论文摘要
面对日益严峻的能源紧张、环境污染和行车安全等压力,具有结构紧凑、可控自由度高、控制响应快速精确等优势的分布式驱动电动汽车已经成为汽车工业发展的重点,也是未来汽车技术发展的主要方向和关键竞争领域,这一趋势对车辆动力学控制系统提出了更高的要求。汽车电子稳定控制程序（Electronic Stability Control,ESC）作为车辆动力学稳定性控制技术的代表产品,被公认为继制动防抱死系统（Anti-locked Braking System,ABS）之后的又一项里程碑式的突破。该系统以直接横摆力矩控制为核心,通过发动机降扭或者独立控制作用在轮胎上的制动力来改善车辆的稳定性。然而,通过制动方式产生的附加横摆力矩是以降低车速为代价,这不仅降低了汽车的行驶能力,也会给驾驶员带来明显的介入感并对其产生干扰。相比之下,分布式驱动电动汽车力矩矢量（Torque Vectoring,TV）控制通过独立控制驱动轮上的驱动或制动力矩来产生附加横摆力矩。与ESC系统不同,TV控制能够在不大幅降低车速的情况下,根据驾驶员的驾驶意图改善车辆的动力学性能,给驾驶员提供高品质的驾驶体验。但如何充分发挥分布式驱动电动汽车在改善车辆动力学性能方面的优势仍然面临巨大的挑战:（1）极限工况下不确定非线性车辆系统状态观测器设计问题。针对车辆行驶过程中表现出的非线性动力学特性,虽然采用非线性观测器方法能够在车辆状态参数估计方面取得较好的效果,但考虑车辆非线性系统的不确定性以及极限工况下的高精度估计要求,如何在极限工况下确保观测系统的稳定性和车辆状态估计精度是设计观测器的难题。（2）考虑驾驶技能差异对行车安全的影响,如何模拟专业驾驶员的“感知-决策-执行”机制,揭示专业驾驶员动态调整车辆运动状态的动力学机理,提炼符合驾驶员转向意图的控制目标,建立驾驶员操作特性与车辆动力学系统相融合的控制架构,需要进一步研究。（3）具有不确定、非线性动力学特征的车辆侧向和纵向运动协同控制问题。极限工况下,轮胎力容易进入非线性饱和区域,轮胎侧纵向力的耦合特性以及饱和特性导致系统无法提供足够的附加横摆力矩。如何通过调节轮胎纵向力实现对车辆侧向和纵向运动的协同控制,建立对模型误差和参数不确定性具有强鲁棒性的控制算法,最大程度地改善车辆的动力学性能,是亟须解决的问题。本文围绕以上难点问题,从“驾驶辅助”和“汽车侧纵向运动协同控制”两大层面展开五个以车辆状态估计和力矩矢量（TV）控制为核心的理论与应用研究:（1）建立了能够描述实车非线性动力学特性的八自由度整车模型,为分布式驱动电动汽车状态估计和控制算法验证提供了仿真平台。为了便于控制策略的开发,简化上述八自由度车辆模型,建立了面向控制策略的三自由度车辆模型,并通过与试验数据对比验证了整车动力学模型的精度。（2）提出了一种基于Uni Tire轮胎模型的非线性车辆状态观测器。针对极限工况下不确定非线性车辆系统的状态观测器设计问题,利用Uni Tire轮胎模型对轮胎动力学特性全工况高精度表达的优点,实时估计车辆在行驶过程中的侧纵向轮胎力,并结合车辆动力学模型获取侧向、纵向加速度的估计值。基于此,以侧纵向加速度的估计误差作为反馈校正项,利用已知车辆信号估计侧向和纵向车速。考虑到测量噪声、传感器漂移误差以及模型误差可能导致观测系统发散,采用输入-状态稳定（Input-to-State Stability,ISS）理论分析了不确定非线性车辆系统估计误差有界的充分条件,并给出了观测器增益的取值范围。（3）提出了基于专业驾驶员操作特性的力矩矢量控制策略。1)为了揭示专业驾驶员弯道内调整车辆运动状态的车辆动力学机理,设计了真实道路环境下的驾驶员操作特性测试试验,通过分析不同技能驾驶员在转弯过程中对油门、刹车以及方向盘的控制方式,得到了专业驾驶员操作与车辆转向特性之间的关系,制定了基于专业驾驶员操作特性的的控制目标。2)为实现侧纵向动力学系统解耦,采用分层控制架构。针对模型误差和估计误差带来的鲁棒控制问题,上层控制器应用滑模控制理论计算跟随控制目标所需的附加横摆力矩。为消除传统滑模控制存在的抖振现象,提出了能够输出平滑控制量的自适应二阶滑模控制（Adaptive Second Order Sliding Mode,ASOSM）算法。3)针对车辆侧纵向运动协同控制问题,提出了能够兼顾车辆侧纵向稳定性的最优力矩分配策略。将附加横摆力矩控制误差、轮胎工作负荷率以及驾驶员的纵向需求力矩进行加权组合,通过分析侧纵向动力学耦合机理,建立了基于轮胎滑移率的权重自整定策略,并推导出该优化问题的解析表达式,实现了分布式驱动电动汽车侧纵向运动的协同控制。（4）对基于专业驾驶员操作特性的TV控制策略进行仿真验证。首先,为了验证TV控制策略在改善车辆稳态转向特性和瞬态转向特性方面的优势,在稳态回转工况和角脉冲工况中对TV控制策略进行仿真测试。在此基础上,为了表明基于专业驾驶员操作特性的TV控制策略不仅可以提高车辆的操纵稳定性,还能够缓解驾驶员的操作负荷,以具有中性转向特性的车辆为基准,在匀速双移线工况中对比搭载TV控制策略的车辆与中性转向车辆的动力学性能。然后,建立无量纲性能评价加权函数,并以此评价一阶滑模控制（First Order Sliding Mode,FOSM）算法、二阶滑模控制（Second Order Sliding Mode,SOSM）算法和本文提出的ASOSM算法的鲁棒性。最后,在复合工况（加速转弯工况）中对力矩分配策略进行了仿真验证。（5）非线性车辆状态观测器及TV控制策略的实车验证。为了进一步实现算法的工程应用,搭建东风E70试验样车,开发实车控制程序,算法的更新步长为50ms,并在极限工况中分别验证了所搭建的观测器以及TV控制算法的有效性。试验结果表明,在存在模型误差和外界干扰的实车环境下,本文提出的观测器仍然能够在短时间内收敛并获得的较高的车速估计精度。基于专业驾驶员操作特性的TV控制可降低驾驶员操作负荷并兼顾车辆侧纵向稳定性,为量产条件下的分布式驱动电动汽车动力学控制提供了算法保证。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 张琳
导师: 郭孔辉
关键词: 分布式驱动电动汽车,力矩矢量控制,车辆状态估计,输入状态稳定,滑模控制
来源: 吉林大学
年度: 2019
分类: 工程科技Ⅱ辑
专业: 汽车工业
单位: 吉林大学
分类号: U469.72
DOI: 10.27162/d.cnki.gjlin.2019.000124
总页数: 145
文件大小: 24036K
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标签：分布式驱动电动汽车论文; 力矩矢量控制论文; 车辆状态估计论文; 输入状态稳定论文; 滑模控制论文;