四轮转向汽车控制研究及动力学仿真

论文摘要

四轮转向技术是对汽车的前轮转向和后轮转向同时进行控制以改善转向特性的一种汽车动力学控制技术。与前轮转向汽车相比四轮转向汽车有如下优点：低速转弯时转向半径小,汽车的灵活性高；高速行驶时,能迅速改变车道而车身又不致产生大的摆动,减少了摆尾产生的可能性,提高了汽车转向的瞬态响应特性,从而增强了操纵稳定性和主动安全性。本文从汽车动力学及其控制的角度出发,主要研究内容包括：(1)论述了四轮转向汽车的转向特性及特点,并建立了包括传统前轮转向汽车二自由度,四轮转向汽车二、三自由度动力学模型。(2)基于所建立的三自由度四轮转向汽车操纵动力学模型,结合线性轮胎模型,设计了四轮转向系统的控制策略。后轮转向控制采用了基于前轮转向的前馈控制,以及基于当前运动状态信息的H∞反馈控制。运用MATLAB/Simulink进行了操纵动力学仿真,比较传统前轮转向汽车与四轮转向汽车,以及四轮转向汽车开环控制和闭环鲁棒控制状态下的横摆角速度响应和质心侧偏角响应,并对结果进行分析。(3)最后,分析了车身侧倾运动产生的轮胎垂直载荷变化对于轮胎非线性侧向力学特性的影响。在加入非线性轮胎模型之后,对四轮转向系统的控制策略进行了设计。建立了包括轮胎模块和车辆模块的操纵动力学仿真模型,进行了仿真分析,并与采用线性轮胎模型的仿真结果相比较,阐述了轮胎的非线性侧向力学特性对四轮转向汽车操纵动力学的影响。通过仿真结果的比较和分析,可得到如下结论：针对轮胎的侧向力学特性,所设计的四轮转向系统的控制策略能够有效地保证汽车的质心侧偏角基本为零,改善横摆角速度的动力学响应性能,从而提高操纵稳定性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 四轮转向汽车的历史,发展现状和趋势
• 1.1.1 四轮转向技术的历史与发展
• 1.1.2 国内外四轮转向发展状况
• 1.1.3 四轮转向技术发展趋势
• 1.2 汽车操纵稳定性的发展与评价方法
• 1.2.1 汽车操纵稳定性的基本概念
• 1.2.2 操纵稳定性的研究和发展
• 1.2.3 操纵稳定性的评价方法
• 1.3 4WS的控制研究及仿真技术进展
• 1.3.1 4WS的控制研究进展
• 1.3.2 四轮转向汽车仿真技术的发展
• 1.4 汽车四轮转向系统的非线性动力学研究概述
• 1.5 论文工作安排
• 第2章 四轮转向汽车的理论研究与分析
• 2.1 汽车数学模型的建立与动力学分析
• 2.1.1 二自由度前轮转向汽车数学模型建立
• 2.1.2 二自由度四轮转向汽车数学模型建立
• 2.1.3 三自由度四轮转向汽车动力学模型
• 2.2 四轮转向汽车的转向特性
• 2.2.1 4WS车辆低速时的转向特性
• 2.2.2 4WS车辆中高速时的转向特性
• 2.2.3 4WS车辆与传统2WS车辆性能比较
• 2.2.4 4WS汽车的转向方式
• 2.2.5 四轮转向的分类
• 2.3 四轮转向汽车控制模型
• 第3章 四轮转向系统的控制研究与仿真
• 3.1 控制系统的状态空间
• 3.1.1 状态空间描述
• 3.1.2 状态空间表达式
• 3.1.3 可控性与可观测性
• 3.2 控制方法分析与控制策略设计
• ∞鲁棒控制理论的发展及其特点'>3.2.1 H_∞鲁棒控制理论的发展及其特点
• ∞控制理论要点'>3.2.2 H_∞控制理论要点
• 3.2.3 控制策略设计
• 3.3 基于MATLAB动力学仿真分析
• 3.3.1 4WS开环系统与闭环反馈系统仿真
• 3.3.2 FWS系统与4WS系统比较
• 3.4 本章小结
• 第4章 轮胎非线性特性对四轮转向系统影响
• 4.1 轮胎的受力及其模型分析
• 4.2 考虑轮胎非线性的四轮转向系统的控制策略
• 4.3 动力学仿真分析
• 4.3.1 横摆角速度响应
• 4.3.2 质心侧偏角响应
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢