【正文】 基于4WS汽車橫擺力矩控制的滑模干擾觀測(cè)器研究畢業(yè)論文目錄獨(dú)創(chuàng)性聲明 I摘 要 IIAbstract III目錄 IV第一章 緒論 1 四輪轉(zhuǎn)向（4WS） 1 4WS簡(jiǎn)介 1 4WS原理及優(yōu)點(diǎn) 1 4WS汽車發(fā)展概況與趨勢(shì) 2 四輪驅(qū)動(dòng)（4WD） 5 4WD簡(jiǎn)介 5 4WD汽車優(yōu)缺點(diǎn) 5 4WD汽車發(fā)展概況與趨勢(shì) 6 輪轂電機(jī)技術(shù)和直線步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)向力技術(shù) 10 輪轂電機(jī)技術(shù) 10 直線步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)向力技術(shù) 11 電子差速系統(tǒng)EDS 12 電子差速原理簡(jiǎn)介 12 輪轂電機(jī)應(yīng)用與四輪驅(qū)動(dòng)及電子差速的關(guān)系 12 四輪驅(qū)動(dòng)結(jié)和四輪轉(zhuǎn)向的電子差速計(jì)算式推導(dǎo) 13 電子差速轉(zhuǎn)向?qū)嵤┑慕Y(jié)構(gòu)原理 15 本文的研究思路與內(nèi)容 16 第二章 汽車動(dòng)力學(xué)模型 18 汽車動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介 18 建立汽車模型的基本方法 19 集中質(zhì)量 20 車輛坐標(biāo)系 20 本文汽車建模方法及坐標(biāo)系 21 方法 21 坐標(biāo)系 21 23 輪胎接地點(diǎn)速度 23 29 車輪滑移率計(jì)算 30 輪胎側(cè)偏角計(jì)算 30 附著系數(shù)計(jì)算 33 附著力計(jì)算 35 輪胎特性 37 輪胎半徑定義 39 整車模型 40 平動(dòng)計(jì)算 40 轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算 43 簡(jiǎn)化的雙軌模型 44 簡(jiǎn)化的線性單軌模型 47 第三章 基于橫擺角速度的4WS系統(tǒng)研究 50 建立模型 50 控制算法 50 基于Matlab/Simulink仿真 51 操縱穩(wěn)定性分析 54 第四章 基于最優(yōu)控制的4WS系統(tǒng)研究 56 最優(yōu)控制概述 56 最優(yōu)控制理論的發(fā)展 56 建立模型 57 能控性和能觀性分析 57 基于Matlab的仿真 59 第五章 滑膜橫擺力矩干擾觀測(cè)器設(shè)計(jì) 64 滑模變結(jié)構(gòu)控制 64 滑模變結(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)介 64 變結(jié)構(gòu)控制發(fā)展歷史 64 滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的抖振問(wèn)題 65 滑模觀測(cè)器的研究 67 線性系統(tǒng)滑?？刂坪?jiǎn)介 67 基本定義 67 切換方式與控制律 68 等價(jià)控制輸入 68 狀態(tài)觀測(cè)器 69 觀測(cè)器簡(jiǎn)介 69 觀測(cè)器的原理與構(gòu)成 69 狀態(tài)觀測(cè)器的存在條件 71 汽車參考模型 72 輸入增益計(jì)算 72 參考動(dòng)態(tài)的限制 73 速度依賴性實(shí)現(xiàn) 74 干擾觀測(cè)器設(shè)計(jì) 75 系統(tǒng)描述 75 滑?？刂茖?shí)現(xiàn) 75 第六章 基于Matlab仿真分析 78 III東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 第一章 緒論 四輪轉(zhuǎn)向（4WS） 4WS簡(jiǎn)介 四輪轉(zhuǎn)向在20世紀(jì)80年代中期開始發(fā)展，其目的是提高汽車在高速行駛或在側(cè)向風(fēng)力作用時(shí)的操作穩(wěn)定性，在整個(gè)車速范圍內(nèi)提高車輛對(duì)轉(zhuǎn)向輸入的響應(yīng)速度，改善在低速下的操縱輕便性，以及減小在停車場(chǎng)時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑，改善機(jī)動(dòng)性。四輪轉(zhuǎn)向汽車的后輪可以與前輪同向偏轉(zhuǎn)，亦可以反向偏轉(zhuǎn)。同向控制模式中其轉(zhuǎn)彎半徑比兩輪轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)彎半徑大。汽車在40km/h 以上行駛時(shí)，176。其作用是汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)車身與行駛方向的偏轉(zhuǎn)角小，減少了汽車調(diào)整行駛轉(zhuǎn)向時(shí)的旋轉(zhuǎn)和側(cè)滑，提高了操縱穩(wěn)定性，且能保證汽車在潮濕路面上穩(wěn)定地轉(zhuǎn)向。反向（逆向）控制模式中其轉(zhuǎn)彎半徑比兩輪轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)彎半徑小。低速時(shí)后輪逆向偏轉(zhuǎn)角最大為5176。，適用于汽車駛?cè)胲噹?kù)和在狹窄的拐角處轉(zhuǎn)彎。隨著車速的升高，后輪轉(zhuǎn)向角變小，在車速達(dá)到達(dá)40km/h 時(shí)轉(zhuǎn)向角變成0176。 4WS原理及優(yōu)點(diǎn)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本原理是[1]，利用車輛行駛中的某項(xiàng)信息來(lái)控制后輪的轉(zhuǎn)向角輸入，以提高車輛的操縱穩(wěn)定性。低速時(shí)，在后輪上附加一個(gè)與前輪轉(zhuǎn)角反向的轉(zhuǎn)角，可以減少車輛的轉(zhuǎn)彎半徑（）。由Ackerman轉(zhuǎn)向模型[2]，即可得出這樣的結(jié)論當(dāng)前輪轉(zhuǎn)角相同時(shí)，四輪轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)彎半徑明顯小于前輪轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，這就是說(shuō)四輪轉(zhuǎn)向車輛可以輕松的通過(guò)前輪轉(zhuǎn)向車輛需多次反復(fù)倒車才能通過(guò)的地方。四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)能夠基本保持車輛重心側(cè)偏角為零。傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輛的前進(jìn)方向與其縱向中心線的方向不一致，其夾角就是車輛重心側(cè)偏角。汽車操縱穩(wěn)定性的理想目標(biāo)就是達(dá)到車身的零側(cè)偏角。假定在某一車速下車輛重心側(cè)偏角p=0，此時(shí)車輛的前進(jìn)方向與車輛的縱向?qū)ΨQ線一致。當(dāng)?shù)陀谶@一車速時(shí)，重心向與前輪轉(zhuǎn)角方向相同的方向偏移。當(dāng)高于這一車速時(shí)，重心向與前輪轉(zhuǎn)角方向相反的方向偏移。當(dāng)后輪附加某一特定轉(zhuǎn)角時(shí)，將產(chǎn)生與前述相反方向重心側(cè)偏角，與前輪產(chǎn)生的重心側(cè)偏角疊加，使車輛側(cè)偏角基本為零，即低速度時(shí)，后輪與前輪方向相反；中速時(shí)，后輪保持直行；高速時(shí)，后輪與前輪方向相同。這樣，高速時(shí)，可保證更高的穩(wěn)定性，使汽車即使在惡劣路面條件下也能在直行、轉(zhuǎn)向或閃避時(shí)保持穩(wěn)定的操縱響應(yīng)，提高汽車的主動(dòng)安全性。車輛對(duì)軌跡的跟蹤性得到了極大的改善。綜上所述，與傳統(tǒng)的二輪轉(zhuǎn)向(2WS)系統(tǒng)相比，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有很大的優(yōu)點(diǎn)。從駕駛的觀點(diǎn)看，四輪轉(zhuǎn)向具有以下優(yōu)點(diǎn)：①轉(zhuǎn)向能力強(qiáng)。車輛在高速行駛時(shí)以及在濕滑路面上的轉(zhuǎn)向特性更加穩(wěn)定和可控，高速緊急避讓時(shí)，車體較少甩尾，減小了車體掃過(guò)的包線面積，從而減少了碰撞的可能性；②轉(zhuǎn)向響應(yīng)迅速。在整個(gè)車速變化范圍內(nèi)，車輛對(duì)轉(zhuǎn)向輸入的響應(yīng)更迅速、更準(zhǔn)確；③行駛穩(wěn)定性提高。在高速工況下車輛的直線行駛穩(wěn)定性提高，路面不平度和側(cè)風(fēng)對(duì)車輛行駛穩(wěn)定性的不利影響減小，車輛高速行駛換車道的穩(wěn)定性提高；④低速機(jī)動(dòng)性好。低速時(shí)后輪朝前輪偏轉(zhuǎn)方向的反向偏轉(zhuǎn)，車輛的轉(zhuǎn)彎半徑將大大減小。因而在道路狹窄及停放車輛時(shí)，更容易操縱車輛。 4WS汽車發(fā)展概況與趨勢(shì)①20世紀(jì)初至20世紀(jì)八十年代[3]這一階段主要是4WS系統(tǒng)的萌芽和初步應(yīng)用。在上世紀(jì)初，人們就設(shè)想通過(guò)采用前后輪同時(shí)轉(zhuǎn)向的辦法來(lái)減小汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的半徑。1907年，日本政府頒發(fā)了第一個(gè)關(guān)于四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的專利，這種結(jié)構(gòu)通過(guò)一根軸將前后輪的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接起來(lái)。當(dāng)車輛低速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)，后輪與前轉(zhuǎn)向輪反相轉(zhuǎn)向來(lái)獲得較小的轉(zhuǎn)彎半徑，以提高車輛的機(jī)動(dòng)靈活性，故這種結(jié)構(gòu)最初應(yīng)用于對(duì)車輛的機(jī)動(dòng)性要求高的軍用車輛和工程車輛。②20世紀(jì)八十年代后期至20世紀(jì)90年代這一階段主要是4WS系統(tǒng)的快速發(fā)展及應(yīng)用。隨著對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的研究的深入，尤其是認(rèn)識(shí)到4WS系統(tǒng)對(duì)提高車輛高速的操縱穩(wěn)定性有重要意義，世界各大汽車公司加大了對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究與開發(fā)，尤以日本的研發(fā)引人矚目。Mazda公司于1987年率先研制出車速感應(yīng)式4WS系統(tǒng)并裝備轎車，之后各大汽車公司和科研院所依據(jù)當(dāng)時(shí)的科技水平，就結(jié)構(gòu)形式和控制策略研究出形式各異的4WS系統(tǒng)[4]。4WS系統(tǒng)類型的劃分也主要依據(jù)這一階段的有關(guān)產(chǎn)品。③20世紀(jì)90年代至今該階段主要是底盤綜合控制的研究。由于近年來(lái)歐美和日本等國(guó)家對(duì)自動(dòng)高速公路系統(tǒng)(Automated highway System，簡(jiǎn)稱AHS)及智能汽車系統(tǒng)(Intdligent Vehicle System，簡(jiǎn)稱IVS)等重大項(xiàng)目的重視，各國(guó)科研人員從駕駛員一車輛一環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)出發(fā)，綜合研究汽車的縱向、側(cè)向和垂向的動(dòng)力學(xué)控制[5][6]，其核心技術(shù)即為4WS、主動(dòng)懸架控制(Active Suspension Control)、TCS(Traction Control System，牽引力控制系統(tǒng))和ESP(Electric Stabitity Programme，電子穩(wěn)定系統(tǒng))等車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)。毫無(wú)疑問(wèn)，包含以上幾項(xiàng)技術(shù)的底盤綜合系統(tǒng)將產(chǎn)生1+12的結(jié)果，可以更有效改善汽車的各項(xiàng)性能。當(dāng)然，它還在不斷發(fā)展和完善中。大體上說(shuō)，國(guó)內(nèi)外對(duì)4WS的研究。一般均把汽車模型看作線性二自由度“自行車”模型，只研究向心加速度和繞汽車縱軸的旋轉(zhuǎn)，控制形式主要有以下兩種[7]：1)．“車速感應(yīng)型”：當(dāng)車速小于某一數(shù)值時(shí)(一般為4555 km／h)時(shí)，前后輪轉(zhuǎn)向相反；而當(dāng)車速高于該數(shù)值時(shí)，前后輪轉(zhuǎn)向相同。2)．“轉(zhuǎn)角感應(yīng)型”：當(dāng)轉(zhuǎn)角小于某一角度(如；“本田”4WS為24度)時(shí)，前后輪轉(zhuǎn)向相同；當(dāng)大于該角度時(shí)，轉(zhuǎn)向相反?？刂撇呗灾饕腥N[8]：比例控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制和主動(dòng)控制，其中比例控制又分為前饋控制(前后輪轉(zhuǎn)向角與車速依存式)和反饋控制(將車輛的運(yùn)行狀態(tài)反饋到控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)后輪轉(zhuǎn)向角)；動(dòng)態(tài)補(bǔ)償式也分為前饋控制(轉(zhuǎn)向角動(dòng)態(tài)補(bǔ)償)和反饋控制(轉(zhuǎn)向力矩動(dòng)態(tài)補(bǔ)償)；主動(dòng)控制則要求橫擺速率中、高速時(shí)提高穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向響應(yīng)性，低速時(shí)提高小轉(zhuǎn)彎大轉(zhuǎn)向角轉(zhuǎn)向操縱性。早期的樣車有：本田汽車公司的4WS是控制前后輪的轉(zhuǎn)向角，馬自達(dá)汽車公司的4WS是由車速直接控制前后輪的轉(zhuǎn)向角之比，日產(chǎn)汽車公司的4WS是動(dòng)態(tài)的對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行補(bǔ)償，大眾汽車公司的4WS是調(diào)節(jié)橫擺角速度。由于對(duì)四輪轉(zhuǎn)向的許多問(wèn)題還研究得不夠深入，因此，為了安全起見，這些車型基本采用機(jī)械裝置或簡(jiǎn)單的電器裝置，而且以上這些研究都只是針對(duì)轉(zhuǎn)向角一旦確定就不再改變的情形。同時(shí)對(duì)于所研究的汽車模型，均假設(shè)為線性二自由度簡(jiǎn)化模型進(jìn)行，并未考慮動(dòng)態(tài)駕駛中汽車的動(dòng)力學(xué)特性。我國(guó)開展汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)研究相對(duì)較晚，80年代末和90年代初開始有文章探討4WS問(wèn)題[9][10]，90年代末，上海交大、浙江大學(xué)開始進(jìn)行4WS控制方法的研究。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)相繼有北京理工大學(xué)、天津大學(xué)、遼寧工學(xué)院、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校在學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表4WS技術(shù)的論文，尤其北京理工大學(xué)和上海交通大學(xué)進(jìn)行比較深入的研究工作，分析國(guó)內(nèi)外對(duì)4WS的研究情況，發(fā)現(xiàn)存在以下一些問(wèn)題：a．大多數(shù)研究者所采用的力學(xué)模型是基于兩輪車系統(tǒng)二自由度線性轉(zhuǎn)向模型，因此與實(shí)際四輪車的轉(zhuǎn)向情況有一定的差別。這種差別將影響四輪轉(zhuǎn)向控制策略的準(zhǔn)確性，難于達(dá)到理想的四輪轉(zhuǎn)向性能。b．轉(zhuǎn)向模式一般只采用兩種：逆相位轉(zhuǎn)向和同相位轉(zhuǎn)向，顯然僅靠這兩種很粗的模式難于滿足在各種不同的彎道、不同車速、不同車輪狀態(tài)、不同車輛載荷情況下車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)彎、掉頭、換道時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向的要求。c．4WS控制策略智能性不高。目前所采用的控制方法主要有：定前、后輪轉(zhuǎn)向比的4WS控制技術(shù)，前、后輪轉(zhuǎn)向比是車速函數(shù)的4WS轉(zhuǎn)向技術(shù)。還需要在自學(xué)習(xí)能力，自適應(yīng)能力和最優(yōu)控制、模糊控制等智能控制技術(shù)上下功夫，尋找較為理想的智能控制方法和技術(shù)，尤其是把各種智能技術(shù)綜合運(yùn)用于4WS系統(tǒng)的控制中。在技術(shù)相對(duì)成熟的4WS汽車中，大多數(shù)采用電控液壓動(dòng)力4WS系統(tǒng)。但由于液壓動(dòng)力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)布置、密封性、能耗、效率等方面的不足，尤其是在轉(zhuǎn)向過(guò)程中存在著響應(yīng)滯后的固有缺陷，使得電控液壓式4WS系統(tǒng)在適應(yīng)現(xiàn)代4WS汽車的轉(zhuǎn)向靈敏性、準(zhǔn)確性方面受到了束縛，不能滿足汽車高速行駛穩(wěn)定性的要求。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、電機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，電控電動(dòng)式4WS系統(tǒng)在技術(shù)上的不斷完善，在轉(zhuǎn)向控制性能、系統(tǒng)布置、節(jié)能等方面越來(lái)越顯示了其優(yōu)越性，應(yīng)用前景廣闊，必將取代電控液壓式4WS系統(tǒng)，成為4WS系統(tǒng)發(fā)展的主流。雖然在4WS系統(tǒng)的研究和開發(fā)方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是，作為4WS系統(tǒng)的核心技術(shù)問(wèn)題4WS系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)，究竟以什么作為最佳的控制目標(biāo)?采用什么樣的控制方法?在該研究領(lǐng)域仍然沒(méi)有較為一致的看法。早期進(jìn)行的4WS系統(tǒng)的研究都是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的4WS控制器設(shè)計(jì)，且都是基于跟隨線性動(dòng)力學(xué)方程的假設(shè)，采用PID控制策略。4WS系統(tǒng)的控制主要依賴于輪胎所受的橫向力。早期的研究是將汽車輪胎受力與變形之間的關(guān)系看成線性進(jìn)行建模的，一般的4WS控制也就基于輪胎所受的橫向力比例于車輪側(cè)偏角的假設(shè)，但實(shí)際上這種假設(shè)只是在橫向加速度較小的范圍內(nèi)有效。當(dāng)在橫向加速度較大的范圍內(nèi)時(shí)，輪胎的側(cè)偏特性將進(jìn)入非線性區(qū)域，輪胎側(cè)偏角對(duì)輪胎所受橫向力的響應(yīng)不再呈比例關(guān)系，與輪胎所受的縱向力、垂直載荷等都有關(guān)系。實(shí)際上，汽車在轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，輪胎基本上都工作在非線性區(qū)域。此時(shí)，再用線性控制理論來(lái)進(jìn)行研究，就顯得勉為其難。4WS汽車操縱動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是非常復(fù)雜的非線性多體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，對(duì)于4WS控制系統(tǒng)的研究應(yīng)綜合考慮汽車的運(yùn)動(dòng)情況，深入研究影響其狀態(tài)響應(yīng)的各種動(dòng)力學(xué)參數(shù)，建立汽車實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況的數(shù)學(xué)模型，采取更有效的控制策略。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，一些先進(jìn)的現(xiàn)代控制方法已經(jīng)被應(yīng)用于4WS系統(tǒng)的控制研究中，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的控制方法等。對(duì)4WS控制系統(tǒng)的研究逐漸從線性領(lǐng)域向非線性領(lǐng)域過(guò)渡，一些多自由度的4WS汽車動(dòng)力學(xué)模型已有人提出，但大多處于研究的初級(jí)階段，尚不成熟。毫無(wú)疑問(wèn)，4WS系統(tǒng)是我國(guó)汽車制造業(yè)在不久的將來(lái)會(huì)開始應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)，4WS控制技術(shù)的研究將對(duì)我國(guó)開發(fā)和設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4WS系統(tǒng)提供核心技術(shù)，具有良好的市場(chǎng)和發(fā)展前景。 四輪驅(qū)動(dòng)（4WD） 4WD簡(jiǎn)介4輪驅(qū)動(dòng)，是指汽車前后輪都有動(dòng)力。可按行駛路面狀態(tài)不同而將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩按不同比例分布在前后所有的輪子上，以提高汽車的行駛能力。四輪驅(qū)動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)是將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給變速器，然后利用分動(dòng)器把動(dòng)力分配給前后傳動(dòng)軸，接著通過(guò)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞給前后差速器，與各個(gè)差速器相連接的半軸使四個(gè)輪胎旋轉(zhuǎn)。這樣一來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力被分配給四個(gè)車輪，遇到路況不好才不易出現(xiàn)車輪打滑，汽車的通過(guò)能力得到相當(dāng)大地改善。四輪驅(qū)動(dòng)汽車與兩輪驅(qū)動(dòng)汽車的最大差別在于：FF車型會(huì)因?yàn)檩喿拥目辙D(zhuǎn)而轉(zhuǎn)向不足，偏離了