一种防四轮独立驱动电动车过度转向的鲁棒不变集控制方法

摘要

本发明公开了一种防四轮独立驱动电动车过度转向的鲁棒不变集控制方法，其步骤如下：确定防车辆后轴侧向力饱和的后轴车轮侧偏角约束值αm；将后轴车轮侧偏角约束控制问题转化为车辆质心侧偏角β和横摆率γ表示的约束控制问题：取将以车辆质心侧偏角为横坐标，以横摆率为纵坐标的空间划分为两个空间；当车辆质心侧偏角和横摆率处于后轴车轮侧偏角未超出约束值的空间时，采用保证闭环稳定的横摆率跟踪控制方法；当车辆质心侧偏角和横摆率运动轨迹与约束方程相交时，设计鲁棒不变集控制器将车辆质心侧偏角和横摆率控制在交点的一个不变集内。本发明通过鲁棒不变集控制方法实现对质心横摆率和质心侧偏角的约束，从而达到防止过度转向的控制目标。

说明书

技术领域

本发明属于电动汽车横摆稳定控制技术领域，涉及一种防止四轮独立驱动电动汽车过度转向的控制方法。

背景技术

横摆稳定控制用于提高车辆的转向稳定性。传统车辆横摆稳定控制通过附加制动力矩使车辆产生横摆力矩，实现防止车辆不足转向或过度转向，提高转向安全性。由于制动力矩不宜长时间作用，故传统车辆横摆稳定控制仅在识别到不足转向或过度转向时才介入。四轮独立驱动电动汽车具有四个车轮驱动力矩连续可调和响应速度快的特点，通过调节四个车轮的驱动力矩可使车辆产生横摆力矩，实现横摆稳定控制功能。四轮独立驱动电动汽车的横摆稳定控制不受作用时间限制，转向开始时就可介入。这种横摆稳定控制方式不仅可以防止车辆不足转向或过度转向，而且可以提高车辆转向时的横摆响应动态性能。

目前，四轮独立驱动电动车横摆稳定控制的侧重点在于横摆率跟踪控制算法，即设计闭环反馈控制律使实际横摆率跟踪期望横摆率。在车速较高、转向角较大的行驶工况下，横摆跟踪控制会出现质心侧偏角迅速增加，导致车辆产生过度转向，出现车辆失稳现象。产生这一现象的原因是横摆率跟踪控制过程中，由于期望横摆率较大，附加的横摆力矩使后轮侧向力达到饱和。尽管存在多种不同的期望横摆率设计方法，力图避免期望横摆率较大产生过度转向现象，但仅依靠期望横摆率防止车辆过度转向的方式，一方面导致期望横摆率设计过于困难，另一方面车辆参数变化也会影响期望横摆率取值，故在实际中是难以实现的。

发明内容

为了解决四轮独立驱动电动汽车横摆稳定控制过程中缺乏有效地防止过度转向方法的问题，本发明提供了一种防四轮独立驱动电动车过度转向的鲁棒不变集控制方法，该方法通过鲁棒不变集控制方法实现对质心横摆率和质心侧偏角的约束，从而达到防止过度转向的控制目标。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种防四轮独立驱动电动车过度转向的鲁棒不变集控制方法，包括如下步骤：

一、通过实验数据确定防车辆后轴侧向力饱和的后轴车轮侧偏角约束值α_m。

二、将防四轮独立驱动电动车过度转向的控制问题转换为后轴侧偏角约束控制问题，即：α_r≤α_m。

三、将后轴车轮侧偏角约束控制问题转化为车辆质心侧偏角β和横摆率γ表示的约束控制问题，即：

四、取将以车辆质心侧偏角β为横坐标，以横摆率γ为纵坐标的空间划分为两个空间：后轴车轮侧偏角超出约束值α_m(α_r＞α_m)的空间和后轴车轮侧偏角未超出约束值α_m(α_r＜α_m)的空间。

五、当车辆质心侧偏角β和横摆率γ处于后轴车轮侧偏角未超出约束值α_m的空间时，采用保证闭环稳定的横摆率跟踪控制方法；

六、当车辆质心侧偏角β和横摆率γ运动轨迹与约束方程相交时，设计鲁棒不变集控制器将车辆质心侧偏角β和横摆率γ控制在交点的一个不变集内。

本发明具有如下优点：

1、本发明将约束后轮侧向力饱和作为直接控制目标，可以解决横摆率跟踪控制过程中后轮侧向力饱和而导致的过度转向问题，从而防止四轮独立驱动电动车过度转向。

2、本发明在控制器设计中，由于车轮的侧向力可以通过侧偏角表征，故将对后轴侧向力的约束转化为对后轴侧偏角的约束，又因为后轴侧偏角可以通过车辆质心横摆率和质心侧偏角表示，因而，可以根据后轴侧偏角的计算式再转化为对状态变量(横摆率和质心侧偏角)的约束，从而设计鲁棒不变集控制器实现对质心横摆率和质心侧偏角的约束，进而达到防止过度转向的控制目标。

附图说明

图1为确定防车辆后轴侧向力饱和的后轴车轮侧偏角约束值α_m示意图；

图2为由车辆质心侧偏角和横摆率表示的约束方程将以车辆质心侧偏角横坐标，以横摆率为纵坐标的空间划分为两个空间示意图；

图3为公式(4)式描述的系统的状态轨迹与约束方程相交于A1点示意图；

图4为本发明算法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种防四轮独立驱动电动车过度转向的鲁棒不变集控制方法，具体实施步骤如下：

步骤S1：通过实验数据确定防车辆后轴侧向力饱和的后轴车轮侧偏角约束值α_m。

由图1可知，后轴侧向力与侧偏角呈非线性关系，且具有饱和特性。确定的α_m为后轴侧向力接近饱和时的后轴车轮侧偏角值。

步骤S2：将后轴车轮侧偏角约束方程转化为车辆质心侧偏角和横摆率表示的约束方程。

后轴侧偏角约束方程为：

α_r≤α_m>

式中，α_r为后轴车轮侧偏角。

后轴车轮侧偏角α_r与质心侧偏角β和质心横摆率γ的关系为：

式中，l_r为质心到后轴车轮的距离；v_x为质心纵向车速。

由公式(1)和(2)得到将后轴侧偏角的约束方程转化为车辆质心侧偏角和横摆率表示的约束方程：

步骤S3：取将以车辆质心侧偏角为横坐标，以横摆率为纵坐标的空间划分为两个空间：后轴车轮侧偏角超出约束值α_m(α_r＞α_m)的空间和后轴车轮侧偏角未超出约束值α_m(α_r＜α_m)的空间，如图2所示。

步骤S4：当车辆质心侧偏角和横摆率处于后轴车轮侧偏角未超出约束值α_m的空间时，采用保证闭环稳定的横摆率跟踪控制方法，具体步骤如下：

(1)以质心侧偏角β和质心横摆率γ为状态变量，x＝(β,γ)^T，内外侧车轮扭矩差ΔT作为控制量，u＝ΔT，考虑系统未建模动态特性w＝[w₁>2]^T，得到单轨侧向动力学模型如下：

其中：

式中，m为整车质量，v_x为质心纵向速度，I_z为车辆绕质心处z轴方向的转动惯量，C_f,r为前后轴平均侧偏刚度，l_f,r为前后轴到质心的距离，b为平均轮距，R为前轮转向角，δ为前轮转向角，w₁为内外侧车轮侧向力折算到轴侧向力时产生的误差，w₂为内外侧车轮滚动扭矩和风阻扭矩差折算到轴侧向力时产生的误差。

(2)采用任何保证公式(4)闭环稳定的控制器即可。

步骤S5：当车辆质心侧偏角和横摆率运动轨迹与约束方程相交时，采用鲁棒不变集控制方法，并将车辆质心侧偏角和横摆率约束在交点的邻域内，具体步骤如下：

(1)交点的描述

设公式(4)描述的系统的状态轨迹与约束方程相交于A1点，如图3所示。记A1的坐标为(x₁₀,x₂₀)^T，则A1点的动力学方程为：

(2)坐标变换

当公式(4)描述的状态轨迹与约束方程相交时，设z₁＝x₁-x₁₀，x₂＝x₂-x₂₀，则由公式(4)和(5)可得：

其中，z＝(z₁,z₂)^T，

(3)鲁棒不变集描述

对于公式(6)描述的系统，若z(t₀)∈Ω，且在控制律的作用下，有：

式中，Ω为鲁棒不变集。

(4)设计鲁棒不变集控制器

对于公式(6)描述的系统，若存在正定对称阵X∈R^n×n，矩阵Y∈R^m×n，标量λ＞0，μ＞0，使得如下线性矩阵不等式成立：

且令P＝X^-1，K＝YX^-1，则得到鲁棒不变集控制量

步骤S6：将步骤S5设计的鲁棒不变集控制器进行车辆横摆稳定控制。

将鲁棒不变集控制量和公式(5)的控制量u₀相加，得到防过度转向的横摆稳定控制量算法流程图如图4所示。