极限工况下汽车转向失稳的非线性动力学特性与主动控制研究

摘要

随着社会节奏的加快和高等级公路的发展，现代汽车的行驶速度越来越高，这给行车安全带来了极大的隐患，保持高速大转向即极限工况下汽车的转向稳定性是现代汽车发展所要面临的重要课题。通过主动前轮转向（Active Front Steering， AFS）、四轮转向（Four Wheel Steering，4WS）和基于横摆力矩控制的稳定性控制系统（Electronic Stability Program，ESP）改善汽车的操纵稳定性代表了现代汽车主动安全技术的发展方向。本课题研究的重点之一就是极限工况下汽车转向失稳的非线性动力学特性分析。从车辆动力学的角度来讲，极限工况下汽车的转向行为与常规工况有很大的不同，轮胎力达到饱和，系统呈现强非线性特性，需要从非线性动力学的角度探索极限工况下汽车的转向特性，从而为汽车稳定性控制系统提供更为丰富的理论依据。 本文重点讨论极限工况下汽车转向失稳的非线性动力学特性，包括分岔与稳定性等；研究基于状态流形的极限工况下汽车转向失稳的动态机制；探讨稳态转向失稳的预报方法及应用；研究大变化工况下底盘稳定性的鲁棒控制等内容。 分析汽车转向动力学的基本问题，讨论了不足转向梯度、操纵图法等汽车稳态转向动力学特性的分析方法；分析了基于线性轮胎模型的汽车转向稳定性，并应用参数根轨迹的方法对汽车的转向稳定性与横摆阻尼特性进行了对比分析；在理论分析的基础上，进行了汽车操稳性的实车试验，验证了理论分析的结果，并通过试验指出了现有汽车转向动力学分析和评价方法的不足，直接应用于底盘稳定性控制比较困难，引出了下文研究的问题。 研究了汽车稳态转向失稳的静态分岔特性。综合考虑轮胎的非线性特性和解析分析的需要，应用多项式平方轮胎模型建立了包含侧倾运动和平面运动的四维（4-D）非线性汽车转向动力学系统；借助于非线性动力学中心流形理论将高维系统降为一维中心流形系统，理论推导和实例分析表明，汽车稳态转向时不会出现Hopf分岔极限环现象，但是随着车速和前轮转角的增加将发生鞍结分岔，发生鞍结分岔后稳定的平衡点消失，若不采取措施，汽车将最终失去控制。研究了通过状态反馈并借助主动前轮转向系统对分岔点进行镇定，结果表明，对分岔点进行镇定可以延缓分岔的发生，增加了汽车稳态转向的稳定性。 基于非线性动力学的分岔与状态流形理论研究了汽车稳态转向和非稳态转向失稳的动态机制，并用数值方法对极限工况下汽车转向的频率特性进行了分析和讨论。给出了描述汽车发生静态分岔后，转向失稳动态过程的状态流形演化图；提出了将稳态转向失稳的动态过程划分为发展阶段和失控阶段两个阶段的新思想，一方面方便了对转向失稳的动态机制的描述和理解，另一方面，通过这种划分思想将非线性分岔分析的结果直接应用于底盘稳定性控制，即根据质心侧偏角的状态响应来进行控制逻辑的设计和决策。在失稳的发展阶段状态运动缓慢，进入失控阶段，运动急剧加快，并在有限的时间内通向无穷远处，导致汽车失去控制。在非稳态转向操作中，即使转向角暂时超过分岔值，如果系统状态仍处于失稳的发展阶段，汽车并没完全失控，还可以通过主动转向等底盘主动安全系统来使汽车恢复到稳定的转向状态，一旦状态进入失控阶段，汽车将迅速失去控制，通过主动控制系统改善其稳定性比较困难。 研究了汽车稳态转向失稳的实时预报方法及在汽车稳定性控制中的应用。研究了基于奇异值分解法和u-δf，参数空间中实时追踪最近分岔点的汽车稳态转向失稳的预报方法，提出了基于稳态转向失稳预报的汽车稳定性控制的新思路，直接将非线性分岔分析的结果应用于汽车的稳定性控制系统的实时决策，迈出了将非线性动力学应用到底盘稳定性控制的关键的一步。讨论了极限转向角的取值对主动转向控制性能的影响，结果表明，极限转向角取小于分岔参数值时基本不影响控制性能，而超过分岔参数值后，对控制性能的影响明显，且随着极限转向角值的增加控制性能下降。 研究了考虑模型参数不确定性和大变化工况下汽车转向稳定性的鲁棒控制问题。建立了多功能试验车的9-DOF非线性车辆模型，并通过实车试验对模型进行了测试，以作为控制方案仿真验证的平台，通过多次调整汽车结构参数使仿真结果向试验结果靠拢，并以此估计了相关的汽车结构参数；讨论了汽车稳定性控制系统的鲁棒设计方法，提出了基于线性变参数（LPV）方法的汽车稳定性鲁棒增益自调度控制方法，建立了关于轮胎侧偏刚度和车速的多胞控制模型，非线性仿真表明，该控制方案对车速、路面附着系数的变化具有较强的鲁棒性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.2汽车转向动力学研究进展

1.2.1汽车转向动力学分析和评价方法概述

1.2.2汽车转向动力学的非线性分析方法研究动态

1.3汽车底盘主动控制技术的发展现状

1.4汽车稳定性控制策略的研究进展

1.5论文的研究内容及组织安排

第2章汽车稳态转向特性分析与试验

2.1引言

2.2轮胎的转向力特性

2.3稳态转向的操纵特性

2.3.1基本操纵特性分析

2.3.2操纵图分析

2.4稳态转向的稳定性

2.4.1稳定性条件

2.4.2参数根轨迹分析

2.5稳态转向特性试验

2.5.1试验方法与步骤

2.5.2结果讨论

2.6本章小结

第3章 汽车稳态转向失稳的静态分岔特性

3.1引言

3.2汽车转向非线性动力学系统建模

3.3分岔与中心流形理论

3.3.1平衡点分岔

3.3.2中心流形理论及系统降维实现

3.4汽车稳态转向的平衡点分岔行为

3.4.1非线性稳定性分析

3.4.2非线性转向动力系统降维

3.4.3分岔分析

3.5稳态转向分岔点镇定

3.6本章小结

第4章 极限工况下汽车转向失稳的动态机制

4.1引言

4.2稳态转向失稳的动态机制

4.2.1状态流形理论

4.2.2鞍结分岔点附近的动态行为

4.2.3汽车稳态转向失稳的动态机制分析

4.3非稳态转向失稳的动态机制

4.4极限工况下汽车转向的非线性频率特性

4.5本章小结

第5章 汽车稳态转向失稳的预报方法及应用研究

5.1引言

5.2基于奇异值分解的汽车稳态转向失稳的预报

5.2.1奇异值分解理论

5.2.2基于最小奇异值的汽车稳态转向失稳的预报算法

5.3基于最近分岔点实时追踪的汽车稳态转向失稳的预报

5.3.1最近分岔点追踪的理论分析

5.3.2汽车稳态转向最近分岔点的追踪算法

5.4比较分析

5.5基于稳态转向失稳预报的稳定性控制

5.5.1参考响应模型

5.5.2急促移线操作响应分析

5.5.3稳态转向失稳预报在底盘集成控制中的应用

5.6本章小结

第6章考虑参数不确定性的汽车转向稳定性控制

6.1引言

6.2非线性车辆模型

6.2.1整车模型

6.2.2轮胎模型

6.2.3转向执行器模型

6.3模型测试与参数估计实车试验

6.3.1试验介绍

6.3.2急促移线试验

6.4控制系统结构

6.5不确定模型的描述

6.6参数不确定性汽车稳定性控制模型

6.6.1控制模型的推导

6.6.2参数不确定性控制模型的建立

6.7基于鲁棒H∞的汽车稳定性控制

6.7.1标准鲁棒H∞优化控制问题

6.7.2鲁棒H∞状态反馈控制

6.8汽车转向稳定性的鲁棒H∞增益自调度控制

6.8.1 LPV系统的鲁棒H∞增益自调度控制

6.8.2多胞模型的建立

6.8.3鲁棒H∞增益自调度控制系统设计

6.8.4非线性仿真分析

6.9本章小结

结论与展望

附录 试验车结构参数

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

发表论文一

发表论文二