汽车线控转向系统动力学分析与控制方法研究

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线控转向系统(Steering By Wire, SBW)是未来具有无人驾驶功能的智能汽车必不可少的重要组成部分。它取消了转向盘和转向轮之间的机械连接,可以任意设计转向系统的角传动比和力传动比,因此从根本上解决传统转向系统的固定传动比造成的汽车转向特性随车速而变化的缺陷。更重要的是线控转向系统能够在驾驶员转向角的基础上叠加一个附加转向角,优化车辆对驾驶员输入的响应或提高车辆在紧急情况下的稳定性,所以近年来成为国内外研究的焦点之一。本文首先针对前轮转向模块的控制目标和控制要求,将控制系统分成前轮转角控制(上层控制)系统和转向执行电机控制(下层控制)系统两个部分。针对下层控制系统,对前轮转向模块进行了动力学分析及建模,设计了一种基于分数阶微积分理论的新型分数阶PIλDμ控制器,仿真结果表明:该控制器在实现前轮正常转向和回正功能的同时,对提高转向系统性能的鲁棒性也是有效的。针对上层控制系统,设计了基于模糊控制的前轮转角控制算法,仿真结果表明:基于模糊控制设计的理想传动比能满足设计要求。并将上层和下层控制系统结合在一起,选取典型工况,对所建立的模型及控制算法控制系统进行了仿真分析,验证了所提出的分层控制系统是有效的,可行的。其次,为了防止车辆在行驶的过程中出现诸如严重的过多转向或不足转向,本文提出了一种基于主动前轮转向(Active Front Steering, AFS)和横摆力矩(Direct Yaw Moment Control, DYC)协调控制的非线性控制策略,并设计了基于滑模变结构控制的AFS控制器、DYC控制器和统一协调AFS和DYC工作的协调控制器。仿真结果表明采用协调控制策略的车辆具有更好的响应特性。控制系统中存在着不适当的时滞,对于高速行驶的汽车、性能有着不利的影响。本文在车辆稳定性研究的基础上引入控制时滞,对线性时滞系统的稳定性、时滞对车辆系统动态特性的影响以及系统的时滞补偿问题等方面进行了具体的研究。并对时滞对车辆稳定性控制系统的影响以及系统的时滞补偿进行了仿真分析。结果表明,控制系统的稳定性得以提高。最后本文还从硬件和软件两个方面入手开发了线控转向系统的台架试验装置,并利用此试验装置对前轮转向模块的基于分层结构的控制系统进行了验证。试验研究与理论模型研究结果基本相符。本论文的创新点在于:首先对分数阶控制理论进行了研究,通过优化方法实现了分数阶PIλDμ控制器中五个参数的整定。构造了分数阶PIλDμ控制器的仿真模型,解决了分数阶系统不能直接在MATLAB仿真环境中直接进行仿真的问题。并将分数阶控制理论应用在了前轮转向模块的转向和回正控制中。其次将分数阶PIλDμ控制器和模糊控制器有机地结合在一起,实现了该模块的分层结构控制。提出了基于AFS和DYC协调控制的车辆稳定性控制策略,克服了各系统单独工作时的缺陷。并对装备线控转向系统的车辆进了车辆稳定性的时滞影响和补偿研究。本文的研究为线控转向系统的研究和开发提供了新的思路和方法。
摘要第6-8页
ABSTRACT第8-10页
第一章 绪论第15-27页
    1.1 概述第15页
    1.2 线控转向系统第15-18页
        1.2.1 线控转向系统的结构及工作原理第16-17页
        1.2.2 线控转向系统的特点第17-18页
    1.3 线控转向系统的研究现状第18-24页
        1.3.1 国外研究概况第18-21页
        1.3.2 国内研究概况第21-22页
        1.3.3 主要研究方向第22-24页
    1.4 本文研究的主要内容第24-27页
第二章 线控转向系统控制方法的研究第27-45页
    2.1 分数阶PI~λD~μ控制理论的发展第27-28页
    2.2 分数阶微积分基础第28-32页
        2.2.1 几种特殊函数第28-29页
        2.2.2 分数阶微积分定义第29-32页
    2.3 分数阶PI~λD~μ控制器第32-43页
        2.3.1 参数对系统性能的影响第34-35页
        2.3.2 分数阶PI~λD~μ控制器的参数整定第35-39页
        2.3.3 分数阶PI~λD~μ控制器的数字实现第39-43页
    2.4 本章小结第43-45页
第三章 前轮转向模块的控制研究第45-61页
    3.1 前轮转向模块的控制要求第45-46页
        3.1.1 前轮转向模块分层结构控制系统的提出第45页
        3.1.2 前轮转向模块的控制目标第45-46页
        3.1.3 前轮转向模块的基本控制策略第46页
    3.2 前轮转向模块转向功能的实现第46-55页
        3.2.1 前轮转向模块的动力学模型第46-48页
        3.2.2 基于分数阶微积分的转向控制器设计第48页
        3.2.3 分数阶PI~λD~μ控制器的参数整定第48-50页
        3.2.4 分数阶PI~λD~μ控制器的数字实现第50-51页
        3.2.5 转向控制器的仿真验证第51-55页
    3.3 前轮转向模块回正功能的实现第55-60页
        3.3.1 回正力矩的动力学模型第55-57页
        3.3.2 转向盘力矩的仿真验证第57页
        3.3.3 基于分数阶微积分的回正控制器设计第57-58页
        3.3.4 回正控制器的仿真验证第58-60页
    3.4 本章小结第60-61页
第四章 前轮转角控制算法的研究第61-75页
    4.1 机械转向系统的特点第61-62页
    4.2 前轮转角算法设计第62-67页
        4.2.1 想传动比的定义第62页
        4.2.2 基于理想传动比的前轮转向控制算法第62-67页
        4.2.3 基于模糊控制的前轮转角算法的提出第67页
    4.3 基于模糊控制的前轮转角控制算法第67-71页
        4.3.1 模糊控制理论第67-68页
        4.3.2 模糊控制器的设计第68-71页
    4.4 前轮转向模块的转向仿真分析第71-73页
        4.4.1 前轮转向模块的转向仿真模型第71页
        4.4.2 前轮转向模块的转向仿真验证第71-73页
    4.5 本章小结第73-75页
第五章 线控转向汽车的车辆稳定性控制研究第75-99页
    5.1 滑模变结构控制理论第75-81页
        5.1.1 滑模变结构控制的三要素第76-78页
        5.1.2 滑模变结构控制系统的几个性质第78-79页
        5.1.3 滑模变结构控制器中切换面的设计第79-81页
    5.2 基于AFS的车辆稳定性控制第81-89页
        5.2.1 车辆系统动力学模型第81页
        5.2.2 参考模型第81-82页
        5.2.3 AFS滑模变结构控制器的设计第82-83页
        5.2.4 AFS滑模控制系统仿真分析第83-89页
    5.3 AFS和DYC协调控制系统的提出第89-90页
    5.4 转向特性以及制动车轮的识别第90-92页
    5.5 基于滑模变结构的DYC控制器设计第92-93页
        5.5.1 车辆系统动力学模型第92页
        5.5.2 滑模变结构控制器的设计第92-93页
    5.6 AFS和DYC协调控制系统的仿真验证第93-98页
    5.7 本章小结第98-99页
第六章 计入时滞的车辆稳定性控制研究第99-113页
    6.1 线性时滞系统的稳定性第99-102页
        6.1.1 广义Sturm理论第99-100页
        6.1.2 全时滞稳定性判据第100-101页
        6.1.3 时滞稳定性与临界时滞的计算第101-102页
    6.2 时滞对车辆稳定性的影响第102-106页
        6.2.1 计入时滞的车辆稳定性控制系统模型第102页
        6.2.2 计入时滞的控制系统的稳定性第102-103页
        6.2.3 控制系统临界时滞的计算第103页
        6.2.4 仿真结果及分析第103-106页
    6.3 时滞问题的解决方法第106-109页
        6.3.1 直接设计法第106-108页
        6.3.2 预估补偿控制法第108-109页
    6.4 时滞补偿的仿真及结果分析第109-112页
    6.5 本章小结第112-113页
第七章 线控转向系统台架试验装置开发及试验第113-127页
    7.1 线控转向系统台架试验的总体设计第113-114页
        7.1.1 总体设计要求第113页
        7.1.2 物理模型第113-114页
    7.2 线控转向系统台架试验的硬件设计第114-120页
        7.2.1 单片机的选择第115-116页
        7.2.2 输入信号的调理电路第116-119页
        7.2.3 转向执行电机的驱动电路第119-120页
        7.2.4 转向执行电机的脉宽调制第120页
    7.3 线控转向系统台架试验的软件设计第120-122页
        7.3.1 线控转向系统台架试验的软件流程图第121页
        7.3.2 转向盘转向状态识别子程序第121-122页
    7.4 线控转向系统台架试验的结果及分析第122-125页
        7.4.1 前轮转向模块的转向功能测试第123-124页
        7.4.2 前轮转向模块的前轮回正功能测试第124-125页
    7.5 本章小结第125-127页
第八章 总结与展望第127-129页
    8.1 本文的主要研究工作第127-128页
    8.2 论文工作的主要创新点第128页
    8.3 研究工作展望第128-129页
参考文献第129-139页
致谢第139-141页
博士期间发表的论文第141页
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