電動汽車AFS與DYC集成控制策略研究

編 畢業(yè)論文AFSDYC 方略研學生姓 李明 能源與動力學 車輛工 指導教 沈 講本科畢業(yè)設計（論文）作者簽名 6月10 AFSDYC汽車主動安全技術通過近幾十年的發(fā)展，特別是主動前輪轉向（ActiveFrontSteering,AFSDYC技術提供更為廣闊的技術平臺。DYC核心詞：電動汽車，車輛穩(wěn)定性控制，滑?？刂?，simulinkIntegrationcontroltacticofAFSandDYCinelectricWithnearly50yearsofdevelopment,theapplicationofAFS(ActiveFrontSteering)andDYC(DirectYawControl)becomesmoreandmorewilderandriperintraditionalinternal-combustionenginevehiclesandGreatlyimprovethevehiclesteeringstability.Butwiththedevelopmentofelectricvehicle,especiallymakingbreakthroughinWheelhubmotortechnology,itismorecontrollableandflexiblethantraditionalvehicleandcan providesmorebroadtechnologyplatformforAFSandDYCtechnology.However,theincreasingpeople’srequirementforactivesafetytechnology,promotingthedevelopmentofintegrationcontrolofAFSandDYC.butthereisacoordinatedcontrolprobleminintegrationcontrolmeansofAFSandDYC,namelywhentheyareworkingtogether,theyawmomentproducedbythemwillinteracteachother.Thisconditionnotonlyaddtheburdenofcontrolsystem,butalsoreducesystem’seffect.Therefore,thispapersupplyahierarchicalcontrolmethodtosolvethecoordinatedcontrolprobleminintegrationcontrolmeansofAFSandDYC,andAFSandDYCcontrollerthroughslidingmodecontroltheory.WhenlateralforceoftireisinLinearrange,desiredyawmomentisachievedbyAFScontroller,WhenlateralforceoftireisoutofLinearrange,desiredyawmomentisachievedbyDYCcontroller.Then,SimulationmodelofthesystemisbuiltinSimulink.Atlast,doublemovinglineSimulationtestiscarriedoutinhighandlowvoiceconditionandeffectivityofintegratedcontrolwayisverified.Keywords:electricvehicle,vehiclestabilitycontrol,slidingmodcontrol,simulink 摘 第一章緒 研究意義與背 研究現(xiàn) 國外研究現(xiàn) 國內研究現(xiàn) 本文的研究內 第二章控制理 滑模控制的原 滑模變構造定 滑動模態(tài)的存在 滑模運動達成條 滑模運動的趨近 滑?？刂频膬?yōu) 第三章控制器的設 汽車線性動力學模 汽車二自由度線性模 車輛抱負參考模 AFS控制器設 DYC控制器設 控制分派算 集成控制器設 第四章仿真成果與分 Matlab/Simulink仿真軟件介 仿真成果分 第五章總結與展 全文總 研究展 參考文 致 80%。在對這些交通事故發(fā)生80km/h100km/h之間行駛的汽車發(fā)生的交通事故，40%是與汽車側向失穩(wěn)有關。汽車行駛速度越高，失穩(wěn)引發(fā)的交通事件的比例越高，當車速超出160km/h時，幾乎每起交通事故都是由于側向失穩(wěn)而產生的[1]。20(ABS)輛穩(wěn)定性理念[2]BOSCHVDC概念，BenzESP概念，豐VSC概念。行駛安全性，許多汽車公司，例如飛馳和寶馬，提出了諸如或類似前輪主動轉向（ActiveFrontSteeringAFS)和直接橫擺力矩控制（DirectYawControl,DYC)等直接對汽車的橫擺運動的操縱穩(wěn)定性，但是車輛在極限工況下行駛時，AFSDYC會造成互相干預、互相影響的AFSDYC進行分層控制以發(fā)揮各自的優(yōu)點；同時，隨著電動汽車技術的提高，AFSDYC控制辦法有了更加靈活、有效的實現(xiàn)平臺，因此，聯(lián)合電動AFS/DYC集成控制方略的研宄有助于進一步提高汽車的穩(wěn)定性。1.1?；诖?，四輪獨立驅動電動輪汽車能實現(xiàn)主動懸架的集成控制。四輪獨立驅動輪轂1.1ProteanAFSDYC聯(lián)合控制的應用有更加好的效果。（2）傳統(tǒng)汽車，AFSDYC聯(lián)合控制的實現(xiàn)。（3）通過對于汽車底盤集成控制性能潛力的挖掘，現(xiàn)已出現(xiàn)了獨立制動/驅動/主動懸架于一體的輪轂電機總成，如圖1.2所示，該系統(tǒng)AFSDYCSDC通過分層控制構造對其建立集成控制辦法，充足運用其的優(yōu)點，提高汽車的操縱穩(wěn)定性。并充足挖掘輪轂電機電動車性能潛力將其優(yōu)勢與汽車穩(wěn)定控制的規(guī)定相結合，以設計出一種能克服傳統(tǒng)SDC單獨控制方式的缺點的控制方案。

圖1.2驅動/制動/車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)是汽車電子控研究的前沿，通過近25年的發(fā)展正逐步形成為一AFSDYC集成控制系統(tǒng)，隨著研究的不停進一步，集成控制系統(tǒng)考慮的因素越來越多，Nagai等人考慮了主動前輪轉向和直接橫擺力矩聯(lián)合控制對改善開環(huán)汽車的操縱穩(wěn)定性Yoshioka等人使用了滑?？刂评碚搧韺崿F(xiàn)直接橫擺力矩控制(DYC)，克服了某些不擬定oii:一種高性能ASC的質心側偏角和橫擺用速度解稱控制,基于質心側偏用含糊觀察器的直接橫擺力矩控制,以及基于最大驅動轉矩預計的牽引控制辦法[5-7]。MasaoNagai實驗室在、先后對主動前輪轉向(AFS)與直接橫擺力矩控制(DYC)集成控制Nagai,shinoM等人設計了前饋控制器和魯棒次優(yōu)狀態(tài)反饋控制器對主動前輪轉向和橫擺AFSDYC在橫擺角速度或者質心側偏角方面的集北京理工大學的陳思忠專家研究了把輪胎的非線性和汽車動力性考慮在內的直接橫擺力矩控制(DYC)，以提高大側偏角和高側向加速度的操縱穩(wěn)定性和主動安全性[11]。清華大學李克強專家運用四輪驅動電機轉矩獨立可控的優(yōu)勢,在建立了不同優(yōu)化目的函數(shù)條件下,這些不同的優(yōu)化分派約束條件,采用控制算法對輪胎縱向力進行實時動態(tài)分派,調節(jié)車輛的行駛狀態(tài)[12]。ASC有了一定的研究，但現(xiàn)階段仍然是著力于開發(fā)單AC系統(tǒng)無法在SC的聯(lián)合控制辦法進行了探討，通過采用分層控制構造方略，制訂了兩者在汽車穩(wěn)定性控制中的協(xié)作方式和工作條件。但是由于汽車輪胎側向力固有的非線性特性，AFS在車輛線性操作區(qū)域內對穩(wěn)定性控制AFSDYC各自的缺點，同時又不會對現(xiàn)有基礎做出大的改動，本文又研究AFS/DYC的集成控制方略辦法，該辦法是通過調節(jié)在兩種控制模式下主動前輪系統(tǒng)產生AFSDYC控制器。其中，駕駛員輸出駕駛意圖，參考模型輸出抱負狀態(tài)并被用于判斷駕駛意圖的穩(wěn)定性。AFSDYC控制器則是根據(jù)駕駛意圖與抱負狀態(tài)的差值來AFS控制器是在線性狀態(tài)下控制狀態(tài)響應，DYCAFS控制器起到了賠償?shù)淖饔谩５倪\動品質并能能夠克服系統(tǒng)的不擬定性,對干擾和未建模動態(tài)含有很強的魯棒性的優(yōu)點。上世紀50年代前蘇聯(lián)學者提出變構造控制方案，變構造控制來源于繼電器控制和Bang-Bang控制，它與傳統(tǒng)控制的區(qū)別在于它的不持續(xù)性?；？刂剖亲儤嬙炜刂频囊粋€60余年的發(fā)展滑?？刂埔研纬闪艘惶妆容^完善的理論體系，并已廣泛xfx,u,t

謀求變構造控制

xRn,uRm,tsx,s

u iuix ii

iux sx?ii這里變構造體現(xiàn)在uxux,滑動模態(tài)存在——Sss>s=ABCs<2.12.1所示，在切換面上的點有三種狀況:A點，穿過此點達成滑模面BC點，從兩側點構成的區(qū)域叫做滑模區(qū)，在該區(qū)上的運動稱為滑膜運動。假設式(2.1)m維狀態(tài)空間中的s(x=0s(x)0運動時，fx,u,t

limfx,u,tlimfx,u,tfx,u,t

fx,u,tfx,u,t

ds

sdxigrads

i1xi式(2.5)fn維列向量；grad(s)S(x0的梯度向量，它是行向量，代表切換面的法線方向。按照式(2.1)、(2.4)、(2.5),下面的極限存在:limdsgradsft0limdsgradsft0

式(2.6)ffff(i=1，……，m)m limdsgradsft0limdsgradsft0

x(0)(x)0的附近，而是在狀態(tài)空間的任何位置，此時規(guī)定系統(tǒng)0否則系統(tǒng)無法啟動滑模運動[19]。由滑動模態(tài)的存在條件能夠得到啟示是，重要狀態(tài)空間的點滿足sxdsx

系統(tǒng)的解（s(x)>0一側）s(x)=0表達的切換面，并且于有限時間內達成切換面，s是標量函數(shù)。 即初始條件為tx 0 xtx(t,x,t),sx0

00s(x)<0s?

s

s?

s最后，可對(2.10)

ks趨近速度取決于εsgns。因此，常將k值獲得較大，ε值較小，以確保系統(tǒng)狀態(tài)能以由快sksαsgn(s),?0?α?

s

另外，上訴四種趨近律都滿足式(2.11)外界的干擾無關。因此其能夠克服系統(tǒng)運動的不擬定性,對干擾和未建模動態(tài)含有很強的魯棒性和對運動的成果有較好的容錯率,特別是對非線性系統(tǒng)的控制含有良好的控制效果。另s(x)=0，其運動DYCyyvδfψaxbβ3.12.2所示，汽車線性二自由度動力學模型的兩個自由度分別為側向運動(V)和橫擺運動（r),3.1所示。其運動學微分方程以下所示：mv(βr)(cc)βcfacrbc

fIr(cbc

rfca2crf

rc

cf和crvβ為質心偏側角，δf

frT，輸入向量uδf

XAX

A B

22

22

rb

11

ra21βa22r

fcr

，

1

cfacrb

，

acrbIz

,

a2crIzvrfbcf, cf zzdd望的橫擺角速度rd和盼望的質心偏側角βd。由于大多數(shù)汽車采用前輪轉向的方式，因此本節(jié)基于前輪轉向汽車的動力學模型來計算橫擺角速度rd。ddXd

量

XdAd

0

0A 1A τ

Bkdddτ

dIzv

dk

cfffrcf a2crcf

mv2

a

r1

kd

d 對r1rkdδ

rd

ff

但是，由于汽車的最大側向加速度又受到地面附著系數(shù)的約束，即ayvyvxrayg。因此，實際的橫擺角速度需要受到限制，如式（3.7）所示[23]rd

0.85v

因此，盼望的橫擺角速度rdrmin

AFSAFS控制器的作用是通過主動增加或減小車輛的前輪轉向角來實現(xiàn)車輛轉向控制。本節(jié)AFS控制器，盡量的減少車輛實際橫擺角速度r、質心側偏角β分別與參考模型上輸出的盼望橫擺角速度rd和盼望質心側偏角βdXXde1XXd

rr

d要使實際輸出達成盼望值，即是使系統(tǒng)誤差e1S1C1e1C1rr

d其中，權值矩陣C c，本文取c1和

對（3.11）進行求導，并結合式（3.3）和（3.5）111SCXXC111d

BuAd

BdudCA(XX)AXAXBuBuBuBu

d CAAAXBBuBuu

1 K1和ε1為對角增益矩陣，且對角數(shù)皆為正數(shù)。SCAA

XBBuBuu

KSεsgnS1 當系統(tǒng)誤差在滑動模態(tài)，即SS0

uCB1CACA

XCBB

KSεsgnS

1

1 至此，AFS控制器設計完畢，控制器的輸入為抱負參考模型的輸出狀態(tài)向量rd和βd)以DYCDYC控制器的作用是通過控制輪轂電機的驅動/制動力來實現(xiàn)車輛轉向過程中所需的附DYCAFS控制器在輪胎非線性區(qū)域控制局限性的缺點，進而減少車輛實際橫擺角速度r、質心側偏角β分別與參考模型上輸出的盼望橫擺角速度rd和盼望質心側偏角βdAFS控制器的設計相比，這里仍采用車輛二自由度線動力學模型。但是，由于要控制Mz。因此，需要對式(3.2)的線性模Ir(cb

ca2c

r

rfrf

同時，為簡化滑?？刂破鞯脑O計，定義實際橫擺角速度r和盼望橫擺角速度rde2

S2e2r

對式中(3.17)進行求導，并將式(3.16)rf1 ca2c rf S2

r

(cbcIz

r

dd

S2

2

ε

2 222式中，ε2K2為正數(shù)的可調增益。2 222S2

(crbcfIz

ca2cIzv

rcfIz

MzIzMzI

εsgnS

最后，對式(3.20)進行變換，可得滑?？刂破鞯妮斎胱兞縈2 (cbca)βca2c c 2M

f rf

K

εsgnS

II IIz

Izv

2 zAFS控制器輸出的前輪轉角能確保e10，即e1rrd0，也即rrd對于前輪轉向汽車的二自由度線性模型來說，橫擺角速度導數(shù)r柯可由式（3.2）將其與式(3.22)和rrd0結合，可得輪胎在線性區(qū)域可得輸入橫擺控制力矩MzMzIz

2

εsgnS

22又由于r22

0

r

0

0，

2

ε

22最后得出輪胎在線性區(qū)域時輸入的汽車橫擺控制力矩MzDYC控制器的輸出為0。由此證明，在線性區(qū)域時，DYC控制器不起作用，而當輪胎進入非線性區(qū)域時，DYC22至此，DYC控制器設計完畢，控制器的輸入為抱負參考模型的橫擺角速度輸出rd、AFS控制器輸出變量δf，和車輛的反饋狀態(tài)r和β)，輸出為直接橫擺力矩Mz。二次規(guī)劃問題是指無約束或有線性約束的二次函數(shù)的最優(yōu)化問題。有關二次規(guī)劃的理論和算法的研究在非線性規(guī)劃的發(fā)展過程中占有相稱的地位，這不僅由于某些實際問題可轉化為二次規(guī)劃問題，并且普通的帶非線性約束的非線性規(guī)劃可借助于解一列二次規(guī)劃來求得原本問題的最優(yōu)解[21]

1uT

cT

AubAequbequu

分派目的函數(shù)為4 minf4

(cF2)/(μ2F2

i s.t.Fx1Fx2Fx3Fx4

(Fx1Fx2)wf/2(Fx3Fx4)wr/2MzAF (A

wrwfCf是附著裕量的權重系數(shù),Af是現(xiàn)在狀態(tài)下的縱向力DYC控制器得出維持車輛穩(wěn)定性所需的直接橫擺力矩Mz后，通過二次規(guī)劃法進FxiFyiFxi滿足Mz的狀況下，我們FxdFxi2.3車車輛模vβd參考模 δf控制控制Tβrvi驅動/制分配策3.2第一層為決策層，涉及駕駛員、參考模型、AFSDYC控制器。其中，駕駛員輸出駕駛意圖r和β)，參考模型輸出抱負狀態(tài)rd和βd)并被用于判斷駕駛意圖的穩(wěn)定性。AFSDYC控制器則是根據(jù)駕駛意圖與抱負狀態(tài)的差值來對車輛狀態(tài)進行賠償，以AFS控制器起到了賠償?shù)淖饔?。本章的重要工作是在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中對分層控制方略進行有效性的驗證。MATLAB/SimulinkSimulink中搭建MATLAB/Simulinknks1990ATAB語言設計提供的構造圖編程與系統(tǒng)仿真的專用工具軟件。ink仿真環(huán)境支持多個類型系統(tǒng)的仿真與建-支持混合采樣率的采樣系統(tǒng)的仿真。其還提供了圖形化顧客界面（UI），使用鼠標拖動的inkB命令平臺上鍵入模型文nk之下由菜單命令來啟動[22]。4.1δf的峰值32??????f/0 ??4.14.1m1298.91167.5a1b1.4541.4361.436e0.45721627498.9xz00.352.1300005000066185.83511.60.015g9.81AFSDYC集成控制方略的有益效果，本文將采用仿真對比實驗，與DYC??????????????50 ??(a)????1??????0 ??（b)32???????f/0 ??（c）?????Mz/(N0 ??（d）????? ??(e)4.270Km/h4.14.2所示。4.2(a),(b)可知，在低速下，無控制時橫擺角速度的追蹤誤差較大且質心側偏角也很DYCAFS+DYC則能較好地實現(xiàn)橫擺角速度的追蹤且質心側偏角也控制在一種較小4.2(d)所示集成控制時的橫擺力矩很小，闡明在車輛輪胎力處在線性范疇內AFSDYC控制則需要4.2(e)DYCDYC+AFS控然后，在車輛高速4.34.464??????f/0 ??4.3???????????0 ?????????? ??64???????f/0 ???????(N0 ??????? ??4.4AFS控制器起作用；當汽車處在非線性區(qū)域時，DYCAFS控制器步成為了研究熱點。鑒于輪轂電機電動汽車含有更加好的可控自由度，AFS+DYC集成控制AFSDYC控制器。在這一層中，駕駛員輸出的實際狀態(tài)與參考模型的抱負狀態(tài)進行比較，將得到的誤差傳送給AFS+DYC集成控制系統(tǒng)，輸出附加的前輪轉向角和橫擺控制力矩。第二層為執(zhí)行層，涉及AFS+DYC[1]．AntonVan ESP?System:5YearsofExperience，，SAEPaper-01-[2]．vanZantenAT,ErhardtR,PfaffG.VDC,thevehicledynamicscontrolsystemofBosch, Paper,[3]．MasaoNagai,MotokiShino,FengGao，StudyonIntegratedControlofActiveFrontSteerAngleandDirectYawMoment，JSAEReview，，23(4)：309~315[4]．TohruYoshioka,TomohikoAdachi,TetsuroButsuen,etal.，ApplicationofSliding-ModeTheorytoDirectYaw-MomentControl，JSAEPaper9936724[5]．H.Nagase,T.Inoue,Y.Hori.DecouplingcontrolofpandyforhighperformanceAFSandDYCof4wheelmotorelectricvehicle.ProceedingsoftheInternationalSymposiumonAdvancedVehicleControl(AVEC),Hiroshima,Japan,:1-7.[6]．CongGeng,LotfiMostefai,MouloudDena'f,YoichiHori.Directyaw-momentcontrolofanin-wheel-motoredelectricvehiclebasedonbodyslipanglefuzzyobserver.IEEETransactionsonIndustrialElectronics,,5(56):1411-1419.[7]．DejunYin,SehoonOh,YoichiHori.Anoveltractionc