【摘要】：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)是汽車底盤中兩個重要的子系統(tǒng),其性能直接影響汽車的操縱穩(wěn)定性、安全性及舒適性。現(xiàn)代汽車上普遍應用基于EPS的轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)協(xié)助駕駛員實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制,減輕駕駛員的轉(zhuǎn)向負擔;應用電子控制懸架系統(tǒng)改善汽車的乘坐舒適性及轉(zhuǎn)向工況下的操縱穩(wěn)定性。然而,因駕駛員操縱失誤及電子控制系統(tǒng)元器件故障,導致道路交通事故頻發(fā)及汽車使用性能下降,汽車道路行駛安全性及電子控制系統(tǒng)性能無法保證。將容錯控制理論應用于汽車轉(zhuǎn)向與懸架控制是提高汽車道路行駛安全性及可靠性的有效方法。論文主要以基于電動助力轉(zhuǎn)向(Electric Power Steering,EPS)的人機協(xié)同轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及半主動懸架系統(tǒng)(Semi-Active Suspension System,SASS)為研究對象,對其容錯控制策略進行理論仿真和試驗研究。完成的主要研究工作和創(chuàng)新點總結(jié)如下:1)分析了基于EPS的人機協(xié)同轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作在助力模式和輔助駕駛模式的原理及其判別方法。針對工作在助力模式的EPS,考慮EPS系統(tǒng)傳感器及執(zhí)行器同時故障及模型參數(shù)攝動,設(shè)計魯棒未知輸入觀測器同時估計傳感器及執(zhí)行器故障,有效抑制了參數(shù)攝動對故障估計性能的影響。分別針對傳感器和執(zhí)行器故障,設(shè)計了主動容錯控制方法。仿真及試驗驗證了提出的EPS主動容錯控制策略可降低故障對EPS助力性能的影響,各故障模式下的助力轉(zhuǎn)矩至少可恢復至原助力轉(zhuǎn)矩的80%。2)針對工作在輔助駕駛模式的EPS,考慮因駕駛員操縱失誤而導致的車道偏離,提出了基于EPS的輔助駕駛系統(tǒng)與駕駛員協(xié)同容錯控制方法。建立了以縱向車速為時變參數(shù)的汽車-道路模型,基于模型預測控制方法設(shè)計了車道保持輔助系統(tǒng)(Lane Keeping Assist System,LKAS)控制器,以跨道時間觸發(fā)車道偏離預警作為判斷駕駛員操縱失誤的指標。根據(jù)駕駛員狀態(tài)、汽車狀態(tài)、車路相對位置關(guān)系,實時決策駕駛員與LKAS控制器協(xié)同控制因子,并由協(xié)同控制因子與LKAS控制器的輸出轉(zhuǎn)矩決定輔助系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩。仿真與試驗驗證了車道偏離人機協(xié)同容錯控制可有效避免車道偏離,減小人機沖突。3)設(shè)計并比較了LQG及H_?控制器對SASS模型參數(shù)攝動及作動器故障的魯棒性。針對作動器發(fā)生增益、偏差、卡死及信號中斷等故障對懸架系統(tǒng)性能的影響,設(shè)計了自適應觀測器估計故障值,提出基于故障補償?shù)腟ASS主動容錯控制方法。仿真及試驗驗證了提出的主動容錯控制方法可使故障懸架系統(tǒng)性能恢復至與無故障懸架相接近的水平。4)考慮轉(zhuǎn)向與懸架系統(tǒng)的耦合關(guān)系,建立分層結(jié)構(gòu)的人機協(xié)同轉(zhuǎn)向與懸架集成控制系統(tǒng)。上層優(yōu)化層建立基于EPS的人機協(xié)同轉(zhuǎn)向與懸架集成優(yōu)化目標函數(shù),采用遺傳算法優(yōu)化中間控制層中各子系統(tǒng)控制器參數(shù),由下層執(zhí)行控制層的控制指令并將輸出信號反饋給優(yōu)化層。進一步的,針對轉(zhuǎn)向與懸架系統(tǒng)執(zhí)行器部分故障及完全失效,基于遺傳算法設(shè)計了故障分級的集成系統(tǒng)分層協(xié)調(diào)容錯控制策略,降低了故障對汽車性能的影響。5)搭建試驗臺架并驗證容錯控制算法的有效性。首先搭建了基于LabVIEW PXI的EPS硬件在環(huán)試驗臺架,驗證提出的EPS主動容錯控制算法的有效性;其次,搭建基于CarSim/LabVIEW RT的硬件在環(huán)試驗平臺,驗證車道偏離人機協(xié)同容錯控制系統(tǒng)的有效性;再次,在單通道電液伺服懸架動態(tài)性能試驗臺上進行減振器力-速度特性試驗,進一步在四通道道路模擬振動臺上驗證所提出的半主動懸架容錯控制算法的有效性;最后,基于Casim汽車模型實現(xiàn)SASS與LKAS集成控制,在人機協(xié)同車道偏離輔助系統(tǒng)試驗臺上分析了SASS完全失效對LKAS及汽車性能的影響。
【圖文】：

圖 2.1 EPS 系統(tǒng)示意圖Fig 2.1 Schematic diagram of EPS system統(tǒng)工作在轉(zhuǎn)向助力模式和輔助駕駛模式時，在助力控制器和輔對 EPS 工作模式進行判別，其判別方式如圖 2.2 所示。圖 2.2 EPS 工作模式判別獲取駕駛員操縱狀態(tài),td d thdt tT T 獲取轉(zhuǎn)向信號燈狀態(tài)信號燈開啟轉(zhuǎn)向助力模式獲取車路相對位置關(guān)系輔助駕駛模式否否LC LC ,thdt t否是是 是

( 1)a mf u，0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 0cceqeqJBJ eΔA據(jù)文獻[138]提供的方法，將系統(tǒng)的不確定性量值通過適當?shù)霓D(zhuǎn)化并視為，，式（2.13）可以重寫為( )a u f e e e e1 e2e e s sx A x B B dy C x F f （2.14Td c c r eq m T B T N B d 。PS 助力控制策略用 PID 控制方法設(shè)計 EPS 系統(tǒng)的助力控制器。按照控制框圖 2.4 設(shè)計助線，調(diào)試并選取適當?shù)?PID 參數(shù)使助力電動機實際電流能較好地跟隨目從而獲得理想的助力轉(zhuǎn)矩，提高 EPS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向輕便性的同時獲得較好的感。
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U463

【參考文獻】

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本文編號：2663327