CN102582617A - 基于变结构理论的车辆稳定性控制*** - Google Patents

基于变结构理论的车辆稳定性控制*** Download PDF

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陈雪梅
魏中华
王学伟
高薪
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Abstract

本发明属于载运工具运用工程与车辆控制领域，涉及变结构控制理论，研发出一种车辆稳定性控制方法，针对车辆横摆力矩的预估技术，采用变结构控制方法，建立车辆稳定性控制模型，规划了车辆的期望响应，通过产生主动横摆力矩迫使车辆的横摆角速度与侧偏角响应跟踪参考模型的理想输出，产生稳定车辆所需要的横摆力矩，进而对制动力矩与驱动力矩进行分配，该控制器能更好的适应车速和路况的变化，鲁棒性强，结构简单，易于物理实现，为开发车辆稳定性控制***提供坚实基础。

Description

基于变结构理论的车辆稳定性控制***
技术领域
本发明属于载运工具运用与车辆控制领域，涉及变结构控制理论，研发出一种车辆稳定性控制方法，针对车辆横摆力矩的预估技术，采用变结构控制方法，建立车辆稳定性控制模型，利用横摆角速度和质心侧偏角作为状态变量实施反馈，产生稳定车辆所需要的横摆力矩，进而对制动力矩与驱动力矩进行分配，本发明鲁棒性强，结构简单，易于物理实现，为开发车辆稳定性控制***提供坚实基础。
背景技术
车辆稳定性控制的思想首先出现在上世纪八十年代BMW公司，BMW公司当时意识到驾驶员在遇到紧急情况时会发生“过度反应”或“反应迟钝”的现象，因此若能开发一种主动***防止这种现象将能提高驾驶安全性。Bosch公司和Continental-Teves公司对这种思想作了改进，但主要是基于ABS和ASR。1992年Mercedes公司致力于开发和测试Bosch公司提供的VSC***，此时也已有文献提出采用制动力分配和转向角前馈控制的方法提高车辆稳定性，Ford公司在同时期也进行了相应的研究，称为Interactive VehicleDynamic(IVD)。在1995年后Bosch、BMW、Toyota等公司相继推出了各自的商用车辆稳定性控制***。
目前，世界各大汽车生产商均进行了稳定性控制***的相关产品开发，但名称各不相同。Bosch、Audi公司称为车辆动力学控制***Vehicle dynamic stability control system(VDC)或电子稳定性控制***Electronic stability program(ESP)，Toyota公司称为车辆滑转控制***Vehicle skid control(VSC)。BMW公司称为动态稳定性控制***Dynamic stability control(DSC)。Honda公司称为电子稳定性控制***Electronic stability control(ESC)，这些控制***的目标及实现方法基本相同，只是在具体的性能要求上有所差异。
变结构控制方法出现在上世纪50年代，已形成了一个相对独立的研究分义，成为自动控制***的一种设计方法，适用于线性与非线性***、连续与离散***、确定与不确定***，并且在实际工程中逐渐得到推广应用，如电机与电力***、机器人控制、导弹制导控制、卫星姿态控制等。
前苏联学者Utkin和Emelyanov在20世纪50年代提出了变结构控制的概念，20世纪80年代以来，随着计算机、大功率电子切换器件及电机技术等的迅速发展，变结构控制理论和应用研究进入了一个新的阶段，以微分几何为主要工具发展起来的非线性控制思想极大地推动了变结构控制理论的发展。中国也有诸多学者对变结构控制方法进行了深入的研究，高为炳院士首先提出了趋近率的概念，对控制***进入切换面的速度问题进行了研究。
变结构控制方法虽然对***的参数摄动和外部扰动具有不变性，但同时也带来了控制量的高频抖振特性，由于在实际应用中，这种高频抖振在理论上是无限快的，没有任何执行机构能够实现，并且这种特性很容易激发***的未建模特性，从而影响***的控制性能，因而抖振现象给变结构控制在实际***中的应用带来了困难。但是消除了变结构控制的抖振特性，也就消除了变结构控制对扰动的不变性，因而只能减弱变结构控制的抖振现象。
目前国内外对车辆稳定性控制的研究很多，大多应用最优控制理论和神经网络控制理论，前者在控制规律中的权系数设置依赖于经验，且控制效果对于权系数的变化敏感，后者目前只能采取试探的方法，无法从理论上对控制***的稳定性和收敛性给出严格的证明，并且控制器的物理实现很复杂。因此采用模型参考变结构理论进行车辆稳定性控制***的研究，可以克服上述缺点和不足。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有研究的不足，提供一种基于变结构理论的车辆稳定性控制***，建立车辆稳定性控制模型，利用横摆角速度和质心侧偏角作为状态变量实施反馈，产生稳定车辆所需要的横摆力矩，进而对制动力矩与驱动力矩进行分配，为开发车辆稳定性控制***提供坚实基础。
本发明采用了如下的技术方案：
基于变结构理论的车辆稳定性控制***，以变结构控制理论为基础，针对车辆横摆力矩的预估技术，建立车辆稳定性控制模型，利用横摆角速度和质心侧偏角作为状态变量实施反馈，产生稳定车辆所需要的横摆力矩，进而对制动力矩与驱动力矩进行分配，鲁棒性强，结构简单，易于物理实现。
所述的基于变结构理论的车辆稳定性控制***，其特征在于，参考模型可以是显式的，也可以是隐式的，显式情况下，参考模型是控制***的一个组成部分，控制***所要求的特性由参考模型状态的动态响应明显的规定；隐式情况下，参考模型仅仅是用做控制规律的计算，并不明显出现在控制***中。
所述的模型参考变结构车辆稳定性控制设计，设计变结构控制规律使控制对象的输出跟随参考模型的输出，并满足不变性条件，将模型参考变结构控制规律转化为一般二阶模型的变结构控制规律。
所述的车辆稳定性控制***的仿真结果分析，设计变结构自适应控制***，使被控对象的输出跟踪参考模型的输出，该控制对象为一带干扰输入模型，且模型参数具有一定的摄动。***状态变量x1、x2在同时存在参数摄动和外干扰的条件下，仍然非常理想的实现了对参考模型状态变量xm1、xm2的跟踪，表明该控制***有极强的鲁棒性，算法简单直观，便于工程应用。
所述的车辆稳定性控制***的参考模型设计，参考模型设计为不同的车速和前轮转角输入下车辆能获得良好的横摆角度响应和较小的侧偏角响应，根据二自由度车辆动力学状态方程，设计同阶的参考模型，车速越高，参考模型给出的期望横摆角速度的稳态值越小，而质心侧偏角响应则接近于零，说明参考模型规划了非常理想的车辆响应。
所述的车辆稳定性控制***的控制器设计，该控制规律考虑了A阵随车速的变化以及参考输入前轮转角的影响，因而该控制器能够适应车速的变化，具有强鲁棒性。
所述的车辆稳定性控制***的稳定性分析该变结构控制规律满足稳定性条件，同时满足滑模运动的存在性与可达性条件，在一定程度上消除抖振。
本发明的有效结果是研发出一种车辆稳定性控制***，采用变结构控制方法，利用横摆角速度和质心侧偏角作为状态变量实施反馈，产生稳定车辆所需要的横摆力矩，进而对制动力矩与驱动力矩进行分配，本发明鲁棒性强，结构简单，易于物理实现，为开发车辆稳定性控制***提供坚实基础。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明；
图1为模型参考车辆稳定性控制***的典型结构；
图2为模型参考车辆稳定性控制***算例的仿真结果——状态变量x1，xm1；
图3为模型参考车辆稳定性控制***算例的仿真结果——状态变量x2，xm2；
图4为模型参考车辆稳定性控制***算例的仿真结果——切换函数；
图5为模型参考车辆稳定性控制***算例的仿真结果——控制输入信号；
图6为不同车速下参考模型的横摆角速度响应；
图7为不同车速下参考模型的质心侧偏角响应；
图8为模型参考车辆稳定性控制***结构图。
具体实施方式
如图1所示，为模型参考车辆稳定性控制***的结构，参考模型可以是显式的，也可以是隐式的，显式情况下，参考模型是控制***的一个组成部分，控制***所要求的特性由参考模型状态的动态响应明显的规定；隐式情况下，参考模型仅仅是用做控制规律的计算，并不明显出现在控制***中。
图2至图5是模型参考车辆稳定性控制***的具体仿真结果，可以明显看出***状态变量x1、x2在同时存在参数摄动和外干扰的条件下，仍然非常理想的实现了对参考模型状态变量xm1、xm2的跟踪，表明该控制***有极强的鲁棒性，算法简单直观，便于工程应用。
在不同车速下，参考模型对应前轮转角输入的横摆角速度响应和侧偏角响应如图6和图7所示，图6中可知横摆角速度在车辆速度分别为20m/s、30m/s、40m/s时有很大的差异，车速越高，参考模型给出的期望横摆角速度的稳态值越小，而图7中质心侧偏角响应在车辆速度分别为20m/s、30m/s、40m/s时接近于零，并且三种情况下定的曲线基本重合在一起，说明参考模型规划了非常理想的车辆响应。
图8是整个模型参考车辆稳定性控制***的结构图，输入量为车辆的前轮转角δ，先经过车辆模型得到相应的车辆质心侧偏角β和车辆横摆角速度r，同时车辆的前轮转角δ又经过参考模型计算得到βm和rm，分别比较β与βm、r与rm，可得误差量e1与e2，进入变结构控制器中，得到附加给车辆的横摆力矩Mz，从而进行循环。
可应用本发明产生稳定车辆所需要的横摆力矩，进而对制动力矩与驱动力矩进行分配，具有强鲁棒性、结构简单，并易于物理实现，为开发车辆稳定性控制***奠定基础。

Claims (7)

1.基于变结构理论的车辆稳定性控制***，其特征在于，以变结构控制理论为基础，针对车辆横摆力矩的预估技术，建立车辆稳定性控制模型，利用横摆角速度和质心侧偏角作为状态变量实施反馈，产生稳定车辆所需要的横摆力矩，进而对制动力矩与驱动力矩进行分配。
2.如权利要求1所述的基于变结构理论的车辆稳定性控制***，其特征在于，参考模为显式的，也可以是或隐式的；显式情况下，参考模型是控制***的一个组成部分，控制***所要求的特性由参考模型状态的动态响应明显的规定；隐式情况下，参考模型用做控制规律的计算，并不明显出现在控制***中。
3.如权利要求1所述的基于变结构理论的车辆稳定性控制***，其特征在于，设计变结构控制规律使控制对象的输出跟随参考模型的输出，并满足不变性条件，将模型参考变结构控制规律转化为一般二阶模型的变结构控制规律。
4.如权利要求1所述的基于变结构理论的车辆稳定性控制***，其特征在于，设计变结构自适应控制***，使被控对象的输出跟踪参考模型的输出，该被控对象为一带干扰输入模型，且模型参数具有一定的摄动。
5.如权利要求1所述的基于变结构理论的车辆稳定性控制***，其特征在于，参考模型设计为不同的车速和前轮转角输入下车辆能获得良好的横摆角度响应和较小的侧偏角响应，根据二自由度车辆动力学状态方程，设计同阶的参考模型，车速越高，参考模型给出的期望横摆角速度的稳态值越小，而质心侧偏角响应则接近于零。
6.如权利要求3所述的基于变结构理论的车辆稳定性控制***，其特征在于，该变结构控制规律考虑了A阵随车速的变化以及参考输入前轮转角的影响，因而能够适应车速的变化，具有强鲁棒性。
7.如权利要求3所述的基于变结构理论的车辆稳定性控制***，其特征在于，该变结构控制规律满足稳定性条件，同时满足滑模运动的存在性与可达性条件，在一定程度上消除抖振。
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