四轮转向汽车控制方法研究

论文摘要

随着科学技术的发展,市场对汽车性能的要求也越来越高,汽车的操纵稳定性,成为当代汽车研究的一个重要方面。转向系的好坏直接影响到汽车的操纵稳定性、转向轻便性以及驾驶员的工作强度和工作效率,与前轮转向系统相比,四轮转向系统（4WS）能够使汽车具有更好的循迹能力和操纵稳定性。本文设计了新的4WS控制策略,采用不同的控制理论对4WS控制方法进行了研究。在分析轮胎侧偏特性基础上,建立了反应车辆的垂向与侧向耦合作用的轮胎半经验模型;分析整车受力,建立了包括侧向运动、横摆运动和车身侧倾运动的三自由度4WS汽车操纵动力学模型。基于所建立的三自由度4WS汽车操纵动力学模型,结合非线性的轮胎半经验模型,设计了4WS“前轮转角补偿+主动后轮控制”控制策略。基于横摆角速度误差反馈信息对前轮转角进行补偿,同时基于当前运动状态信息的反馈控制使后轮开始主动转向。这与通常4WS控制策略上有很大的不同。在此过程中,建立起能够反应4WS需要的理想参考模型,经验证具有较高的准确度。对线性二次最优、极点配置、稳定度设计等算法进行了研究,得到了加权矩阵、极点位置及稳定度选择的一些规律,并把这些算法运用于4WS控制器的设计,取得了很好的效果。将时间加权的误差绝对值积分（ITAE）准则引入到4WS汽车质心侧偏角的控制,仿真表明,质心侧偏角稳态值能够稳定到零。将汽车作为不确定性对象,进行了4WS鲁棒控制研究。针对外扰不确定性和未建模动态等不确定因素,设计了的μ综合鲁棒控制器。仿真结果表明:所设计的μ综合鲁棒控制器在改善汽车操纵稳定性方面性能优良,并且大大增强了汽车鲁棒性能。研究表明:“前轮转角补偿+主动后轮控制”控制策略在4WS汽车运用是成功的,前轮转角的补偿使横摆角速度有效的跟踪了理想参考模型,后轮的主动转向保证了汽车的操纵稳定性。在改善汽车操纵稳定性方面,ITAE效果最好,能够使质心侧偏角稳态值稳定到零;稳定度设计法和极点配置法由于对线性二次最优算法进行了优化,取得了更好的控制效果,但要注意极点位置配置的合理性。μ综合鲁棒控制改善汽车操纵稳定性的同时也增强了汽车鲁棒性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 四轮转向知识介绍
• 1.2.1 转向梯形
• 1.2.2 四轮转向的基本组成及工作原理
• 1.2.3 四轮转向汽车后轮转向装置的类型
• 1.2.4 四轮转向控制目标
• 1.3 四轮转向研究现状
• 1.3.1 控制方法分类
• 1.3.2 线控转向系统的应用
• 1.3.3 四轮转向研究进展
• 1.4 本文选题的意义及内容
• 2 四轮转向系统建模
• 2.1 模型建立过程中考虑的因素
• 2.2 轮胎模型的建立
• 2.2.1 轮胎的侧偏现象
• 2.2.2 轮胎侧偏半经验模型
• 2.3 三自由度四轮转向汽车的动力学模型
• 2.3.1 汽车运动坐标系
• 2.3.2 建立动力学微分方程
• 2.3.3 建立车辆仿真模型
• 2.3.4 模型参数的选定
• 3 四轮转向汽车控制系统设计
• 3.1 控制策略的设计
• 3.1.1 性能评价指标
• 3.1.2 控制策略的设计
• 3.2 理想参考模型的建立
• 3.2.1 模型表达式的推导
• 3.2.2 理想参考模型的验证
• 3.3 最优控制
• 3.3.1 线性二次型泛函及其意义
• 3.3.2 线性二次型最优控制问题几种特殊情况
• 3.3.3 线性二次型最优控制4WS 中的应用及仿真实现
• 3.4 极点配置控制
• 3.4.1 极点配置算法
• 3.4.2 极点配置控制器设计
• 3.5 稳定度设计
• 3.6 ITAE 模型跟踪控制
• 3.6.1 不同指标下的标准模型格式
• 3.6.2 模型跟踪控制器设计
• 3.6.3 MATLAB 仿真
• 3.7 本章小结
• 4 仿真结果对比与分析
• 4.1 没有外扰时方向盘阶跃响应性能对比
• 4.2 外扰下方向盘阶跃响应性能对比
• 4.3 直线行驶性能对比
• 4.4 可行性分析
• 4.5 本章小结
• 5 4WS 系统的鲁棒控制研究
• 5.1 一般被控对象的建模原则
• 5.2 μ综合鲁棒控制器设计
• 5.2.1 控制策略设计
• 5.2.2 鲁棒控制器设计
• 5.3 4WS 鲁棒控制系统仿真
• 6 全文总结与未来研究展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录