毕设论文-电动汽车AFS与DYC集成控制策略研究.doc

毕业设计（论文）报告纸 编号 南京航空航天大学毕业论文题 目电动汽车afs与dyc集成控制策略研究学生姓名学 号学 院能源与动力学院专 业车辆工程班 级指导教师二一五年六月 电动汽车afs与dyc集成控制策略研究摘 要汽车主动安全技术经过近几十年的发展，特别是主动前轮转向（active front steering, afs）和直接横摆力矩控制（direct yaw control, dyc）技术已分别被普遍应用于传统内燃机汽车上，并极大地提高了汽车操纵稳定性。但随着电动汽车的大力发展，尤其轮毂电机技术取得突破性的进展，从而使电动汽车相对于传统内燃机汽车具有更好的可控性和灵活性，并能够为afs和dyc技术提供更为广阔的技术平台。然而，随着人们对主动安全技术的要求变得越来越高，从而，促进了afs和dyc集成控制的发展。但是，现阶段的afs和dyc集成控制方法存在较大的协调控制问题，即afs和dyc同时工作时，两者同时产生的横摆力矩会相互影响，不仅增加了系统负担，并且降低了控制效果。因此，针对afs和dyc集成控制方式存在的协调控制问题，本文采用了分层控制方法进行了解决，并通过滑模变结构控制理论分别对afs和dyc控制器进行了设计，从而使汽车轮胎的侧向力在线性范围时，主要通过afs来实现期望的横摆力矩，当汽车轮胎的侧向力超出线性范围时，超出部分将由dyc来实现。最后，在simulink中搭建系统的仿真模型。分别在高低速下进行双移线仿真试验，并验证了集成控制方法能够有效地跟踪期望的横摆角速度，且能弥补单个控制器同时起作用时会产生相互影响的问题。关键词：电动汽车，车辆稳定性控制，滑模控制，simulink仿真integration control tactic of afs and dyc in electric vehicleabstractwith nearly 50 years of development,the application of afs (active front steering)and dyc (direct yaw control)becomes more and more wilder and riper in traditional internal-combustion engine vehicles and greatly improve the vehicle steering stability. but with the development of electric vehicle,especially making breakthrough in wheel hub motor technology ,it is more controllable and flexible than traditional vehicle and can provides more broad technology platform for afs and dyc technology.however,the increasing peoples requirement for active safety technology,promoting the development of integration control of afs and dyc .but there is a coordinated control problem in integration control means of afs and dyc,namely when they are working together ,the yaw moment produced by them will interact each other .this condition not only add the burden of control system,but also reduce systems effect.therefore,this paper supply a hierarchical control method to solve the coordinated control problem in integration control means of afs and dyc,and afs and dyc controller through sliding mode control theory.when lateral force of tire is in linear range,desired yaw moment is achieved by afs controller,when lateral force of tire is out of linear range,desired yaw moment is achieved by dyc controller.then,simulation model of the system is built in simulink.at last,double moving line simulation test is carried out in high and low voice condition and effectivity of integrated control way is verified. key words:electric vehicle,vehicle stability control,sliding mod control,simulink emulationiii目 录摘要iabstractii第一章 绪 论11.1研究意义与背景11.2研究现状31.2.1国外研究现状31.2.2国内研究现状41.3 本文的研究内容5第二章 控制理论72.1 滑模控制的原理72.2.1滑模变结构定义72.2.2滑动模态的存在性82.2.3滑模运动到达条件92.2.4滑模运动的趋近律102.2 滑模控制的优点10第三章 控制器的设计123.1汽车线性动力学模型123.1.1 汽车二自由度线性模型123.1.2车辆理想参考模型133.2afs控制器设计143.3dyc控制器设计153.4 控制分配算法173.5 集成控制器设计18第四章 仿真结果与分析194.1 matlab/simulink仿真软件简介194.2 仿真结果分析19iii第五章 总结与展望255.1 全文总结255.2 研究展望25参考文献27致谢29iv第一章 绪 论1.1研究意义与背景 随着社会节拍的加快、交通条件的改善和车辆技术的不断进步，现代交通车辆的行驶速度得到了很大的提高。但随之而来的风险也在逐步增加，有关研究机构对大量交通事故进行了统计分析后发现，与车速有关的交通事故的发生概率超过了80%。在对这些交通事故发生的原因进行调查后，人们又发现车速在80km/h到100km/h之间行驶的汽车发生的交通事故，大约40%是与汽车侧向失稳有关。汽车行驶速度越高，失稳引发的交通事件的比例越高，当车速超过 160km/h 时，几乎每起交通事故都是因为侧向失稳而产生的1。 汽车的操纵稳定性是决定汽车高速行驶安全的关键性能，是以，如何提高车辆行驶操纵稳定性是当代车辆研究的主要课题。随着电子技术的成熟，控制技术的进步，跟多的的电子控制单元被安装在汽车上。以用来提高汽车的稳定性。20世纪七八十年代，防抱死系统(abs)开始被应用于汽车上，这种装置能让汽车的滑移率保持在0.1-0.2范围内，提升了轮胎与地面间的附着力，改良了车俩制动时的侧向稳定性。而在20世纪九十年代，又有人提出了多种车辆稳定性理念2。其中比较成功的是bosch公司的vdc概念，benz公司的esp概念，丰田公司的vsc概念。 直到上世纪九十年代末，通过对汽车控制理论的分析和进一步研究后，为了提高车辆的行驶安全性，许多汽车公司，例如奔驰和宝马，提出了诸如或类似前轮主动转向（active front steering, afs)和直接横摆力矩控制（direct yaw control, dyc)等直接对汽车的横摆运动进行控制的概念。现阶段虽然前轮主动转向（afs)和直接横摆力矩控制（dyc)方式都可以独自改善车辆的操纵稳定性，但是车辆在极限工况下行驶时，afs和dyc会造成相互干预、相互影响的结果，从而导致它们的长处未能同时发挥作用，是以，为了进一步提升汽车的稳定性，可以根据汽车实际状况的不同对afs和dyc进行分层控制以发挥各自的长处；同时，随着电动汽车技术的提高，afs和dyc控制方法有了更加灵活、有效的实现平台，所以，联合电动汽车的优势，对afs/dyc集成控制策略的研宄有利于进一步提升汽车的稳定性。随着轮毂电机技术的进步，独立驱动/制动及主动悬架在单个轮毂电机车轮中被合为一体，如图1.1。基于此，四轮独立驱动电动轮汽车能实现主动悬架的集成控制。四轮独立驱动轮毂电机电动汽车相对于传统汽车具有更好的可控自由性和灵活性，是研究新一代汽车控制技术、探索汽车最优动力学性能的理想载体。 图 1.1 protean 轮毂电机总成在稳定性控制方面，轮毂电机电动汽车相对于传统汽车具有以下一些优点：（1）四轮转矩可以被相互独立改变且更容易测量，相对于传统的动力传递系统其响应速度更快，对于汽车稳定性控制，特别是对于afs和dyc联合控制的应用有更好的效果。（2）传统汽车，就算是四轮驱动汽车对于各个车轮的纵向力只能按照几个固定的比值分配，而轮毂电机电动汽车因每个车轮都有独立的驱动装置，则可以实现对每个车轮的纵向力进行以任意数值的分配，这跟有利于afs和dyc联合控制的实现。（3）通过对于汽车底盘集成控制性能潜力的挖掘，现已出现了独立制动/驱动/主动悬架于一体的轮毂电机总成，如图 1.2 所示，该系统通过对车轮各向力的整体控制，可以保证汽车各子系统之间工作互不干扰，更加方便了afs和dyc对于汽车的联合控制，提高汽车正常行驶的舒适性和极限工况下的主动安全性以及转弯时的稳定性。 本文正是基于车辆行驶稳定性和安全性的要求，在现有afs和dyc控制方式的基础上，通过分层控制结构对其建立集成控制方法，充分利用其的优点，提升汽车的操纵稳定性。并充分挖掘轮毂电机电动车性能潜力将其优势与汽车稳定控制的要求相结合，以设计出一种能克服传统 afs和dyc单独控制方式的缺点的控制方案。 图 1.2 驱动/制动/主动悬架一体的轮毂电机总成1.2研究现状车辆稳定性控制系统是汽车电子控研究的前沿，经过近 25 年的发展正逐步形成为一个关键的研究方向。为了改善车辆操纵性的稳定性和安全性，近年来国内外出现了一系列的afs和dyc集成控制系统，随着研究的不断深入，集成控制系统考虑的因素越来越多，集成度也逐渐增加。1.2.1国外研究现状nagai 等人考虑了主动前轮转向和直接横摆力矩联合控制对改善开环汽车的操纵稳定性的作用。运用跟踪理想的非线性车辆模型的控制策略，分别考虑了在制动转弯、不同道路输入以及侧向风干扰时车辆的稳定性3。yoshioka 等人使用了滑模控制理论来实现直接横摆力矩控制(dyc)，克服了一些不确定因素(如车速，路面摩擦系数以及车的质量的改变)的影响，使得控制的鲁棒性得到大大改善4。yoichi hori研究了应用于四轮驱动电动汽车的控制方法:一种高性能afs和dyc的质心侧偏角和横摆用速度解稱控制,基于质心侧偏用模糊观测器的直接横摆力矩控制,以及基于最大驱动转矩估计的牵引控制方法5-7。masao nagai实验室在2002年、2003年先后对主动前轮转向(afs)与直接横摆力矩控制(dyc)集成控制方法、多电机独立驱动电动汽车的操纵稳定性控制方法进行了研究3,8。nagai,shino m等人设计了前馈控制器和鲁棒次优状态反馈控制器对主动前轮转向和横摆力矩控制进行协调控制，较好地解决了afs与dyc在横摆角速度或者质心侧偏角方面的集成控制问题3,9。1.2.2国内研究现状清华大学的晏蔚光、陈全世在两自由度线性模型的基础上设计了一种前馈复合控制结构，将直接横摆力矩控制和主动前轮转向控制相结合以提高制动稳定性10。北京理工大学的陈思忠教授研究了把轮胎的非线性和汽车动力性考虑在内的直接横摆力矩控制(dyc)，以提高大侧偏角和高侧向加速度的操纵稳定性和主动安全性11。清华大学李克强教授利用四轮驱动电机转矩独立可控的优势,在建立了不同优化目标函数条件下,根据上层控制器计算的期望横摆力矩、路面附着限制及电机驱动/制动转矩输出限制这些不同的优化分配约束条件,采用控制算法对轮胎纵向力进行实时动态分配,调整车辆的行驶状态12。温晓南，柴卫红等人提出了基于模糊逻辑控制的主动前轮转向（afs）和直接横摆力矩控制（dyc）的汽车动态控制系统,以使车辆的角速度和操纵稳定性两方面的性能达到一个新的水平13。李刚，宗长富，姜立勇等人针对汽车主动前轮转向（afs）与直接横摆力矩（dyc）协调控制问题提出了一种基于模型预测控制的集成控制算法，目的在于通过在线优化实现综合考虑横摆角速度和质心侧偏角的多目标控制，来扩大稳定性控制的范围14。综上所述，在国内外都对afs和dyc有了一定的研究，但现阶段仍然是着力于开发单个系统的性能，对于两者的集成控制仍然缺乏明确的控制策略，使得afs、dyc系统无法在一个车辆上同时使用充分发挥它们的优势来互补其劣势。这样会导致汽车在不同工况运行时，主动安全控制系统会出现工作情况不理想的特性。因此，本文就afs和dyc的联合控制方法进行了探讨，通过采用分层控制结构策略，制定了两者在汽车稳定性控制中的协作方式和工作条件。1.3 本文的研究内容汽车侧向失稳的主要原因是横摆力矩失去了控制。因此，先介绍了现阶段两种控制横摆力矩主要方法。一种方法是车辆直接横摆力矩控制（dyc ）。在汽车前轮和后轮使用的纵向力，所产生的绕质心的横摆力矩有很大的区别。转向时，外前增加或减少的轮纵向力引起的附加横摆力矩和由侧向力降低引起的附加横摆力矩方向相同，且均与转向方向相反，当转向过度时，在此轮施加纵向力，对矫正过度转向最有效；同理，在内后轮上施加纵向力对矫正不足转向最有效。控制四个车轮的纵向力的分布及幅度的dyc系统，在汽车上产生可以稳定车辆的外部横摆力矩，使车辆保持在中性转向稍偏不足转向的状态。由于减少了纵向力或者增大侧向力，从而提高了操纵稳定性。另一种方法是通过控制转向角，而转向角控制最实用有效的方法是主动前轮转向系统（afs），这种方法就是依据驾驶状况，自动调节车辆转向系统的传动比，从而给前轮增加一个附加的转向角度。在低速时，转向传动比减小，给前轮一个正值的汽轮附加转向角，可以减少驾驶者对转向力的需求或弥补汽车的转型不足，提高转向的灵敏性和操纵性。在高速时，转向传动比增大，给前轮一负值的附加转向角度，减小汽车的转向过度，提高了汽车的转向稳定性。但是由于汽车轮胎侧向力固有的非线性特性，afs在车辆线性操作区域内对稳定性控制有较好的效果而在非线性区效果不佳，而直接横摆力矩控制（dyc）在线性和非线性区域内对稳定性控制都能满足期望的要求，但持续横摆力矩控制会改变汽车的纵向速度，且需较大的横摆力矩，影响了驾驶的舒适性和稳定性。为了解决afs和dyc各自的缺点，同时又不会对现有基础做出大的改动，本文又研究了afs/dyc的集成控制策略方法，该方法是通过调整在两种控制模式下主动前轮系统产生的修正横摆力矩实现的。控制系统采用分层控制。第一层为决策层，包括驾驶员、参考模型、afs控制器和dyc控制器。其中，驾驶员输出驾驶意图，参考模型输出理想状态并被用于判断驾驶意图的稳定性。afs控制器和dyc控制器则是根据驾驶意图与理想状态的差值来对车辆状态进行补偿，以保证车辆的操纵稳定性。afs控制器是在线性状态下控制状态响应，dyc控制器是在的非线性状态下控制状态响应，其对afs控制器起到了补偿的作用。第二层为执行层，包括附加主动前轮转角和附加横摆力矩的分配，其中附加主动前轮转角通过转向电机进行实现，而附加横摆力矩通过约束条件下的二次规划方法求得各个轮毂电机的驱动/制动力大小，并分配到各个轮毂电机中。- 31 -第二章 控制理论本章的主要工作是阐述了被用作控制器设计的主要基础理论的滑模控制原理的发展历史，并简明地介绍了滑模控制的原理和滑模变结构定义、滑动模态的存在性、滑模运动到达条件以及滑模运动的趋近律。在这性特性和公式的基础上，第二节简述了滑模控制能够提高系统的运动品质并能能够克服系统的不确定性, 对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性的优点。2.1 滑模控制的原理上世纪 50 年代前苏联学者提出变结构控制方案，变结构控制起源于继电器控制和 bang-bang 控制，它与传统控制的区别在于它的不连续性。滑模控制是变结构控制的一 个分支。它是一种非线性控制，通过函数的切换来实现，根据系统状态偏离滑模面的程度来切换控制器的函数（控制律或控制器参数），从而使系统按照滑模规定的规律运行以减小误差的控制方法。经历了60余年的发展, 滑模控制已形成了一套比较完善的理论体系，并已广泛应用到各种工业控制之中。滑模变结构控制的原理，是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。2.2.1滑模变结构定义 有一非线性控制系统 (2.1)确定切换函数 (2.2)寻求变结构控制: (2.3)这里变结构体现在,使得：1) 滑动模态存在存在性；2) 满足到达条件：切换面s以外的相轨迹线将于有限的时间内到达切换面；3) 切换面是滑动模态区，且滑动运动渐进稳定，动态品质良好。显然，我们这样设计出来的变结构控制使得闭路系统全局渐进稳定，而且动态品质良好。由于这里利用了滑动模型，所以又常称变结构滑动模态控制15。2.2.2滑动模态的存在性 图2.1滑模控制三点图如图2.1所示，在切换面上的点有三种情况:一种是通常点如a点，穿过此点到达滑模面的；一种是起始点如b点，从该点离开到达滑模面的两侧；另一种是终止点如c点，从两侧趋向该点并沿着滑模面运动18。终止点在到达滑模面后就沿着该面向原点运动,而有所有终止点组成的区域叫做滑模区，在该区上的运动称为滑膜运动。假设式(2.1)在m维状态空间中的某个滑模面s(x) =0上的左右极限是不相等的，当运动点从滑模面的任一边向s(x)= 0运动时，函数.f(x,u,t)的左右极限可分别表示为: (2.4)通常：则切换函数s(x)沿表达式(2.1)轨迹方向的梯度是 (2.5)式(2.5)中的f是一个元素为函数的n维列向量；grad(s)是切换面s(x) = 0的梯度向量，它是行向量，代表切换面的法线方向。按照式(2.1)、 (2.4)、 (2.5), 下面的极限存在: (2.6)式(2.6)中的、分别是元素为、(i=1，m)的m维函数向量，很显然当： (2.7)时满足终止条件，则滑动模态存在。2.2.3滑模运动到达条件如果系统的初始点x(0)不在s(x)=0的附近，而是在状态空间的任何位置，此时要求系统必须向滑膜面s(x)=0运动，在有限的时间内到达或无限趋向于s(x)=0，即满足可达到性条件，不然系统无法启动滑模运动19。由滑动模态的存在条件可以得到启示是，主要状态空间的点满足 (2.8)系统的解（位于s(x)0一侧）将趋近于s(x)=0表示的切换面，而且于有限时间内到达切换面，s是标量函数。即初始条件为是方程的解： (2.9)当t从增大时满足,且存在正数,使得当时对于位于s(x)0一侧同理。则归纳上述等式，得出到达条件为 (2.10)最后，可对(2.10)式进行简化，得到滑模运动到达条件： (2.11)2.2.4滑模运动的趋近律为了反映运动是如何到达滑模面，人们提出了趋近律的概念和公式，对趋近律进行优化设计可以改善动态系统的运动品质。以下是常用的四种趋近律：1) 等速趋近律 (2.12)其中，表示趋近速率。值小，则速度慢，滑模控制的调节时间长；反之则速度快，调节时间短，但会引起较大的抖振。2) 指数趋近律 (2.13)当状态运动点离滑模面较远时，趋近速度取决于；而当状态运动点离滑模面较近时，趋近速度取决于。因此，常将值取得较大，值较小，以保证系统状态能以由快到慢的速度接近滑模面，从而消弱抖振现象。3) 幂次趋近律 (2.14)4) 一般趋近律 (2.15)其中，。此外，上诉四种趋近律都满足式(2.11)的到达条件2.2 滑模控制的优点滑膜控制是变结构控制系统中的一种，适用于多种线性和非线性系统的设计。滑膜控制的动态性能主要是通过滑模面快来决定的，且可以通过调节参数来改善系统的动态性能，与外界的干扰无关。所以其能够克服系统运动的不确定性, 对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性和对运动的结果有很好的容错率, 尤其是对非线性系统的控制具有良好的控制效果。另一方面，滑膜控制算法简单，实时计算时间少，既降低了控制器的设计难度，又对车辆稳定性有较大的提高。但滑模控制面临抖振的不利影响,抖振来自于设置参数时对不确定性及扰动的保守估计、控制函数的符号变化频率远大于控制执行器件的切换频率和时滞等因素。它能使控制系统变得不稳定，系统的运动轨迹在抖振的影响下，不会按照趋近律接近滑模面s(x)=0，其运动点也不会严格停留在滑模面上。第3章 控制器的设计目前，集成控制系统方面的研究主要集中于afs和dyc方面的集成，这也是当前车辆稳定性控制系统的研究方向。本文将从afs和dyc控制器各自的作用特点出发，针对它们的特点进行分层控制结构的设计，采用滑模控制方法对afs和dyc控制器进行设计，其设计的思路为：当汽车轮胎的侧向力处于线性区域时，此时主要发挥afs控制器的作用；而当汽车轮胎的侧向力超出线性区域时，此时超出部分将由dyc控制器对其进行补偿。3.1汽车线性动力学模型3.1.1 汽车二自由度线性模型在汽车行驶过程中，驾驶员基本上是通过调整来控制车轮转向的，进而依靠车轮转向时所产生的侧向力来完成车辆的转弯运动。在一般情况下，车辆在良好路面行驶时，方向盘转角较小，轮胎处于线性区间内。此时，汽车线性二自由度动力学模型就能很好的描述车辆的主要操纵特性23。同时，从控制器的设计角度来看，线性模型跟有利于控制器的设计，简化了控制器的设计难度。所以本章基于车辆的二自由度动力学模型来进行控制器设计。图3.1二自由度模型转轮如图2.2所示，汽车线性二自由度动力学模型的两个自由度分别为侧向运动(v)和横摆运动（r),如图3.1所示。其运动学微分方程如下所示： (3.1) (3.2)其中，和分别为前后轴侧偏刚度，为车辆纵向速度，为质心偏侧角，为前轮转角。将车辆的运动学微分方程转化为状态方程，其状态量，输入向量，这状态方程为： (3.3)其中， 可展开为： (3.4)其中，, ,3.1.2车辆理想参考模型本节会设计汽车理想参考模型，以便将驾驶员的转向意图转换为操纵稳定性意图，即期望的横摆角速度和期望的质心偏侧角。由于大多数汽车采用前轮转向的方式，所以本节基于前轮转向汽车的动力学模型来计算横摆角速度。理想参考模型的运动学微分方程转化为状态方程，其状态量为，输入向量，状态方程为： (3.5)其中， 可展开为： (3.6) 对进行拉普拉斯变换便可得到理想状态下期望的横摆角速度，可表示为： (3.7)但是，由于汽车的最大侧向加速度又受到地面附着系数的约束，即和。因此，实际的横摆角速度需要受到限制，如式（3.7）所示23。 (3.8)因此，期望的横摆角速度在实际过程中可表示为： (3.9)至此，车辆二自由度线性理想参考模型便设计完毕。3.2afs控制器设计afs控制器的作用是通过主动增加或减小车辆的前轮转向角来实现车辆转向控制。本节采用滑模变结构控制方法来设计afs控制器，尽可能的减少车辆实际横摆角速度、质心侧偏角分别与参考模型上输出的期望横摆角速度和期望质心侧偏角之间的误差，从而达成驾驶员的转向意图。将实际输出状态向量与参考模型的输出状态向量之间的差称作系统误差，设为 (3.10)要使实际输出达到期望值，即是使系统误差为零，将此时的系统误差看做滑模控制中的滑模面，即 (3.11)其中，权值矩阵，本文取和。对（3.11）进行求导，并结合式（3.3）和（3.5）可以推得系统靠近滑模面的时速度 (3.12)同时为了提高运动品质，则设计滑模变结构控制器的速率遵照质数趋近律，即 (3.13)式中，和为对角增益矩阵，且对角数皆为正数。将其带入(3.13)式中， (3.14)当系统误差在滑动模态，即时，可得到附加前轮转角： (3.15)至此，afs控制器设计完毕，控制器的输入为理想参考模型的输出状态向量(和)以及车辆实际输出的状态向量(和)，输出为附加前轮转向角()，也是车辆控制系统输入变量。3.3dyc控制器设计dyc控制器的作用是通过控制轮毂电机的驱动/制动力来实现车辆转向过程中所需的附加横摆力矩。本节仍然采用滑模控制方法来设计dyc控制器，以弥补afs控制器在轮胎非线性区域控制不足的缺陷，进而减少车辆实际横摆角速度、质心侧偏角分别与参考模型上输出的期望横摆角速度和期望质心侧偏角之间的误差，从而达成驾驶员的转向意图。与afs控制器的设计相比，这里仍采用车辆二自由度线动力学模型。但是，由于要控制横摆力矩，车辆系统中多了一个控制变量，即横摆力矩。因此，需要对式(3.2)的线性模型进行调整，如式(3.17)所示 (3.16)同时，为简化滑模控制器的设计，定义实际横摆角速度和期望横摆角速度的误差为滑模面，即： (3.17)式中，为横摆角速度误差。对式中(3.17)进行求导，并将式(3.16)带入，可得： (3.18)同时为了提高运动品质，则设计滑模变结构控制器的速率遵照质数趋近律，即 (3.19)式中，和为正数的可调增益。将其带入式（3.18)中，可得 (3.20)最后，对式(3.20)进行变换，可得滑模控制器的输入变量 (3.21)由上式可以看出，控制器的输入变量中含有前后轮转角。当轮胎处于线性区域时，afs控制器输出的前轮转角能保证为0，即，也即对于前轮转向汽车的二自由度线性模型来说，横摆角速度导数柯可由式（3.2）表示，将其与式(3.22)和结合，可得轮胎在线性区域可得输入横摆控制力矩 (3.22)又因为，故，即，。最后得出轮胎在线性区域时输入的汽车横摆控制力矩为零，也就是dyc控制器的输出为0。由此证明，在线性区域时，dyc控制器不起作用，而当轮胎进入非线性区域时，dyc控制器才起作用。至此，dyc控制器设计完毕，控制器的输入为理想参考模型的横摆角速度输出、afs控制器输出变量，和车辆的反馈状态(和)，输出为直接横摆力矩。3.4 控制分配算法二次规划问题是指无约束或有线性约束的二次函数的最优化问题。关于二次规划的理论和算法的研究在非线性规划的发展过程中占有相当的地位，这不仅由于一些实际问题可转化为二次规划问题，而且一般的带非线性约束的非线性规划可借助于解一列二次规划来求得原本问题的最优解21。因此二次规划的求解方法也是求解非线性规划的基础之一。标准形式为： s.t. (3.23)本节采用二次规划法，对在线性区域由改变转向角产生的横摆力矩和在非线性区域内由改变轮胎上的纵向力产生的横摆力矩进行优化分配。 分配目标函数为: (3.24)式中：，和分别为作用在各轮胎上的纵向、垂向和横向作用力;和分别为后、前轴的轮距，通常认为；是附着裕量的权重系数,是当前状态下的纵向力裕量,是路面附着系数。在通过dyc控制器得出维持车辆稳定性所需的直接横摆力矩后，通过二次规划法进行优化，其中和都是可以调整的量。在各轮胎上的纵向力满足的情况下，我们要尽量使为零，且各都要在摩擦圆允许的条件范围内，以使汽车处在良好的运行状态，保持较好的稳定性。3.5 集成控制器设计本节提出的集成控制系统如图2.3所示，主要由两个控制层组成。 图3.2集成控制开环系统结构图第一层为决策层，包括驾驶员、参考模型、afs控制器和dyc控制器。其中，驾驶员输出驾驶意图(和)，参考模型输出理想状态(和)并被用于判断驾驶意图的稳定性。afs控制器和dyc控制器则是根据驾驶意图与理想状态的差值来对车辆状态进行补偿，以保证车辆的操纵稳定性。afs控制器是在线性状态下控制状态响应，dyc控制器是在的非线性状态下控制状态响应，其对afs控制器起到了补偿的作用。第二层为执行层，包括附加主动前轮转角和附加横摆力矩的分配，其中附加主动前轮转角通过转向电机进行实现，而附加横摆力矩通过约束条件下的二次规划方法求得各个轮毂电机的驱动/制动力大小，并分配到各个轮毂电机中。第4章 仿真结果与分析本章的主要工作是在matlab/simulink仿真环境中对分层控制策略进行有效性的验证。为此本章首先简单的对matlab/simulink软件仿真软件进行介绍，然后在simulink中搭建系统的仿真模型，最后进行单移线工况仿真试验，并对仿真结果进行分析。4.1 matlab/simulink仿真软件简介simulink仿真环境是美国mathworks软件公司在1990年专门为matlab语言设计提供的结构图编程与系统仿真的专用工具软件。simulink仿真环境支持各种类型系统的仿真与建模，如线性系统、非线性系统、连续时间系统、采样系统以及连续-离散混合系统。另外，还支持混合采样率的采样系统的仿真。其还提供了图形化用户界面（gui），使用鼠标拖动的方式，即可构建结构图形式的控制系统模型。为此simulink提供了各种标准的结构图模块库，其中包括：信号源单元、输出装置单元、线性单元、非线性单元以及模块链接单元等。此外，其仿真操作完全是用户交互式的，仿真程序的执行可以在matlab命令平台上键入模型文件的文件名来启动，也可以直接在simulink之下由菜单命令来启动22。4.2 仿真结果分析为验证本文所提出的分层控制策略的有效性，本节将在单移线工况下对集成控制系统进行仿真试验研究。其中单移线工况下的参考模型控制输入如图4.1所示，前轮转角f的峰值为3deg。此外，本文的研究重点在于车辆操纵稳定性控制，将不对驾驶员的加减速意图进行研究。图4.1低速参考模型的控制输入表4.1 整车仿真参数参数定义数值m整车质量1298.9 kgms簧上质量1167.5 kga质心至前轴的距离1 mb质心至后轴的距离1.454 mtf前轮之间的距离1.436 mtr后轮之间的距离1.436 mhcg簧上质量重心高度0.533e簧上质量的质心至侧倾轴的距离0.4572 miz整车横摆转动惯量1627 kgm2ix车身侧倾转动惯量498.9 kgm2ixz簧上质量绕x和z轴的转动惯性积0 kgm2rw车轮有效转动半径0.35 miw车轮转动惯量2.1 kgm2c轮胎侧向刚度30000 n/radcs轮胎纵向刚度50000 n/radkr前轴侧倾刚度占总侧倾刚度的比值0.552 k等效侧倾刚度66185.8 nm/radc等效侧倾阻尼3511.6 nm/rad/secr路面附着缩减系数0.015 s/mg重力加速度9.81 m/s2为了有效地突出afs和dyc集成控制策略的有益效果，本文将采用仿真对比试验，与无控制系统以及单独采用本文dyc控制系统进行对比，为便于仿真结果分析，本文所提出的afs/dyc集成控制系统记为afs+dyc，无控制系统记为无控制，dyc控制系统记为dyc。(a) 横摆角速度（b)质心侧偏角（c）主动前轮转向角（d）横摆力矩(e)纵向速度图4.2低速70km/h的仿真试验结果首先，在车辆低速70km/h、高路面附着系数（=0.9）时进行单移线仿真试验，此时，参考模型的控制输入如图4.1所示。其仿真结果如图4.2所示。从图4.2(a),(b)可知，在低速下，无控制时横摆角速度的追踪误差较大且质心侧偏角也很大，但dyc和afs+dyc则能很好地实现横摆角速度的追踪且质心侧偏角也控制在一个较小的范围内。如图4.2(d)所示集成控制时的横摆力矩很小，说明在车辆轮胎力处于线性范围内时，集成控制能够有效地利用afs控制器实现期望横摆角速度的跟踪，而dyc控制则需要较大的横摆力矩才能跟踪上期望的横摆角速度。此外，由图4.2(e)可知dyc和dyc+afs控制策略对纵向速度的影响都较小。然后，在车辆高速120km/h、高路面附着系数（=0.9）时进行单移线仿真试验，此时，其参考模型的控制输入如图4.3所示。其仿真结果如图4.4所示：图4.3高速参考模型的控制输入(a) 横摆角速度(b)质心侧偏角(c)主动前轮转向角(d)横摆力矩(e)纵向速度图4.4低车速仿真实验结果从图4.4(a),(b)可知此时无控制车辆已出现明显失稳状况，而dyc和afs+dyc依旧能够对车辆稳定性进行良好的控制。但是如图4.4(d)所示，在高速时dyc控制所需的横摆力矩远远大于afs+dyc集成控制，在现阶段中轮毂电机难以提供这么大的驱动/制动力来实现期望的横摆力矩，然而，集成控制由于afs控制器提供部分的横摆力矩，而剩下的横摆力矩将由dyc控制器进行补偿，因此，能够更好的利用轮胎力在线性区域和非线性区的特点来提高车辆的稳定性。此外，由图4.4（e)可知与afs+dyc集成控制相比，单纯的dyc控制会对纵向速度造成较大的影响，车内人员的舒适性会较差。综上所述，该仿真实验的结果，与前文的设计思路相一致。这便是，当汽车处于线性区域时，只有afs控制器起作用；当汽车处于非线性区域时，dyc控制器会弥补afs控制器的不足。且与单纯的dyc控制相比，afs+dyc集成控制在达到相同的效果时，所需的横摆力矩更少，且对纵向速度的影响跟小。第5章 总结与展望5.1 全文总结随着近来电动汽车的兴起以及人们对车俩安全性的重视，电动汽车操纵稳定性的问题逐渐成为了研究热点。鉴于轮毂电机电动汽车具有更好的可控自由度，afs+dyc集成控制成为了主要的研究对象。本文以汽车的线性二自由度模型为基础，设计了分层控制的车辆稳定性控制系统。本文在车辆稳定性控制系统的设计过程中，将其分为了两层。第一层为决策层，其中包含汽车线性二自由度参考模型和以滑模控制原理为基础设计的afs和dyc控制器。在这一层中，驾驶员输出的实际状态与参考模型的理想状态进行比较，将得到的误差传送给afs+dyc集成控制系统，输出附加的前轮转向角和横摆控制力矩。第二层为执行层，包括附加主动前轮转角和附加横摆力矩的分配。论文的具体研究工作如下：1) 简单叙述了车辆稳定性研究的发展历程和轮毂电机电动汽车在稳定控制上的自由性和灵活性以及前轮主动转向（afs）和直接横摆力矩控制（dyc）的工作原理，以及国内外在此方面的研究背景。2) 介绍滑模控制方法的原理和性质以及它在控制系统上的优越性和它能优化系统运动品质的原因。3) 通过汽车二自由度线性模型的运动学微分方程得到了其状态方程并设计了一个理想参考模型，得到了横摆角速度和质心侧偏角的期望值。4) 本文将从afs和dyc控制器各自的作用特点出发，针对它们的特点进行分层控制结构的设计，采用滑模控制方法对afs和dyc控制器进行设计以及两者的集成控制策略。还设计了作用在各个车轮上的横摆力矩的优化算法。5) 在基于二自由度线性车辆模型的平台上，进行了matlab/simulink仿真实验。通过无控制，dyc控制和dyc+afs集成控制，验证了集成控制策略在保障汽车行驶稳定与安全上的有效性。5.2 研究展望虽然本文对电动汽车的行驶稳定性控制系统做了一定量的研究，但这些研究只局限于理论部分。还需要大量的人力，物力，财力来验证它在实车上的运行效果。今后还需要研究的问题有如下几个方面：1) 为进一步验证afs+dyc集成控制系统的有效性，实用性和可控性还需要做大量的实车多工况实验。2) 本文所依据的车辆模型是非常理想的线性二自由度模型，且所有控制系统都是基于理性的线性控制进行设计的。该系统还需要在非线性，离散系统的情况下进行设计和仿真实验评估。参考文献1 anton van zanten，bosch espsystem: 5 years of experience，2000，sae paper 2000-01-16332 van zanten a t, erhardt r, pfaff g. vdc, the vehicle dynamics control system of bosch, 1995j. sae paper, 950759.3 masao nagai, motoki shino, feng gao，study on integrated control of active front steer angle and direct yaw moment，jsae review，2002，23(4)：3093154 tohru yoshioka, tomohiko adachi, tetsuro butsuen, et al.，application of sliding-mode theory to direct yaw-moment control，jsae paper 99367245 h.nagase, t.inoue,y.hori. decoupling control of p and y for high performanceafs and dyc of 4 wheel motor electric vehicle. proceedings of the international symposium on advanced vehicle control (avec),hiroshima, japan, 2002: 1-7.6 cong geng, lotfi mostefai, mouloud denaf,yoichi hori. direct yaw-moment control of an in-wheel-motored electric vehicle based on body slip angle fuzzy observer. ieee transactions on industrial electronics, 2009, 5(56):1411-1419.7 dejun yin, sehoon oh, yoichi hori. a novel traction control for ev based on maximum transmitab