電動(dòng)汽車afs與dyc集成控制策略研究畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 限可分別表示為: ()通常：則切換函數(shù)s(x)沿表達(dá)式()軌跡方向的梯度是 ()式()中的f是一個(gè)元素為函數(shù)的n維列向量；grad(s)是切換面S(x) = 0的梯度向量，它是行向量，代表切換面的法線方向。按照式()、 ()、 (), 下面的極限存在: ()式()中的、分別是元素為、(i=1，……，m)的m維函數(shù)向量，很顯然當(dāng)： ()時(shí)滿足終止條件，則滑動(dòng)模態(tài)存在。如果系統(tǒng)的初始點(diǎn)x(0)不在s(x)=0的附近，而是在狀態(tài)空間的任何位置，此時(shí)要求系統(tǒng)必須向滑膜面s(x)=0運(yùn)動(dòng)，在有限的時(shí)間內(nèi)到達(dá)或無(wú)限趨向于s(x)=0，即滿足可達(dá)到性條件，不然系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)滑模運(yùn)動(dòng)[19]。由滑動(dòng)模態(tài)的存在條件可以得到啟示是，主要狀態(tài)空間的點(diǎn)滿足 ()系統(tǒng)的解（位于s(x)0一側(cè)）將趨近于s(x)=0表示的切換面，而且于有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面，s是標(biāo)量函數(shù)。即初始條件為是方程的解： ()當(dāng)t從增大時(shí)滿足,且存在正數(shù),使得當(dāng)時(shí)對(duì)于位于s(x)0一側(cè)同理。則歸納上述等式，得出到達(dá)條件為 ()最后，可對(duì)()式進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到滑模運(yùn)動(dòng)到達(dá)條件： ()為了反映運(yùn)動(dòng)是如何到達(dá)滑模面，人們提出了趨近律的概念和公式，對(duì)趨近律進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以改善動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)品質(zhì)。以下是常用的四種趨近律：1) 等速趨近律 ()其中，表示趨近速率。值小，則速度慢，滑?？刂频恼{(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)；反之則速度快，調(diào)節(jié)時(shí)間短，但會(huì)引起較大的抖振。2) 指數(shù)趨近律 ()當(dāng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)離滑模面較遠(yuǎn)時(shí)，趨近速度取決于；而當(dāng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)離滑模面較近時(shí)，趨近速度取決于。因此，常將值取得較大，值較小，以保證系統(tǒng)狀態(tài)能以由快到慢的速度接近滑模面，從而消弱抖振現(xiàn)象。3) 冪次趨近律 ()4) 一般趨近律 ()其中。此外，上訴四種趨近律都滿足式()的到達(dá)條件 滑?？刂频膬?yōu)點(diǎn)滑膜控制是變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中的一種，適用于多種線性和非線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?；た刂频膭?dòng)態(tài)性能主要是通過(guò)滑模面快來(lái)決定的，且可以通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，與外界的干擾無(wú)關(guān)。所以其能夠克服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的不確定性, 對(duì)干擾和未建模動(dòng)態(tài)具有很強(qiáng)的魯棒性和對(duì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果有很好的容錯(cuò)率, 尤其是對(duì)非線性系統(tǒng)的控制具有良好的控制效果。另一方面，滑膜控制算法簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)間少，既降低了控制器的設(shè)計(jì)難度，又對(duì)車輛穩(wěn)定性有較大的提高。但滑?？刂泼媾R抖振的不利影響,抖振來(lái)自于設(shè)置參數(shù)時(shí)對(duì)不確定性及擾動(dòng)的保守估計(jì)、控制函數(shù)的符號(hào)變化頻率遠(yuǎn)大于控制執(zhí)行器件的切換頻率和時(shí)滯等因素。它能使控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡在抖振的影響下，不會(huì)按照趨近律接近滑模面s(x)=0，其運(yùn)動(dòng)點(diǎn)也不會(huì)嚴(yán)格停留在滑模面上。第3章 控制器的設(shè)計(jì)目前，集成控制系統(tǒng)方面的研究主要集中于AFS和DYC方面的集成，這也是當(dāng)前車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的研究方向。本文將從AFS和DYC控制器各自的作用特點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)它們的特點(diǎn)進(jìn)行分層控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用滑模控制方法對(duì)AFS和DYC控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)的思路為：當(dāng)汽車輪胎的側(cè)向力處于線性區(qū)域時(shí)，此時(shí)主要發(fā)揮AFS控制器的作用；而當(dāng)汽車輪胎的側(cè)向力超出線性區(qū)域時(shí)，此時(shí)超出部分將由DYC控制器對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。 汽車二自由度線性模型在汽車行駛過(guò)程中，駕駛員基本上是通過(guò)調(diào)整來(lái)控制車輪轉(zhuǎn)向的，進(jìn)而依靠車輪轉(zhuǎn)向時(shí)所產(chǎn)生的側(cè)向力來(lái)完成車輛的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。在一般情況下，車輛在良好路面行駛時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)角較小，輪胎處于線性區(qū)間內(nèi)。此時(shí)，汽車線性二自由度動(dòng)力學(xué)模型就能很好的描述車輛的主要操縱特性[23]。同時(shí)，從控制器的設(shè)計(jì)角度來(lái)看，線性模型跟有利于控制器的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)難度。所以本章基于車輛的二自由度動(dòng)力學(xué)模型來(lái)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。，汽車線性二自由度動(dòng)力學(xué)模型的兩個(gè)自由度分別為側(cè)向運(yùn)動(dòng)(V)和橫擺運(yùn)動(dòng)（r),。其運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程如下所示： () ()其中，和分別為前后軸側(cè)偏剛度，為車輛縱向速度，為質(zhì)心偏側(cè)角，為前輪轉(zhuǎn)角。將車輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程，其狀態(tài)量，輸入向量，這狀態(tài)方程為： ()其中， 可展開(kāi)為： ()其中，，, ,本節(jié)會(huì)設(shè)計(jì)汽車?yán)硐雲(yún)⒖寄Ｐ?，以便將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖轉(zhuǎn)換為操縱穩(wěn)定性意圖，即期望的橫擺角速度和期望的質(zhì)心偏側(cè)角。由于大多數(shù)汽車采用前輪轉(zhuǎn)向的方式，所以本節(jié)基于前輪轉(zhuǎn)向汽車的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)計(jì)算橫擺角速度。理想?yún)⒖寄Ｐ偷倪\(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程，其狀態(tài)量為，輸入向量，狀態(tài)方程為： ()其中， 可展開(kāi)為： () 對(duì)進(jìn)行拉普拉斯變換便可得到理想狀態(tài)下期望的橫擺角速度，可表示為： ()但是，由于汽車的最大側(cè)向加速度又受到地面附著系數(shù)的約束，即和。因此，實(shí)際的橫擺角速度需要受到限制，如式（）所示[23]。 ()因此，期望的橫擺角速度在實(shí)際過(guò)程中可表示為： ()至此，車輛二自由度線性理想?yún)⒖寄Ｐ捅阍O(shè)計(jì)完畢。AFS控制器的作用是通過(guò)主動(dòng)增加或減小車輛的前輪轉(zhuǎn)向角來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向控制。本節(jié)采用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法來(lái)設(shè)計(jì)AFS控制器，盡可能的減少車輛實(shí)際橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角分別與參考模型上輸出的期望橫擺角速度和期望質(zhì)心側(cè)偏角之間的誤差，從而達(dá)成駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。將實(shí)際輸出狀態(tài)向量與參考模型的輸出狀態(tài)向量之間的差稱作系統(tǒng)誤差，設(shè)為 ()要使實(shí)際輸出達(dá)到期望值，即是使系統(tǒng)誤差為零，將此時(shí)的系統(tǒng)誤差看做滑?？刂浦械幕Ｃ?，即 ()其中，權(quán)值矩陣，本文取和。對(duì)（）進(jìn)行求導(dǎo)，并結(jié)合式（）和（）可以推得系統(tǒng)靠近滑模面的時(shí)速度 ()同時(shí)為了提高運(yùn)動(dòng)品質(zhì)，則設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器的速率遵照質(zhì)數(shù)趨近律，即 ()式中，和為對(duì)角增益矩陣，且對(duì)角數(shù)皆為正數(shù)。將其帶入()式中， ()當(dāng)系統(tǒng)誤差在滑動(dòng)模態(tài)，即時(shí)，可得到附加前輪轉(zhuǎn)角： ()至此，AFS控制器設(shè)計(jì)完畢，控制器的輸入為理想?yún)⒖寄Ｐ偷妮敵鰻顟B(tài)向量(和)以及車輛實(shí)際輸出的狀態(tài)向量(和)，輸出為附加前輪轉(zhuǎn)向角()，也是車輛控制系統(tǒng)輸入變量。DYC控制器的作用是通過(guò)控制輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中所需的附加橫擺力矩。本節(jié)仍然采用滑?？刂品椒▉?lái)設(shè)計(jì)DYC控制器，以彌補(bǔ)AFS控制器在輪胎非線性區(qū)域控制不足的缺陷，進(jìn)而減少車輛實(shí)際橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角分別與參考模型上輸出的期望橫擺角速度和期望質(zhì)心側(cè)偏角之間的誤差，從而達(dá)成駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。與AFS控制器的設(shè)計(jì)相比，這里仍采用車輛二自由度線動(dòng)力學(xué)模型。但是，由于要控制橫擺力矩，車輛系統(tǒng)中多了一個(gè)控制變量，即橫擺力矩。因此，需要對(duì)式()的線性模型進(jìn)行調(diào)整，如式()所示 ()同時(shí)，為簡(jiǎn)化滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)，定義實(shí)際橫擺角速度和期望橫擺角速度的誤差為滑模面，即： ()式中，為橫擺角速度誤差。對(duì)式中()進(jìn)行求導(dǎo)，并將式()帶入，可得： ()同時(shí)為了提高運(yùn)動(dòng)品質(zhì)，則設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器的速率遵照質(zhì)數(shù)趨近律，即 ()式中，和為正數(shù)的可調(diào)增益。將其帶入式（)中，可得 ()最后，對(duì)式()進(jìn)行變換，可得滑?？刂破鞯妮斎胱兞? ()由上式可以看出，控制器的輸入變量中含有前后輪轉(zhuǎn)角。當(dāng)輪胎處于線性區(qū)域時(shí)，AFS控制器輸出的前輪轉(zhuǎn)角能保證為0，即，也即對(duì)于前輪轉(zhuǎn)向汽車的二自由度線性模型來(lái)說(shuō)，橫擺角速度導(dǎo)數(shù)柯可由式（）表示，將其與式()和結(jié)合，可得輪胎在線性區(qū)域可得輸入橫擺控制力矩 ()又因?yàn)椋?，即。最后得出輪胎在線性區(qū)域時(shí)輸入的汽車橫擺控制力矩為零，也就是DYC控制器的輸出為0。由此證明，在線性區(qū)域時(shí)，DYC控制器不起作用，而當(dāng)輪胎進(jìn)入非線性區(qū)域時(shí)，DYC