分布式电动车横摆稳定性容错控制方法研究

摘要

面对节能减排的严峻挑战和产业升级的需求，发展电动车已成为我国重大的科技战略。分布式电动车由四个轮毂电机独立驱动，通过控制每个车轮的驱动、转向和制动，实现了车辆性能优化，提高了车辆的稳定性。同时，考虑到驱动系统的执行器存在冗余配置，以提高车辆的横摆稳定性为目标进行容错控制，针对驱动电机的不同失效类型重构控制分配率，保证车辆在发生故障后依然安全稳定的行驶。　　针对分布式电动车的容错控制，本文进行了以下研究：　　首先，本文采用分块建模思想，以三自由度车身平面运动模型为基础建立了包含轮胎模型、车轮旋转动力学模型和轮毂电机模型的整车动力学模型。通过与Carsim软件中同样参数模型对比仿真实验，验证了所建立的模型能准确表征车辆动力学响应。　　其次，为提高车辆的横摆稳定性，采用了分层的容错控制方法。上层为运动跟踪器，基于模型预测控制原理对车辆横向运动进行跟踪，由车辆当前时刻输入预测车辆下一时刻的状态，在有限的步长内，由预测状态跟踪期望值得到总的横摆力矩与前轮转角。基于PI控制原理对纵向运动进行跟踪，由车辆实际车速跟踪目标车速得到总的纵向力。下层为重构控制分配器，当车辆正常行驶时，对上层控制器得到的总的力与力矩进行名义控制分配，以轮胎的负荷率最小为目标对轮胎力优化分配。当车辆发生故障时，由故障信息判断执行器失效模式，根据不同的失效模式重构控制分配率，从而保证车辆的稳定性与安全性。　　最后，联合建立的分布式电动车模型与容错控制算法，在matlab/simulink软件中搭建开环控制系统，在不同工况下，根据故障信息和方向盘转角输入，验证了容错控制算法的有效性；同时，基于NI硬件在环测试平台，进行硬件在环测试，验证了容错控制算法的实时性与可靠性。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 分布式电动车研究现状

1.3 电动车横摆稳定性控制研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 多执行器容错控制研究现状

1.4.1 被动式容错控制

1.4.2 主动式容错控制

1.5 本文研究内容

2 车辆动力学建模与仿真

2.1 引言

2.2 整车模型架构

2.2.1 模型简化

2.2.2 车辆模型坐标系定义

2.2.3 车辆模型总体结构

2.3 分布式电动车动力学建模

2.3.1 车体动力学模型

2.3.2 轮胎模型

2.3.3 车轮旋转动力学模型

2.3.4 轮毂电机模型

2.4 轮毂电机参数设计

2.4.1 轮毂电机功率计算

2.4.2 电机峰值转矩计算

2.4.3 轮毂电机转速计算

2.5 车辆动力学模型仿真验证

2.5.1 联合仿真框图

2.5.2 车辆模型参数选取

2.5.3 联合仿真验证

2.6 本章小结

3 横摆稳定性容错控制方法研究

3.1 引言

3.2 容错控制系统总体结构

3.3 运动跟踪层控制算法研究

3.3.1 基于模型预测控制的横向运动跟踪

3.3.2 基于PI控制的纵向运动跟踪

3.4 失效分析与控制潜力研究

3.4.1 执行器失效定义

3.4.2 失效模式

3.4.3 失效控制策略

3.5 重构控制分配层

3.5.1 重构控制分配结构

3.5.2 名义控制分配

3.5.3 重构控制分配

3.6 本章总结

4 容错控制系统离线仿真分析

4.1 引言

4.2 离线仿真

4.2.1 工况1：直线行驶工况

4.2.2 工况2：角阶跃转向工况

4.2.3 工况3：单轮失效的正弦转向工况

4.2.4 工况4：双轮失效的正弦转向工况

4.3 本章小结

5 硬件在环仿真实验

5.1 引言

5.2 硬件在环简介

5.3 NI硬件在环测试平台

5.4 实时仿真验证

5.4.1 角阶跃转向实验

5.4.2 正弦转向实验

5.5 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果