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基于MATLAB四轮转向汽车操纵动力学及控制策略研究

任肖红  
【摘要】:四轮转向汽车的出现,在很大程度上解决了前轮转向汽车固有的缺陷,汽车低速行驶转向响应慢,且转弯半径较大;高速行驶转向稳定性差,安全性能差。此外,四轮转向技术的出现大大提高了汽车的操纵稳定性。近几十年来,现代控制理论发展迅速,针对四轮转向系统控制的研究方法层出不穷,如:鲁棒控制、模糊控制以及基于神经网络控制等,但这些方法都各有利弊。本文在MATLAB环境下,对四轮转向汽车进行转向系统的控制,采用不同的控制方法,通过MATLAB/Simulink建立模块模型进行仿真,通过编写M文件,得出四轮转向汽车操纵稳定性评价指标的响应曲线,对曲线进行分析对比,从中找出最合适的控制方法。在国家汽车工程师协会标准坐标系下(SAE坐标系),对四轮转向汽车进行动力学分析。建立三种不同自由度四轮转向汽车动力学模型,应用数学与物理相关知识将动力学模型转化成运动学模型,根据现代控制理论所学知识应用MATLAB编程将运动学模型转化为数学模型,其中数学模型包括传递函数模型及状态方程模型,为四轮转向汽车的控制策略研究提供理论基础。本文基于所建立的汽车模型,结合轮胎模型,设计四轮转向系统的控制策略,分析车辆稳定性控制研究的两个问题。在二自由度车辆模型的基础上,对车辆的横摆角速度与稳定性的关系以及车辆的质心侧偏角与稳定性的关系进行分析。对MATLAB以及Simulink的基本操作进行简单介绍,除此以外,对二自由度四轮转向系统进行横摆角速度反馈控制,分别在时速为30km/h和90km/h进行仿真,并与其它控制方法进行仿真对比,对仿真结果进行定性分析。在MATLAB/Simulink环境中建立四轮转向系统最优仿真的模块模型。首先应用现代控制理论的知识将运动微分方程转化成状态方程模型,通过分析可控性矩阵和可观性矩阵是否满秩来判断系统的可控性与能观性,在能控与能观的基础上,在MATLAB中建立仿真模块模型,得到操纵稳定性的评价指标响应曲线,对模型仿真结果进行分析。设计PID控制器、构建PID子系统以及设计系统参数。在前人的研究基础上,应用已学知识建立分数阶PID控制得数学模型,在MATLAB/Simulink中建立四轮转向系统分数阶PID控制的模块模型,并得到分析操纵稳定性的评价指标的响应曲线。


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