專利名稱：基于變結(jié)構(gòu)理論的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于載運(yùn)工具運(yùn)用與車輛控制領(lǐng)域，涉及變結(jié)構(gòu)控制理論，研發(fā)出一種車輛穩(wěn)定性控制方法，針對(duì)車輛橫擺力矩的預(yù)估技術(shù)，采用變結(jié)構(gòu)控制方法，建立車輛穩(wěn)定性控制模型，利用橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為狀態(tài)變量實(shí)施反饋，產(chǎn)生穩(wěn)定車輛所需要的橫擺力矩，進(jìn)而對(duì)制動(dòng)力矩與驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行分配，本發(fā)明魯棒性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，易于物理實(shí)現(xiàn)，為開發(fā)車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
背景技術(shù)：
車輛穩(wěn)定性控制的思想首先出現(xiàn)在上世紀(jì)八十年代BMW公司，BMW公司當(dāng)時(shí)意識(shí)到駕駛員在遇到緊急情況時(shí)會(huì)發(fā)生“過度反應(yīng)”或“反應(yīng)遲鈍”的現(xiàn)象，因此若能開發(fā)一種主動(dòng)系統(tǒng)防止這種現(xiàn)象將能提高駕駛安全性。Bosch公司和Continental-I^ves公司對(duì)這種思想作了改進(jìn)，但主要是基于ABS和ASR。1992年Mercedes公司致力于開發(fā)和測試 Bosch公司提供的VSC系統(tǒng)，此時(shí)也已有文獻(xiàn)提出采用制動(dòng)力分配和轉(zhuǎn)向角前饋控制的方法提高車輛穩(wěn)定性，i^ord公司在同時(shí)期也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，稱為hteractive Vehicle Dynamic (IVD)。在1995年后Bosch、BMW、Toyota等公司相繼推出了各自的商用車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。目前，世界各大汽車生產(chǎn)商均進(jìn)行了穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)，但名稱各不相同。Bosch、Audi公司稱為車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)Vehicle dynamic stability control system (VDC)或電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) Electronic stability program (ESP), Toyota 公司稱為車輛滑轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)Vehicle skid control (VSC) 0 BMW公司稱為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制系統(tǒng) Dynamic stability control (DSC)。Honda 公司稱為電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) Electronic stability control (ESC)，這些控制系統(tǒng)的目標(biāo)及實(shí)現(xiàn)方法基本相同，只是在具體的性能要求上有所差異。變結(jié)構(gòu)控制方法出現(xiàn)在上世紀(jì)50年代，已形成了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的研究分義，成為自動(dòng)控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方法，適用于線性與非線性系統(tǒng)、連續(xù)與離散系統(tǒng)、確定與不確定系統(tǒng)，并且在實(shí)際工程中逐漸得到推廣應(yīng)用，如電機(jī)與電力系統(tǒng)、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)控制、衛(wèi)星姿態(tài)控制等。前蘇聯(lián)學(xué)者Utkin和Emelyanov在20世紀(jì)50年代提出了變結(jié)構(gòu)控制的概念，20 世紀(jì)80年代以來，隨著計(jì)算機(jī)、大功率電子切換器件及電機(jī)技術(shù)等的迅速發(fā)展，變結(jié)構(gòu)控制理論和應(yīng)用研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段，以微分幾何為主要工具發(fā)展起來的非線性控制思想極大地推動(dòng)了變結(jié)構(gòu)控制理論的發(fā)展。中國也有諸多學(xué)者對(duì)變結(jié)構(gòu)控制方法進(jìn)行了深入的研究，高為炳院士首先提出了趨近率的概念，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)入切換面的速度問題進(jìn)行了研究。變結(jié)構(gòu)控制方法雖然對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)具有不變性，但同時(shí)也帶來了控制量的高頻抖振特性，由于在實(shí)際應(yīng)用中，這種高頻抖振在理論上是無限快的，沒有任何執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)，并且這種特性很容易激發(fā)系統(tǒng)的未建模特性，從而影響系統(tǒng)的控制性能，因而抖振現(xiàn)象給變結(jié)構(gòu)控制在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用帶來了困難。但是消除了變結(jié)構(gòu)控制的抖振特性，也就消除了變結(jié)構(gòu)控制對(duì)擾動(dòng)的不變性，因而只能減弱變結(jié)構(gòu)控制的抖振現(xiàn)象。目前國內(nèi)外對(duì)車輛穩(wěn)定性控制的研究很多，大多應(yīng)用最優(yōu)控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論，前者在控制規(guī)律中的權(quán)系數(shù)設(shè)置依賴于經(jīng)驗(yàn)，且控制效果對(duì)于權(quán)系數(shù)的變化敏感， 后者目前只能采取試探的方法，無法從理論上對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性給出嚴(yán)格的證明，并且控制器的物理實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜。因此采用模型參考變結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的研究，可以克服上述缺點(diǎn)和不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有研究的不足，提供一種基于變結(jié)構(gòu)理論的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，建立車輛穩(wěn)定性控制模型，利用橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為狀態(tài)變量實(shí)施反饋，產(chǎn)生穩(wěn)定車輛所需要的橫擺力矩，進(jìn)而對(duì)制動(dòng)力矩與驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行分配，為開發(fā)車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案基于變結(jié)構(gòu)理論的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，以變結(jié)構(gòu)控制理論為基礎(chǔ)，針對(duì)車輛橫擺力矩的預(yù)估技術(shù)，建立車輛穩(wěn)定性控制模型，利用橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為狀態(tài)變量實(shí)施反饋，產(chǎn)生穩(wěn)定車輛所需要的橫擺力矩，進(jìn)而對(duì)制動(dòng)力矩與驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行分配，魯棒性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，易于物理實(shí)現(xiàn)。所述的基于變結(jié)構(gòu)理論的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，其特征在于，參考模型可以是顯式的，也可以是隱式的，顯式情況下，參考模型是控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，控制系統(tǒng)所要求的特性由參考模型狀態(tài)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)明顯的規(guī)定；隱式情況下，參考模型僅僅是用做控制規(guī)律的計(jì)算，并不明顯出現(xiàn)在控制系統(tǒng)中。所述的模型參考變結(jié)構(gòu)車輛穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)控制規(guī)律使控制對(duì)象的輸出跟隨參考模型的輸出，并滿足不變性條件，將模型參考變結(jié)構(gòu)控制規(guī)律轉(zhuǎn)化為一般二階模型的變結(jié)構(gòu)控制規(guī)律。所述的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析，設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，使被控對(duì)象的輸出跟蹤參考模型的輸出，該控制對(duì)象為一帶干擾輸入模型，且模型參數(shù)具有一定的攝動(dòng)。系統(tǒng)狀態(tài)變量在同時(shí)存在參數(shù)攝動(dòng)和外干擾的條件下，仍然非常理想的實(shí)現(xiàn)了對(duì)參考模型狀態(tài)變量^llUm2的跟蹤，表明該控制系統(tǒng)有極強(qiáng)的魯棒性，算法簡單直觀， 便于工程應(yīng)用。所述的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的參考模型設(shè)計(jì)，參考模型設(shè)計(jì)為不同的車速和前輪轉(zhuǎn)角輸入下車輛能獲得良好的橫擺角度響應(yīng)和較小的側(cè)偏角響應(yīng)，根據(jù)二自由度車輛動(dòng)力學(xué)狀態(tài)方程，設(shè)計(jì)同階的參考模型，車速越高，參考模型給出的期望橫擺角速度的穩(wěn)態(tài)值越小，而質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)則接近于零，說明參考模型規(guī)劃了非常理想的車輛響應(yīng)。所述的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)，該控制規(guī)律考慮了 A陣隨車速的變化以及參考輸入前輪轉(zhuǎn)角的影響，因而該控制器能夠適應(yīng)車速的變化，具有強(qiáng)魯棒性。所述的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析該變結(jié)構(gòu)控制規(guī)律滿足穩(wěn)定性條件，同時(shí)滿足滑模運(yùn)動(dòng)的存在性與可達(dá)性條件，在一定程度上消除抖振。
本發(fā)明的有效結(jié)果是研發(fā)出一種車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，采用變結(jié)構(gòu)控制方法，利用橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為狀態(tài)變量實(shí)施反饋，產(chǎn)生穩(wěn)定車輛所需要的橫擺力矩，進(jìn)而對(duì)制動(dòng)力矩與驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行分配，本發(fā)明魯棒性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，易于物理實(shí)現(xiàn)，為開發(fā)車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明；圖1為模型參考車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)；圖2為模型參考車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)算例的仿真結(jié)果_圖3為模型參考車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)算例的仿真結(jié)果_圖4為模型參考車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)算例的仿真結(jié)果_圖5為模型參考車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)算例的仿真結(jié)果_圖6為不同車速下參考模型的橫擺角速度響應(yīng)；圖7為不同車速下參考模型的質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)；圖8為模型參考車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，為模型參考車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，參考模型可以是顯式的，也可以是隱式的，顯式情況下，參考模型是控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，控制系統(tǒng)所要求的特性由參考模型狀態(tài)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)明顯的規(guī)定；隱式情況下，參考模型僅僅是用做控制規(guī)律的計(jì)算，并不明顯出現(xiàn)在控制系統(tǒng)中。圖2至圖5是模型參考車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的具體仿真結(jié)果，可以明顯看出系統(tǒng)狀態(tài)變量Xl、&在同時(shí)存在參數(shù)攝動(dòng)和外干擾的條件下，仍然非常理想的實(shí)現(xiàn)了對(duì)參考模型狀態(tài)變量^^ Xffl2的跟蹤，表明該控制系統(tǒng)有極強(qiáng)的魯棒性，算法簡單直觀，便于工程應(yīng)用。在不同車速下，參考模型對(duì)應(yīng)前輪轉(zhuǎn)角輸入的橫擺角速度響應(yīng)和側(cè)偏角響應(yīng)如圖 6和圖7所示，圖6中可知橫擺角速度在車輛速度分別為20m/s、30m/s、40m/s時(shí)有很大的差異，車速越高，參考模型給出的期望橫擺角速度的穩(wěn)態(tài)值越小，而圖7中質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)在車輛速度分別為20m/s、30m/s、40m/s時(shí)接近于零，并且三種情況下定的曲線基本重合在一起，說明參考模型規(guī)劃了非常理想的車輛響應(yīng)。圖8是整個(gè)模型參考車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，輸入量為車輛的前輪轉(zhuǎn)角 、先經(jīng)過車輛模型得到相應(yīng)的車輛質(zhì)心側(cè)偏角β和車輛橫擺角速度r，同時(shí)車輛的前輪轉(zhuǎn)角δ又經(jīng)過參考模型計(jì)算得到^和！^，分別比較β與日…！“與！^，可得誤差量力與 e2,進(jìn)入變結(jié)構(gòu)控制器中，得到附加給車輛的橫擺力矩Mz，從而進(jìn)行循環(huán)?？蓱?yīng)用本發(fā)明產(chǎn)生穩(wěn)定車輛所需要的橫擺力矩，進(jìn)而對(duì)制動(dòng)力矩與驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行分配，具有強(qiáng)魯棒性、結(jié)構(gòu)簡單，并易于物理實(shí)現(xiàn)，為開發(fā)車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
狀態(tài)變量X1, Xml ； -狀態(tài)變量X2，Xm2 ； 切換函數(shù)； 控制輸入信號(hào)；
權(quán)利要求
1.基于變結(jié)構(gòu)理論的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，其特征在于，以變結(jié)構(gòu)控制理論為基礎(chǔ)，針對(duì)車輛橫擺力矩的預(yù)估技術(shù)，建立車輛穩(wěn)定性控制模型，利用橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為狀態(tài)變量實(shí)施反饋，產(chǎn)生穩(wěn)定車輛所需要的橫擺力矩，進(jìn)而對(duì)制動(dòng)力矩與驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行分配。
2.如權(quán)利要求1所述的基于變結(jié)構(gòu)理論的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，其特征在于，參考模為顯式的，也可以是或隱式的；顯式情況下，參考模型是控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，控制系統(tǒng)所要求的特性由參考模型狀態(tài)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)明顯的規(guī)定；隱式情況下，參考模型用做控制規(guī)律的計(jì)算，并不明顯出現(xiàn)在控制系統(tǒng)中。
3.如權(quán)利要求1所述的基于變結(jié)構(gòu)理論的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)控制規(guī)律使控制對(duì)象的輸出跟隨參考模型的輸出，并滿足不變性條件，將模型參考變結(jié)構(gòu)控制規(guī)律轉(zhuǎn)化為一般二階模型的變結(jié)構(gòu)控制規(guī)律。
4.如權(quán)利要求1所述的基于變結(jié)構(gòu)理論的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，使被控對(duì)象的輸出跟蹤參考模型的輸出，該被控對(duì)象為一帶干擾輸入模型，且模型參數(shù)具有一定的攝動(dòng)。
5.如權(quán)利要求1所述的基于變結(jié)構(gòu)理論的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，其特征在于，參考模型設(shè)計(jì)為不同的車速和前輪轉(zhuǎn)角輸入下車輛能獲得良好的橫擺角度響應(yīng)和較小的側(cè)偏角響應(yīng)，根據(jù)二自由度車輛動(dòng)力學(xué)狀態(tài)方程，設(shè)計(jì)同階的參考模型，車速越高，參考模型給出的期望橫擺角速度的穩(wěn)態(tài)值越小，而質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)則接近于零。
6.如權(quán)利要求3所述的基于變結(jié)構(gòu)理論的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，其特征在于，該變結(jié)構(gòu)控制規(guī)律考慮了 A陣隨車速的變化以及參考輸入前輪轉(zhuǎn)角的影響，因而能夠適應(yīng)車速的變化，具有強(qiáng)魯棒性。
7.如權(quán)利要求3所述的基于變結(jié)構(gòu)理論的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，其特征在于，該變結(jié)構(gòu)控制規(guī)律滿足穩(wěn)定性條件，同時(shí)滿足滑模運(yùn)動(dòng)的存在性與可達(dá)性條件，在一定程度上消除抖振。
全文摘要
本發(fā)明屬于載運(yùn)工具運(yùn)用工程與車輛控制領(lǐng)域，涉及變結(jié)構(gòu)控制理論，研發(fā)出一種車輛穩(wěn)定性控制方法，針對(duì)車輛橫擺力矩的預(yù)估技術(shù)，采用變結(jié)構(gòu)控制方法，建立車輛穩(wěn)定性控制模型，規(guī)劃了車輛的期望響應(yīng)，通過產(chǎn)生主動(dòng)橫擺力矩迫使車輛的橫擺角速度與側(cè)偏角響應(yīng)跟蹤參考模型的理想輸出，產(chǎn)生穩(wěn)定車輛所需要的橫擺力矩，進(jìn)而對(duì)制動(dòng)力矩與驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行分配，該控制器能更好的適應(yīng)車速和路況的變化，魯棒性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，易于物理實(shí)現(xiàn)，為開發(fā)車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)B60W40/12GK102582618SQ20111019316
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月12日
發(fā)明者王學(xué)偉, 陳雪梅, 高薪, 魏中華 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)