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半挂汽车防侧倾鲁棒非线性控制方法

苏帅康  
【摘要】:近年来我国经济不断增长,在诸如电子商务因素的驱动下,我国货物运输的需求量大幅增加。半挂汽车列车具有较高的有效载荷、较低的运行成本、可靠性好等众多优势,但半挂汽车列车往往质量大、质心高,同时受道路条件的限制,轮距的宽度也无法增大很多,因此半挂汽车列车的防侧倾性能很差,驾驶员的不当操作将会使车辆的侧倾稳定性急剧下降甚至出现侧翻事故。侧翻的半挂汽车会极大地破坏其周边汽车的安全行车环境,甚至引发恶性连环交通事故。运行过程中的半挂汽车是一个高度非线性的系统,并且行车过程中存在诸多不确定性因素的干扰,如驾驶员的不确定性转向,在对半挂汽车进行防侧倾控制时容易出现模型失配的问题。因此,在研究半挂汽车列车防侧翻的主动控制方法的同时,设法提高控制器的鲁棒性,探索更适合半挂汽车非线性特性的控制策略及控制器是实现车辆安全、稳定运行的有力保障。本文主要进行了以下几个方面的研究:(1)针对不确定性干扰半挂车的强非线性导致的模型失配问题,首先建立了反映半挂车横摆、侧向及侧倾运动学特性的七自由度动力学模型作为预测模型,轮胎选用了魔术公式非线性轮胎模型,而后在Simulink中搭建七自由度的车辆动力学模型,并通过仿真试验验证了所搭建模型的准确性,最后将驾驶员转角的不确定性考虑在内,重构了系统模型,为鲁棒防侧倾控制系统的设计奠定了基础。(2)应用不变集理论来处理系统中的参数不确定性和附加驾驶员输入不确定性因素。首先对不变集理论进行了简要介绍,然后对所搭建的预测模型进行鲁棒可达性分析,求解鲁棒可控集和可达集保证系统的可控性,最后将线性稳定区域的状态、控制输入和干扰的约束考虑为鲁棒控制不变集并作为控制器的终端约束。(3)采用无迹卡尔曼滤波算法(UKF)对系统进行状态估计与参数辨识,应用模型预测控制策略设计控制器,跟踪参考信号,滚动优化求解带约束的有限时域最优控制问题,求解得出最优控制输入,即三根主车轴的防侧翻力矩,并由主动防侧倾杆实施以达到防侧倾控制的目的。(4)最后搭建了Matlab/Simulink和Truck Sim的联合仿真平台,通过四种典型工况下的仿真对比得出,本文所设计的鲁棒非线性模型预测控制器拥有较好的防侧倾性能,同时也保证了终端状态不超出稳定状态的约束范围。在常规工况和极限工况下均能较好的控制半挂汽车列车的横向载荷转移率值在0.7左右;并且在存在不确定性因素扰动时,本文控制器的鲁棒性要优于传统的防侧翻稳定性控制器。


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