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汽车线控转向系统动力学分析与控制方法研究

田杰  
【摘要】: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。


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