基于主动轮胎力的汽车稳定性集成控制研究

摘要

轮胎力主动控制技术能有效提高汽车的操纵稳定性和行驶的安全性，成为汽车安全领域重要的研究课题之一。主动轮胎力调节包括基于纵向轮胎力控制的电子稳定程序（Electronic Stability Program,ESP）和基于侧向轮胎力控制的主动前轮转向（Active Front Steeing,AFS）两种。
　　ESP是通过对左、右侧不同的车轮施加不平衡制动力来提供附加的横摆稳定性力矩的。但轮胎垂向载荷和路面附着系数将直接影响不对称轮胎纵向力的分配，大大降低了对车辆行驶路径的纠偏效果。在紧急制动工况下会导致制动距离变长，ESP更容易发生追尾等交通事故。AFS技术是车辆转向系统的最新发展方向之一，它可以直接方便地控制转向系统的角位移和力矩传递特性，优化轮胎力和力矩分布，抵抗轮胎刚度摄动和外界干扰，并为车辆提供一个附加横摆力矩，可有效提高车辆的操纵稳定性和行驶的安全性。
　　高速汽车是一个行驶工况复杂多变的非线动力学系统，单一的主动安全技术难以满足全局工况下稳定性控制要求。因此，将ESP和AFS进行充分有效的集成是提高汽车操纵稳定性，保障行驶安全的必然趋势，具有重要的工程价值和广泛的社会意义。针对两种主动轮胎力安全系统的集成、协调控制策略，本文的研究工作如下：
　　建立了汽车2自由度单轨参考模型，并对2自由度单轨模型进行了仿真验证结果表明了所建立的模型的准确性和有效性，然后基于ADMAS/Car多体动力学软件建立了多自由度整车动态模型，以此作为本文汽车动力学主动安全控制系统的仿真实验平台。
　　设计了一种理想变传动比曲线，在对比仿真的基础上，对曲线进行了修正。提出了一种综合理想变传动比前馈和横摆角速度反馈的主动前轮转向控制策略，采用滑模变结构技术设计了反馈控制器。通过设计ADMAS/Car和MATLAB/Simulink两个软件之间的接口，建立了AFS联合仿真平台，分别进行了角阶跃（J-Turn）实验、高速侧风干扰实验和高、低附着系数路面上单移线实验。结果表明，所设计的前馈加反馈的AFS控制器能有效提高车辆操纵性和舒适性，并改善了汽车的侧向动力学稳定性。
　　设计了横摆角速度误差的单边制动逻辑，提出了一种基于目标滑移率的单神经元PID算法的ESP控制策略，采用了一种利用车速估计实时滑移率的方法，并确立了最优目标横摆角速度和质心侧偏角的上界。基于ADMAS/Car和MATLAB/Simulink建立了ESP控制系统的联合仿真模型。分别进行了高速单移线实验和蛇形实验，仿真结果表明，所提出的控制策略能满足大变工况下的车辆操纵稳定性和主动安全性。
　　设计了一种ESP和AFS的汽车底盘集成控制系统。提出了一种基于质心侧偏角外层、横摆角速度误差内层的判断逻辑的主动轮胎力集成与协调控制策略。采用模糊权重分配法对AFS和ESP协同工作时的权重进行调节，建立了协调集成控制联合仿真模型，分别进行了低附着系数的单移线实验和正常路面的双移线实验。仿真结果表明，设计的AFS与ESP主动轮胎力集成控制策略能有效提高汽车的状态跟踪能力，相对并存控制和单一的AFS或ESP控制，从整体上最大程度提高了车辆操纵稳定性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

第二章 汽车动力学模型

2.1 二自由度单轨模型

2.2 基于ADAMS/Car的整车模型

2.3 本章小结

第三章 主动前轮转向控制系统设计

3.1 主动前轮转向系统传动特性分析

3.2 主动前轮转向控制算法

3.3 基于ADAMS/Mechatronics的主动前轮转向控制系统设计

3.4 主动前轮转向控制系统联合仿真实验及分析

3.5 本章小结

第四章 车身稳定控制系统设计

4.1 车辆侧向失稳原因及改善措施

4.2 ESP控制系统设计

4.3 基于ADAMS/Mechatronics的车身稳定控制系统设计

4.4 车身稳定控制系统联合仿真分析

4.5 本章小结

第五章 基于模糊权重分配法的协调集成控制器设计

5.1 AFS和ESP性能分析及协调集成控制的目的

5.2 协调集成控制策略设计

5.3 模糊权重分配控制算法设计及分析

5.4 协调集成控制系统联合仿真分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 论文创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果