车辆状态滑模观测器验证64-69
• 3.5.1 驱动转向工况65-66
• 3.5.2 制动转向工况66-67
• 3.5.3 高速转向工况67-69
• 3.6 本章小结69-70
• 第4章 极限工况下车轮转矩控制研究70-92
• 4.1 车辆操纵稳定性分析70-74
• 4.1.1 车辆的操纵稳定性70-71
• 4.1.2 操纵稳定性的表征方法71-72
• 4.1.3 操纵稳定性的控制方法72-74
• 4.2 操纵稳定性控制策略建立74-75
• 4.3 操纵稳定性控制器设计75-81
• 4.3.1 驾驶意图识别75-79
• 4.3.2 车辆横摆运动控制器设计79-80
• 4.3.3 横摆运动控制器的改进80-81
• 4.4 车轮转矩控制分配81-88
• 4.4.1 执行器的选择81-83
• 4.4.2 执行器优先级的确定83-84
• 4.4.3 轮胎滑动率分配84-87
• 4.4.4 轮胎滑动率追踪87-88
• 4.5 仿真验证88-91
• 4.5.1 方向盘角正弦输入工况88-90
• 4.5.2 双移线工况90-91
• 4.6 本章小结91-92
• 第5章 一般工况下车轮转矩控制研究92-116
• 5.1 车轮转矩控制策略的提出92-93
• 5.2 车轮转矩控制分配的目标分析93-98
• 5.2.1 控制目标的表征方法94-97
• 5.2.2 不同控制目标下控制效果对比97-98
• 5.3 直行工况下车辆的驱动/制动转矩控制研究98-101
• 5.3.1 直行驱动工况下车轮驱动转矩分配98-99
• 5.3.2 直行制动工况下车轮制动转矩分配99-101
• 5.4 联合工况下车辆的驱动/制动转矩控制研究101-103
• 5.4.1 转向驱动工况下车轮转矩控制分配101-102
• 5.4.2 转向制动工况下车轮转矩控制分配102-103
• 5.5 车轮转矩优化分配问题的求解方法103-109
• 5.5.1 离线优化和在线优化求解法的提出104-107
• 5.5.2 基于不动点法的二次规划问题求解107-109
• 5.6 仿真验证109-114
• 5.6.1 直行驱动工况109-110
• 5.6.2 直行制动工况110-111
• 5.6.3 转向驱动工况111-113
• 5.6.4 转向制动工况113-114
• 5.7 本章小结114-116
• 第6章 实车实验与硬件在环实验验证116-126
• 6.1 车辆状态滑模观测器的实车实验验证116-118
• 6.1.1 单移线实验116-117
• 6.1.2 方向盘角阶跃输入实验117-118
• 6.2 车轮转矩控制策略的硬件在环实验验证118-124
• 6.2.1 极限工况下控制策略的验证119-120
• 6.2.2 一般工况下控制策略的验证120-124
• 6.3 本章小结124-126
• 第7章 全文总结与研究展望126-130
• 7.1 全文总结126-127
• 7.2 本文创新点127-128
• 7.3 研究展望128-130
• 参考文献130-141
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单141-142
• 致谢142

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