本文關(guān)鍵詞：分布式電驅(qū)動(dòng)汽車操縱穩(wěn)定性與能量效率優(yōu)化控制研究

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【摘要】：環(huán)境污染和能源短缺問題推動(dòng)了電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用。作為電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的一種,分布式電驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有能耗低、污染少的優(yōu)點(diǎn),而且其車輪轉(zhuǎn)矩能夠獨(dú)立、連續(xù)控制�；谶@一優(yōu)勢(shì),國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的車輛動(dòng)力學(xué)控制研究。但是現(xiàn)有研究在車輛狀態(tài)觀測(cè)、差動(dòng)驅(qū)動(dòng)與差動(dòng)制動(dòng)協(xié)調(diào)控制和車輛操縱穩(wěn)定性與能量效率多目標(biāo)控制方面仍存在較多問題。本文研究分布式電驅(qū)動(dòng)汽車車輪轉(zhuǎn)矩控制方法,目標(biāo)為提出一種能夠在不同工況下提高車輛操縱穩(wěn)定性與能量效率的控制策略,主要研究?jī)?nèi)容與成果如下。搭建了七自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型,其中電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用實(shí)驗(yàn)建模的方法,將電驅(qū)動(dòng)/電制動(dòng)力矩的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)特性描述出來,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量效率數(shù)據(jù),分別建立了驅(qū)動(dòng)和回饋制動(dòng)工況下不同轉(zhuǎn)速時(shí)的能量效率模型。借助dSPACE-asm提供的車輛動(dòng)力學(xué)商業(yè)軟件進(jìn)行了不同行車工況下的模型驗(yàn)證,為控制策略開發(fā)打下基礎(chǔ)。建立了適用于分布式電驅(qū)動(dòng)汽車的行駛狀態(tài)觀測(cè)器,降低了運(yùn)算成本,提高了車輛在非線性附著狀態(tài)時(shí)的參數(shù)觀測(cè)精度。本文基于滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)了車輛狀態(tài)觀測(cè)器,為提高觀測(cè)誤差的收斂速度,引入二階超螺旋算法對(duì)狀態(tài)更新方程進(jìn)行了改進(jìn),并證明了考慮系統(tǒng)噪聲和模型誤差時(shí)所設(shè)計(jì)觀測(cè)算法的收斂性。仿真表明,在車輛行駛于輪胎非線性附著狀態(tài)下,基于輪胎模型的狀態(tài)觀測(cè)方法難以取得較高觀測(cè)精度。為此,本文引入車輛質(zhì)心加速度估計(jì)誤差對(duì)車速估計(jì)值進(jìn)行了反饋調(diào)節(jié),顯著提高了觀測(cè)精度。最后借助d SPACE-asm車輛模型進(jìn)行了不同行駛工況下觀測(cè)效果的驗(yàn)證,結(jié)果表明應(yīng)用加速度信息修正顯著提高了滑模觀測(cè)器在車輛非線性行駛時(shí)的觀測(cè)精度。提出了一種基于直接滑動(dòng)率分配的車輛行駛穩(wěn)定性控制策略,實(shí)現(xiàn)了輪胎縱向力與側(cè)向力的解耦控制,提高了穩(wěn)定性控制效果�？刂撇呗苑譃檫\(yùn)動(dòng)控制層和車輪轉(zhuǎn)矩分配層。在運(yùn)動(dòng)控制層,首先進(jìn)行期望的橫擺角速度識(shí)別。其中,考慮到單一橫擺角速度控制的局限性,依據(jù)車輛質(zhì)心側(cè)偏角大小對(duì)橫擺角速度期望值施加約束。后基于滑模變結(jié)構(gòu)控制進(jìn)行主動(dòng)橫擺力矩計(jì)算。車輪轉(zhuǎn)矩分配層依據(jù)所計(jì)算出的主動(dòng)橫擺力矩進(jìn)行車輪驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制。在車速較高、路面附著條件較差的極限行車工況下,車輪轉(zhuǎn)矩分配圍繞提高車輛的操縱穩(wěn)定性展開。為充分利用四個(gè)車輪與地面的附著資源改善車輛極限行駛性能,本文將主動(dòng)橫擺力矩分配為四個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。首先結(jié)合車輛底盤動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn),制定四個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)優(yōu)先級(jí),將控制任務(wù)優(yōu)先分配到側(cè)偏角較小的軸。基于魔術(shù)輪胎模型,建立了車輛主動(dòng)橫擺力矩與單個(gè)車輪滑動(dòng)率之間的關(guān)系并計(jì)算出滑動(dòng)率分配限值。據(jù)此將主動(dòng)橫擺力矩按照事先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)分配為四個(gè)車輪的滑動(dòng)率,最后對(duì)單個(gè)車輪施加驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以追蹤目標(biāo)滑動(dòng)率。仿真證明所提控制策略顯著提高了車輛的循跡能力,降低了穩(wěn)定性控制對(duì)車速的影響。提出一般行駛工況下的車輪轉(zhuǎn)矩多目標(biāo)優(yōu)化控制方法,實(shí)現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)向工況下車輪驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的控制分配,滿足車輛的橫擺運(yùn)動(dòng)控制、能量效率控制和防滑控制等多目標(biāo)需求。對(duì)不同控制目標(biāo)的表征方法進(jìn)行了對(duì)比研究,在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了多目標(biāo)優(yōu)化問題。為完成非線性非凸優(yōu)化問題的求解,提出了一種離線加在線的求解方法。首先將復(fù)雜優(yōu)化問題簡(jiǎn)化為適于離線計(jì)算的形式,并獲得車輪轉(zhuǎn)矩的初始分配值�；贜ewton-Lagrange法將非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問題,以離線計(jì)算所得初始值為起點(diǎn)進(jìn)行在線優(yōu)化。在保證多目標(biāo)優(yōu)化問題求解精度的前提下,降低了控制器的運(yùn)算成本。不同工況下的仿真證明,所提控制算法提高了車輛的操縱穩(wěn)定性與能量效率。進(jìn)行了分布式電驅(qū)動(dòng)汽車操縱穩(wěn)定性與能量效率優(yōu)化控制策略的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證�；诓煌访鏃l件、不同駕駛工況的實(shí)車實(shí)驗(yàn),進(jìn)行了車輛狀態(tài)估計(jì)算法的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,所設(shè)計(jì)滑模觀測(cè)器能夠在考慮系統(tǒng)噪聲和測(cè)量噪聲前提下較準(zhǔn)確估計(jì)出車速。基于所搭建的駕駛員在環(huán)工況模擬平臺(tái),開展了極限和一般工況下駕駛模擬,完成了控制策略驗(yàn)證。
【關(guān)鍵詞】：分布式電驅(qū)動(dòng)汽車 二階超螺旋滑模狀態(tài)觀測(cè)器 直接滑動(dòng)率分配橫擺穩(wěn)定性控制 操縱穩(wěn)定性與能量效率多目標(biāo)優(yōu)化控制
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U461.6;U469.72
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 緒論14-26
• 1.1 選題背景14-16
• 1.1.1 傳統(tǒng)汽車所面臨的問題14-15
• 1.1.2 分布式電驅(qū)動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)15-16
• 1.2 研究現(xiàn)狀16-21
• 1.2.1 研究切入點(diǎn)16-17
• 1.2.2 車輛狀態(tài)參數(shù)估計(jì)技術(shù)的研究現(xiàn)狀17-18
• 1.2.3 橫擺穩(wěn)定性控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀18-20
• 1.2.4 一般工況下轉(zhuǎn)矩控制的研究現(xiàn)狀20-21
• 1.3 存在的問題21
• 1.4 主要研究?jī)?nèi)容21-26
• 第2章 分布式電驅(qū)動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)模型建立26-48
• 2.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型自由度確定26-27
• 2.2 車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立27-41
• 2.2.1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型27-34
• 2.2.2 制動(dòng)系統(tǒng)模型34
• 2.2.3 減速器模型34-35
• 2.2.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型35
• 2.2.5 車輪模型35
• 2.2.6 輪胎模型35-39
• 2.2.7 車體模型39-41
• 2.2.8 建�？偨Y(jié)41
• 2.3 車輛動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證41-47
• 2.3.1 dSPACE asm仿真平臺(tái)42
• 2.3.2 仿真驗(yàn)證42-47
• 2.4 本章小結(jié)47-48
• 第3章 分布式電驅(qū)動(dòng)汽車行駛狀態(tài)觀測(cè)研究48-70
• 3.1 車輛行駛狀態(tài)參數(shù)估計(jì)48-52
• 3.1.1 車輛狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方法48-49
• 3.1.2 車輛狀態(tài)觀測(cè)器的典型算法49-52
• 3.2 滑模狀態(tài)觀測(cè)器分析52-59
• 3.2.1 系統(tǒng)的能觀性判斷52-53
• 3.2.2 滑模觀測(cè)算法研究53-59
• 3.3 車輛狀態(tài)滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì)59-64
• 3.3.1 基于七自由度模型的滑模狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)59-61
• 3.3.2 車輛滑模狀態(tài)觀測(cè)器優(yōu)化61-63
• 3.3.3 車輛側(cè)向附著水平與路面附著條件辨識(shí)63-64
• 3.5 車輛狀態(tài)滑模觀測(cè)器驗(yàn)證64-69
• 3.5.1 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向工況65-66
• 3.5.2 制動(dòng)轉(zhuǎn)向工況66-67
• 3.5.3 高速轉(zhuǎn)向工況67-69
• 3.6 本章小結(jié)69-70
• 第4章 極限工況下車輪轉(zhuǎn)矩控制研究70-92
• 4.1 車輛操縱穩(wěn)定性分析70-74
• 4.1.1 車輛的操縱穩(wěn)定性70-71
• 4.1.2 操縱穩(wěn)定性的表征方法71-72
• 4.1.3 操縱穩(wěn)定性的控制方法72-74
• 4.2 操縱穩(wěn)定性控制策略建立74-75
• 4.3 操縱穩(wěn)定性控制器設(shè)計(jì)75-81
• 4.3.1 駕駛意圖識(shí)別75-79
• 4.3.2 車輛橫擺運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)79-80
• 4.3.3 橫擺運(yùn)動(dòng)控制器的改進(jìn)80-81
• 4.4 車輪轉(zhuǎn)矩控制分配81-88
• 4.4.1 執(zhí)行器的選擇81-83
• 4.4.2 執(zhí)行器優(yōu)先級(jí)的確定83-84
• 4.4.3 輪胎滑動(dòng)率分配84-87
• 4.4.4 輪胎滑動(dòng)率追蹤87-88
• 4.5 仿真驗(yàn)證88-91
• 4.5.1 方向盤角正弦輸入工況88-90
• 4.5.2 雙移線工況90-91
• 4.6 本章小結(jié)91-92
• 第5章 一般工況下車輪轉(zhuǎn)矩控制研究92-116
• 5.1 車輪轉(zhuǎn)矩控制策略的提出92-93
• 5.2 車輪轉(zhuǎn)矩控制分配的目標(biāo)分析93-98
• 5.2.1 控制目標(biāo)的表征方法94-97
• 5.2.2 不同控制目標(biāo)下控制效果對(duì)比97-98
• 5.3 直行工況下車輛的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制研究98-101
• 5.3.1 直行驅(qū)動(dòng)工況下車輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配98-99
• 5.3.2 直行制動(dòng)工況下車輪制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配99-101
• 5.4 聯(lián)合工況下車輛的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制研究101-103
• 5.4.1 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)工況下車輪轉(zhuǎn)矩控制分配101-102
• 5.4.2 轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況下車輪轉(zhuǎn)矩控制分配102-103
• 5.5 車輪轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配問題的求解方法103-109
• 5.5.1 離線優(yōu)化和在線優(yōu)化求解法的提出104-107
• 5.5.2 基于不動(dòng)點(diǎn)法的二次規(guī)劃問題求解107-109
• 5.6 仿真驗(yàn)證109-114
• 5.6.1 直行驅(qū)動(dòng)工況109-110
• 5.6.2 直行制動(dòng)工況110-111
• 5.6.3 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)工況111-113
• 5.6.4 轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況113-114
• 5.7 本章小結(jié)114-116
• 第6章 實(shí)車實(shí)驗(yàn)與硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證116-126
• 6.1 車輛狀態(tài)滑模觀測(cè)器的實(shí)車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證116-118
• 6.1.1 單移線實(shí)驗(yàn)116-117
• 6.1.2 方向盤角階躍輸入實(shí)驗(yàn)117-118
• 6.2 車輪轉(zhuǎn)矩控制策略的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證118-124
• 6.2.1 極限工況下控制策略的驗(yàn)證119-120
• 6.2.2 一般工況下控制策略的驗(yàn)證120-124
• 6.3 本章小結(jié)124-126
• 第7章 全文總結(jié)與研究展望126-130
• 7.1 全文總結(jié)126-127
• 7.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)127-128
• 7.3 研究展望128-130
• 參考文獻(xiàn)130-141
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單141-142
• 致謝142

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本文編號(hào)：549544