分布式驅(qū)動(dòng)汽車操縱穩(wěn)定性控制策略設(shè)計(jì)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u19660分布式驅(qū)動(dòng)汽車操縱穩(wěn)定性控制策略設(shè)計(jì)綜述 1179911.1車輛穩(wěn)定性控制變量分析 17331.2基于滑模算法的上層控制器設(shè)計(jì) 224221.2.1滑?？刂坪喗?2231171.2.2理想?yún)⒖寄Ｐ?4114801.2.3上層控制器的滑模算法設(shè)計(jì) 5車輛的操縱穩(wěn)定性關(guān)系到車輛在行駛過程中的主動(dòng)安全性，車輛的側(cè)滑、甩尾等失穩(wěn)的工況會造成嚴(yán)重的交通事故。因此對操縱穩(wěn)定性的研究是車輛行業(yè)中十分復(fù)雜但是十分重要的研究方向。分布式電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油車相比，由于每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)矩獨(dú)立可控的特點(diǎn)，使得其在車輛穩(wěn)定性方面具有巨大的優(yōu)勢。1.1車輛穩(wěn)定性控制變量分析在車輛的行駛過程中，其縱向力與側(cè)向力在不同側(cè)偏角條件下的曲線的包絡(luò)線是輪胎的附著橢圓，它決定了車輛行駛過程中切向力與側(cè)向力的合力的極限值。當(dāng)車輪的縱向力較小時(shí)，路面能提供足夠大的側(cè)向力使汽車抵抗外界因素干擾；當(dāng)縱向力較大或者在極限的工況下行駛時(shí)，輪胎的縱向力接近附著橢圓極限值，路面就無法提供足夠的側(cè)向力。當(dāng)車輛的前軸接近或達(dá)到附著橢圓極限時(shí)，車輛的轉(zhuǎn)向能力受限，導(dǎo)致車輛無法按照駕駛員的預(yù)定軌跡行駛；當(dāng)車輛的后軸接近或達(dá)到附著橢圓極限時(shí)，則車輛維持穩(wěn)定行駛的能力受限，導(dǎo)致車輛因過度轉(zhuǎn)向而發(fā)生側(cè)滑。由于在實(shí)際情況中難以對車輛的縱向力和側(cè)向力進(jìn)行檢測，所以在研究車輛的操縱穩(wěn)定性控制時(shí)，通常以車輛的橫擺角速度γ和質(zhì)心側(cè)偏角β作為整車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制參數(shù)。其中橫擺角速度的積分是車輛的橫擺角，質(zhì)心側(cè)偏角β=v/u,這是表征車輛側(cè)向速度和縱向速度的狀態(tài)量。而且車輛的航向角等于車輛橫擺角與質(zhì)心側(cè)偏角之和，如式（1.1）所示：φ在研究車輛的操縱穩(wěn)定性狀態(tài)時(shí)，通常將車輛簡化為沿著水平面的平動(dòng)和繞著垂直方向的橫擺運(yùn)動(dòng)。當(dāng)車輛在路面上較為穩(wěn)定的行駛時(shí)，側(cè)向速度接近于零，從而質(zhì)心側(cè)偏角也接近于零。此時(shí)的航向角約等于橫擺角，橫擺角速度即可反應(yīng)車輛的轉(zhuǎn)向特性，此時(shí)橫擺角速度與轉(zhuǎn)向特性的關(guān)系為： γ式中：δ為前輪轉(zhuǎn)角，rad。由式（1.2）可得，橫擺角速度過大時(shí)，會引起車輛的過度轉(zhuǎn)向，而過度轉(zhuǎn)向的后果就是影響車輛的穩(wěn)定性；橫擺角速度過小時(shí)，會引起車輛的不足轉(zhuǎn)向，此時(shí)雖然無滿足駕駛員的理想軌跡，但是車輛可以穩(wěn)定行駛。可見在質(zhì)心側(cè)偏角較小時(shí)，橫擺角速度能夠通過轉(zhuǎn)向特性間接地反映車輛對運(yùn)動(dòng)軌跡的保持狀態(tài)，從而反映車輛的操縱穩(wěn)定性狀態(tài)。如果工況越來越差，輪胎所受的側(cè)向力的增加至趨于附著橢圓極限，此時(shí)車輛處于臨界失穩(wěn)的狀態(tài)。由于側(cè)向力的影響，車輛的側(cè)向速度急劇增加，從而導(dǎo)致質(zhì)心側(cè)偏角不斷增加；由于此時(shí)側(cè)向力趨于飽和狀態(tài)，車輛的橫擺角速度不再增加，所以此時(shí)不能用橫擺角速度來描述車輛操縱穩(wěn)定性的狀態(tài)，需引入質(zhì)心側(cè)偏角對車輛的操縱穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行表征。綜上分析可知，車輛的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角可以作為衡量車輛穩(wěn)定性狀態(tài)的參數(shù)，但是要綜合考慮二者的側(cè)重情況。下面的控制策略將以二者的結(jié)合為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對車輛操縱穩(wěn)定性能的優(yōu)化。1.2基于滑模算法的上層控制器設(shè)計(jì)在本文所研究的控制器中，上層控制器采用滑模變結(jié)構(gòu)控制的方法實(shí)時(shí)求解車輛穩(wěn)定行駛所需要的附加橫擺力矩。滑模變結(jié)構(gòu)控制算法結(jié)構(gòu)較為簡單，并且抗干擾能力強(qiáng)，在車輛的穩(wěn)定性控制中得到了廣泛的應(yīng)用。1.2.1滑模控制簡介滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種具有不連續(xù)特性的非線性控制方法，它存在類似于開關(guān)作用的開關(guān)函數(shù)，由于滑模變結(jié)構(gòu)控制的這種特性，使其在控制過程中并不是一成不變的，而是在系統(tǒng)狀態(tài)已知的基礎(chǔ)上對其不斷切換迫使系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)[35]。滑模變結(jié)構(gòu)控制的原理如圖1.1所示，當(dāng)系統(tǒng)以任意的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制器可以在一定的時(shí)間內(nèi)將其控制到預(yù)先設(shè)計(jì)的滑模面上運(yùn)動(dòng)。然后繼續(xù)施加控制使系統(tǒng)達(dá)到平衡點(diǎn)，使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)?；？刂频恼麄€(gè)過程可以分為兩步，第一步是趨近模態(tài)；第二步是滑動(dòng)模態(tài)。實(shí)際控制系統(tǒng)由于存在很多因素的影響，滑模控制會隨著切換控制動(dòng)作而出現(xiàn)抖震現(xiàn)象。但是只要系統(tǒng)的狀態(tài)在滑模區(qū)內(nèi)振動(dòng)，即可認(rèn)為系統(tǒng)是穩(wěn)定運(yùn)行的。圖1.1滑模變結(jié)構(gòu)控制原理在設(shè)計(jì)滑?？刂破鲿r(shí)一個(gè)非常重要的問題就是趨近率的設(shè)計(jì)問題，選用合適的趨近律會使滑?？刂频膭?dòng)態(tài)品質(zhì)得以提升。常用的趨近律一般有四種，每種趨近律均有著自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，等速趨近律會受到參數(shù)的影響，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性差。冪次趨近律在遠(yuǎn)離滑模面的趨近模態(tài)動(dòng)態(tài)品質(zhì)受限。變速趨近律雖然在等速趨近律基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)，但是同樣還是會受到參數(shù)的影響，動(dòng)態(tài)性能難以保證。指數(shù)趨近律能夠提高趨近模態(tài)的快速性，與此同時(shí)還能夠有效消除系統(tǒng)抖振。通過對以上四種滑模趨近律的對比可以得出結(jié)論，指數(shù)趨近律雖然不能根除抖振，但綜合性能較好，能夠有效提高滑模趨近模態(tài)的快速性，同時(shí)在一定程度上削弱抖振，因此本文選取指數(shù)趨近律進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。為了減少滑模運(yùn)動(dòng)的抖振現(xiàn)象，本控制策略設(shè)置了滑模面的邊界層，邊界層的范圍屬于允許的抖振運(yùn)動(dòng)范圍，使用如式(1.3)的飽和函數(shù)可以使得進(jìn)入滑模運(yùn)動(dòng)一旦進(jìn)入邊界層，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)就會不超過所設(shè)置的厚度范圍，飽和函數(shù)如式（1.3）所示:sat其中satsφ為飽和函數(shù)，用于替代切換函數(shù)sgnS1.2.2理想?yún)⒖寄Ｐ屯ㄟ^前面的分析可知，研究汽車操縱穩(wěn)定性時(shí)可以用橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角表征車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，在正常車速和小轉(zhuǎn)角的情況下，二自由度模型能夠準(zhǔn)確的反映出車輛的實(shí)際轉(zhuǎn)向過程，可以用來分析分布式驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)汽車的操縱穩(wěn)定性。通過第二章的研究，已經(jīng)得出了二自由度模型在側(cè)向和橫擺方向的平衡方程，如式（2.1）和式（2.2）所示。其中β為質(zhì)心側(cè)偏角，δ為前輪轉(zhuǎn)角，由于δ一般較小，所以cosθ≈1，sinθ≈0。前后輪的側(cè)向力由式（1.4）和（1.5）所示： Fyf=其中k1，k2分別為前，后輪的側(cè)偏剛度；αf，αr分別為前，后輪的側(cè)偏角。前后輪的側(cè)偏角可由式（1.6aa將式（1.6）和（1.7）帶入式(2.1)和式（2.2）可得二自由度車輛模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程： k由于車輛在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)的橫擺角速度wr和質(zhì)心側(cè)偏角β均為定值，此時(shí)ωd和β的值為零，橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的增益為零，可得到二者的期望值如式（ω其中，ωd為理想橫擺角速度，βd為理想質(zhì)心側(cè)偏角。K為車輛穩(wěn)定性因數(shù)，K的計(jì)算如式（1.K考慮到轉(zhuǎn)向過程中側(cè)向加速度受到路面附著系數(shù)的限制，即ay=ωru≤μg,設(shè)定橫擺角速度受到上限值，得到橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的理想值如式（1.ω1.2.3上層控制器的滑模算法設(shè)計(jì)通過前面的敘述可以知道分布式驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)的矢量控制分為上層控制器與下層控制器，上層控制器是附加橫擺力矩的決策層，通過上述的理想二自由度車輛模型計(jì)算車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角與理想值的差值，采取滑模變結(jié)構(gòu)控制的策略實(shí)現(xiàn)理想值與實(shí)際值的跟隨，從而得出為了維持車輛穩(wěn)定所需的附加橫擺力矩[36]。本文考慮了橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角的綜合和影響，滑模面的選取如式（1.12）所示： S對上式進(jìn)行求導(dǎo)得式（1.13）： S根據(jù)前文對滑模變結(jié)構(gòu)控制的分析，本文選取指數(shù)趨近率: S由于本文研究的是分布式驅(qū)動(dòng)的輪轂電機(jī)汽車，其工作特點(diǎn)是各個(gè)輪的力矩分別獨(dú)立可控。根距第二章討論過的兩輪二自由度車輛模型的橫擺力矩平衡方程（2.2）和四輪二自由度車輛模型的橫擺力矩平衡方程（2.3），并且由于前輪轉(zhuǎn)角δ一般較小，所以cosθ≈1，sinθ≈0得到新的橫擺力矩平衡方程如式（1.16）所示。相較于兩輪車輛模型，四輪模型考慮了每個(gè)輪的驅(qū)動(dòng)力矩對橫擺力矩的貢獻(xiàn)，并且由于本文主要研究的式分布式驅(qū)動(dòng)汽車每各個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力矩，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配時(shí)可以忽略側(cè)向力的影響，于是得到如式（1.17）所示的附加橫擺力矩。 I式中?M△聯(lián)立上式可得：△從前面的分析中可以看出，本文的滑?？刂破饔卸鄠€(gè)需要設(shè)定的參數(shù)，每個(gè)參數(shù)都會影響最終的結(jié)果，因此需要根據(jù)實(shí)際的控制結(jié)果進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整。本文的上層控制器采用的是Simulink中模型搭建的形式，控制器的結(jié)構(gòu)如圖1.2所示