本文關(guān)鍵詞：分布式電驅(qū)動汽車操縱穩(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了電驅(qū)動技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用。作為電驅(qū)動技術(shù)的一種,分布式電驅(qū)動技術(shù)具有能耗低、污染少的優(yōu)點,而且其車輪轉(zhuǎn)矩能夠獨立、連續(xù)控制�；谶@一優(yōu)勢,國內(nèi)外學者進行了大量的車輛動力學控制研究。但是現(xiàn)有研究在車輛狀態(tài)觀測、差動驅(qū)動與差動制動協(xié)調(diào)控制和車輛操縱穩(wěn)定性與能量效率多目標控制方面仍存在較多問題。本文研究分布式電驅(qū)動汽車車輪轉(zhuǎn)矩控制方法,目標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,主要研究內(nèi)容與成果如下。搭建了七自由度車輛動力學模型,其中電驅(qū)動系統(tǒng)采用實驗建模的方法,將電驅(qū)動/電制動力矩的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)特性描述出來,并根據(jù)實驗測試得到的電驅(qū)動系統(tǒng)能量效率數(shù)據(jù),分別建立了驅(qū)動和回饋制動工況下不同轉(zhuǎn)速時的能量效率模型。借助dSPACE-asm提供的車輛動力學商業(yè)軟件進行了不同行車工況下的模型驗證,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)動汽車的行駛狀態(tài)觀測器,降低了運算成本,提高了車輛在非線性附著狀態(tài)時的參數(shù)觀測精度。本文基于滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計了車輛狀態(tài)觀測器,為提高觀測誤差的收斂速度,引入二階超螺旋算法對狀態(tài)更新方程進行了改進,并證明了考慮系統(tǒng)噪聲和模型誤差時所設(shè)計觀測算法的收斂性。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)觀測方法難以取得較高觀測精度。為此,本文引入車輛質(zhì)心加速度估計誤差對車速估計值進行了反饋調(diào)節(jié),顯著提高了觀測精度。最后借助d SPACE-asm車輛模型進行了不同行駛工況下觀測效果的驗證,結(jié)果表明應(yīng)用加速度信息修正顯著提高了滑模觀測器在車輛非線性行駛時的觀測精度。提出了一種基于直接滑動率分配的車輛行駛穩(wěn)定性控制策略,實現(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\動控制層和車輪轉(zhuǎn)矩分配層。在運動控制層,首先進行期望的橫擺角速度識別。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)控制進行主動橫擺力矩計算。車輪轉(zhuǎn)矩分配層依據(jù)所計算出的主動橫擺力矩進行車輪驅(qū)動/制動轉(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,本文將主動橫擺力矩分配為四個車輪的驅(qū)動或制動轉(zhuǎn)矩。首先結(jié)合車輛底盤動力學的特點,制定四個車輪的驅(qū)動/制動優(yōu)先級,將控制任務(wù)優(yōu)先分配到側(cè)偏角較小的軸�；谀g(shù)輪胎模型,建立了車輛主動橫擺力矩與單個車輪滑動率之間的關(guān)系并計算出滑動率分配限值。據(jù)此將主動橫擺力矩按照事先設(shè)定的優(yōu)先級分配為四個車輪的滑動率,最后對單個車輪施加驅(qū)動/制動轉(zhuǎn)矩以追蹤目標滑動率。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)定性控制對車速的影響。提出一般行駛工況下的車輪轉(zhuǎn)矩多目標優(yōu)化控制方法,實現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)向工況下車輪驅(qū)動或制動轉(zhuǎn)矩的控制分配,滿足車輛的橫擺運動控制、能量效率控制和防滑控制等多目標需求。對不同控制目標的表征方法進行了對比研究,在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了多目標優(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。首先將復雜優(yōu)化問題簡化為適于離線計算的形式,并獲得車輪轉(zhuǎn)矩的初始分配值。基于Newton-Lagrange法將非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問題,以離線計算所得初始值為起點進行在線優(yōu)化。在保證多目標優(yōu)化問題求解精度的前提下,降低了控制器的運算成本。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。進行了分布式電驅(qū)動汽車操縱穩(wěn)定性與能量效率優(yōu)化控制策略的實驗驗證�；诓煌访鏃l件、不同駕駛工況的實車實驗,進行了車輛狀態(tài)估計算法的驗證。實驗結(jié)果顯示,所設(shè)計滑模觀測器能夠在考慮系統(tǒng)噪聲和測量噪聲前提下較準確估計出車速�；谒罱ǖ鸟{駛員在環(huán)工況模擬平臺,開展了極限和一般工況下駕駛模擬,完成了控制策略驗證。
【關(guān)鍵詞】：分布式電驅(qū)動汽車 二階超螺旋滑模狀態(tài)觀測器 直接滑動率分配橫擺穩(wěn)定性控制 操縱穩(wěn)定性與能量效率多目標優(yōu)化控制
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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)動汽車的優(yōu)勢15-16
• 1.2 研究現(xiàn)狀16-21
• 1.2.1 研究切入點16-17
• 1.2.2 車輛狀態(tài)參數(shù)估計技術(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 主要研究內(nèi)容21-26
• 第2章 分布式電驅(qū)動汽車動力學模型建立26-48
• 2.1 車輛動力學模型自由度確定26-27
• 2.2 車輛動力學模型的建立27-41
• 2.2.1 電驅(qū)動系統(tǒng)模型27-34
• 2.2.2 制動系統(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 車輛動力學模型驗證41-47
• 2.3.1 dSPACE asm仿真平臺42
• 2.3.2 仿真驗證42-47
• 2.4 本章小結(jié)47-48
• 第3章 分布式電驅(qū)動汽車行駛狀態(tài)觀測研究48-70
• 3.1 車輛行駛狀態(tài)參數(shù)估計48-52
• 3.1.1 車輛狀態(tài)觀測器的設(shè)計方法48-49
• 3.1.2 車輛狀態(tài)觀測器的典型算法49-52
• 3.2 滑模狀態(tài)觀測器分析52-59
• 3.2.1 系統(tǒng)的能觀性判斷52-53
• 3.2.2 滑模觀測算法研究53-59
• 3.3 車輛狀態(tài)滑模觀測器設(shè)計59-64
• 3.3.1 基于七自由度模型的滑模狀態(tài)觀測器設(shè)計59-61
• 3.3.2 車輛滑模狀態(tài)觀測器優(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63-64
• 3.5 車輛狀態(tài)滑模觀測器驗證64-69
• 3.5.1 驅(qū)動轉(zhuǎn)向工況65-66
• 3.5.2 制動轉(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75-81
• 4.3.1 駕駛意圖識別75-79
• 4.3.2 車輛橫擺運動控制器設(shè)計79-80
• 4.3.3 橫擺運動控制器的改進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)先級的確定83-84
• 4.4.3 輪胎滑動率分配84-87
• 4.4.4 輪胎滑動率追蹤87-88
• 4.5 仿真驗證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)矩控制分配的目標分析93-98
• 5.2.1 控制目標的表征方法94-97
• 5.2.2 不同控制目標下控制效果對比97-98
• 5.3 直行工況下車輛的驅(qū)動/制動轉(zhuǎn)矩控制研究98-101
• 5.3.1 直行驅(qū)動工況下車輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配98-99
• 5.3.2 直行制動工況下車輪制動轉(zhuǎn)矩分配99-101
• 5.4 聯(lián)合工況下車輛的驅(qū)動/制動轉(zhuǎn)矩控制研究101-103
• 5.4.1 轉(zhuǎn)向驅(qū)動工況下車輪轉(zhuǎn)矩控制分配101-102
• 5.4.2 轉(zhuǎn)向制動工況下車輪轉(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 基于不動點法的二次規(guī)劃問題求解107-109
• 5.6 仿真驗證109-114
• 5.6.1 直行驅(qū)動工況109-110
• 5.6.2 直行制動工況110-111
• 5.6.3 轉(zhuǎn)向驅(qū)動工況111-113
• 5.6.4 轉(zhuǎn)向制動工況113-114
• 5.7 本章小結(jié)114-116
• 第6章 實車實驗與硬件在環(huán)實驗驗證116-126
• 6.1 車輛狀態(tài)滑模觀測器的實車實驗驗證116-118
• 6.1.1 單移線實驗116-117
• 6.1.2 方向盤角階躍輸入實驗117-118
• 6.2 車輪轉(zhuǎn)矩控制策略的硬件在環(huán)實驗驗證118-124
• 6.2.1 極限工況下控制策略的驗證119-120
• 6.2.2 一般工況下控制策略的驗證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127-128
• 7.3 研究展望128-130
• 參考文獻130-141
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單141-142
• 致謝142

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本文編號：549544