基于模型预测的车辆底盘包络控制研究

摘要

为了提高车辆在复杂工况下的主动安全性与舒适性，车辆上安装有不同类型的主动安全控制系统（例如EBS/ABS、4WS、ESC等）。通常情况下，这些控制系统由不同的供应商开发和供应，单独工作时可以在不同程度提高车辆的主动安全性和舒适性。但是，当这些主动安全系统在同一车辆上一起工作时，由于系统之间的耦合作用，往往会引发一些系统性的冲突。因此，自20世纪80年代起，车辆的集成系统动力学与控制逐渐成为车辆主动安全领域关注的重点，并逐渐发展成为现在研究的热点之一。
　　本文的研究工作是结合两项国家自然基金项目研究内容“基于轮胎力最优分配的车辆底盘集成控制系统研究（项目号：50875163）”和“基于人-车交互作用的车辆运动包络控制研究（项目号：51375299）”以及上汽基金项目“基于人-车-路闭环系统的操稳评价体系研究与开发的研究内容基础上（项目号：SAIC:1007）”进行的。针对车辆集成控制中如何有效地避免子系统之间的冲突、如何有效地减少或避免由驾驶员误操作或路况的突然变化导致的车辆失控所造成人员伤亡等问题，本文进行了综合分析，提出了一种基于模型预测控制方法的车辆底盘包络集成控制策略。
　　首先，建立车辆数学模型，对车辆信息进行分析处理。例如，估计得到车辆轮胎地面纵向和侧向作用力大小及其极限值等，为包络集成控制系统的模型预测算法提供优化方程的边界极限值，为执行机构提供必要的控制信息，提高其跟踪执行目标值的能力。
　　其次，基于模型预测控制方法，设计了具有主环/伺服环结构的分层式车辆底盘包络控制系统。其中，主环控制层是基于包络集成控制策略的整车协调控制核心，其主要功能是将车辆的横摆角速度和侧偏角有效的控制在安全极限范围内，为伺服环系统（EBS、ESC、AFS）提供目标控制量。具体而言，采用基于模型的分析方法，从整车系统角度得到其包络特性，尤其是不同工况下驾驶员输入的最大转向角输入极限特性。然后，基于模型预测控制方法得到最优控制力/力矩计算及分配策略，以实现对整车进行有效控制。
　　伺服环控制层主要包括以下两方面内容：一方面是伺服环控制系统设计，纵向力控制系统是在现有电子制动系统（Electronic Braking System，EBS）/电子稳定控制系统（Electronic Stability Control，ESC）、主动前轮转向系统（Active Front Steering System，AFS）系统的基础上，建立了基于非奇异快速终端滑模控制的EBS/ESC系统，以实现对车辆纵向力目标变量进行跟踪控制；侧向力控制系统，建立了 AFS控制系统以执行对目标转向角的跟踪和控制。另一方面是关键控制变量状态估计，通过对伺服环子控制系统的信息进行分析、融合，将有效的车辆信息反馈给上层集成控制系统。同样，采用EBS系统的有效信息实现对车辆轮胎地面纵向作用力/力矩进行估计；利用AFS系统感知得到的转向轮自回正力矩，对轮胎的侧偏特性进行估计，例如侧偏刚度、侧向力。
　　最后，论文对所设计的系统进行了仿真分析，验证了控制系统的有效性。通过对包括阶跃输入、正弦输入、Slalom等工况的仿真分析，表明所提出的基于模型预测的车辆底盘包络集成控制系统能够有效的对车辆进行包络控制防止驾驶员误操作；能够有效的协调EBS/ESC系统和AFS系统，获得比这两种系统单独工作更好的控制效果，提高车辆在极限工况下的操纵稳定性。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.3论文的研究内容和思路

第二章车辆系统动力学建模

2.1车辆坐标系

2.2轮胎系统动力学建模

2.3整车系统动力学建模

2.4轮胎特性及其数学模型

2.5本章小结

第三章车辆底盘包络控制系统

3.1分层式底盘包络控制系统结构设计

3.2包络控制系统设计

3.3基于模型预测控制的最优力/力矩分配系统设计

3.4本章小结

第四章车辆执行系统EBS/AFS控制策略设计

4.1车辆电子制动系统EBS控制策略设计

4.2基于主动前轮转向的车辆转向特性分析

4.3本章小结

第五章车辆底盘包络集成系统仿真分析

5.1基于快速终端滑模的EBS控制系统仿真分析

5.2车辆底盘包络控制系统仿真结果

5.3本章小结

第六章总结与展望

6.1论文总结及创新点

6.2论文存在不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间已发表或录用的论文

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