本文關鍵詞：基于約束優(yōu)化的汽車集成控制研究

  更多相關文章： 汽車集成控制 約束優(yōu)化 控制分配 動態(tài)分配 失效分析 容錯控制

【摘要】：汽車電子控制技術不僅代表了未來汽車技術發(fā)展的趨勢,也是應對汽車工業(yè)發(fā)展面臨的節(jié)能、環(huán)保、安全和擁堵等諸多挑戰(zhàn)的關鍵技術途徑。隨著功能的不斷增多、結(jié)構(gòu)不斷地復雜化,汽車電控系統(tǒng)往往具有較強的動態(tài)耦合特征,其控制目標多樣且具有普遍的矛盾特征,控制手段冗余且具有較強的動態(tài)約束和非線性特征;此外汽車電控系統(tǒng)在信息資源共享、能量動力保障、輪胎力、人機交互等諸多方面也往往表現(xiàn)出了較強的耦合和沖突特征。因此,對汽車電控系統(tǒng)進行集成,能夠提高控制系統(tǒng)效率,并最大程度上提升汽車的整體性能。汽車集成控制一直是國內(nèi)外學術界和工業(yè)界的研究熱點。雖然近年來對汽車集成控制的研究取得了許多卓有成效的進展,但許多不同的研究方法和技術路線的提出也突顯了這一領域技術的欠成熟,特別是系統(tǒng)的集成控制設計理論與方法的缺乏,無法滿足日益迫切的控制效率和控制性能改善與提高的需求。傳統(tǒng)上基于分配的集成控制方法由于主要基于規(guī)則和邏輯判斷以決定執(zhí)行器的選擇和控制量的分配,不僅難以適應汽車行駛復雜的動態(tài)過程,也無法反映執(zhí)行器、執(zhí)行器與輪胎以及輪胎與地面接觸復雜的動態(tài)變化與耦合特征�；诩s束優(yōu)化的控制分配方法近年來也受到了廣泛的關注,并在汽車控制領域得以應用。然而不少研究對于約束的考慮還過于簡單且不夠全面,并往往只限于輪胎與地面的附著約束。雖然一些研究也考慮了執(zhí)行器的約束,但一般只將其簡化為輪胎力的上下限約束,且較少地考慮輪胎力縱側(cè)向耦合特性。因此在優(yōu)化過程中由于約束的缺失或定義不準確等,可能導致優(yōu)化求解無法實現(xiàn),或不能充分發(fā)揮執(zhí)行器的效率。汽車電子控制系統(tǒng)的執(zhí)行器主要包括驅(qū)動、制動和轉(zhuǎn)向等電控系統(tǒng),其自身的動態(tài)響應特性各異,對輪胎力的產(chǎn)生機理及動態(tài)響應過程各不相同,且彼此高度耦合與制約。因此執(zhí)行器的動態(tài)特性是設計過驅(qū)動系統(tǒng)控制分配方法的關鍵考慮因素。然而現(xiàn)有的控制分配方法大多基于執(zhí)行器的穩(wěn)態(tài)特性,也往往只考慮其執(zhí)行力的幅值因素,而忽略執(zhí)行器的瞬態(tài)特性和彼此的瞬態(tài)響應差異,其結(jié)果是導致控制系統(tǒng)的動態(tài)分配誤差,嚴重影響控制性能和效率。汽車電子控制系統(tǒng)的可靠性伴隨著電控和線控系統(tǒng)的不斷增多其重要性日益突顯,并因此不斷推動著容錯控制方法的研究與應用進展。雖然基于過驅(qū)動冗余控制分配的容錯控制方法受到了較為廣泛的關注,但現(xiàn)有研究對執(zhí)行器的失效模式、執(zhí)行器失效對控制系統(tǒng)性能的影響機理、影響程度和范圍等的考慮還不多見。這直接導致了在容錯控制設計時對冗余驅(qū)動分配一定程度上的隨意性和盲目性,從而難以優(yōu)化容錯控制的性能和效率。本文提出了基于復雜約束下多目標優(yōu)化的汽車集成控制方法。通過建立對汽車電控系統(tǒng)各執(zhí)行器和輪胎力等復雜的約束關系,以及多目標的數(shù)學描述,建立了基于復雜約束下多目標優(yōu)化的汽車集成控制方法。在此基礎上,通過分析各執(zhí)行器的動態(tài)特性,建立了考慮執(zhí)行器動態(tài)特性的過驅(qū)動控制分配方法。進一步通過研究執(zhí)行器失效模式和執(zhí)行器失效對控制系統(tǒng)性能的影響機理,建立了執(zhí)行器失效影響模型以及基于執(zhí)行器失效的系統(tǒng)容錯分析方法,并據(jù)此提出了基于約束優(yōu)化和過驅(qū)動冗余的容錯控制方法。首先,本文提出了基于復雜約束下多目標優(yōu)化的汽車集成控制方法,包括建立了基于車輛動力學動態(tài)響應模型的駕駛員意圖識別方法、基于控制分配與狀態(tài)反饋相結(jié)合的汽車集成控制方法;基于約束優(yōu)化的控制分配方法和基于輪胎逆模型的執(zhí)行器控制方法等。通過深入分析多控制目標,建立了考慮輪胎耦合特性和簡化的線性輪胎力約束,以及適用于輪胎力約束優(yōu)化分配的偽逆重新分配方法與主動集方法等,從而為基于約束優(yōu)化的集成控制方法的實時求解與應用奠定了基礎。與此同時,本文所提集成控制算法與傳統(tǒng)的穩(wěn)定性控制算法進行了仿真對比,結(jié)果表明該集成控制方法不僅提高了控制系統(tǒng)的響應速度,而且控制更加精準高效。其次,本文通過建立驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等在內(nèi)的各執(zhí)行器動力學模型,系統(tǒng)地分析并研究了它們的動態(tài)特性。提出了基于執(zhí)行器動態(tài)特性分配與特性補償?shù)妮喬チΨ峙浞椒āＷ詈笸ㄟ^仿真與傳統(tǒng)的控制分配方法進行了對比,結(jié)果表明考慮執(zhí)行器動態(tài)特性的控制分配方法提高了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應性能,也降低了控制能量需求。再次,本文提出基于約束優(yōu)化的汽車容錯控制方法,通過對執(zhí)行器失效的建模分析,研究了執(zhí)行器失效對控制系統(tǒng)性能的影響機理,建立了執(zhí)行器失效影響模型以及基于執(zhí)行器失效的系統(tǒng)容錯分析方法,并據(jù)此提出了基于約束優(yōu)化和過驅(qū)動冗余的容錯控制方法。為驗證本文所提容錯控制方法,開展了典型故障模式的仿真,包括單輪制動失效、單輪車輪轉(zhuǎn)角控自由轉(zhuǎn)動和單輪車輪卡死等。仿真結(jié)果表明執(zhí)行器失效模型的有效,所提出的故障檢測方法能夠迅速地檢測執(zhí)行器的失效狀態(tài),容錯控制方法能有效處理執(zhí)行器失效并避免性能退化。本文結(jié)合國家863課題搭建了實車試驗平臺以驗證本文所提出的復雜約束下多目標集成控制方法,開展了包括機械結(jié)構(gòu)設計、電子電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與數(shù)采系統(tǒng)設計等在內(nèi)的實車平臺建造。該實車平臺采用了四輪獨立輪轂電機驅(qū)動、四輪獨立電子液壓制動線控方案,使用了快速原型控制器實現(xiàn)了對控制方法的快速驗證。開發(fā)了通用的基本控制邏輯,以便用于專用控制算法的驗證。在實車試驗平臺上對集成控制算法進行了基于ISO-3888-2:2002標準試驗與FMVSS126法規(guī)試驗,試驗結(jié)果表明本文提出的集成控制方法能夠更好地提高車輛的穩(wěn)定性,而基于復雜約束下多目標優(yōu)化的控制分配方法也具有良好的實時性。本文的主要創(chuàng)新點如下:(1)提出了復雜約束下多目標優(yōu)化的汽車集成控制方法,解決了傳統(tǒng)集成控制由于約束缺失或定義不準確導致優(yōu)化求解無法實現(xiàn),或不能充分發(fā)揮執(zhí)行器效率的問題。(2)提出了考慮執(zhí)行器動態(tài)特性的輪胎力分配方法,降低了基于執(zhí)行器穩(wěn)態(tài)特性分配導致的分配誤差,提高了控制性能和效率。(3)提出了執(zhí)行器失效對控制系統(tǒng)性能影響的分析方法,以及基于執(zhí)行器失效分析與影響模式的過驅(qū)動容錯控制方法。
【關鍵詞】：汽車集成控制 約束優(yōu)化 控制分配 動態(tài)分配 失效分析 容錯控制
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U463.6
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-17
• 第1章 緒論17-35
• 1.1 汽車集成控制的研究意義17-18
• 1.2 汽車集成控制國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-32
• 1.3 汽車集成控制研究中的難點與不足32-33
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容33-35
• 第2章 復雜約束下多目標優(yōu)化的汽車集成控制方法35-63
• 2.1 車輛控制與輪胎力分配模型建立35-39
• 2.2 汽車復雜約束的動態(tài)數(shù)學描述39-43
• 2.3 基于約束優(yōu)化的汽車集成控制系統(tǒng)設計43-52
• 2.3.1 基于車輛動力學動態(tài)響應模型的駕駛員意圖識別方法44-47
• 2.3.2 基于車輛逆模型的汽車運動控制47-48
• 2.3.3 基于約束優(yōu)化的輪胎力分配48-51
• 2.3.4 基于輪胎逆模型的執(zhí)行器控制方法51-52
• 2.4 輪胎力優(yōu)化分配的數(shù)值求解方法52-56
• 2.5 復雜約束下多目標優(yōu)化的汽車集成控制方法仿真分析56-61
• 2.5.1 對開路面緊急制動工況56-58
• 2.5.2 正弦延遲工況58-61
• 2.6 本章小結(jié)61-63
• 第3章 考慮執(zhí)行器動態(tài)特性的汽車輪胎力分配方法63-81
• 3.1 影響輪胎力分配的執(zhí)行器動態(tài)特性建模63-68
• 3.1.1 驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)特性63-66
• 3.1.2 制動系統(tǒng)動態(tài)特性66
• 3.1.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動態(tài)特性66-67
• 3.1.4 輪胎動態(tài)特性67-68
• 3.2 考慮執(zhí)行器動態(tài)特性的控制分配方法68-73
• 3.2.1 基于動態(tài)特性補償?shù)姆椒?/span>68-70
• 3.2.2 基于動態(tài)特性的分配方法70-72
• 3.2.3 基于模型預測控制的方法72-73
• 3.3 考慮執(zhí)行器動態(tài)特性的汽車輪胎力分配73-75
• 3.4 考慮執(zhí)行器動態(tài)特性的汽車輪胎力分配方法的仿真分析75-79
• 3.4.1 系統(tǒng)頻率響應特性分析75-76
• 3.4.2 高附著角階躍工況76-79
• 3.5 本章小結(jié)79-81
• 第4章 基于約束優(yōu)化的汽車容錯控制方法81-99
• 4.1 執(zhí)行器失效分析與建模81-83
• 4.1.1 執(zhí)行器失效分析81-82
• 4.1.2 執(zhí)行器失效建模82-83
• 4.2 執(zhí)行器失效對控制性能的影響83-86
• 4.3 基于約束優(yōu)化的汽車容錯控制86-88
• 4.4 典型執(zhí)行器故障的仿真分析88-96
• 4.4.1 左前輪失效的直線制動工況88-91
• 4.4.2 右前輪轉(zhuǎn)向失效（自由）的雙移線工況91-94
• 4.4.3 右前輪轉(zhuǎn)向失效（卡死）的雙移線工況94-96
• 4.5 本章小結(jié)96-99
• 第5章 實車試驗平臺搭建與試驗驗證99-117
• 5.1 試驗平臺開發(fā)99-107
• 5.1.1 總體設計方案99-100
• 5.1.2 機械結(jié)構(gòu)設計100-103
• 5.1.3 電子電氣系統(tǒng)103-105
• 5.1.4 控制系統(tǒng)與數(shù)采系統(tǒng)105-107
• 5.2 基于約束優(yōu)化的汽車集成控制算法的應用107-108
• 5.3 實車試驗驗證108-115
• 5.3.1 ISO-3888標準試驗108-111
• 5.3.2 FMVSS126法規(guī)試驗111-115
• 5.4 本章小結(jié)115-117
• 第6章 全文總結(jié)及展望117-121
• 6.1 全文工作總結(jié)117-119
• 6.2 本文創(chuàng)新點119
• 6.3 研究展望119-121
• 參考文獻121-129
• 作者簡介及在學期間所取得的科研成果129-131
• 致謝131-132

【參考文獻】

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本文編號：1090569