【《四驱电动车橫摆稳定性控制策略分析》4600字】

四驱电动车橫摆稳定性控制策略分析目录TOC\o"1-3"\h\u20412四驱电动车橫摆稳定性控制策略分析 1208981.1独立驱动电动车驱动稳定性影响因素 174891.1.1轮胎力与整车稳定性控制关系 1230711.1.2质心侧偏角和橫摆角速度对车辆稳定性的影响 3187511.2整车稳定性控制研究策略 4153281.3上层参考模型跟踪控制策略 4205891.1.1二自由度车辆模型 420891.1.2滑模变结构控制 742841.4小结 11当车辆在线性区域行驶时，驾驶员能有效地控制车辆，保证车辆不轻易进入不稳区域。当车速过大时，车辆进入强非线性区域，此时车辆容易出现严重失稳状态，仅仅通过驾驶员调节方向盘转角已经无法使车辆回到稳定状态，容易造成事故。因此，当车辆失去稳定性或者即将失去稳定性时，需要车辆稳定性控制器作用，将车辆维持在稳定状态。本章主要研究整车稳定系统的上层结构，通过滑模控制算法制定维持车辆稳定性所需的附加横摆力矩。1.1独立驱动电动车驱动稳定性影响因素1.1.1轮胎力与整车稳定性控制关系在对车辆的稳定性控制中，分析轮胎受到的作用力至关重要。车辆的行驶状态取决于轮胎和地面的相互作用关系。如下图3-1所示，当车辆在不平路面上行驶或正在转向时，车身在离心力的作用下，与车辆在平面上直线行驶时相比，车轮上的外力状态发生了变化。轮胎中心沿垂直于轮胎平面的方向产生力F。此时，轮胎还会承受来自地面的相等的反作用力Fy，这个力叫做轮胎侧偏力。图3-1轮胎侧偏力示意图不难看出，在轮胎侧偏力的作用下，轮胎已经发生形变。此时，如果侧偏力依然在轮胎与地面的附着力极限范围内，即使轮胎产生变形，轮子也不会在横向产生滑动，否则轮胎会横向滑动。根据摩擦圆原理，轮胎纵向力，侧向力和地面附着力间存在以下约束，如以下数学关系3-1所示：（3-1）公式中，Fxi,Fyi和Fzi分别是第i个车轮的纵向驱动力，侧向力和垂向力；为道路附着系数。i表示四个车轮（fr,fl,rl,rr）。在公式3-1的约束下可得，能看出来当路面附着力系数固定时，存在当前路面对轮胎提供的最大附着力的极限值。此时，降低车轮的纵向驱动力，提高车轮的附着裕量，即可降低车辆失稳的可能性。基于以上的结果分析，在摩擦椭圆的约束下，考虑到道路提供的最大附着极限，利用独立驱动电动车的驱动扭矩独立可控的特点，可以实现轮胎侧向力的间接控制，直接控制车轮的纵向驱动力F，以保持车辆的稳定性。同时，各个车轮的驱动力Fxi与转矩Txi之间存在如下关系：（3-2）从上述公式不难看出，独立驱动电车能独立控制驱动电动机转矩，从而实现对车轮纵向驱动力的控制。1.1.2质心侧偏角和橫摆角速度对车辆稳定性的影响车辆在行驶过程中受到路面力的作用，使轮胎发生变形，从而容易出现失稳状态。目前，已经有很多通过主动控制车辆来提高整车行驶稳定性的方法，主要包括主动前轮/四轮转向和直接横摆力矩控制等方法。其中，直接横摆力矩控制是一种较为有效的车辆稳定性控制方法，一般包含两层控制策略。其核心思想是通过上层控制策略产生维持车辆稳定性所需要的附加横摆力矩，然后利用下层的力矩分配方法给四个车轮分别分配不同的力矩，从而实现对车辆稳定性的控制。这种控制方法可以充分发挥分布式驱动电动汽车四轮独立可控的优势，实现较好的控制效果。汽车的轨迹维持和稳定性问题分别可以表示为质心侧偏角与橫摆角速度的问题，也能够反应汽车转向运动的本质问题，这两个问题主要通过控制车辆的直接横摆力矩来解决。汽车行驶的稳定状态取决于这两者之间的联系。在行车过程中，汽车纵向与质心运动方向间的夹角称为质心侧偏角。质心侧偏角在一定程度上反映了汽车拐弯时偏离目标轨迹的情况，并集中反映了车辆跟踪目标轨迹的能力。值越小，说明车辆稳定性越高。因此，质心侧偏角能作为理想的稳态参考，特别是对汽车横向稳定性控制的研究。横摆角速度代表了汽车绕垂直轴偏转的稳定程度，是在车辆横向运动的情况下产生的，是整车转向特性的决定性因素。在一定程度上可以表示汽车在转向行驶时的稳定性，在一定程度上还可以代表整车的转向能力。车辆航向角的变化率也可以用橫摆角速度来表示，可以用来表示车辆的稳定性。汽车行驶的横摆角是对橫摆角速度进行积分得到的，整车的航向角为质心侧偏角与横摆角之和。如下式（3-3）所示：（3-3）当车辆质心侧偏角较小时，一般忽略质心侧偏角的作用，主要考虑横摆角速度。此时车辆的稳定状态可以由实际横摆角速度与理想状态下横摆角速度之间的偏差来确定。一般来说，橫摆角速度是由整车的横摆角来决定的，但是在一些特殊的情况如车辆发生侧滑等并不稳定情况时，质心侧偏角是反映整车稳定性的最佳选择，而车辆的橫摆角速度在这种状况下不足以表示整车的稳定性。综上所述可得，横摆角速度和侧偏角的值可以分别代表汽车横摆运动和侧向运动的稳态，也能作为车辆行驶稳定性控制的控制对象。通过上述分析，本文通过设计以跟踪理想横摆角速度为目标的附加横摆力矩决策控制器，并通过质心侧偏角的输出值作为评价控制系统的控制效果的参考值。1.2整车稳定性控制研究策略基于常用的直接横摆力矩控制思想，设计分层的控制策略。本文主要研究车辆在转向过程中的行驶稳定性控制。根据汽车动力学理论分析结果和稳定性影响原因分析可得出，以理想横摆角速度跟踪控制为目标，以质心侧偏角为稳定性评价指标，建立了整车横摆力矩控制器，通过优化底层车轮的驱动力矩分配来控制整车的行驶稳定性在理论上是可行的。如下图3-2所示，本文提出来了由上到下的行驶稳定性分层控制方案。3-2稳定性控制方案图1.3上层参考模型跟踪控制策略根据前文分析，选用车辆的理想横摆角速度作为稳态控制策略的参考输入，设计基于滑模变结构算法的运动跟踪控制策略。1.1.1二自由度车辆模型本节通过线性二自由度车辆模型分析车辆理想状态下的横摆角速度和质心侧偏角，如下图3-3所示。二自由度车辆模型包括了最基本的可以反映车辆曲线运动的特点，因此该模型被广泛应用于稳态控制策略，作为稳态控制的参考模型。图3-3二自由度车辆模型当车辆处于线性区域时，通常只考虑车辆的侧向和横摆运动，可以得到二自由度车辆模型的微分方程为：（3-4）上述公式中；为车辆的质心侧偏角；Cf为前轮轮胎的侧偏刚度、Cr为后轮轮胎的侧偏刚度；为前轮转角；a、b分别为车辆质心到前后轴的距离。由公式可以看出来，通过输入前轮转角、车速等实时信息，可以计算出所需要的理想横摆角速度和质心侧偏角。当汽车进入稳态时，横摆角速度和质心侧偏角都是固定值。此时，，，由式3-4可推导出理想横摆角速度和质心侧偏角：（3-5）为理想橫摆角速度，为理想质心侧偏角，L=a+b,L为轴距，K为车辆稳定性因数。（3-6）在汽车转向过程中，轮胎在道路上的附着能力是有限的，不可超过道路提供侧向加速度的极限值。所以，横摆角速度的上限为：（3-7）上述公式中，为路面附着系数，为最大橫摆角速度。所以将式3-5中的理想橫摆角速度修正为：（3-8）根据式3-5有：（3-9）由上文中的式3-7与式3-9可得质心侧偏角的上限为（3-10）式中为车辆最大质心侧偏角。从而式3-5中的理想质心侧偏角修正为（3-11）由式3-5可得理想的横摆角速度和理想的质心侧偏角之间有如下关系：（3-12）从方程3-12能看出，两个被控变量的期望值是相互耦合的，这与车速，质心位置和车轮侧偏刚度有关。本文选取、和与同时作为控制变量，对这三种情况分别进行分析。因此，基于simulink搭建车辆二自由度模型，模型如下：图3-4基于simulink搭建二自由度车辆模型1.1.2滑模变结构控制附加横摆力矩决策控制器一般都要通过现代控制理论来实现，例如滑模控制算法，MPC控制算法或智能控制理论如模糊算法，神经网络等。由于分布式驱动电动汽车结构比较复杂，自身具有较强的非线性特性，因此本文选择无需构造精确的数学模型、对系统参数不确定性具有良好的鲁棒性并且适合于强非线性系统的滑模变结构控制算法来设计附加横摆力矩决策控制器。首先设计滑模切换超平面，使系统状态从滑模超平面外侧不断朝着超平面收敛。当系统状态到达设置的超平面时，使系统保持在超平面上，并不断朝着原点滑动。这一沿超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。滑模面的确定至关重要，不同的滑模面影响系统的动态品质。对于整车稳定性控制，主要有以下几种滑模面：第一，实际横摆角速度与理想值之间的偏差；二是实际质心侧偏角与理想值的偏差；三是前两者的结合。本文选择了横摆角速度和质心侧偏角组合的方式。滑模面的确定与控制率的分析：控制系统基于下式3-13所示的二自由度数学模型：（3-13）滑模变结构控制的趋近率包括等速接近率，指数接近率，幂趋近率和一般形态接近率。等速接近率，（3-14）式中，为趋近速率切换面设计如下：（3-15）太小，接近速度慢，调整过程较慢。过大，接近速度快，到达切换面速度较大，导致抖振。指数趋近率，（3-16）切换面设计如下：（3-17）值减小，k值增加，可以增加趋近速度幂次趋近律，（3-18）当时，，（3-19）k值增加，可以增加趋近速度，减少到达切换面的时间。一般趋近律，（3-20）上式中，取不同的值会得到不同的趋近律。以上三种趋近律中，选择鲁棒性更好、计算量更小的等速趋近律。A.橫摆角速度控制橫摆角速度控制的跟踪误差：，其变化率为定义滑模面为（3-21）上式中：是误差与误差变化率之间的相对权重系数，；为橫摆角速度控制的滑模变量，当、时，、，可推导出以下公式：（3-22）其中是维持车辆稳定所需的附加横摆力矩。根据上式分析，由滑模变结构算法得到的附加横摆力矩为（3-23）公式中Kwr是大于0的常数，代表趋近速度。当Kwr过小时，表示趋近滑模面的速度很慢，造成趋近时间很久；当Kwr太大时，会导致滑模系统产生严重的抖振，所以应当根据实际情况选取合理的趋近速度。为了减小系统抖振带来的不利影响，用饱和函数来替代上式（19）中的符号函数，如下式（3-24）上式Δ>0是边界层，需要根据系统抖振状况选择适当的边界层厚度；Kwr为常数；当swr位于边界层内部时，采用线性反馈控制；当swr位于边界层外部时采用开关控制。B.质心侧偏角控制设计质心侧偏角控制的跟踪误差及其变化率分别是：。定义滑模面为（3-25）上式中，为误差和误差变化率之间的相对权重系数，；定义为质心侧偏角控制的滑模变量，当、时，，（3-26）将代到公式（22）中，能够得到质心侧偏角控制的附加横摆力矩：（3-27）式中，为质心侧偏角控制的趋近速度，。C.橫摆角速度和质心侧偏角联合控制定义滑模面为（3-28）上面公式中，c是联合控制的权值系数,有；是橫摆角速度与质心侧偏角共同控制滑模变量，当、时，、、，（3-29）将公式（3-13）中的求导并代入式 （25）就能得到橫摆角速度和质心侧偏角联合控制的附加横摆力矩：（3-30）公式中代表橫摆角速度和质心侧偏角联合控制的趋近速度，且。本文选用了橫摆角速度和质心侧偏角联合控制的方式。滑模变结构控制存在以下优缺点：滑模算法对参数改变、数学模型不精确以及外界环境干扰等不确定因素具有较强的鲁棒性；对系统的干扰和参数摄动具有较强的适应性；有较快的响应速度及实时性；滑模变结构控制中也存在一些问题，如会产生抖振现象。抖振现象的形成主要有三个原因：系统惯性，空间滞后和时间滞后。1.4小结本章主体分析了