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關(guān)于非線性整合控制的四輪轉(zhuǎn)向裝置和
四輪扭矩車輛處理技術(shù)的發(fā)展
Shinichiro Horiuchi!, Kazuyuki Okada!, Shinya Nohtomi"
謝新譯
摘要：這篇文章介紹的是一個(gè)四輪轉(zhuǎn)向裝置和四輪扭矩的整體非線性控制系統(tǒng)。這種持續(xù)的非線性預(yù)示的系統(tǒng)被應(yīng)用于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這種四輪轉(zhuǎn)向裝置和每個(gè)輪子的扭矩協(xié)調(diào)的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬顯示出來(lái)。被帶入到模擬中的駕駛力學(xué)敘述也被實(shí)施。模擬的結(jié)果表示在被提議的非線性控制系統(tǒng)中那個(gè)車輛可操作性和安全性在條件受限制的情況下得到顯著改良!1999年版權(quán)歸日本公司和 Elsevier科學(xué)B.V.的汽車工程協(xié)會(huì)所有。
1. 介紹
在車輛設(shè)計(jì)中,底盤控制系統(tǒng)有向復(fù)雜轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。底盤控制系統(tǒng)的三個(gè)主要部分是:側(cè)部控制,垂直控制和縱觀控制.這些系統(tǒng)是獨(dú)立發(fā)展的去改善操縱,乘坐舒適性和附著摩擦/最好剎車性能來(lái)減輕駕駛的工作量。在他們之中,有效的四輪轉(zhuǎn)向裝置系統(tǒng)的提高符合車輛轉(zhuǎn)向能力及前后輪轉(zhuǎn)向裝置的相關(guān)法規(guī)。這樣的轉(zhuǎn)向裝置控制系統(tǒng),通過(guò)車輛動(dòng)力學(xué)的線模型描述,使得改善側(cè)面的穩(wěn)定和操縱性能變成可能[1]。然而,當(dāng)輪帶接近附著力和側(cè)面受力的非線性特性的極限的時(shí)候,四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變的不怎么有效。另一方面，在一個(gè)近的界限范圍中,剎車和附著摩擦控制系統(tǒng)是有效的[2]。由于4輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輪子轉(zhuǎn)力矩控制系統(tǒng)的適當(dāng)協(xié)調(diào),即使當(dāng)?shù)缆非闆r是不怎么樣的時(shí)候,車輛操作的巨大進(jìn)步也可以實(shí)現(xiàn)[3]。在4 WS 和direct yaw moment control(DYC)已經(jīng)考慮到了。在這一項(xiàng)研究中,線性4WS控制器,一個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)的DYC 控制器已被使用。[4]線性模型相配理論和 LQ 控制理論被應(yīng)用到整合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。Yu和Moskwa[5]計(jì)劃了一個(gè)整合的控制系統(tǒng),這個(gè)理論是從使用回應(yīng)線性化技術(shù)和滑模態(tài)控制理論中來(lái)的?；貞?yīng)線性化方式在控制浸透之前的控制決定方面遇到困難,回應(yīng)線性化在一個(gè)如此情形中不容易成功。而且,系統(tǒng)非線性的精確知識(shí)是對(duì)控制器的需要而設(shè)計(jì)；如此強(qiáng)健控制系統(tǒng)需要實(shí)際的關(guān)心。這一章說(shuō)的是非線性控制系統(tǒng)的一個(gè)新設(shè)計(jì)方法,即整合四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制和四輪轉(zhuǎn)力矩控制。這個(gè)目的即控制運(yùn)算法則是協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向裝置和剎車系統(tǒng)來(lái)改善車輛穩(wěn)定和操縱性能。連續(xù)時(shí)間非線預(yù)言性控制的理論(NLPC)[6,7] 被用于設(shè)計(jì)那些整合控制系統(tǒng)。這種學(xué)說(shuō)是系統(tǒng)的,是容易應(yīng)用的,而且是明確地控制浸透。結(jié)果顯示,四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和個(gè)別的轉(zhuǎn)力矩控制的優(yōu)點(diǎn)可能顯現(xiàn)出來(lái)。
2. 車輛系統(tǒng)模型
2.1. 車輛動(dòng)力學(xué)模型
圖1 平面車輛模型
圖1中描述的是應(yīng)用于控制器設(shè)計(jì)的自由模型的7度。在這張圖中, 縱觀的和側(cè)面的輪帶摩擦力分別用Fxi 和 Fyi(i=1,…,4)來(lái)表示。縱觀的和側(cè)面的輪帶摩擦力分別用Fxi 和 Fyi(i"1,2,4)來(lái)表示。外部沿著車輛 x 和 y 軸受力為Fx 和 Fy ,N被假定單獨(dú)地在輪帶和道路之間產(chǎn)生的摩擦力。這一個(gè)模型的運(yùn)動(dòng)基本相等源自下列各項(xiàng):
縱觀的運(yùn)動(dòng):
側(cè)部運(yùn)動(dòng):
偏離運(yùn)動(dòng):
在每輪子 Fzi 上的垂直負(fù)荷是空車重量和動(dòng)態(tài)的重量移動(dòng)以縱觀的和側(cè)面的速度聯(lián)合作用力。經(jīng)過(guò)車輛卷物運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生正常的荷載產(chǎn)生側(cè)面加速度的時(shí)候,經(jīng)過(guò)車輛扎牢模態(tài)縱觀的加速度影響正常的荷載。雖然程度和卷物運(yùn)動(dòng)是不包括在車輛模型中,但在常態(tài)上的他們影響輪帶受力,各項(xiàng)解釋如下:
Fzf0 和 Fzr0 分別是對(duì)于前面和后車輪靜態(tài)的重量,hg 是地心引力的中心高度, 和是前面的/ 后面的旋轉(zhuǎn)堅(jiān)硬分配, 而且是前面的/后面的旋轉(zhuǎn)中心高度。 輪帶- 道路交互作用的動(dòng)力學(xué)是依賴的在側(cè)面的和縱觀的輪子滑動(dòng)。圖2中顯
圖 2. 側(cè)滑角圖 1.平面的車輛模型和轉(zhuǎn)向角度
示的是側(cè)部滑動(dòng)和輪子側(cè)滑角的定義。計(jì)算每個(gè)輪子的輪子側(cè)滑角 bi(i=1,2,4):
當(dāng)平行于垂直的車輪中心面,下面給出的的是輪子中心的速度ui:
轉(zhuǎn)向角度和是通過(guò)單個(gè)第一的次序動(dòng)力學(xué)落后系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向裝置引動(dòng)器中得到的，和是時(shí)間常數(shù)。
當(dāng) R 和 是有效的半徑和輪子分別旋轉(zhuǎn)的角速度的時(shí)候，縱觀的輪子滑移 si 被定義。
每個(gè)輪子的運(yùn)動(dòng)相等,如下:
是在每個(gè)輪子上的轉(zhuǎn)力矩和是輪子的旋轉(zhuǎn)慣性。
聯(lián)合上述的相等，整個(gè)非線性車輛模型,包括車輛平面運(yùn)動(dòng),輪子動(dòng)力學(xué)和轉(zhuǎn)向裝置引動(dòng)器動(dòng)力學(xué),寫做：
表現(xiàn)車輛部件，
和分別指的是前后車輪轉(zhuǎn)向角度。上述的相等定義了一個(gè)六輸入和9部分的線性車輛動(dòng)力學(xué)。
2.2. 輪帶模型
輪帶模型起源于用于控制器設(shè)計(jì)單一化 Dugoff 的輪帶模型 [8]。那單一化輪帶模型寫出如下:
其中和 是縱觀的輪帶硬度和側(cè)部輪帶硬度。圖3指出的是輪帶模型特性。
3. 控制器設(shè)計(jì)
3.1．基線控制器
一個(gè)嶄新發(fā)展的 NLPC 理論被應(yīng)用到整合的控制器設(shè)計(jì)。
圖 3. 側(cè)面和縱觀的輪帶受力 滑動(dòng)比和側(cè)滑角的功能
把s當(dāng)作是部分軌道和隔板所需要的s帶入關(guān)于 x1 和 x2 的 s1 和 s2。
在這一項(xiàng)研究中，只有 x1 應(yīng)該跟隨那些參考軌道它是必要的。因此s=s1。
為了要決定控制 u(t) 減到最少,那我們觀察那些在部分發(fā)動(dòng)時(shí)候發(fā)生的錯(cuò)誤在的時(shí)候,讓我們考慮下列的性能索引的減到最小限度:
Q1 是主動(dòng)的不明確模型，R是主動(dòng)明確的,用以適當(dāng)?shù)某叽纭?使用膨脹系數(shù)和 能被估計(jì)出來(lái)。依下顯示：
當(dāng)
把(23)代入(22),我們有一個(gè)關(guān)于u 參數(shù)最佳化問(wèn)題。最佳化必需條件是,結(jié)果：
3.2.在控制之后的模型
最初的 NLPC 理論發(fā)展到設(shè)計(jì)在被預(yù)定的部分軌道受約束的系統(tǒng)追蹤控制器。這一個(gè)理論被延續(xù)到提供給一個(gè)模型結(jié)構(gòu)控制。在這一個(gè)結(jié)構(gòu)中,被要求的零件軌道在表現(xiàn)在現(xiàn)在駕駛方向盤角輸入而且剎車輸入的參考模型中產(chǎn)生。向前地剎車輸入和需要速度之間關(guān)系，如下：
被需要的偏移率被定義在一個(gè)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤角度輸入和車輛速度的功能基礎(chǔ)上。
是參考模型的增益,A是穩(wěn)定因素和是轉(zhuǎn)向連桿的齒輪比。
需要的側(cè)面速度 vm 定義出來(lái)以便于側(cè)滑車輛的角相等對(duì)準(zhǔn)零位。 因此, .
4.模擬結(jié)果
4.1.模擬情況
連續(xù)的計(jì)算機(jī)模擬被用以檢測(cè)提議的非線性控制系統(tǒng)的性能。為了要清楚的敘述整合的控制效果, 后車輪的有效轉(zhuǎn)向裝置車輛 (4 WS)的模擬也被實(shí)行。4 WS 后車輪的轉(zhuǎn)向角 被控制如前輪的轉(zhuǎn)向角和在下列的控制條例的偏移率。
這一輛 4 WS 車輛的偏移率增益和平常 2 WS 車輛16的轉(zhuǎn)向齒輪比相平衡。
4.2.步驟回應(yīng)
圖 4 中顯示的是與那些4 WS相較，在干燥路面上-0.4 G 的剎車的短暫反應(yīng)。整合的控制效果清楚地在圖形中示范。4 WS 的反應(yīng)容易很快地變得不穩(wěn)定。另一方面,
整合控制的車輛表示一個(gè)在一種服務(wù)調(diào)動(dòng)的情況中穩(wěn)定的回應(yīng)。為了要比較整合控制的效果,在合量輪帶受力和可得輪帶受力的最大值的比來(lái)計(jì)算定義性能尺寸。對(duì)性能的衡量,輪帶的工作量，gi,是，
圖 5為步驟回應(yīng)的輪帶工作量。如圖形中顯示，一輛整合控制的車表示的是和一輛普通4 WS車輛想比較，有較低的輪帶工作量。
圖 5. 輪帶工作量
4.3.道路條件的強(qiáng)烈變化
其他的模擬實(shí)行來(lái)評(píng)估整合控制系統(tǒng)對(duì)道路情況的強(qiáng)健變化。在這些模擬方面, 在輪帶和道路理論磨擦系數(shù)等于0.8 , 然而真實(shí)的磨擦系數(shù)是0.7到0.6。圖 6 中顯示的是在-0.4 G 剎車時(shí)正弦曲線轉(zhuǎn)向裝置輸入反應(yīng)。
如這一個(gè)圖形顯示,對(duì)道路的變化情況，整合控制車輛與 4 WS 車輛相較是比較不敏感的。
4.4.在k分離系數(shù)條件下的剎車
在這一個(gè)模擬方面，在 1 到 3 s 和 0 剩余時(shí)間的階段，需要的減速是 0.5 G。在二個(gè)右輪帶和道路之間的磨擦系數(shù)是0.8, 在二個(gè)輪帶和道路之間是 0.2. 磨擦系數(shù)在所有的輪帶控制器設(shè)計(jì)中，假定是 0.8 。
結(jié)果在圖 7 中顯示。與一輛 4 WS 車輛的情形比較,整合控制車輛在藉由轉(zhuǎn)力矩控制適用于四個(gè)輪子車輛穩(wěn)定方面有發(fā)展。
4.5.駕駛- 車輛的系統(tǒng)穩(wěn)定
兩倍小模擬進(jìn)氣在從100公里/ h，以-0.4 G剎車減速，在一個(gè)關(guān)閉循環(huán)駕駛車輛系統(tǒng)上被實(shí)行，來(lái)調(diào)查整合控制的效果。在下列相等中描述的簡(jiǎn)單事先查看駕駛模型，被用于這些模擬。
符號(hào)表示駕駛的增益，表示以計(jì)量器計(jì)量來(lái)自被需要的路徑側(cè)面在車輛之前米的偏離。我們決定最佳的叁數(shù)和，在下列的性能索引 Je減到最少的時(shí)候 :
符號(hào)表示來(lái)自被需要的路徑側(cè)面的偏離。數(shù)字式的最佳化技術(shù)被用來(lái)減到最小限度。圖 8 演示模擬的結(jié)果。雖然駕駛的叁數(shù) G$ 和 ? 被選擇到減到最少Eq.（37），一輛 4 WS 車輛不能完成小變化行動(dòng)。另一方面,整合控制車輛顯示出在車輛穩(wěn)定和能跟隨被規(guī)定小路變化條件的進(jìn)步。這意謂著整合控制使得駕駛在嚴(yán)格小變化工作條件下變得簡(jiǎn)單。
5. 結(jié)論
本文章中, 有效的四輪驅(qū)動(dòng)和獨(dú)立地剎車控制器的非線性整合轉(zhuǎn)向控制器，這種設(shè)計(jì)的新方式計(jì)劃出來(lái)?？刂七\(yùn)算法則利用一個(gè)被制定的非線性預(yù)言性控制理論，這個(gè)理論通過(guò)一般零件隔開表現(xiàn)是為了要適應(yīng)不同的車輛結(jié)構(gòu)。這種控制系統(tǒng)的有效性透過(guò)計(jì)算機(jī)模擬示范出來(lái)。
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