（工程力学专业论文）四轮转向汽车横向动力学特性及控制研究.pdf

中文摘要 针对目前汽车操纵稳定性研究领域尚没有综合考虑线性、非线性和不确定性 因素影响的现状，将四轮转向汽车横向动力学特性及控制作为本文的研究方向， 从而全面考虑线性、非线性及不确定性因素对汽车操纵稳定性的影响，开展研究 工作。 首先建立了比例前馈与反馈的汽车横向动力学数学模型。并利用m a t l a b s i m u l i n k 进行了动力学仿真。通过对相同参数和工况下的4 w s 汽车与f w s 汽车 的频域、时域的仿真结果对比分析表明：虽然两者相位基本相同，但前者的横摆 角速度波动幅值和超调量等主要技术指标明显均优于后者，稳定性好。 运用现代非线性动力学理论、h o p f 分叉理论对四轮转向非线性动力学模型 进行了理论研究。主要分析了产生h o p f 分叉的前提条件；运用中心流形定理、 n o r m a lf o r m 范式理论推导了系统的h o p f 分叉范式；并根据h o p f 分叉范式中的 系数判断了周期解的稳定性。通过仿真验证了理论分析结果的正确性。 建立了基于外界干扰的二、三自由度汽车四轮转向不确定性模型，并运用鲁 棒控制中鼠，控制理论对模型进行了理论分析。通过迭代求解设计出了基于外界 干扰抑制指标的风，最优控制器；实现了系统鲁棒性能的增强。运用鲁棒控制的 ，王乙混合控制理论，设计了基于干扰抑制指标的日：，日。最优控制器。仿真计 算结果表明控制效果良好，为四轮转向控制器研制提供了理论依据。 运用a d a m s 软件，从整车多体系统动力学的角度着手，建立了三轴四轮 转向汽车的a d a m s 动力学模型。对前轮转角阶跃输入下该模型的时域瞬态响 应仿真结果的分析表明，相同参数和工况下的4 w s 汽车操纵稳定性指标多优于 f w s 汽车。通过研究汽车的整体参数对操纵稳定性的影响，为4 w s 汽车设计方 案优化提供了理论依据。 在上述研究工作的基础上，分别对硬件设计、软件设计、数据分析接口模块 和机械执行机构进行了研究分析，首次开发出基于嵌入式实时操作系统、在3 2 位a r m 处理器上运行的汽车四轮转向控制器。通过模型实验和样机的测试均表 明所研制的控制器提高了汽车四轮转向的高速稳定性能和低速灵活性能。 总之，本文对4 w s 汽车横向动力学特性与控制进行了比较深入的研究和分 析，并研制了汽车四轮转向控制器，为深入研究汽车四轮转向技术奠定了基础。 本论文受国家自然科学基金项目( 5 0 0 7 5 0 6 0 ) 和天津市科技发展计划项目 ( 0 3 3 1 0 5 0 1 1 ) 的资助。 关键词：横向动力学四轮转向非线性鲁棒控制控制器 a b s t r a c t m y r e s e a r c hi sf o c u s e do nl a t e r a l d y n a m i c s a n di t sc o n t r o lf o r f o u r - w h e e l s t e e r i n g ( 4 w s ) v e h i c l e b a s e do nc u r r e n ts i t u a t i o nt h a tl i n e a r , n o n l i n e a r a n du n c e r t a i nf a c t o r sa l en o ts y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r e di nt h er e s e a r c ho fh a n d l e a b i l i t y a n ds t a b i l i t y t h e r e f o r et h eh a n d l e a b i l i t ya n ds t a b i l i t ys t u d yi n c l u d i n gl i n e a r , n o n l i n e a r a n du n c e r t a i nf a c t o r si st h et o p i co f t h i st h e s i s f i r s t l y , t h ec a rl a t e r a ld y n a m i c sm o d e la 北c o n s t r u c t e dw h i c hi n c l u d i n g p r o p o r t i o n a lf e e d f o r w a r d a n df e e d b a c k t h e ns i m u l a t i o ni sp e r f o r m e du s i n g m a t l a b s i m u l i n kw i t hs a n 1 ep a r a m e t e r sa n dw o r kc o n d i t i o nf o r4 w sa n df w sv e h i c l e i nf r e q u e n c ya n dt i m ed o m a i nr e s p e c t i v e l y 1 1 1 cs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tm a i n t e c h n i c a li n d e xi n c l u d i n gy a w - r a t ew a v ea m p l i t u d ea n do v e r s h o o ta r eb e t t e rt h a nt h a t o ff w s a l t h o u g ht h e i rp h a s ea r ea l m o s ts 锄e w h i c hm e a n st h e4 w st e c h n o l o g yc a n e n s u l a ne n h a n c e ds t a b i l i t y s e c o n d l y , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i si sp e r f o r m e da d a p t i n gm o d e r nn o n l i n e a r d y n a m i c sa n dh o p fb i f u r c a t i o nt h e o r yf o r4 w sn o n l i n e a rd y n a m i c sm o d e l a n d p r e c o n d i t i o no fh o p fb i f o r c a t i o nw a sa n a l y z e d t h eh o p fb i f u r c a t i o nn o r m a lf o r mi s d e d u c e db a s i n go nc e n t e rm a n l f o l dt h e o r e ma n dn o r m a lf o r mt h e o r y t h e np e r i o d i c s o l u t i o ns t a b i l i t yc a i lb ci u d g e do nc o e f f i c i e n t so fh o p fb i f u r c a t i o nc e n t e rm a n i f o l d 1 1 1 et h e o r e t i c a la n a l y s i si sv a l u a t e du s i n gs i m u l a t i o nf o rs y s t e mm o d e l 硼1 i r d l y , t h e4 w su n c e r t a i nm o d e lo ft w oa n dt h r e ed o f si sc o n s t r u c t e dw i t h e n v i r o n m e n t a ld i s t u r b a n c e w h i c hi sa n a l y z e du s i n gt h er o b u s th c o n t r o lt h e o r y a n d w i t hr e e u r s i v es o l u t i o n , 月南o p t i m a lc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s i n go nt h er e s i s t a n c e i n d e xo fe n v i r o n m e n t a ld i s t u r b a n c e w h i c hc a l li m p r o v es y s t e mr o b u s t n e s s 皿e 1 1 w i t ha p p l i c a t i o no fm i x e dh 2 h c o n t r o lt h e o r y , ah 2 h o p t i m a lc o n t r o l l e ri s 出s i g n e dw i t he n v i r o n m e n t a ld i s t u r b a n c er e s i s t a n c ea si n d e x t h es i m n l a t i o ns h o w s i t se x c e l l e mp o r f o r m a n c ow h i c hi st h e o r e t i c a lb a s i so f 4 w sc o n t r o l l e rd e v e l o p m e n t t h e nt a k i n gc o n s i d e r a t i o no fw h o l ev e h i c l em u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c s a a d a m sd v n a m i c sm o d e li sc o n s t r u c t e df o r4 w sv e h i c l ew i t ht h r e ea x l e s s i m u l a t i o n i sc o n d u c t e df o rm o d e lt r a n s i e n tr e s p o n s ei nt i m ed o m a i nw i t hf r o mw h e e ls t e e r i n g a n g l ea ss t e pi n p 峨r e s u l t si n d i c a t e st h a tt h eh a n d l e a b i l i t ya n ds t a b i l i t yw i t h4 w s a r e b e t t e rt h a nt h o s ew i t hf w s t h er e s e a r c ha b o u ti n f l u e n c eo fv e h i c l ep a r a m e t e ro n h a n d l e a b i l i t ya n ds t a b i l i t yp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s ef o ro p t i m u md e s i g ns c h e m eo f 4 w sv e h i c l e a tl a s t , 0 1 1b a s i so ft h ea b o v em e n t i o n e dr e s e a r c hr e s u l t s ，d e s i g nm e t h o d so f h a r d w a r e ，s o f t w a r e d a t ai n t e r f a c em o d u l ea n dm e c h a n i c a la c t u a t o r sa 托a l s od i s c u s s e d a4 w sc o n t r o l l e ri sd e s i g n e du s i n g3 2 - b i ta r m p r o c e s s o rw h i c hi sa ne m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m t 1 l et a r g e t o f h i g h - s p e e ds t a b i l i t y a n d l o w - s p e e d m a n e u v e r a b i l i t yi sa c h i e v e df o r4 w sv e h i c l e m o d e le x p e r i m e n ta n dp r o t o i y p et c s t c a n p r o v et h a tt h ec o n t r o l l e rc a nm e e tr e q u i r e m e n t so f 4 w ss y s t e m m yr e s e a r c h0 n4 w s l a t e r a ld y n a m i c sa n dd e v e l o p m e mo f4 w sc o n t r o l l e ro a n p r o v i d eag o o ds u p p o r tf o rf u r t h e rr e s e a r c ho f 4 w st e c h n o l o g y t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t b r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 0 7 5 0 6 a n dx i a n j i ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o j e c t ( n o 0 3 3 1 0 5 0 1 1 ) k e yw o r d s ：l a t e r a ld y n a m i c s ，f o u r - w h e e ls t e e r i n g ，n o n l i n e a r , r o b u s tc o n t r o l ， c o n t r o l l e rd e v e l o p m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弓铷白，彗 签字日期：猁年、月潍日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弓长d 协签 导师签名： 谗心 签字日期：猁年) 月5 日签字日期：帅6 年 月曲日 第一章绪论 1 1 汽车横向动力学概述 第一章绪论 车辆动力学是近代发展起来的一门新兴学科，直到上世纪2 0 年代【”，人们 对车辆行驶中的振动问题开始有了一些初步的了解，到了3 0 年代，才开始出现 有关汽车行驶振动、转向、稳定性、悬架方面的文章。2 0 世纪3 0 年代初期，英 国的l a n c h e s t e r l 2 1 、美国的o l l e y l 3 1 、法国的b r o u i h i e t 开始了车辆独立悬架的研究， 并对转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响进行了分析。同时，人们对轮胎 侧向动力学的重要性也开始有所认识。f r e d e r i c kw l a n c h e s t e r 对车辆动力学的 发展做出了巨大贡献。另一位对本学科发展有卓越贡献的是英国工程g i l i m a u r i c e o l l e y ，他率先系统地提出了操纵动力学分析理论 4 1 。因为当时的工程师们已能使 所有的单个汽车部件都制作得精致完好，但将它们组装成整车时，却不能得到令 人满意的性能。人们对车辆转向的不稳定已习以为常，而装有前制动器的前桥横 摆几乎成为了汽车驾驶中的必然现象。所以汽车行驶平顺性和操纵稳定性之间协 调关系的重要性开始被人们所认识。1 9 3 2 年，o l l e y 在凯迪拉克( c a , l i u a e ) 公司建 立了著名的“p ”实验台，以此来研究前后悬架匹配及轴距对前后轮相位差的影 响。关于行驶平顺性问题的讨论，一直延续到2 0 世纪3 0 年代。也就在这一时 期，出现了各种各样的独立悬架设计。当时，追求独立悬架设计的部分动机是试 图克服与前桥设计相关的周期性摆振，而实际上前桥转向系统的设计直接影响着 行驶动力学和操纵动力学两个方面。进入5 0 年代，车辆操纵动力学发展进入了 崭新的时期。这期间建立了较为完整的车辆操纵动力学线性域理论体系。到5 0 年代中期，形成了一套较为完整关于操纵和转向的基础理论体系。在人们对车辆 动力学理解的进程中，理论和试验两方面因素均发挥了作用。其一，有关飞机稳 定性及其控制研究的理论被有效地运用于汽车；其二，轮胎的重要性被肯定，人 们开始用轮胎试验台来测定轮胎的力学特性。正是由于c o u g h 等人为轮胎特性提 供了较为全面的认识，人们才可能对操纵稳定性 5 - 7 1 进行定性的处理分析。在1 9 9 3 年关于车辆舒适性和操纵稳定性的机械工程师学会会议上，s e g e l 发表了一篇关 于车辆动力学发展的最重要的回顾文章。s e g e l 本人在1 9 5 0 1 9 9 0 年间对车辆动 力学的研究作出了重大贡献，在文章中他以自己深刻的理解回顾了这门学科的发 展，并以阶段划分的方式对本门学科的早期成就进行了概括。第一阶段( 到2 0 世 纪3 0 年代初期1 ，对于车辆动态性能的经验性观察；开始注意到车轮摆振的问题； 认识到乘坐舒适性是车辆性能的一个重要方面。第二阶段( 从3 0 年代初期到1 9 5 2 年) ，了解了简单的轮胎力学，并定义了侧偏角；定义了不足转向和过度转向； 】 第一章绪论 了解了稳态转向特性；建立了简单的两自由度操纵动力学方程；开始进行有关行 驶特性的实验研究，建立了k2 试验台，提出了“平稳行驶”的概念；引入了前 独立悬架。第三阶段( 1 9 5 2 年以后) ，通过试验结果分析和建模，加深了对轮胎特 性的了解；建立了三自由度操纵动力学方程；扩展了操纵动力学的分析内容，包 括稳定性和转向响应特性分析；开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行性能预 测。随后的几十年，汽车制造商们意识到行驶平顺性和操纵稳定性在车辆产品 竞争中的重要作用，因而车辆动力学得以迅速发展。在试验方面，车辆行驶振动 分析仪、路面测量、转向信号传感装置、变车道、j 转向等试验方法及测试技术 日趋完善。人们对非线性操纵响应的理解也愈加深入，从而使操纵动力学的研究 逐渐向高侧向加速度非线性作用域分析的方向发展。计算机技术及应用软件的开 发，使建模的复杂程度不断提高。多刚体系统( m u l t i b o d y s y s t e m ) 动力学分析软 件( 如a d a m s ，d a d s ) 的应用i s 9 】，使复杂的车辆模型得到了明确的表达和方便 的求解。而在此之前，用人工求解这样复杂的模型方程是不可想象的。在动力学 发展的同时，主动控制理论与技术也开始应用于车辆控制系统。甚至可以这样说， 主动悬架控制技术代表了车辆动力学发展中的另一个里程碑。在过去的6 0 多年 中，尽管理论上取得很多成就，工程师们拥有功能强大的计算机软件，可求解几 十个甚至几百个自由度的复杂车辆模型，但事实上没有一个车辆制造商会完全用 理论来取代自己详尽的车辆开发过程。在实际新车型的设计开发中，汽车制造商 仍然主要依赖于具有丰富测试经验与高超主观评价技能的工程师队伍，说明了实 际测试和主观评价在车辆开发中不可替代的作用。而且，实际上不同国家和地区 的用户对于行驶平顺性和操纵稳定性之间的协调关系有着不同的看法和要求，这 也说明了主观评价在车辆动力学中的重要性。 严格地说，车辆动力学是研究所有与车辆系统运动有关的学科，它涉及的范围很 广。但车辆动力学主要研究领域可以分为行驶动力学和操纵动力学两个方面，而 行驶动力学又可以分为纵向动力学和垂向动力学。操纵动力学亦称为横向动力 学。行驶动力学和操纵动力学研究侧重点不同，但两者之间联系紧密，相互影响。 实际行驶中，车辆的行驶特性和操纵特性必然是相互作用的。如转向过程中，路 面在给车辆提供侧向力使其转向的同时，也给悬架提供垂直输入干扰使车身侧 倾。同样的车身运动即可由行驶输入引起，如路面不平引起的车身侧倾；也可由 操纵方面引起，如转向时引起的车身侧倾。 一纵向动力学和垂向动力学 汽车行驶动力学研究的范畴是驱动、制动和行驶平顺性。驱动、制动主要通 过研究汽车纵向轮胎力，解决驱动滑转和制动滑移问题，提高驱动和制动效率。 而行驶平顺性主要研究垂直方向汽车振动和俯仰频率的。即研究和解决汽车悬 2 第一章绪论 架、轮胎的刚度以及轮胎接地点处地面的随机输入综合作用所造成的振动、噪声 和俯仰等一系列使人感到疲劳和不舒适的现象。早期的汽车主要考虑行驶平顺性 的问题，即通过调整前、后悬架的刚度进而改变垂直振动和俯仰频率，来提高其 乘坐舒适性。l a n c h e s t e r 揭示了悬架几何尺寸及定位对控制车身侧倾的重要影响。 进入2 0 世纪3 0 年代，人们对车辆行驶平顺性的研究主要是基于经验设计而非数 学计算。那时，人们对橡胶衬套在抑制高频振动中的作用已有所认识。以o l l e y 为核心人物的有关行驶平顺性问题的争论一直延续到3 0 年代末，其中就车身振 动固有频率、车身俯仰固有频率及其与前后悬架刚度匹配关系等重要问题的讨论 极为有意义。随后车辆行驶动力学的进一步发展是在完善的测量和计算手段出现 后才得以实现。英国汽车研究所( i 认) 在该领域进行的路面特性的测量【l 们，主 观评价和客观测试的关系【1 ”，行驶平顺性测量仪的开发，以及率先采用了模拟计 算机，随后是电子计算机的动力学计算研究等。美国的c l a r k 、b u t k u n a s 、u c d y 和德国的m i t s c h k c 等人在车辆建模与分析中，均采用了以轮胎接地点处的随机路 面输入作为激励输入的”l u m i e dm a s sm o d e l ”( 集中质量模型) 等，对车辆行驶动力 学研究的都做出了巨大贡献。行驶动力学问题主要分为两类，一类是可通过数学 建模分析的行驶动力学问题；第二类则是靠经验丰富的测试驾驶员来进行主观评 价；主要是针对一些目前几乎还没有办法用数学模型来准确描述的问题。如1 5 h z 以上的结构振动的响应、更高频率范围内的振动噪声问题、悬架系统中橡胶衬套 的影响、对路面阶跃及凹坑等路障的纵向冲击的响应等。 二、横向动力学 横向动力学主要研究汽车弯道转向行驶时轮胎的刚度、侧偏角、前后悬架刚 度、前后轴载荷转移和侧向轮胎力共同作用所产生的侧向运动和横摆转动问题。 m a u d c co l l e y 针对汽车转向时产生的横摆等不稳定现象，他最早系统地提出了 操纵动力学分析理论。试图解决前、后悬架设计与前桥转向系统的设计即汽车行 驶平顺性和操纵稳定性之间的协调关系【1 2 1 。从3 0 年代到5 0 年代人们对轮胎的 重要性逐渐认识。正是c o u g h 等人对轮胎特性研究以及测定轮胎的力学特性，侧 偏角、不足转向和过度转向、平稳行驶概念的定义、简单的两自由度操纵动力学 方程建立；使得人们能对转向时汽车稳定性进行定性和定量的处理分析。车辆操 纵动力学发展进入了崭新的时期。这期间建立了较为完整的车辆操纵动力学线性 域理论体系【1 3 】。到5 0 年代以后，通过引入独立悬架设计并对汽车转向试验结 果分析和建模，人们提出了三自由度操纵动力学方程；在侧向移动、横向摆动基 础上增加了侧倾运动，扩展了操纵动力学的分析内容，形成了一套较为完整关于 操纵和转向的基础理论体系【1 】。人们对汽车横向动力学研究进一步得到完善。 早期的汽车均采用前轮转向方式。前轮是转向轮。驾驶员转动方向盘，通过转向 第一章绪论 机构带动前轮绕转向羊角轴转动来实现。前轮转动后，汽车产生一个沿着具有一 定曲率半径的曲线运动的趋势，质心上产生的离心力通过车轮作用到地面，而地 面上产生一个反作用力推动汽车转向。传统的前轮转向汽车具有低速时转向响应 慢，回转半径大，转向不灵活；高速对方向稳定性差等缺点。随着科学技术的发 展，人们生活水平的提高，市场对汽车的要求也越来越高，希望汽车有更高的安 全性和舒适性。因此汽车的操纵稳定性，已经成为当代汽车研究的一个重要方面。 在前轮转向的基础上，使后轮按一定的控制规律跟随前轮绕自己的转向轴转动， 实现汽车转向。前后轮同时转向的方式称作四轮转向( f o u rw h e ds t e e r i n g 一 4 w s ) 【1 5 1 。它对于改善汽车高速时的操纵稳定性和减小低速时的转弯半径起到 非常大的作用。因此，为改善汽车转向特性，提高方向可操纵性和行驶稳定性， 使转向时车身摇摆减小，从而增加舒适性和安全性。 1 24 w s 汽车横向动力学的发展 自汽车发明1 0 0 多年以来，人们通过转向系统驱动前轮进行转向一直是汽车 转向的主要方式，这种转向方式沿用了当时盛行的四轮马车的转向方式，被认为 是理所当然的转向形式。具体说来，当汽车转向时由驾驶员转动方向盘带动转向 器、转向传动机构、使前轮绕转向主销转动一定的角度。这时汽车有曲线运动的 趋势，在其质心上产生的离心力通过前轮传给地面，给地面一与汽车前进方向垂 直的力。其反作用力称作地面横向力，是使汽车转向的外力。在该力的作用下汽 车实现转向。在这个过程中，由于前轮绕转向主销转动使汽车转向，故前轮是转 向轮。这种传统的转向方式被称作前轮转向( f r o n tw h e e ls t e e 血g _ f w s ) 。f w s 汽车前轮转向后轮不转向，使得前后轮运动轨迹不协调【l5 1 ，导致f w s 汽车低速 行驶时转向响应慢，回转半径大，转向不灵活；高速转向行驶时方向稳定性差、 轮胎磨损严重等缺点。随着现代汽车速度越来越高其缺点亦越来越突出。为解决 这个问题，国外从7 0 年代末，就开始研究开发了新的转向系统。当汽车转向行 驶时人们尝试在驱动前轮绕转向主销转动一定的角度的同时也通过动力装置驱 动和控制后轮绕其主销转动相应的角度来减少前后轮运动不协调，最终实现转 向。这种与传统的转向方式不相同的转向方式被称作四轮转向( f o u r 矾l s t e g d n g - - 4 w s ) 。4 w s 汽车的后轮也是转向轮，与传统的f w s 系统相比，四轮转 向系统具有如下优点( 如图1 1 所示) ； 4 第一章绪论 f w s l 、低速转弯时，转向半径小，汽车的灵活性高； 2 、高速行驶时，能迅速改变车道，而车身又不致产生大的摆动，从而减少 了摆尾产生的可能性，使司机更容易控制汽车的姿态。 3 、减少了轮胎磨损； 目前，作为一种新的操纵控制手段，4 w s 技术正在被广泛应用来改善汽车 的操纵稳定性和机动性。1 9 0 7 年日本政府曾颁发了一个关于4 w s 系统的专利证 书，这套4 w s 系统是利用一根轴将前后轮转向机构相连来实现的，这可以算是 4 w s 概念的最初想法。军用和建筑用汽车早已采用一种低速时后轮与前轮转向 相反的系统来减小转弯半径，但是在很长的一段时间里，4 w s 在汽车上没有得 到广泛的应用，直到近些年对汽车动力性的分析表明，主动控制后轮转角可以很 大程度地改善汽车的操纵性和稳定性，特别是在中高车速范围内，人们才开始注 意到4 w s 在小客车上的应用。日本在4 w s 方面进行了深入的研究，许多日本的 汽车公司都取得了不小的成果，各大公司几乎都研究出了比较成熟的4 w s 技术。 1 9 8 5 年日产公司首先在小客车上应用了世界上第一套4 w s 系统。它在成批的汽 车上引进了高性能主动控制悬挂( h i g hc a p a c i t ya c t i v e l y - - c o n t r o l l e ds u s p e n s i o n c a s l 。这套h i c a s 系统使用一套电控液压系统主动控制后轮转角，因此 可以显著改善中高速时汽车的操纵稳定性。随后又推出了i - h c a s2 代和s u p e r h i c a s 等几代产品，进一步提高了汽车的性能。本田公司在它的3 代及4 代序 曲轿车上分别安装了机械式和电子控制电动式4 w s 。丰田公司也在它的卡利那 e d 牌轿车上采用了机械电子控制系统。 4 w s 作为汽车新技术，目前在各国的应用都不是很广泛，日本虽然在4 w s 的研究上做了很多的工作，也取得了很大的成果，但是就日本每年生产的千万辆 汽车而言，安装4 w s 的只是很小一部分，仍然不能大规模地使用，可见作为汽 车领域新技术，4 w s 在很多方面尚不是很成熟，还不能大批量的应用，因此成 本较高，这也是在日益提倡家用轿车小型化、环保化的今天，不能大规模安装的 主要原因。尽管如此，4 w s 技术在改善汽车操纵稳定性和增强汽车的安全性能 上有着很明显的效果和不可忽视的作用。 自从1 9 8 5 年首次应用四轮转向系统以来，汽车的操纵稳定性大为提高，世 第一章绪论 界各大汽车厂家纷纷研制四轮转向装置【1 6 - 17 1 。】。随着计算机技术和电子技术的飞 速发展现今的四轮转向装置也在不断地发展前进。其发展趋势主要表现在以下两 方面： l 、向小型化方向发展。从安定防范的角度出发，后转向轴利用前轮转向信 息来控制后轮转向角，这种四轮转向系统结构复杂、体积大，对整车的空间布置 和重量都很不利。所以，各大汽车公司都力求四轮转向装置向小型化、轻量化方 向发展。如日本本田的前奏曲牌轿车上，前后轮进行电气联动，减少了机械部件， 从而使得四轮转向系统体积减小、重量变轻。 2 、提高行驶状况的控制性能。目前四轮转向装置是在保持车身侧偏角为零 ( 几乎不变) ，根据车速决定前后轮的转向传动比的。但在实际行驶工况中，因环 境( 路面摩擦系数、加速、减速、接地负载的变化) 等因素的影响，车身的侧偏角 不断地发生变化。也就是说，车速的变化对车身侧偏角的影响最大其次是路面 与轮胎之间的摩擦系数等。为保持车身侧偏角为零，使汽车操纵更稳定、安全， 必须控制最佳转向传动比。 1 3 汽车四轮转向技术的研究现状 国外现阶段的4 w s 系统设计，力图达到以下目的【1 9 1 ： 缩短横向加速度、横摆角速度的波动幅值及减小超调量； 减小进入稳态所历经的时间； 减小车体的侧偏角； 提供良好的操纵性和稳定性； 当汽车参数变化时，保持良好的转向响应； 增加对外界环境变化的抗干扰能力； 这些设计目标与汽车的动力系统密切相关，国外一些有代表性的研究进展如 下： y o u n gh c h o 和j m 鲫文章中讨论了4 w s 的最优设计，并把在4 w s 基础上带反馈的v s f ( 汽车速度性能系统) 作为研究的实例，提出了两种新的v s f 4 w s 系统的设计方案，并比较了最优化的4 w s 系统和现存的v s f4 w s 系统，所 设计的第一个系统以最大稳定性为目的，第二个系统用来仿效最优的4 w s 系统 的响应。 h i n o u e 和f s u g a s a w a 2 1 】文章中提出了一种综合前馈和反馈控制的系 统，使其能够跟随计算得出偏移速率，选择最优的控制系统常量，把对转向输入 响应的控制和对抗外部干扰的稳定性控制分离开。前者用前馈控制，后者用反馈 6 第一章绪论 控制，且两种功能的设定可以相互独立。 l a s z l op a l k o v i c s i = l 文章中对现存的主动4 w s 系统，即：前轮和后轮的转 向可由反馈补偿自动控制，提高汽车高速时的转向性能和在侧风干扰下的转向性 能；提出在汽车参数变化下系统的晌应问题，分析了后轮胎压低于正常情况下， 汽车的过度转向以及控制系统如何稳定汽车的运动。 ik a g e y a m a 和i l n a g a i 2 3 1 文章中探讨了拖车在高速时的稳定性问题，用 后轮转向的四轮转向的客车运动行为类似于加挂拖车后的客车的运动行为，这是 一个用线性运动方程的最优控制问题，采用状态变量反馈的控制系统。解决了高 速直线运动的稳定性问题，进一步指出拖车系统稳定性的解决方向。 从大体上说，国外对4 w s 的研究，一般均把汽车模型看作线性二自由度“自 行车”模型，只研究向心加速度和绕汽车纵轴的旋转，控制形式主要有以下两种： 1 “车速感应型”：当车速小于某一数值时( 一般为4 5 5 5k m h ) 时，前后轮 转向相反；而当车速高于该数值时，前后轮转向相同。 2 “转角感应型”：当转角小于某一角度( 如：“本田”4 w s 为2 4 度) 时， 前后轮转向相同；当大于该角度时，转向相反。 控制策略主要有三种口4 】：比例控制、动态补偿控制和主动控制，其中比例 控制又分为前馈控制( 前后轮转向角与车速依存式) 和反馈控制( 将车辆的运行状 态反馈到控制系统，自动调节后轮转向角) ；动态补偿式也分为前馈控制( 转向角 动态补偿) 和反馈控制( 转向力矩动态补偿) ；主动控制则要求横摆速率中、高速时 提高稳定性和转向响应性，低速时提高小转弯大转向角转向操纵性。 早期的样车有：本田汽车公司的4 w s 是控制前后轮的转向角，马自达汽车 公司的4 w s 是由车速直接控制前后轮的转向角之比，三菱汽车公司的4 w s 是采 用纯液压控制，日产汽车公司的4 w s 是动态的对质心侧偏角进行补偿，大众汽 车公司的4 w s 是调节横摆角速度。 由于对四轮转向的许多问题还研究得不够深入，因此，为了安全起见，这些 车型基本采用机械装置或简单的电器装置，而且以上这些研究都只是针对转向角 一旦确定就不再改变的情形。同时对于所研究的汽车模型，均假设为线性二自由 度简化模型进行，并未考虑动态驾驶中汽车的动力学特性。 1 3 1 汽车四轮转向系统的非线性动力学研究现状 四轮转向技术的研究已经取得了不少进展，但是至今这项技术还未在商用汽 车上得到广泛的应用。这是因为，现在还没有一个成熟的理论对汽车四轮转向运 动行为进行深刻的阐述，导致在运用现代控制理论进行研究时，控制规则的确定 和控制方法的选择，更多的是依靠经验，而不是根据令人信服的理论依据，尤其 7 第一章绪论 是当考虑到汽车模型中的非线性因素时，汽车模型更加趋于复杂，仅靠经验，几 乎无法得到准确结果。 要使四轮转向系统在已有基础上有更进一步的发展，应该综合考虑下面的几 个热点问题： 轮胎的非线性，车辆的多自由度特性及其数学模型； 动态运行中，汽车的动力学特性，特别是汽车在随机干扰下的稳定性问 题，这些随机干扰来源于轮胎压力变化、轮胎老化程度，车辆载荷，路面，环境 的变化( 如侧风) ； 近年来国外也开始研究考虑了汽车非线性特性的汽车运动和转向模型，由于 非线性系统本身的复杂性，所进行的研究尚不深入，些有代表性的论文如下： p l u g n e r 等阱l 讨论了基于较复杂的四轮转向的客车模型，考虑了在各种摩擦 条件下的综合了径向和横向侧滑特性的轮胎模型，提出了一种对司机转向调节输 入补偿的四轮转向系统，运用了三种控制模式来使汽车沿指定的轨道前进或避开 障碍物。最后模拟了极值情形下的拐角操纵。文章主要从控制的角度探讨汽车的 转向运动，没能从理论上对系统中的非线性因素进行迸一步的研究。 z l 沁gp a y r e 等e 2 5 1 研究了基于前轮转向并考虑司机调节行为的非线性前轮 转向模型。用分叉方法分析了系统在临界速度附近的稳定性，结果显示系统发生 h o p f 分叉，极限环的稳定性主要依靠于汽车和驾驶员的模型参数；然后讨论了汽 车受外界周期性扰动的情况下的混沌行为，并进行了数值模拟。该研究由于采用 了前轮转向模型，不能反映汽车四轮转向系统后轮在其转向过程中的调节行为。 l e ea y 瞄】研究了汽车四轮转向系统在高速情况下，变换车道时的操纵性 能，并进行了动力学特性的研究。 由于我国汽车工业起步较晚，国内对四轮转向技术的研究还很少，涉及相关 内容的论文如下： 北京理工大学1 2 7 1 探讨了用简单的汽车试验数据来辨识汽车转向运动数学模 型参数的方法。根据这些参数可估算汽车物理参数。该方法在预测汽车性能和改 进汽车设计方面可提供相当的帮助。但该方法的一个重要问题是其参数之间关系 实际上都是非线性的，而在该方法中假设为线性的，需要对比试验加以验证。如 误差太大，还得采取修正措施。 北京工业大学田】对由梯形机构和麦弗逊独立悬架构成的汽车转向机构建立 起非线性的空间机构运动学模型。为转向机构的合理设计提供了一种有效的数学 模型，也为验证和评价转向机构提供了数值仿真方法。论文主要从转向机构的空 间非线性角度进行探讨，没有考虑汽车系统本身固有的非线性特性，也未能从整 个汽车系统运动的角度研究转向机构对汽车运动的调节作用。 s 第一章绪论 吉林工业大学 2 9 - 3 4 1 在一系列关于轮胎侧偏特性研究的文章中，阐述了车辆动 力学特性与轮胎力学特性的关系，指出对轮胎构造精确模型及其侧偏特性的研究 对4 w s 的设计与研究有很大的意义。该研究方向主要是论述轮胎建模的方法和 所建模型的合理性，其轮胎模型可作为四轮转向系统研究建模时的参考。 天津大学1 3 s 4 0 1 运用现代非线性动力学与分岔理论对采用轮胎非线性模型的 汽车悬架运动特性和汽车四轮转向系统非线性动力学特性进行了研究，探讨了 4 w s 系统发生随机i p f 分岔的参数区域；考虑到汽车转向时的侧偏引起的轮胎刚 度等特性的变化，采用人工神经网络辨识了轮胎非线性m a g i c 公式，并应用主动 控制策略对非线性模型进行了控制，分别设计了离散的p i d 控制器和神经网络控 制器；此外，通过引入混杂( h y b r i d ) 控制思想，结合汽车4 w s 系统的非线性特 性，对4 w s 系统进行了主动控制研究。 以上的国内外研究中，没有涉及到汽车四轮转向非线性模型与不确定性模型 的构造，也未能从理论的高度充分论述系统由于引入非线性因素和随机干扰后所 导致的行为的改变。因此，建立合理的四轮转向非线性模型与不确定系统，应用 现代非线性动力学理论与鲁棒控制理论从整体的角度对四轮转向技术进行充分 探讨显得尤为重要。 1 3 2 汽车四轮转向系统的控制研究现状 早期的4 w s 的控制形式主要有以下几种： 1 前馈型四轮转向 前馈型四轮转向系统如图1 2 所示，后轮转角正取决于前轮转角占，的大小， 而汽车的运动状态靠驾驶员来进行反馈控制，因此这种系统能够修正转向以抵御 如侧向风及路面激励等外部干扰。即使在松开方向盘时，转向回正力矩的作用能 使4 w s 比2 w s 更迅速地趋于稳定。 由于前后轮转角的输入在一定程度上减轻了横摆角速度与侧向加速度的耦 合程度，研究发现在保持横摆角速度响应不变的情况下，前后轮同向转动可以减 小侧向加速度的滞后相位。基于这种观点，很多的学者开始了这方面的工作。 s h i b a h a t a 等人提出了一种控制方案：通过推迟后轮的转向，对减小横摆角速度 和侧向加速度的相位滞后均有效。但此方法局限于低频区，对于o 7 - 1 0 h z 的高 频区没有多大效果。 9 第一章绪论 图1 - 2 前馈型四轮转向系统 根据汽车转向响应的两个最基本自由度：横摆角速度研和车体侧偏角， 可得到侧向加速度的表达式为： y = u ( c o , + p 1 ( 1 2 1 ) 对于2 w s ，随着车速的提高，车体侧偏角口的超前时间常数减小，造成侧向 加速度相位滞后比横摆角速度严重。其主要原因是车体侧偏角卢的稳态增益随着 速度提高而下降，在高速时变成负值。由此得出一种控制观点是：通过控制后轮 按一定关系转向，使得车体稳态侧偏角在任何车速下保持为零： 一6 + 竺“2 _ | ：孥 4 + 丝“2 0 0 ( 1 2 式中k 为后轮与前轮转向角比例，为车速，所为汽车质量，口、b 分别为汽车 重心离前后轴的距离，为汽车的轴距，k ，与七，分别为前后轮胎的侧偏刚度。按 照式( 1 2 2 ) 的比例转向，可保证在0 - 1 h z 之间横摆角速度与侧向加速度的相位 滞后基本相等。但是按照上述控制原理，并不能保证车体侧偏角在瞬态时也能为 零。为此t a k e u c h i 等人将式( 1 2 2 ) 扩展到瞬态过程，其传递函数表达式为： 一6 + ! 竺2 一生u s 妒a 长安u s ， + 一”+ - 一 0 ，7 ( 1 2 3 ) f u k u i 等人基于下述观点：当方向盘快速转动时，后轮与前轮反向转动，以使得 汽车转向灵敏，反之当方向盘慢速转动时，前后轮同向转动，以获得高稳定性。 为此得到下述表达式： g = 舍等= 历一番 ( 七， 胎 o )( 1 2 4 ) ，( s )1 + 嚣 、7、7 该式本质上与式( 1 2 3 ) 相同。s a n o 等人的观点也有类似之处，小转角时前后轮同 l o 第一章绪论 向( 一般是在高速下) ，而大转角时，前后轮反向( 一般是低速急转弯时) 。 s h i b a h a t a 等人提出了前后轮主动转向的思路，即前轮与后轮一样，与方向 盘