基于EPS/ESP的汽车横向运动稳定性及其混沌控制研究

摘要

近年来随着我国汽车工业的蓬勃发展，汽车已经逐渐走入了人们的日常生活之中。由于驾驶人员的不当操作等原因，导致了汽车在行驶过程中因横向失稳而造成的交通事故增多，给人身财产安全带来了巨大的损失。对保持汽车在急速转向或高速避障等极限行驶工况中的横向稳定性的主动安全技术的研究成为了热点。本文主要从对电动助力转向系统(Electric power steering，EPS)、汽车稳定性控制系统(Electronic stability program，ESP)以及横向运动中的混沌等方面进行了相关研究，来改善汽车横向稳定性。
　　论文首先回顾了汽车稳定性研究的发展历程，介绍了EPS与ESP系统的工作原理以及它们在改善汽车稳定性方面的研究，再讨论了转向系统与ESP系统集成控制方面的研究，最后介绍了在汽车领域内对混沌的研究。总结了目前在汽车稳定性方面的研究现状。
　　针对目前EPS控制器多是建立在确定数学模型基础之上的这一不足，建立了考虑转向系统转向柱刚度、助力电机电感以及助力电机传动机构减速比三个参数变化的EPS系统线性变参数(Linear parameter varying，LPV)模型，设计了H∞鲁棒控制器，并进行了仿真与硬件在环试验，结果均表明本文提出的该鲁棒控制器的控制作用比传统的EPS系统鲁棒控制具有更好的效果，使EPS系统的助力性能、路感以及汽车的操纵性能都得了改善。
　　由于目前在ESP系统研究中，参考模型中的参数都是不变的，但是汽车在实际行驶中质心位置会因为加减速发生变化。针对这一不足，论文中建立了描述汽车横摆、侧向、纵向、垂向、侧倾以及包括四个车轮运动的汽车模型，利用卡尔曼滤波状态观测器实现对前后悬架力的估计，利用遗忘因子的递推最小二乘估计方法实现了对质心位置的估计;并运用该估计得到的质心位置来修正参考模型得到的横摆角速度与质心侧偏角的期望值，再设计了ESP系统的参数自整定模糊PID控制器;最后利用通过仿真表明本文提出的考虑质心位置变化的ESP控制器比未考虑的控制效果要好，使汽车在高速转向制动行驶时具有更好的横向稳定性。
　　分析了EPS与ESP两系统在汽车高速转向或是紧急避障过程中对稳定性所发挥的贡献，利用Vague集的多目标模糊决策方法设计了上层控制器，实现了对EPS与ESP系统的分层协调控制，并通过对EPS与ESP控制器各自独立作用与分层作用两种情况进行了仿真，仿真结果表明分层协调控制的汽车在高速转向或者是连续避障工况下具有更好的横向稳定性。之后建立了三自由度汽车非线性模型，基于Lyapunov方法对其进行了横向运动的混沌分析和数值仿真，结果表明在一定条件下，汽车的横向运动是会出现混沌现象的。
　　用自适应趋近律滑模变结构控制器对汽车的混沌进行控制，使汽车横向运动过程中的混沌现象得到了较好的抑制，并对未控制、滑模控制以及自适应趋近律滑模控制三种情况进行了数值仿真，仿真结果表明自适应趋近律滑模变结构控制对汽车的混沌有较好的抑制效果。
　　搭建了基于VBoxⅢ数据采集系统的实车试验系统，基于质心位置修正的ESP控制算法设计了控制器，并利用该控制器在实车上进行了干燥与湿滑路面两种情况下的双移线试验，试验结果与数值仿真结果相符合，验证了本文所提出控制策略的有效性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 EPS与ESP系统简介

1．2．1 EPS系统简介

1．2．2 ESP系统简介

1．3 汽车横向稳定性控制典型结构

1．4 研究现状概述

1．4．1 汽车横向运动稳定性研究概况

1．4．2 汽车非线性系统的混沌研究概况

1．5 本文研究的主要内容

第二章 考虑参数不确定的EPS系统控制研究

2．1 引言

2．2 EPS系统模型的建立

2．2．1 汽车动力学模型

2．2．2 汽车的EPS模型

2．2．3 状态空间方程

2．3 H∞鲁棒控制理论

2．4 EPS的LPV／H∞控制器设计

2．4．1 EPS系统助力特性

2．4．2 EPS系统控制的目标

2．4．3 LPV系统多胞模型

2．4．4 LPV系统的H∞控制器设计

2．5 仿真计算与硬件在环仿真试验

2．5．1 仿真计算与分析

2．5．2 硬件在环仿真试验

2．6 本章小结

第三章 基于质心位置估计的ESP控制研究

3．1 引言

3．2 汽车系统模型的建立

3．2．1 整车模型

3．2．2 汽车垂向模型

3．2．3 轮胎模型

3．2．4 路面输入模型

3．3 基于FFRLS的质心位置估计

3．3．1 FFRLS方法概述

3．3．2 基于卡尔曼滤波的状态观测器设计

3．3．3 FFRLS方法对质心位置的估计与仿真

3．4 FSP系统参数自整定模糊PID控制

3．4．1 自适应模糊控制

3．4．2 ESP参数自整定模糊PID控制器设计

3．5 仿真分析

3．6 本章小结

第四章 基于EPS／ESP的汽车稳定性控制与混沌分析

4．1 引言

4．2 基于EPS／ESP的汽车稳定性控制

4．2．1 多目标模糊决策

4．2．2 基于EPS／ESP稳定性分层协调控制

4．3．3 仿真分析

4．3 基于Lyapunov方法的汽车横向运动混沌分析

4．3．1 混沌简介

4．3．2 非线性系统模型

4．3．3 汽车横向运动的Lyapunov混沌分析

4．3．4 仿真研究

4．4 本章小结

第五章 汽车横向运动的混沌控制研究

5．1 引言

5．2 混沌控制方法

5．2．1 混沌反馈控制方法

5．2．2 滑模变结构控制方法

5．3 基于自适应趋近律的滑模变结构控制

5．3．1 SMVSC控制器设计

5．3．2 模糊自适应趋近规则的实现

5．4 仿真分析

5．4．1 阶跃转向工况

5．4．2 正弦输入工况

5．5 本章小结

第六章 汽车稳定性控制的实车试验研究

6．1 引言

6．2 实车试验测试系统组成

6．2．1 VBox Ⅲ数据采集系统

6．2．2 开发的ESP控制器

6．2．3 试验用车及其他

6．3 实车试验

6．3．1 干燥路面双移线试验

6．3．2 湿滑路面双移线试验

6．4 本章小结

第七章 全文总结

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 建议

参考文献

附录

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况