一種基于非光滑技術的電動車直接橫擺力矩控制方法與流程

本發明涉及電動汽車直接橫擺力矩的控制策略，特別涉及非光滑控制器的設計和橫擺力矩分配方法的設計。
背景技術：
：在環境和能源問題的背景下，電動汽車越來越成為未來汽車工業的重要部分。近年來，分布式驅動電動汽車(in-wheelmotorelectric,iev)受到研究者的普遍關注。它通過置于車輪輪轂內的輪轂電機或是將兩個電機置于差速器位置來驅動車輪，給整車提供動力。iev具有相應速度快、傳動鏈短、傳動高效等優點，是電動汽車領域的一個重要發展方向。目前，iev的穩定性控制仍存在需要改善的地方，如在復雜工況下汽車的行駛穩定性控制。當車輛在高速行駛過程中，遇突發情況緊急變道時，輪胎所受的側向力達到飽和導致車輛發生轉向不足和過度轉向，從而引起車輛發生側滑、甩尾而引發交通事故，且在濕滑路面上發生事故的概率將會大大提升。因此，如何提高車輛在復雜路況下行駛的穩定性已成為學者們研究的一個熱點問題，該問題屬于車輛行駛安全控制的研究范疇。在車輛行駛安全控制方面，使用最廣泛的是基于直接橫擺力矩的控制策略。直接橫擺力矩控制方法是指在車輛轉彎時，通過分別控制左右車輪的轉矩，產生維持車輛穩定的橫擺力矩，從而提高車輛的穩定性。直接橫擺力矩控制在輪轂電機驅動的電動汽車上實現比較方便。這是因為，由輪轂電機驅動的電動汽車與傳統內燃機汽車相比具有以下兩方面的優點。一是電機轉矩響應速度快，其響應時間大約為幾毫秒，而傳統內燃機汽車的響應時間是電機的幾十倍甚至上百倍；二是各個電機的轉矩可以獨立精確控制，且易于測量，可以通過調節左右車輪的轉矩來產生使汽車穩定所需要的橫擺轉矩。同時安裝有輪轂電機的電動汽車不需要差速器，簡化了電動汽車的機械結構。此外，直接橫擺控制還具有實現簡單、控制效率高等特點。因此，利用直接橫擺力矩方法控制輪轂電機驅動電動汽車的穩定性引起了人們的廣泛關注。早期的直接橫擺力矩控制主要以經典控制理論和現代控制理論為基礎的線性控制方法，如pi控制器。后來，電動汽車的動力學具有典型的非線性特性，特別是在高速行駛時，具有強耦合特征。基于經典線性系統理論的控制方法很難進一步提高強耦合條件下的系統性能。基于此，人們嘗試利用非線性控制方法提高車輛行駛的穩定性。如模糊控制、滑模理論、神經網絡控制、魯棒控制等算法相繼被提出。從控制器連續的角度來看，上述線性和非線性控制方法可以分為光滑控制和非連續控制。一般來說，光滑控制方法具有控制平滑，易于實現等特點。但是，相對于非連續控制方法而言，基于光滑控制方法的控制器對外部擾動和系統不確定的魯棒性較弱。因此，在復雜工況條件下，基于光滑控制方法的直接橫擺力矩控制有時很難取得令人滿意的控制效果。另一方面，非連續控制雖然具有很強的魯棒性，能夠很好的克服電動汽車動力學中的各種不確定和擾動，但是由于其控制器是不連續的，在控制時會產生抖振，甚至引起系統崩潰。所以提出一種介于光滑控制和非連續控制之間的非光滑橫擺力矩控制方法是有必要的。技術實現要素：為了解決目前電動汽車穩定性控制的問題，本發明提出了一種基于非光滑技術的電動車直接橫擺力矩控制策略，提高了極端駕駛情況下的車輛穩定性。本發明的技術方案包括以下部分：1)建立線性二自由度車輛動力學模型，以其作為汽車運行過程中的參考模型。根據參考模型，計算出理想的橫擺角速度ωd和質心側偏角βd。2)利用橫擺角速度的實際值ω，構造狀態觀測器觀測車輛的實際質心側偏角3)將由二自由度車輛模型得到的理想值與七自由度模型得到的實際值發送給非光滑控制模塊；非光滑控制模塊是基于非光滑技術設計的橫擺力矩控制器，其功能為計算出維持車輛穩定所需要的橫擺力矩。4)由力矩分配模塊對非光滑控制計算出的橫擺力矩進行分配，分別作為左右輪轂電機的輸出扭矩，從而實現對車輛的穩定控制。本發明具有以下技術效果：1)利用橫擺角速度的實際值ω，構造狀態觀測器估計車輛的實際質心側偏角避免了實際工況中質心側偏角不能直接測量或者測量成本過高的問題，大大減小了測量實際質心側偏角的成本，提高了經濟效益。2)基于非光滑技術設計的非光滑橫擺力矩控制器能夠計算出維持車輛穩定所需要的橫擺力矩，具有快速的收斂性能，且具有更好的抗擾動性能。而且，在獲得較好魯棒性能的同時有效地避免了抖振現象。3)應用電機對汽車進行穩定性控制，避免了傳統汽車中的機械傳動機構，減小的不必要的能量的損耗和機械結構的損耗。附圖說明圖1為本發明的系統關系示意圖。圖2為前輪轉角隨時間變化的曲線。圖3為橫風干擾隨時間變化的曲線。圖4為無橫風干擾情況下橫擺角速度隨時間的變化曲線。圖5為無橫風干擾情況下質心側偏角隨時間的變化曲線。圖6為無橫風干擾情況下誤差s隨時間的變化曲線。圖7為有橫風干擾情況下橫擺角速度隨時間的變化曲線。圖8為有橫風干擾情況下質心側偏角隨時間的變化曲線。圖9為有橫風干擾情況下誤差s隨時間的變化曲線具體實施方式本發明提供了一種基于非光滑技術的電動車直接橫擺力矩控制策略。為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照說明書附圖并舉實施例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。圖1所示是本發明的輪胎側向力估計的系統關系示意圖，它包括1、線性二自由度車輛模型2、carsim軟件(七自由度整車模型)3、質心側偏角的狀態觀測器4、非光滑控制模塊5、力矩分配模塊基于上述系統，下面通過具體實施解釋本發明對復雜工況下的汽車穩定控制方法：采用的車輛參數如表1所示，選取的試驗工況為72km/h、蛇形。表1車輛參數車輛質量m(kg)1464繞z軸轉動慣量iz(kg/m2)2400質心到前軸距離a(mm)1256質心到后軸距離b(mm)1368前輪軸距tw1(mm)1450后輪軸距tw2(mm)1450質心距地面高度hg(mm)500車輪轉動慣量iω(kg/m2)2.1車輪滾動半徑r(mm)3101)基于線性二自由度車輛動力學模型求出車輛的理想橫擺角速度ωd和質心側偏角βd。線性二自由度車輛動力學模型如下：側向動力學方程為橫擺動力學方程為式中m為汽車質量，kf為前軸側偏剛度，kr為后軸側偏剛度，iz為整車繞z軸的轉動慣量，ω(t)為包含系統不確定和外界干擾的集總擾動。根據式(1)和(2)以及滿足實際情況下的環境因素，理想橫擺角速度ωd和質心側偏角βd的計算公式如下：βd＝02)基于車輛七自由度模型，利用狀態觀測器觀測實際質心側偏角β的方法如下縱向動力學方程為側向動力學方程為橫擺動力學方程為式中fxij和fyij分別為輪胎的縱向力和側向力，i,j分別表示left和right。為橫擺力矩，為包含外部擾動、內部擾動和后輪橫擺力矩的集總擾動。車輪旋轉動力學方程為式中itw為車輪的轉動慣量，ωij為車輪的角速度，tdij為驅動力矩，tbij為制動力矩，r為輪胎的滾動半徑。3)質心側偏角的狀態觀測器構建方法如下：考慮二自由度車輛模型為線性模型，車輛質心側偏角滿足由于線性二自由度車輛模型在縱向上為勻速運動，故令x＝(ω,β)t，u＝δ，根據式(1)(2)可知：y＝cx式中：根據線性控制理論，觀測器的數學模型為：取真實值和估計值的誤差則誤差模型為式中l＝(l1,l2)t為狀態觀測器的增益矩陣。設-λ1和-λ2為狀態觀測器極點，則：求得即：4)設計非光滑控制模塊計算維持車輛穩定所需的橫擺力矩，其方法如下：選取質心側偏角和橫擺角速度的加權組合為目標函數，即：式中ξ為目標函數的加權系數，在路面附著系數較小的情況下增大ξ，反之則減小ξ，用來加強或減小質心側偏角對系統的控制作用，以此彌補線性二自由度模型的缺陷。橫擺力矩控制器mz設計為：式中k1＞0,k2＞0,0＜α＜1。注意到本發明設計的控制器的結構中含有分數冪項k2sign(s)|sα，在外部擾動和系統不確定條件下，可提高極端駕駛情況下的車輛穩定性，凡涉及到分數冪項都被包括在我們的發明之內。根據車輛橫擺運動學方程(3)可以得到：將式(5)代入式(6)可得：對式(4)求導可得：將式(7)帶入(8)有：為方便描述，令故式(9)可以表示為由于質心側偏角觀測器收斂以及擾動的有界性可知，存在正常數d使得:|d(t)|≤d因此，可以得出結論：在控制器(5)的作用下，目標函數s將會在有限時間內被鎮定到以下區域：式中k2＞d,0＜α＜1,c為一個任意小的常數。當α＝1的時候，橫擺力矩控制器(5)退化為：該控制器為線性光滑控制器。當α＝0的時候，橫擺力矩控制器(5)退化為：該控制器為非連續控制器。5)設計力矩分配模塊對橫擺力矩的分配方法如下：電機扭轉與輪胎縱向力的關系為，根據橫擺力矩mz與縱向力fxij的關系，并帶入上式可求得左右車輪的驅動或制動力矩：式中fzij和tmij分別為輪胎的垂向力和垂向力矩。表2為不同情況下左右車輪驅動或制動力矩的分配情況，設δ＞0時電動汽車左轉，橫擺角速度逆時針為正。表2驅動或制動車輪選擇策略6)為了比較非光滑控制(5)、線性控制(10)和滑模變結構控制(11)三種控制器的控制效果，基于matlab和carsim軟件搭建了仿真平臺，用于驗證有無橫風干擾的情況下控制器的有效性。為使三種控制器具有可比性，仿真時三個控制器中參數k1和k2皆取值為500。設置車輛的初速度為85km/h，電動汽車在地面摩擦系數為0.4的濕滑路面上作蛇形機動，考慮實際電機輸出扭矩不可能無限大，電機扭矩輸出限幅為±500n·m。前輪轉角隨時間變化的曲線如圖2所示。橫風干擾隨時間變化的曲線如圖3所示。無橫風干擾情況下：圖4為橫擺角速度隨時間的變化曲線，圖5為質心側偏角隨時間的變化曲線，圖6為誤差s隨時間的變化曲線。有橫風干擾的情況下：圖7為橫擺角速度隨時間的變化曲線，圖8為質心側偏角隨時間的變化曲線，圖9為誤差s隨時間的變化曲線。由仿真結果可以看出，綜合來說，非光滑控制與線性控制和非連續控制相比，具有更好的控制效果。在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示意性實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由權利要求及其等同物限定。當前第1頁12