【正文】 tlab/Simulink 仿真軟件簡介 ...................................................................................... 18 仿真結果分析 ................................................................................................................ 18 畢業(yè)設計（論文）報告紙 IV 第五章 總結與展望 ...................................................................................................................... 24 全文總結 .......................................................................................................................... 24 研究展望 .......................................................................................................................... 24 參考文獻 ........................................................................................................................................ 26 致謝 ................................................................................................................................................ 28 畢業(yè)設計（論文）報告紙 1 第一章 緒 論 研究意義與背景 隨著社會 節(jié)拍 的加快、交通條件的改善和 車輛 技術的不斷進步，現(xiàn)代 交通車輛 的行駛速度 得到了 很大的 提高 。 但隨之而來的風險也 在逐步增加，有 關 研究機構對大量交通事故進行了統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，與車速有關的交通事故 的發(fā)生概率超過了 80%。在對 這些 交通事故發(fā)生的 原因進行調查后 ， 人們 又 發(fā)現(xiàn) 車速在 80km/h 到 100km/h 之間行駛的汽車發(fā)生的交通事故，大約 40%是與汽車側向失穩(wěn)有關。 汽車行駛 速 度 越高，失穩(wěn)引發(fā)的交通事 件 的比例越 高 ，當車速超過 160km/h 時，幾乎每起 交通 事故都是 因為 側向失穩(wěn)而 產生 的 [1]。 汽車的操縱穩(wěn)定性是決定汽車高速行駛安全的 關鍵 性能， 是以 ， 如何提高 車輛 行駛操縱穩(wěn)定性是 當 代 車輛 研究的 主要 課題。隨著電子技術的 成熟 ，控制技術的進步， 跟多的 的電子控制 單元 被安裝在汽車上。以用來提高汽車的穩(wěn)定性。 20 世紀七 八 十年代，防抱死系統(tǒng) (ABS)開始 被應用于 汽車上，這種 裝置 能 讓 汽車的滑移率保持在 范圍內， 提升 了 輪胎 與地面間的附著力， 改良 了車倆制動時的側向穩(wěn)定性。而在 20 世紀九十年代，又有人提出了多種 車輛 穩(wěn)定性 理念 [2]。 其中比較成功的是 BOSCH 公司的 VDC 概念， Benz 公司的 ESP 概念，豐田公司的 VSC 概念 。 直到上世紀九十年代末，通過對 汽車 控制理論的分析 和進一步研究后 ， 為了提高車輛的行駛安全性，許多汽車公司， 例如奔馳和寶馬， 提出了 諸如或類似 前輪主動轉向 （ Active Front Steering, AFS)和 直接橫擺力矩控制 （ Direct Yaw Control, DYC)等直接對汽車的橫擺運動進行控制的概念。 現(xiàn)階段 雖然 前輪主動轉向 （ AFS)和直接橫擺力矩控制 （ DYC)方式 都可以 獨自 改善車輛的操縱穩(wěn)定性，但是車輛在 極限 工況下行駛時， AFS 和 DYC 會 造成相互干預 、 相互 影響的結果 ，從而導致它們的 長處 未能同時發(fā)揮 作用 ， 是以 ，為了進一步 提升汽車 的穩(wěn)定性，可以根據(jù) 汽車 實際 狀況 的不同對 AFS 和 DYC 進行 分層 控制以發(fā)揮各自 的 長處 ； 同時 ，隨著電動汽車 技術的提高 ， AFS 和 DYC 控制方法 有 了更加靈活、有效的實現(xiàn) 平臺 ， 所以 ， 聯(lián)合 電動汽車的優(yōu)勢，對 AFS/DYC 集成控制策略 的 研宄有利于進一步 提升汽車的 穩(wěn)定性 。 隨著輪轂電機技術的進步，獨立驅動 /制動及主動懸架在單個輪轂電機車輪 中被 合為一體，如圖 。基于此，四輪獨立驅動電動 輪 汽車 能 實現(xiàn)主動懸架的集成控制。四輪獨立驅動輪轂電機電動汽車相對于傳統(tǒng)汽車具有更好的可控自由 性和靈活性 ，是研究新一代 汽車 控制 畢業(yè)設計（論文）報告紙 2 技術、探索 汽車 最優(yōu)動力學性能的理想載體。 圖 Protean 輪轂電機總成 在穩(wěn)定性控制方面， 輪轂電機電動汽車相對于傳統(tǒng)汽車具有以下一些優(yōu)點：（ 1）四輪轉矩 可以被相互 獨立 改變且更容易測量 ，相對于 傳統(tǒng)的動力 傳遞系統(tǒng)其響應速度 更 快， 對于汽車穩(wěn)定性控制，特別是對于 AFS 和 DYC 聯(lián)合控制的應用有更好的效果 。（ 2）傳統(tǒng)汽車 ，就算是 四輪驅動汽車 對于各個車輪的縱向力只能按照幾個固定的比值分配 ，而輪轂電機電動汽車 因每個車輪都有獨立的驅動裝置，則可以實現(xiàn)對每個車輪的縱向力進行以任意數(shù)值的分配，這跟有利于 AFS 和 DYC 聯(lián)合控制的實現(xiàn) 。（ 3）通過 對于 汽車底盤集成控制 性能潛力的挖掘 ，現(xiàn)已出現(xiàn)了獨立制動 /驅 動 /主動懸架于一體的輪轂電機總成，如圖 所示， 該系統(tǒng) 通過對車輪各向力 的整體控制，可以保證汽車各子系統(tǒng)之間工作 互不干擾 ， 更加方便了 AFS 和 DYC對于汽車的聯(lián)合控制 ，提高汽車正常行駛的舒適性和極限工況下的主動安全性 以及轉彎時的穩(wěn)定性 。 本 文 正是基于 車輛行駛 穩(wěn)定性和安全性的要求，在現(xiàn)有 AFS 和 DYC 控制 方式 的基礎上，通過分層控制結構對其建立集成控制 方法 ，充分 利用 其的優(yōu)點， 提升汽車的 操縱穩(wěn)定性。 并充分挖掘輪轂電機電動車性能潛力 將其優(yōu)勢與汽車穩(wěn)定控制的要求相結合，以設計出一種能克服傳統(tǒng) AFS 和 DYC 單獨控 制方式的缺點的控制方案。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 3 圖 驅動 /制動 /主動懸架一體的輪轂電機總成 研究現(xiàn)狀 車輛穩(wěn)定性控制 系統(tǒng)是汽車電 子 控研究的前沿， 經過近 25 年的發(fā)展正逐步形成為一個關鍵 的研究方向 。 為了改善車輛操縱性 的 穩(wěn)定性和安全性 ， 近年來國內外出現(xiàn)了一系列的AFS 和 DYC 集成控制系統(tǒng)，隨著研究的不斷深入，集成控制系統(tǒng)考慮的因素越來越多，集成度也逐漸增加。 國外研究現(xiàn)狀 Nagai 等人考慮了主動前輪轉向和直接橫擺力矩聯(lián)合控制對改善開環(huán)汽車的操縱穩(wěn)定性的作用。運用跟蹤理想的非線 性車輛模型的控制策略，分別考慮了在制動轉彎、不同道路輸入以及側向風干擾時車輛的穩(wěn)定性 [3]。 Yoshioka 等人使用了滑模控制理論來實現(xiàn)直接橫擺力矩控制 (DYC)，克服了一些不確定因素 (如車速，路面摩擦系數(shù)以及車的質量的改變 )的影響，使得控制的魯棒性得到大大改善[4]。 Yoichi Hori 研究了應用于四輪驅動電動汽車的控制方法 :一種高性能 AFS 和 DYC 的質心側偏角和橫擺用速度解稱控制 ,基于質心側偏用模糊觀測器的直接橫擺力矩控制 ,以及基于最大驅動轉矩估計的牽引控制方法 [57]。 Masao Nagai 實驗室在 20xx 年、 20xx 年先后對主動前輪轉向 (AFS)與直接橫擺力矩控制(DYC)集成控制方法、多電機獨立驅動電動汽車的操縱穩(wěn)定性控制方法進行了研究 [3,8]。 Nagai,shino M 等人 設計了前饋控制器和魯棒次優(yōu)狀態(tài)反饋控制器對主動前輪轉向和橫擺力矩控制進行協(xié)調控制 ，較好地解決了 AFS 與 DYC 在橫擺角速度或者質心側偏角方面 的集成控制問題 [3,9]。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 4 國內研究現(xiàn)狀 清華大學的晏蔚光、陳全世在兩自由度線性模型的基礎上設計了一種前饋復合控制結構，將直接橫擺力矩控制和主動前輪轉向控制相結合以提 高制動穩(wěn)定性 [10]。 北京理工大學的陳思忠教授研究了把輪胎的非線性和汽車動力性考慮在內的直接橫擺力矩控制 (DYC)，以提高大側偏角和高側向加速度的操縱穩(wěn)定性和主動安全性 [11]。 清華大學李克強教授利用四輪驅動電機轉矩獨立可控的優(yōu)勢 ,在建立了不同優(yōu)化目標函數(shù)條件下 ,根據(jù)上層控制器計算的期望橫擺力矩、路面附著限制及電機驅動 /制動轉矩輸出限制這些不同的優(yōu)化分配約束條件 ,采用控制算法對輪胎縱向力進行實時動態(tài)分配 ,調整車輛的行駛狀態(tài) [12]。 溫曉南，柴衛(wèi)紅等人提出了基于模糊邏輯控制的主動前輪轉向（ AFS）和直接 橫擺力矩控制（ DYC）的汽車動態(tài)控制系統(tǒng) ,以使車輛的角速度和操縱穩(wěn)定性兩方面的性能達到一個新的水平 [13]。 李剛，宗長富，姜立勇等人針對汽車主動前輪轉向（ AFS）與直接橫擺力矩（ DYC）協(xié)調控制問題提出了一種基于模型預測控制的集成控制算法，目的在于通過在線優(yōu)化實現(xiàn)綜合考慮橫擺角速度和質心側偏角的多目標控制，來擴大穩(wěn)定性控制的范圍 [14]。 綜上所述，在國內外都對 AFS 和 DYC 有了一定的研究， 但現(xiàn)階段 仍然 是著力于開發(fā)單個系統(tǒng)的性能，對于兩者的 集成控制仍然缺乏明確的控制策略，使得 AFS、 DYC 系統(tǒng) 無法在一個車 輛上同時使用 充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢 來互補其劣勢。這樣會導致汽車在不同工況運行時，主動安全控制系統(tǒng)會出現(xiàn)工作情況不理想的特性。 因此，本文 就 AFS 和 DYC 的聯(lián)合控制方法進行了探討， 通過 采用分層控制結構 策略，制定了兩者在汽車穩(wěn)定性控制中的協(xié)作方式和工作條件 。 本文的 研究內容 汽車側向失穩(wěn)的主要原因是橫擺力矩失去了控制。因此，先介紹了 現(xiàn)階段 兩種控制橫擺力矩 主要方法 。 一種方法是車輛直接橫擺力矩控制（ DYC ） 。 在汽車 前輪和后輪 使用的縱向力， 所產生的繞質心 的 橫擺力矩有很大的區(qū)別。轉向時，外前 增加或減少的 輪縱向力引 起的附加橫擺力矩和由側向力降低引起的附加橫擺力矩方向相同， 且 均與轉向方向相反，當轉向過度時，在此輪施加縱向力，對 矯正 過度轉向最有效；同理，在內后輪上施加縱向力對 矯正 不足轉向最有效。 控制四個車輪的縱向力的分布及幅度 的 DYC 系統(tǒng) ，在汽車上產生可以穩(wěn)定車輛的 外部 畢業(yè)設計（論文）報告紙 5 橫擺力矩，使車輛保持在中性轉向稍偏不足轉向的狀態(tài)。由于減少了縱向力或者增大側向力，從而提高了操縱穩(wěn)定性。 另一種方法是通過控制轉向角，而轉向角控制最實用有效的方法是主動前輪轉向系統(tǒng)（ AFS），這種方法就是依據(jù)駕駛 狀況 ，自動調節(jié)車輛轉向 系統(tǒng)的 傳動比，從而 給 前 輪 增加一個附加 的轉向角度。在低速時，轉向傳動比減小， 給前輪一個正值的汽輪附加轉向角， 可以減少駕駛者對轉向力的需求 或彌補汽車的轉型不足 ，提高轉向的靈敏性和操縱性 。在高速時，轉向傳動比增大， 給 前輪 一負值的附加 轉向角度， 減小汽車的轉向過度，提高了汽車的轉向穩(wěn)定性。 但是由于 汽車 輪胎側向力固有的非線性特性， AFS 在車輛線性操作區(qū)域內 對穩(wěn)定性控制有較好的效果 而 在非線性區(qū)效果不佳，而 直接橫擺力矩控制（ DYC）在線性和非線性區(qū)域內對穩(wěn)定性控制都能滿足期望的要求 ， 但 持續(xù)橫擺力矩控制會 改變汽車的縱向速度，且需較大的橫擺力矩， 影響 了 駕駛的舒適性 和穩(wěn)定性 。 為了解決 AFS 和 DYC 各自的缺點，同時又不會對現(xiàn)有基礎做出大的改動，本 文又 研究了 AFS/DYC 的集成控制策略方法 ， 該方法是通過調整在兩種控制模式下主動前輪系統(tǒng)產生的修正橫擺力矩實現(xiàn)的?？刂葡到y(tǒng)采用分層控制。 第一層為 決策 層，包括駕駛員、參考模型、AFS 控制器和 DYC 控制器。其中，駕駛員輸出駕駛意圖，參考模型輸出理想狀態(tài)并被用于判斷駕駛意圖的穩(wěn)定性。 AFS 控制器和 DYC 控制器則是根據(jù)駕駛意圖與理想狀態(tài)的差值來對車輛狀態(tài)進行補償，以保證車輛的操縱穩(wěn)定性。 AFS 控制器是在線性狀態(tài)下控制 狀態(tài)響應，DYC 控制器是在的非線性狀態(tài)下控制狀態(tài)響應，其對 AFS 控制器起到了補償?shù)淖饔谩? 第二層為執(zhí)行層，包括 附加主動前輪轉角和附加橫擺力矩的分配 ， 其中附加主動前輪轉角通過轉向電機進行實現(xiàn)，而附加橫