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        電動(dòng)汽車(chē)DYC/ASR變論域模糊集成控制*

        2014-02-27 06:07:17丁惜瀛劉曉壯裴延亮
        汽車(chē)工程 2014年5期

        丁惜瀛,李 琳,于 華,劉曉壯,裴延亮

        (沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110870)

        前言

        采用輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē),整車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,傳動(dòng)效率高,轉(zhuǎn)矩快速精確和獨(dú)立可控的特點(diǎn)為車(chē)輛的主動(dòng)安全性控制帶來(lái)了新的發(fā)展空間[1]。

        四輪全驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)不需要機(jī)械差速器,而是通過(guò)控制左、右輪轂電機(jī),使輪胎縱向力產(chǎn)生差值進(jìn)而生成轉(zhuǎn)向力矩,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。直接橫擺力矩控制(DYC)在差速的基礎(chǔ)上,通過(guò)控制橫擺角速度實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的精確操縱[2],與傳統(tǒng)的差速控制相比,DYC能夠更加有效地提升汽車(chē)的穩(wěn)定性。DYC是典型的隨動(dòng)系統(tǒng),由于橫擺角速度的理想值隨車(chē)輛行駛狀態(tài)和路面條件不斷變化,車(chē)輛自身亦存在嚴(yán)重非線性,因此DYC須有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和對(duì)非線性的自適應(yīng)能力。

        DYC控制策略的選擇是橫擺穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]中在March II電動(dòng)車(chē)上采用魯棒模型匹配控制策略,以車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度為控制目標(biāo)進(jìn)行直接橫擺力矩控制。此方法控制精度高,非線性不嚴(yán)重時(shí)魯棒性好,但在高速、大轉(zhuǎn)向等極限非線性狀態(tài),動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度與控制精度均不盡人意。文獻(xiàn)[5]中提出滑模變結(jié)構(gòu)DYC控制策略,對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度理想值的跟蹤速度快,但嚴(yán)重的滑模抖振現(xiàn)象會(huì)影響車(chē)輛舒適度。

        本文中以前輪轉(zhuǎn)向、四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)為研究對(duì)象,提出一種DYC/ASR集成控制方法。采用變論域模糊控制器控制橫擺角速度,調(diào)整車(chē)輛行駛姿態(tài),提高側(cè)向穩(wěn)定性;同時(shí)集成另一個(gè)模糊ASR控制器控制每個(gè)牽引電機(jī),防止極限工況下DYC產(chǎn)生的附加橫擺力矩使輪胎力飽和,有效驅(qū)動(dòng)力不足造成車(chē)輪打滑。最后在不同路況下,對(duì)DYC/ASR集成控制進(jìn)行了J-turn仿真測(cè)試,驗(yàn)證控制方案的有效性。

        1 電動(dòng)汽車(chē)數(shù)學(xué)模型

        1.1 7自由度整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

        7自由度車(chē)輛模型考慮了車(chē)輛的縱向、側(cè)向、橫擺,4個(gè)車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的載荷轉(zhuǎn)移,忽略了懸架的影響[6]。7自由度車(chē)輛動(dòng)力學(xué)方程為max=(Fxfl+Fxfr)cosδ-(Fyfl+Fyfr)sinδ+Fxrl+Fxrr

        (1)

        may=(Fxfl+Fxfr)sinδ+(Fyfl+Fyfr)cosδ+Fyrl+Fyrr

        (2)

        (Fxrl-Fxrr)Tr/2

        (3)

        (4)

        (5)

        式中:ay為車(chē)的側(cè)向加速度;ax為車(chē)的縱向加速度;Fxij、Fyij、Fzij分別為縱向力、側(cè)向力和垂向載荷(下標(biāo)ij分別代表fl、fr、rl、rr,依次表示左前、右前、左后、右后);r為橫擺角速度;J為繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;δ為前輪轉(zhuǎn)向角;lf、lr分別為車(chē)輛質(zhì)心到前、后軸的水平距離;Tf、Tr為前后輪輪距;m為整車(chē)質(zhì)量;h為質(zhì)心高度;g為重力加速度。

        1.2 側(cè)向-縱向輪胎聯(lián)合模型

        車(chē)輛行駛受載荷轉(zhuǎn)移、路面因素影響很大,輪胎模型采用Dugoff模型[7]。各個(gè)輪胎的縱向力和側(cè)向力為

        (6)

        f(λ)=(2-λ)λ,λ<1

        f(λ)=1,λ≥1

        式中:Cα為輪胎的側(cè)向剛度系數(shù);Cs為輪胎的縱向剛度系數(shù);μ為路面附著系數(shù);sij為車(chē)輪的縱向滑移率;αij為車(chē)輪的側(cè)偏角。

        2 DYC/ASR集成控制系統(tǒng)

        圖1為DYC/ASR集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,橫擺角速度理想模型計(jì)算確保車(chē)輛穩(wěn)定行駛的橫擺角速度目標(biāo)值。

        圖1中,vd、v分別為給定車(chē)速和實(shí)際車(chē)速;wdij、wij分別為給定輪速和實(shí)際輪速;rd為理想橫擺角速度;Tdij、ΔT1ij、ΔT2ij、Teij、Tmij分別為輪速控制器輸出的給定轉(zhuǎn)矩、ASR輸出的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩、DYC輸出的分配轉(zhuǎn)矩、電機(jī)牽引系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩。

        2.1 差速控制

        差速控制通過(guò)協(xié)調(diào)四輪牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的精確轉(zhuǎn)向,是保證車(chē)輛良好操控性的基礎(chǔ)[8]。由前輪轉(zhuǎn)向Ackermann-Jeantand差速模型可推得四輪電機(jī)轉(zhuǎn)速給定為

        (7)

        式中:δdin、δdout分別為內(nèi)外輪轉(zhuǎn)向角,牽引控制系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)速控制。

        2.2 橫擺角速度發(fā)生器

        車(chē)輛不足轉(zhuǎn)向或過(guò)度轉(zhuǎn)向都會(huì)影響其行駛穩(wěn)定性,嚴(yán)重不足轉(zhuǎn)向使車(chē)輛操控能力下降,嚴(yán)重過(guò)度轉(zhuǎn)向?qū)е潞筝喪タ刂?,發(fā)生甩尾或向外側(cè)滑,因此車(chē)輛穩(wěn)定行駛時(shí)要求中性偏不足轉(zhuǎn)向[9]。

        根據(jù)2自由度模型的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向原理,車(chē)輛中性偏不足轉(zhuǎn)向時(shí)橫擺角速度滿足如下關(guān)系[10]:

        (8)

        式中:v為車(chē)速,K為穩(wěn)定性因數(shù)。

        3 變論域模糊直接橫擺力矩控制

        DYC動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)4個(gè)車(chē)輪電機(jī)的牽引力矩,產(chǎn)生與車(chē)輛側(cè)滑方向相反的附加橫擺力矩,平衡縱向力分配,防止車(chē)輛產(chǎn)生過(guò)大的橫擺運(yùn)動(dòng)。變論域模糊DYC控制器利用伸縮因子對(duì)模糊控制器論域進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,使車(chē)輛在復(fù)雜行駛工況下可以充分對(duì)系統(tǒng)偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)辨析,降低系統(tǒng)對(duì)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的依賴(lài)性,提高系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)能力[11-12]。

        3.1 輸入輸出伸縮因子

        雙輸入單輸出變論域模糊控制器的論域?yàn)?/p>

        (9)

        輸入變量的伸縮因子為

        (10)

        輸出變量的伸縮因子為

        (11)

        式中:0<τ1、τ2、τ3≤1且ε1、ε2>0是很小的常數(shù)。

        伸縮因子的隸屬度函數(shù)和論域劃分見(jiàn)圖2。

        選擇偏差e作為伸縮因子模糊推理器的輸入,偏差e較大時(shí),論域隨著偏差的增大而不斷增加,論域變化使系統(tǒng)進(jìn)入“粗調(diào)”控制階段,控制量加大,偏差快速減?。黄頴很小接近穩(wěn)定區(qū)域時(shí),論域隨著偏差的減小不斷收縮,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)偏差減小,控制精度提高。

        表1和表2分別為模糊邏輯的伸縮因子α1(e)和β(u)的模糊推理規(guī)則。

        表1 伸縮因子α1(e)模糊規(guī)則表

        表2 伸縮因子β (u)模糊規(guī)則表

        3.2 控制規(guī)則

        控制器輸入、輸出隸屬度函數(shù)和論域劃分如圖3所示,表3為橫擺角速度控制器控制規(guī)則。

        e·eNBNMNSZPSPMPBNBNVBNVBNBNBNMNMNSNMNVBNVBNBNMNMNSZNSNBNBNMNSNSZPSZNBNMNSZPSPMPBPSNMNSZPSPMPBPBPMZPSPMPMPBPVBPVBPBPSPMPMPBPBPVBPVB

        4 模糊驅(qū)動(dòng)防滑控制

        差速與DYC均通過(guò)調(diào)節(jié)四輪牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上,由于路面附著系數(shù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的限制,在某些極限行駛狀態(tài)下,單個(gè)或多個(gè)車(chē)輪難以按操控指令提供所需的輪胎力,四輪驅(qū)動(dòng)力不平衡導(dǎo)致車(chē)輛滑移甚至失控。本文中根據(jù)每個(gè)車(chē)輪的滑移情況,采用模糊ASR控制器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,快速平衡輪胎力。

        模糊ASR根據(jù)車(chē)輪的滑移率與電機(jī)角加速度的變化范圍與趨勢(shì),采用模糊控制策略直接進(jìn)行轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)補(bǔ)償,將每個(gè)車(chē)輪的滑移率控制在一定范圍內(nèi),確保車(chē)輛在穩(wěn)定區(qū)域行駛,防止車(chē)輪打滑。

        控制器輸入、輸出隸屬度函數(shù)和論域劃分結(jié)構(gòu)如圖4所示,表4為防滑控制器控制規(guī)則。

        wijsijZSCMRBVBNBVBVBVBVBVBVBBNSVBVBVBVBVBBMZVBVBVBVBBMZPNVBVBVBBMZZPSVBVBBMSZZPMVBVBMSSZZPBVBBSZZZZ

        5 仿真與分析

        5.1 仿真參數(shù)

        通過(guò)Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的性能。表5為車(chē)輛參數(shù),表6為變論域模糊DYC和模糊ASR控制器參數(shù)。

        表5 仿真中的車(chē)輛參數(shù)

        表6 控制器參數(shù)

        5.2 仿真結(jié)果

        車(chē)輛起動(dòng)且速度達(dá)到v=20m/s后在不同路面附著系數(shù)下進(jìn)行J-turn仿真測(cè)試,仿真時(shí)間25s,如圖5所示。

        圖6和圖7分別為μ=0.8和μ=0.2時(shí)的仿真結(jié)果。與圖6相對(duì)應(yīng)的表7和表8為μ=0.8時(shí)橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角仿真結(jié)果對(duì)比。

        與圖7相對(duì)應(yīng)的表9和表10為μ=0.2時(shí)橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角仿真結(jié)果對(duì)比。

        性能評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊DYC變論域模糊DYCDYC/ASR集成控制尖峰值/(rad/s)0.4650.4470.405穩(wěn)態(tài)值/(rad/s)0.3950.3960.397超調(diào)量/%17.8132調(diào)節(jié)時(shí)間/s2.521.981.2穩(wěn)態(tài)誤差/(rad/s)-0.003-0.002-0.001

        表8 質(zhì)心側(cè)偏角仿真結(jié)果對(duì)比

        6 結(jié)論

        DYC/ASR集成控制通過(guò)四輪轉(zhuǎn)矩獨(dú)立調(diào)節(jié),有效提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,在不同附著系數(shù)路面上進(jìn)行高速、大轉(zhuǎn)向行駛時(shí),系統(tǒng)對(duì)操縱指令變化引起的強(qiáng)擾動(dòng)有良好的抵抗能力,魯棒性強(qiáng)。仿真

        表9 橫擺角速度仿真結(jié)果對(duì)比

        表10 質(zhì)心側(cè)偏角仿真結(jié)果對(duì)比

        分析表明,DYC/ASR集成控制策略可顯著改善車(chē)輛行駛的橫擺穩(wěn)定性,所提出的控制方案不僅可以加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,還可以降低系統(tǒng)振蕩,增強(qiáng)穩(wěn)定性,減小穩(wěn)態(tài)誤差,提高控制精度。

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