基于轮胎力最优分配的车辆动力学集成控制研究

针对车辆上电控系统在数目和复杂性方面迅速增加的趋势,为了降低在传感器、执行器以及相关硬件方面的成本,并通过对多个电控系统进行协调和优化来进一步提升车辆的综合性能,对包括转向、制动、驱动以及悬架等主动系统的集成控制已经成为亟需解决的问题,而车辆动力学集成控制也已成为近年来车辆动力学研究的重点和难点。 本文从车辆动力学理论角度出发,根据车辆动力学集成控制问题的本质,采用自上而下的策略设计了针对转向、制动、驱动以及悬架主动系统的集成控制器,然后基于车辆动力学专业软件MSC CarSim进行开环及闭环危险工况试验,对所设计的车辆动力学集成控制器进行验证和分析。 本文首先建立了考虑悬架效果的14自由度整车动力学数学模型,包括车身的6个运动自由度以及车轮垂向振动与滚动运动自由度,由此推导的车辆系统动力学方程是本文集成控制设计的基础。在最重要的轮胎建模部分,综合考虑到预测精度和复杂程度的要求,建立可反映轮胎饱和非线性特性的Burckhardt稳态轮胎模型,采用MSC CarSim虚拟轮胎试验获得不同垂直载荷和附着条件下的轮胎力数据,最后采用Levenberg-Marquardt最小二乘拟合算法得到更接近实际的轮胎模型参数。为了对设计的集成控制器进行验证,在MSC CarSim中建立十分接近实际的整车系统,其中包括完全非线性的独立悬架系统、轮胎系统以及空气动力学效应模型。 针对集成控制的两个目标,即消除子系统间的不利干扰和冲突、为各子系统分配合理最优的控制输入,本文采用自上而下(Top down)的策略从全局角度出发对转向、制动和驱动控制系统进行考虑,从控制算法设计的源头就可避免子系统间的潜在冲突。为保证控制器的精度,充分考虑轮胎的非线性特性,采用主环-伺服环式分层控制结构,将非线性轮胎当作特殊的执行器放到伺服环中考虑。不同于一般文献采用的线性化反馈控制方法,采用非线性滑模方法设计车辆稳定性控制器,无需线性化就可直接考虑在纵向、侧向和横摆运动之间的车辆动力学耦合,而且还具有足够的鲁棒性。 对于集成控制的核心内容-伺服环控制问题,采用无约束优化和有约束优化两大类方法来将车辆稳定控制力和力矩合理且最优地分配到四个轮胎上。其中,无约束优化方法在目标函数中考虑力跟踪误差和控制能量,通过最小化目标函数可直接得出轮胎控制变量,在一定程度上可以考虑轮胎的约束条件。基于无约束优化对转向、制动和驱动的主动系统进行集成控制,试验结果表明,通过子系统控制动作的有机协调,集成控制可实现子系统间的功能互补;相对于单独控制,通过集成控制可实现车辆操纵稳定性较大程度上的提升。 在主动转向控制和纵向滑移率控制集成的基础上,进一步集成前后主动横向稳定杆控制。试验结果表明,采用自上而下的策略对横向稳定杆与转向、制动以及驱动进行集成,可以避免稳定杆对其它子系统的干扰,在一定程度上稳定杆还可问接地改善车辆的操纵稳定性;而基于非线性滑模控制器的前后主动横向稳定杆系统则可大幅改善车辆的侧倾稳定性。 在伺服环轮胎力优化分配方面,进一步采用伪逆法、加权伪逆法以及符号保持二次规划法等控制分配算法。试验结果表明,伪逆法虽然计算效率高,但只适合在一般工况下的分配;通过权值在线调整,加权伪逆法可以很好的考虑轮胎附着条件,但是无法对轮胎执行器物理限制进行直接考虑。 为进一步考虑轮胎的约束条件,将轮胎-路面附着限制以及主动转向/制动/驱动执行器系统的限制转化为轮胎纵向力和侧向力的约束,然后采用基于符号保持二次规划法的控制分配算法来实现轮胎力的最优分配。试验结果表明,由于符号保持二次规划法分配算法可以直接考虑轮胎附着以及执行器的各种限制,伺服环中分配的轮胎力更趋合理和最优化;此外,即使在某个轮胎执行器出现失效的情况下,基于符号保持二次规划法分配算法的集成控制器仍可以将稳定控制力分配给其它的执行器,从而实现控制重构,保证车辆的稳定性。