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基于耗散性理論的汽車底盤集成非線性魯棒約束優(yōu)化控制——吉林大學(xué) & 一汽 & 亞太

2021-09-30 08:49:00·  來(lái)源：焉知智能底盤  
　
來(lái)源 | 《中國(guó)機(jī)械工程 》第32卷第8期目前,自動(dòng)駕駛電動(dòng)汽車已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè) 的主要發(fā)展目標(biāo)之一,而主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向 (active front steering,AFS)子系統(tǒng)和直
來(lái)源 | 《中國(guó)機(jī)械工程 》第32卷 第8期

目前,自動(dòng)駕駛電動(dòng)汽車已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè) 的主要發(fā)展目標(biāo)之一,而主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向 (active front steering,AFS)子系統(tǒng)和直接橫擺力矩控制(direct yaw-moment control,DYC)子系統(tǒng)是保證自動(dòng)駕駛電動(dòng)汽車在自動(dòng)緊急轉(zhuǎn)向等 極限工況下安全、穩(wěn)定行駛的關(guān)鍵部件,但二者在自動(dòng)緊急轉(zhuǎn)向等極限工況下呈現(xiàn)出強(qiáng)耦合特性, 簡(jiǎn)單組合的集成控制方式難以解決二者的強(qiáng)耦合特性對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制性能的影響,因此深入研究二者在自動(dòng)緊急轉(zhuǎn)向等極限工況下的集成控制問題是一項(xiàng)具有實(shí)際意義的工作。

AFS子系統(tǒng)和DYC子系統(tǒng)的集成控制方法按照控制模型類型可劃分為線性集成控制方法、非線性集成控制方法和智能集成控制方法。線性集成方法多采用線性二自由度汽車模型作為控制模型,并基于線性魯棒 控制方法設(shè)計(jì)AFS和DYC的集成控制器。例如:將輪胎等效 側(cè)偏剛度作為線性二自由度汽車模型的不確定參數(shù),并采用最優(yōu)保性能控制方法設(shè)計(jì)AFS和DYC的集成控制器。將線性二自由度汽 車模型轉(zhuǎn)化成線性分式變換結(jié)構(gòu)控制模型,并采用魯棒H∞狀態(tài)反饋控制方法實(shí)AFS和DYC的集成控制。

基于左互質(zhì)分解線性二自由度汽車模型建立變結(jié)構(gòu)內(nèi)模魯棒控制模型,并通過優(yōu)化Youla參數(shù)化公式中的自由參數(shù)矩陣實(shí)現(xiàn)AFS和DYC 的魯棒集成控制。以線性二自由度汽車模型的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ),采用特征軌跡方法計(jì)算AFS和DYC的控制輸入量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)AFS和DYC的集成控制。在汽車自動(dòng)緊急轉(zhuǎn)向等極限工況下,線性二自由度汽車模型無(wú)法準(zhǔn)確表征汽車實(shí)際的強(qiáng)耦合動(dòng)力學(xué)特性,使得線性集成控制方法具有較大保守性。

非線性集成控制方法和智能集成控制方法對(duì) 汽車自動(dòng)緊急轉(zhuǎn)向等極限工況下呈現(xiàn)出的強(qiáng)耦合 特性具有更低的保守性。例如:采用滑?？刂品椒ㄓ?jì)算校正汽車橫擺角速度偏差和限制汽 車質(zhì)心側(cè)偏角相軌跡運(yùn)動(dòng)區(qū)域所需的廣義橫擺力矩,并基于輪胎逆模型將廣義橫擺力矩轉(zhuǎn)化為AFS和DYC的控制輸入,實(shí)現(xiàn)AFS和DYC 的集成控制。采用非奇異快速終端滑模控制方法分別計(jì)算AFS的前輪轉(zhuǎn)角控制量和DYC的橫擺力矩控制量,并基于汽車質(zhì)心側(cè)偏角相軌跡穩(wěn)定區(qū)域加權(quán)AFS的前輪轉(zhuǎn)角控制量和DYC的橫擺力矩控制量,實(shí)現(xiàn)AFS和DYC的協(xié)調(diào)控制。

將四輪車輛動(dòng)力學(xué)模型作為控制模型,并采用非線性模型預(yù)測(cè)控制方法設(shè)計(jì)AFS和DYC的集成控制器,提高了汽車的操縱穩(wěn)定性?；谄咦杂啥绕噭?dòng)力學(xué)模型將AFS和DYC的集成控制問題轉(zhuǎn)化成非線性最優(yōu)控制問題,并通過Riccati方程求解該非線性最優(yōu)控制問題。將七自由度汽車動(dòng)力學(xué)模型作為非線性模型預(yù)測(cè)控制方法的預(yù)測(cè)模型,設(shè)計(jì)AFS和DYC的集成控制器,最小化汽車橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角跟蹤誤差,提高汽車的操縱穩(wěn)定性。采用模糊邏輯控制方法分別計(jì)算AFS的前輪轉(zhuǎn)向角控制量和DYC的橫擺力矩控制量,并基于模糊積分理論計(jì)算AFS的前輪轉(zhuǎn)向角控 制量和DYC的橫擺力矩控制量的權(quán)重系數(shù),實(shí)現(xiàn)AF和DYC的集成控制。

基于多模型切換控制理論設(shè)計(jì)一系列AFS和DYC集成控制器,并采用模糊邏輯控制方法實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的AFS和DYC集成控制器的平滑切換控制。雖然非線性集成控制方法和智能集成控制方法對(duì)汽車自動(dòng)緊急轉(zhuǎn)向等極限工況下呈現(xiàn)出的強(qiáng)耦合特性具有更低的保守性,但采用非線性集成控制方法和智能集成控制方法設(shè)計(jì)的汽車底盤集成控制器通常包含大量的待確定設(shè)計(jì)參數(shù),需要借助專家經(jīng)驗(yàn)來(lái)標(biāo)定這些待確定設(shè)計(jì)參數(shù),以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制目標(biāo)。本文基于耗散性理論設(shè)計(jì)了一種標(biāo)定參數(shù)較少的非線性魯棒控制器,以實(shí)現(xiàn)AFS和DYC的集成控制。

數(shù)學(xué)模型

簡(jiǎn)潔、高效的汽車動(dòng)力學(xué)模型是汽車底盤集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。忽略空氣阻力和車身的縱向、垂向、俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)自由度,建立包含車身側(cè)向和橫擺運(yùn)動(dòng)自由度的汽車底盤集成控制模型,如圖１所示。







汽車底盤集成非線性L２增益控制
本節(jié)在Backstepping設(shè)計(jì)架構(gòu)下,基于非線性魯棒控制理論設(shè)計(jì)汽車底盤集成非線性L2增益控制律,抑制系統(tǒng)的加性不確定性對(duì)系統(tǒng)性能輸出的影響。同時(shí),借助投影修正法在汽車底盤集成非線性L2增益控制律中引入系統(tǒng)乘性不確定性自適應(yīng)律,通過實(shí)時(shí)估計(jì)和補(bǔ)償系統(tǒng)的乘性不確定性來(lái)抑制其對(duì)系統(tǒng)性能輸出的影響,進(jìn)一步降低系統(tǒng)的保守性。由AFS和DYC的集成控制目標(biāo),可得系統(tǒng)的性能輸出為













校正橫擺力矩約束優(yōu)化分配






在式(37)描述的目標(biāo)函數(shù)權(quán)重矩陣中引入平滑過渡因子,可以使AFS子系統(tǒng)主要工作在汽車質(zhì)心側(cè)偏角相平面穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。同時(shí),汽車質(zhì)心側(cè)偏角相軌跡越靠近相平面穩(wěn)定邊界,AFS子系統(tǒng)的權(quán)重越大,使得AFS子系統(tǒng)和DYC子系統(tǒng)在提升汽車操縱穩(wěn)定性方面由共同主導(dǎo)作用平滑過渡到僅DYC子系統(tǒng)起主導(dǎo)作用。綜上將校正橫擺力矩約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為如下的非線性規(guī)劃問題:




仿真結(jié)果及分析
本節(jié)采用汽車動(dòng)力學(xué)仿真軟件CarSim構(gòu)建模型在環(huán)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)所提出的汽車底盤集成非線性魯棒控制器的可行性和有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在仿真過程中,車輛參數(shù)與汽車底盤集成非線性魯棒控制器參數(shù)配置如表1所示。




1、調(diào)幅正弦轉(zhuǎn)向工況
在調(diào)幅正弦轉(zhuǎn)向工況中,汽車動(dòng)力學(xué)仿真軟件CarSim的路面附著系數(shù)設(shè)置為１,初始車速設(shè)置為120km/h,前輪轉(zhuǎn)向角輸入如圖2a所示,正弦頻率設(shè)置為3.14rad/s,調(diào)幅速率設(shè)置為0.477°/s,未施加控制,DYC控制和集成控制的仿真對(duì)比結(jié)果如圖2b~圖2i所示。
如圖2b~圖2e所示,在系統(tǒng)存在加性不確定性時(shí),未施加控制,DYC控制和集成控制的汽車均保持穩(wěn)定行駛狀態(tài),但是未施加控制的汽車無(wú)法跟隨期望橫擺角速度,呈現(xiàn)出不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì), 而DYC控制和集成控制的汽車可以準(zhǔn)確跟蹤期望橫擺角速度。如圖2f~圖2i和表２所示,相對(duì)于DYC控制的汽車,集成控制的汽車需要的車輪制動(dòng)力矩更小,對(duì)汽車縱向速度的影響更小。因此,本文提出的集成控制器既可以提高汽車操縱性,又可以抑制其對(duì)汽車乘坐舒適性的影響。







２、正弦延遲轉(zhuǎn)向工況

在正弦延遲轉(zhuǎn)向工況中,汽車動(dòng)力學(xué)仿真軟件CarSim的路面附著系數(shù)設(shè)為0.8,初始車速 設(shè)置為100km/h,前輪轉(zhuǎn)向角輸入如圖3a所示,幅值設(shè)置為5.82°,未施加控制,DYC控制和集成 控制的仿真對(duì)比結(jié)果如圖3b~圖3i所示。如圖3b~圖3e所示,在系統(tǒng)存在加性不確定性時(shí),未施加控制的汽車在1.3s后失去穩(wěn)定性,呈現(xiàn)出過多轉(zhuǎn)向趨勢(shì),而DYC控制和集成控 制的汽車均保持穩(wěn)定行駛狀態(tài),并且可以準(zhǔn)確跟 蹤期望橫擺角速度。同時(shí),相對(duì)于DYC控制的汽車,集成控制的汽車對(duì)期望橫擺角速度的跟蹤精度更高。

如圖3f~圖3i和表3所示,在正弦延遲轉(zhuǎn)向工況中,汽車處于極限行駛狀態(tài),集成控制的AFS介入較少,但依然可以降低對(duì)車輪制動(dòng)力矩的需求。因此,相對(duì)于DYC控制,本文提出的集成控制器既可以提高汽車操縱穩(wěn)定性,又可以減小其對(duì)汽車乘坐舒適性的影響。







結(jié)論

(１)將汽車底盤集成控制模型建模誤差考慮成系統(tǒng)的加性不確定性,并且將汽車整車質(zhì)量、汽車縱向速度等信息測(cè)量誤差考慮成系統(tǒng)的乘性不確定性,建立了包含車身側(cè)向和橫擺運(yùn)動(dòng)自由度的汽車底盤集成控制模型。
(２)基于耗散性理論和投影修正法設(shè)計(jì)了汽車主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)和直接橫擺力矩控制子系統(tǒng)集成非線性L２增益控制律,抑制系統(tǒng)加性不確定性和乘性不確定性對(duì)系統(tǒng)性能輸出的影響,并采用逐步二次規(guī)劃法來(lái)實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)控制律輸出的校正橫擺力矩約束優(yōu)化分配。
(３)結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的汽車底盤集成非線性魯棒控制器的可行性和有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
結(jié)果表明:本文設(shè)計(jì)的汽車底盤集成非線性魯棒控制器對(duì)系統(tǒng)加性不確定性和乘性不確定性具有強(qiáng)魯棒性,既可以提高汽車操縱穩(wěn)。定性,又可以減小其對(duì)汽車乘坐舒適性的影響。后續(xù)將搭建硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的汽車底盤集成非線性魯棒控制器的可行性和有效性。

吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—張家旭
中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司智能網(wǎng)聯(lián)研發(fā)院—趙健
浙江亞太機(jī)電股份有限公司智能汽車控制系統(tǒng)研究院—楊雄
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