CN108437980A - 一种基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法，属于车辆稳定控制领域，解决了现有车辆横摆稳定控制方法因未考虑车辆横摆稳定执行器的饱和问题而导致自身控制效果不理想的问题。本发明所述的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法包括建立车辆转弯时的二自由度车辆横摆动力学模型的步骤、根据二自由度车辆横摆动力学模型设计基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器的步骤以及通过基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器来调节车辆的直接横摆力矩，使车辆横摆角速度跟踪其参考稳态值的步骤。本发明所述的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法特别适用于对车辆进行横摆稳定控制。

Description

一种基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法

技术领域

本发明涉及一种车辆横摆稳定控制方法，属于车辆稳定控制领域。

背景技术

在车辆转弯的过程中，车辆会直接产生横摆角速度。当车速超出临界值时，车辆的横摆角速度增益将急剧增大，进而导致车辆发生侧滑或甩尾等危险工况。这些危险的不稳定的工况会严重影响车辆的行驶稳定性以及威胁车内人员的人身安全。因此，在车辆转弯的过程中，十分有必要对车辆进行横摆稳定控制。

现有的车辆横摆稳定控制方法通常为：车辆横摆稳定控制器控制车辆横摆稳定执行器，使得车辆横摆角速度对其参考稳态值进行跟踪，进而在一定程度上保证了车辆转弯时的行驶稳定性。

然而，现有的车辆横摆稳定控制方法并未考虑车辆横摆稳定执行器的饱和问题。当车辆在低附着路面转弯时，车辆产生的直接横摆力矩会发生饱和，从而导致车辆横摆稳定的控制效果的降低。

发明内容

本发明为解决现有车辆横摆稳定控制方法因未考虑车辆横摆稳定执行器的饱和问题而导致自身控制效果不理想的问题，提出了一种基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法。

本发明所述的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法包括：

步骤一、建立车辆转弯时的二自由度车辆横摆动力学模型；

步骤二、根据二自由度车辆横摆动力学模型设计基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器；

步骤三、通过基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器来调节车辆的直接横摆力矩，进而保证车辆横摆角速度对其参考稳态值的跟踪。

作为优选的是，二自由度车辆横摆动力学模型为：

式中，β为车辆质心侧偏角，m为车辆质量，v为车速，c_f为车辆前轮侧偏刚度，c_r为车辆后轮侧偏刚度，b为车辆质心到后轴的距离，a为车辆质心到前轴的距离，γ为车辆横摆角速度，δ_f为车辆前轮转角；

I_z为车辆绕垂直轴的转动惯量，M为直接横摆力矩。

作为优选的是，车辆横摆稳定控制器通过车辆横摆稳定执行器来控制车辆的直接横摆力矩，所述直接横摆力矩即为车辆横摆稳定执行器的实际输出值；

基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器的模型为：

式中，u_y为车辆横摆稳定执行器的参考输出值，为车辆绕垂直轴的转动惯量的估计值，γ_r为车辆参考稳态横摆角速度，e为车辆横摆角速度的跟踪误差；

ζ为M_△经滤波器的滤波值，M_△为车辆横摆稳定执行器的实际输出值与参考输出值的差值，k_ζ为滤波器参数；

r₀、k_γ、k₀和σ分别为第一设计参数、第二设计参数、第三设计参数和第四设计参数，四者均大于0，且满足

通过设计r₀、k_γ、k₀和σ，将e控制到最小。

本发明所述的基于饱和自适应的汽车横摆稳定控制方法，先建立车辆转弯时的二自由度车辆横摆动力学模型，再根据二自由度车辆横摆动力学模型设计基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器，最后通过基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器来调节车辆的直接横摆力矩，进而保证车辆横摆角速度对其参考稳态值的跟踪。

采用本发明所述基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法，能够保证车辆在转弯时的行驶稳定性。与开环的车辆横摆状态相比，本发明所述的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法能够保证车辆横摆角速度对其参考稳态值的跟踪。与现有的车辆横摆稳定控制方法相比，本发明所述的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法因避免了车辆横摆稳定执行器的饱和问题而能够有效地降低车辆横摆稳定执行器饱和对车辆横摆稳定控制效果的影响。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法进行更详细的描述，其中：

图1为实施例所述的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法的流程框图；

图2为实施例提及的车辆转弯时的二自由度车辆横摆动力学模型的示意图；

图3为实施例提及的车辆横摆角速度随时间的变化曲线图；

图4为实施例提及的车辆质心侧倾角随时间的变化曲线图；

图5为实施例提及的直接横摆力矩随时间的变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法进一步说明。

实施例：下面结合图1至图5详细地说明本实施例。

参照图1，本实施例所述的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法包括：

步骤一、建立车辆转弯时的二自由度车辆横摆动力学模型；

步骤二、根据二自由度车辆横摆动力学模型设计基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器；

步骤三、通过基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器来调节车辆的直接横摆力矩，进而保证车辆横摆角速度对其参考稳态值的跟踪。

参照图2，本实施例的二自由度车辆横摆动力学模型为：

式中，β为车辆质心侧偏角，m为车辆质量，v为车速，c_f为车辆前轮侧偏刚度，c_r为车辆后轮侧偏刚度，b为车辆质心到后轴的距离，a为车辆质心到前轴的距离，γ为车辆横摆角速度，δ_f为车辆前轮转角，I_z为车辆绕垂直轴的转动惯量，M为直接横摆力矩。

车辆横摆角速度的参考稳态值为：

L＝a+b(5)

式中，γ_r为车辆参考稳态横摆角速度，K为稳定性因素，L为车辆轴距。

本实施例的车辆横摆稳定控制器通过车辆横摆稳定执行器来控制车辆的直接横摆力矩，所述直接横摆力矩即为车辆横摆稳定执行器的实际输出值；

车辆横摆稳定执行器的对称饱和数学模型为：

M＝sat(u_y)＝sgn(u_y)·min{u_y|,u_max} (6)

M＝sat(uy)＝sgn(uy)·min{|uy|，umax}

式中，u_max为车辆横摆稳定执行器的最大输出值，u_y为车辆横摆稳定执行器的参考输出值，sat(·)为饱和函数，sgn(·)为符号函数，min(·)为取最小函数。

本实施例的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器的设计过程为：

令e＝γ-γ_r，则有式中，e为车辆横摆角速度的跟踪误差；

令M_△＝M-u_y，式中，M_△为车辆横摆稳定执行器的实际输出值与参考输出值的差值；

令M_△经过滤波器式中，k_ζ为滤波器参数，ζ为M_△的滤波值；

令式中，为I_z的估计值，为估计误差；

选取李雅普诺夫函数：

式中，V为李雅普诺夫函数，r₀为第一设计参数，r₀>0；

则有：

设计车辆横摆稳定执行器的参考输出值：

式中，k_γ和k₀分别为第二设计参数和第三设计参数，二者均大于0；

将公式(9)代入公式(8)可得：

设计自适应律：

式中，为自适应律，σ为第四设计参数，σ>0；

将公式(11)代入公式(10)可得：

式中，的上界，选取取则公式(12)可以化简为：

对公式(13)积分可得：

式中，t为时间；

根据公式(14)可知：当t→∞时，

通过设计r₀、k_γ、k₀和σ，使V(∞)达到最小，即将e控制到最小。

在实际应用时，可以固定r₀和k₀，仅通过增大k_γ和减小σ来减小e。

当公式(2)通过直接横摆力矩实现γ对γ_r的跟踪后，公式(1)构成零动态子***满足霍尔维茨稳定判据。

本实施例根据车辆横摆稳定控制器的设计要求并结合预期的仿真运行结果，设计仿真运行相关参数以及车辆横摆稳定控制器的控制参数，并通过调节车辆横摆稳定控制器的控制参数，使所设计的车辆横摆稳定控制器满足设计要求，即在车辆转弯的过程中，在车辆横摆稳定执行器发生饱和的情形下，所设计的车辆横摆稳定控制器仍能够控制汽车横摆角速度，使汽车横摆角速度跟踪其参考稳态值。

设计的仿真运行相关参数以及车辆横摆稳定控制器的控制参数如下：

m＝1230kg，a＝1.04m，b＝1.56m，I_z＝1343.1kg·m²，c_f＝22010N/rad，c_r＝22010N/rad，u_max＝1000N·m。

k_γ＝10，k₀＝0.1，σ＝2.6×10^-6，r₀＝10。

k_ζ＝10。

在仿真过程中，车辆以0.01rad的前轮转角阶跃转弯，所有状态均初始化为0，验证所设计的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器的作用效果。

图3为车辆横摆角速度随时间的变化曲线图。其中，车辆横摆角速度的参考值为0.03rad/s，三条曲线分别为无车辆横摆稳定控制器控制下的车辆横摆角速度随时间的变化曲线、无抗饱和功能的车辆横摆稳定控制器控制下的车辆横摆角速度随时间的变化曲线以及本实施例所设计的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器控制下的车辆横摆角速度随时间的变化曲线。

图4为车辆质心侧倾角随时间的变化曲线图。其中，三条曲线分别为无车辆横摆稳定控制器控制下的车辆质心侧倾角随时间的变化曲线、无抗饱和功能的车辆横摆稳定控制器控制下的车辆质心侧倾角随时间的变化曲线和本实施例所设计的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器控制下的车辆质心侧倾角随时间的变化曲线。

图5为直接横摆力矩随时间的变化曲线图。其中，两条曲线分别为无抗饱和功能的车辆横摆稳定控制器控制下的直接横摆力矩随时间的变化曲线和本实施例所设计的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器控制下的直接横摆力矩随时间的变化曲线。

根据图3至图5可知：本实施例所设计的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器能够使得车辆横摆角速度在车辆横摆稳定执行器发生饱和的情况下仍旧能够跟踪其参考稳态值，从而提高车辆转弯时的稳定性。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.一种基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法，其特征在于，所述车辆横摆稳定控制方法包括：

步骤一、建立车辆转弯时的二自由度车辆横摆动力学模型；

步骤二、根据二自由度车辆横摆动力学模型设计基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器；

步骤三、通过基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器来调节车辆的直接横摆力矩，进而保证车辆横摆角速度对其参考稳态值的跟踪。

2.如权利要求1所述的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法，其特征在于，二自由度车辆横摆动力学模型为：

式中，β为车辆质心侧偏角，m为车辆质量，v为车速，c_f为车辆前轮侧偏刚度，c_r为车辆后轮侧偏刚度，b为车辆质心到后轴的距离，a为车辆质心到前轴的距离，γ为车辆横摆角速度，δ_f为车辆前轮转角；

I_z为车辆绕垂直轴的转动惯量，M为直接横摆力矩。

3.如权利要求2所述的基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制方法，其特征在于，车辆横摆稳定控制器通过车辆横摆稳定执行器来控制车辆的直接横摆力矩，所述直接横摆力矩即为车辆横摆稳定执行器的实际输出值；

基于饱和自适应的车辆横摆稳定控制器的模型为：

式中，u_y为车辆横摆稳定执行器的参考输出值，为车辆绕垂直轴的转动惯量的估计值，γ_r为车辆参考稳态横摆角速度，e为车辆横摆角速度的跟踪误差；

ζ为M_△经滤波器的滤波值，M_△为车辆横摆稳定执行器的实际输出值与参考输出值的差值，k_ζ为滤波器参数；

r₀、k_γ、k₀和σ分别为第一设计参数、第二设计参数、第三设计参数和第四设计参数，四者均大于0，并且满足

通过设计r₀、k_γ、k₀和σ，将e控制到最小。