（车辆工程专业论文）车辆侧向动力学模型辨识方法的研究与应用.pdf

、l，。：， f o rd e g r e eo fd o c t o r a lo fp h i l o s o p h y ，4 冁 in v e s tig a tio nt os y s t e mm o d e l in gid e n tiflc a tlo n sf o r v e hic l el a t e r a ld y n a mlc sw it ha p p lic a tlo n s c a n did a t e ：y u a niin g t u t o rs ： z h a n gj ia n w u s p e ciait y ：v e hiciee n gin e e rin g s c h o oio fm e c h a nic aia n dp o w e re n gin e e rin g s h a n g h aijia ot o n gu niv e rsit y 2 0 0 9 0 9 il；j 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期卿年夕月日 -_。1。i，il 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 靴敝储戳：趣7 7 7 日期纱步罗肜日 艚撕签艰逢伏 指导教师签名：( i 陟j 多谢 吼9 绎罗月名 上海交通大学博士学位论文答辩决议书 所在 姓名袁明学号 0 0 4 0 2 0 9 0 4 1 车辆工程 学科 指导教师 张建武 答辩 2 0 0 9 0 9 2 6 答辩 上海交通大学机动学院 日期地点 论文题目 车辆侧向动力学模型辨识方法的研究与应用 投票表决结果： f 一r r ( 同意票数实到委员数应到委员数)答辩结论：、巨磊口未通过 评语和决议： 年月 目 职务姓名职称 单位 签名 主席 胡子正教授 同济大学 嘲e 答 俐毛 辩 委员 靳晓雄教授同济大学 委 委员 郑松林教授上海理工大学 讹藤 员 会委员 来新民 教授上海交通大学粼 成 嘲盼 员 委员喻凡 教授 上海交通大学 签 名 委员 委员 秘书 管西强 讲师上海交通大学 夕诟物；译 一 俸 2 0 0 9 年9 月2 6 日 答辩决议 袁明的博士学位论文研究了车辆侧向动力学模型辨识方法。论文 立题正确，研究具有理论和实际价值。论文的主要工作与创新点如下： 1 通过引入基于模型分解的子空间辨识方法，对部分输入为非 持续激励下的车辆系统进行了模型辨识，以适用于国标试验体系下的 车辆侧向动力学模型辨识。 2 提出了基于辨识模型的车辆转向特性参数估计方法，使对车 辆的不足转向度参数辨识扩展到非线性域，通过试验对比验证该方法 的可靠性。 3 提出了基于w i e n e r 结构的多输入车辆系统辨识模型建模方 法，经过试验验证，证实其精度满足工程要求。 论文结构严谨，文笔流畅。答辩过程中条理清楚，回答问题正确。 论文反映出作者在本学科己掌握了坚实宽广的基础理论和系统深入 的专业知识，达到了工学博士学位论文的要求。经答辩委员会投票表 决，一致通过答辩。建议授予袁明工学博士学位。 答辩委员会主席：胡子正 2 0 0 9 年9 月2 6 日 上海交通大学博士学位论文摘要 车辆侧向动力学模型辨识方法的研究与应用 摘要 车辆的侧向动力学模型主要用于车辆操纵稳定性分析，与车辆安 全性相关。无论是性能评价还是控制研究，都需要尽可能准确的车辆 模型。但是，基于理论公式的数学建模经常会由于简化过程中参数不 准确而导致模型精度不高。多体模型虽然模型的精细度增加了，但相 应的建模成本也会增加。而基于试验数据的辨识建模方法则提供了一 种低成本的快速建模方法。随着系统辨识理论逐步成熟完善，这种基 于数据的逆向建模技术有着广阔的工程应用前景。 车辆侧向动力学模型是典型的多输入多输出系统，因此，使用的 系统辨识算法应适用于多输入多输出系统。子空间方法是多变量系统 辨识算法中一类直接使用时域数据进行辨识的算法总称。由于使用了 q r 分解和奇异值分解，这种方法具有鲁棒性强、运算速度快、精度 高的优点。经过长期的发展，子空间方法在线性辨识领域逐步建立了 相对完整的算法理论体系，可以根据应用对象的特点选择适合的算 法，适用于车辆侧向动力学辨识建模。 车辆操纵稳定性试验中存在一个典型现象：方向盘转角和车速输 入不是同时满足持续激励条件。因此，这是一种部分输入为非持续激 励条件下的辨识研究。当输入之间存在耦合关系时，辨识结果会出现 有偏估计的现象。为了解决这一问题，应用了基于模型分解的子空间 辨识算法。这种算法分离系统中的确定性输入部分和随机性输入部 分，降低了随机性输入产生的输出与确定性输入之i n c h 互影响带来的 干扰，可以提高确定性系统的辨识精度。 根据车辆操纵稳定性模型的理论建模分析结果，本文提出两种单 输入辨识模型，模型阶次定为1 0 阶。在对辨识结果和辨识算法的验 证过程中，使用了交叉验证的方法。在低速工况下，转向回正性能试 验用于辨识，相近车速下的蛇行试验用于验证。结果表明，低速工况 下的辨识模型可以作为这一车速下的车辆模型，辨识算法可靠实用。 在高速工况下，左转向的方向盘角脉冲输入试验用于辨识，右转向的 同类型试验用于验证。两种辨识模型结构中，线性辨识模型结构s l 适用于恒定车速试验辨识，而非线性辨识模型结构& 可以将恒定车 速下的辨识模型用于恒定方向盘转角输入的仿真分析，横摆角速度上 上海交通大学博士学位论文摘要 获得较高的辨识精度。 为了分析高速工况的车辆操纵稳定性能，使用已经验证的辨识算 法和辨识模型，对恒速国标试验进行系统研究，得到一组辨识模型。 基于这组模型可以绘制出三项输出的稳态增益特性曲线。根据横摆角 速度稳态增益曲线，基于l e v e n b e r g m a r q u a r d t 方法提出不足转向度 估计方法，在低速工况下估计值与稳态回转试验测试值基本一致。引 入高速试验后，不足转向度的分析范围由低速工况扩展到高速工况， 从而突破了稳态回转试验的车速限制。不足转向度估计过程中产生的 残差则表明使用的设计转向传动比与实际不符，据此提出基于整车试 验的实际转向传动比估计方法并得到了验证。此外，在进行谐振频率 分析的过程中，发现测试车辆的侧向加速度谐振频率要低于相同车速 下的横摆角速度谐振频率。 由于车辆系统本质上是多输入系统，但是，输入之间的非线性耦 合关系使得直接应用多输入辨识算法是困难的。在对已辨识的恒速工 况线性模型进行应用分析时发现模型仿真输出与试验输出存在近似 线性关系。这种关系是基于w i e n e r 结构的多输入辨识模型提出的基 础。该模型由线性辨识模型和非线性函数组成，方向盘转角是线性辨 识模型的输入，而车速则是非线性函数的参数。据此，实际建模过程 中使用了两步建模方法。分析表明使用高速工况试验的线性辨识模型 可以获得更高的精度，最终的车辆系统多输入模型是由基于方向盘转 角脉冲输入试验的线性辨识模型和非线性函数组成。经过随机输入试 验的验证，这种结构的辨识模型具备有较高的精度，满足工程需要。 关键词：系统辨识，整车模型，多输入多输出系统，子空间法，非线 性系统 a b s t r a c t s y s t e mm o d e l i n g rv e h i c l el a t e r a l d y n a m i c sw i t ha p p l i c a t i o n s a b s t r a c t v e h i c l el a t e r a ld y n a m i c sm o d e l i n gi so fi m p o r t a n c ei nt h ed e s i g na n d a n a l y s i so fa u t o m o t i v ec o n t r o l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y ，b e i n gr e l a t e dt ov e h i c l e a c t i v es a f e t yt e c h n o l o g y e s t a b l i s h m e n to fa na c c u r a t em o d e l i n gf o rt h e v e h i c l ei s i n d i s p e n s i b l ei n e v a l u a t i o no fi t s d y n a m i c sc o n t r 0 1 t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l i n go ft h ev e h i c l eh a n d l i n gb e h a v i o r sa c c o r d i n gt oa s e to fs c i e n t i f i cl a w sw o u l dc e r t a i n l yr e s u l ti ni n c o r r e c tg o v e r n i n g e q u a t i o n sd u et os y s t e m a t i cs i m p l i f i c a t i o n sa n dl a c ko ft h es y s t e m p a r a m e t e r s b ym u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c s ，t h em u l t i d e g r e e s - o f - f r e e d o mm o d e lw i t har e f i n e ds t r u c t u r ec a nb eb u i l ta c c o r d i n gt or e a l p h y s i c a la n dg e o m e t r i c a lp r o p e r t i e sa tap r i c eo fm u c hc o m p u t a t i o n a l e f f o r ta n dal o to ff i e l da n db e n c ht e s t sf o rm o d e lv a l i d a t i o n t h u s d a t a - b a s e ds y s t e mi d e n t i f i c a t i o nw h i c hi s r e c o g n i z e dt ob eaq u i c k m o d e l i n gt e c h n i q u em a y b e e m p l o y e d f o r t h e p u r p o s e o fv e h i c l e d e v e l o p m e n tc o s tr e d u c t i o n w i t hd e v e l o p m e n to fs y s t e mi d e n t i f i c a t i o n t h e o r y , t h ei n v e r s ee n g i n e e r i n gm o d e l i n ga p p r o a c h e sh a v eas i g n i f i c a n t p r o s p e c to te n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s t h ev e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t ym o d e l i n gi sat y p i c a lm u l t i - i n p u ta n d m u l t i o u t p u tm o d e l t h ei d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mu s e df o r t h ea n a l y s i s s h o u l db es u i t a b l et ot h e m os y s t e m a m o n ga v a i l a b l et i m e d o m a i n m e t h o d s ，t h es u b s p a c ea l g o r i t h m sa r ek n o w nt ob eac l a s s o f i d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h m sf o rl i n e a rs t a t e s p a c em u l t i v a r i a b l es y s t e m sb y t i m e d o m a i nd a t a t h e s e a l g o r i t h m s h a v e m a n ya d v a n t a g e s o f c o m p u t a t i o n a lr o b u s t n e s s ，h i g hs p e e da n da c c u r a c yb e c a u s eo fu s eo fq r f a c t o r i z a t i o na n ds i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n s t h e r e f o r e ，t h es u b s p a c e a l g o r i t h m sa r ea p p l i e df o ri d e n t i f i c a t i o no ft h ev e h i c l el a t e r a ld y n a m i c m o d e l i t i sc o n f r o n t e df r e q u e n t l yi nv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yt e s t h o w e v e r , t h a tt h ei n p u t so ft h es t e e r i n gw h e e la n g l ea n dv e h i c l es p e e d r e q u i r e m e n to fp e r s i s t e n te x c i t a t i o ni sn o ts a t i f i e df o rs i m u t a n e o u s l y t h e r e f o r e t h es y s t e mi d e n t i f i c a t i o nu n d e ri n c o n t i n u o u s l ye x c i t a t i o na s p a r t i a li n p u ti st h es p e c i a lc a s eo fs t u d y t h ec o u p l i n gr e l a t i o n s h i pa m o n g 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t t h e i n p u t sw o u l dc e r t a i n l yr e s u l t i nd e v i a t e de s t i m a t e su n d e rt h i s c o n d i t i o n f o rs o l v i n gs u c hap r o b l e m ，as u b s p a c ea l g o r i t h mf o r t h e m o d e ld e c o u p l i n gi s a d o p t e d t h i ss u b s p a c ea l g o r i t h mi s f e a t u r e dt o d e c o u p l ei n t od e t e r m i n i s t i ca n ds t o c h a s t i cp a r t so fi n p u t s a sar e s u l t i n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h es t o c h a s t i cs u b s y s t e ma n dt h ed e t e r m i n i s t i c s u b s y s t e mm a yb er e d u c e di no r d e rt oi m p r o v et h em o d e lp r e c i s i o no ft h e d e t e r m i n i s t i cs u b s y s t e m t w os i s om o d e li d e n t i f i c a t i o na p p r o a c h e sa r ep r o p o s e da c c o r d i n g t ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t ym o d e l so f 10o r d e r sf o rt h es y s t e m ac r o s s v a l i d a t i o na p p r o a c hi sp r e s e n t e df o r v a l i d a t i o no ft h ei d e n t i f i e dr e s u l ta n dt h ei d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h m i nt h e c a s et h a tt h ev e h i c l ed r i v e sa tl o ws p e e d r e s u l t so fs t e e r i n gr e t u r n a b i l i t y t e s ta r eu s e df o rv e h i c l em o d e ls y s t e mi d e n t i f i c a t i o n w h i c hi sv a l i d a t e d b y as l a l o mt e s ta ts i m i l a r s p e e d i t i ss h o w nt h a t s i n g l e i n p u t i d e n t i f i c a t i o nm o d e lo ft h ev e h i c l ea tc o n s t a n ts p e e dh a saf a i r l yg o o d a c c u r a c yi nt h es y s t e mm o d e li d e n t i f i c a t i o na n dt h ep r e s e n ta l g o r i t h mi s r e l i a b l ea n da p p l i c a b l e i nt h ec a s et h a tt h ev e h i c l ed r i v e sa th i g hs p e e d a n u m e r i c a lm o d e lw h i c hi si d e n t i f i e da c c o r d i n gt o t e s t i n gd a t ai na l e r - t u r n i n gs t e e r i n gw h e e lp u l s ei n p u tt e s ti sv e r i f i e db yar i g h t - t u r n i n g s t e e r i n gw h e e lp u l s ei n p u tt e s t a m o n gt h et w om o d e ls t r u c t u r e s ，& a n d ，t h ef o r m e ri st h el i n e a rm o d e la n dw e l ls u i t a b l ef o ri d e n t i f i c a t i o no f t h ev e h i c l em o d e la tc o n s t a n ts p e e di nt e s t a n dt h el a t e ri sn o n l i n e a ro n a n dw e l la p p r o p r i a t et ot h ev e h i c l em o d e li d e n t i f i c a t i o na tc o n s t a n t s t e e r i n gw h e e la n g l ef o ra c c u r a t ey a wr a t e a l lc o n s t a n ts p e e dv e h i c l ep e r f o r m a n c et e s t sa c c o r d i n gt on a t i o n a l s t a n d a r d sa r em a d et oi d e n t i f yas e to fv e h i c l em o d e l sa tv a r i a b l es p e e d s f o re x a m i n a t i o no fi n h e r e n tp r o p e r t i e so ft h et e s tc a ra th i g h s p e e db yt h e p r e s e n ta l g o r i t h ma n dt h ev a l i dm o d e l f r o mt h e s ei d e n t i f i e dm o d e l s ， s t e a d yg a i nc u r v e so ft h r e eo u t p u t sa r ep l o t t e d a c c o r d i n gt ot h es t e a d y g a i n o fy a wr a t e ，an e w a p p r o a c h i sa l s o p r o p o s e d t oe s t i m a t e u n d e r s t e e r i n gb e h a v i o r s ，b a s e do nl e v e n b e r g m a r q u a r d ta p p r o a c h t h e e s t i m a t i o nr e su l t so b t a i n e df o rt h ev e h i c l ea tl o ws p e e di s i nf a i r a g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t si nt h es t e a d yc i r c l et e s t t h i sp r e s e n tm e t h o d m a vb eg e n e r a l i z e dt oc o v e rt h er a n g eo fa p p l i c a t i o nf o rt h ev e h i c l e u n d e r s t e e ra n a l y s i sf r o ml o ws p e e dt oh i g hs p e e d ap r o g r e s sh a sb e e n m a d ei ns p e e dl i m i t a t i o no ft h ev e h i c l ei ns t e a d yc i r c u l a rt e s t i ti s d e m o n s t r a t e db yt h e3s i m u l a t i o nr e s u l t st h a te x i s t e n c eo fr e s i d u a l so ft h e y a wr a t eg a i ng e n e r a t e db y t h ee s t i m a t i o no fu n d e r s t e e ri n d i c a t e s d i f f e r e n c ei ns t e e r i n gr a t i oi sb e t w e e nd e s i g na n dr e a lo v e r a l ls t e e r i n g 大学博士学位论文a b s t r a c t t h u s ，t h ea p p r o a c hf o ro v e r a l ls t e e r i n gr a t i oe s t i m a t i o ni sv a l i d a t e d o nn a t i o n a ls t a n d a r dt e s t s i ti sf o u n df u r t h e rt h a tt h er e s o n a n t n c yo fl m e r a la c c e l e r a t i o ni sh i g h e rt h a nt h a to fy a wr a t ea ts a m e s p e e di nt h ea n a l y s i so fr e s o n a n tf r e q u e n c i e s i nf a c t h o w e v e r ，t h ev e h i c l es y s t e mi ss u c has y s t e mw i t h m u l t i i n p u t st h a tt h em u l t i i n p u ts y s t e m i d e n t i f i c a t i o ni s r e q u i r e di n d e v e l o p m e n to ft h ev e h i c l es y s t e mi d e n t i f i c a t i o nm o d e l i n g s i n c et h e r e e x i s tn o n l i n e a r i t i e so ft h ev e h i c l es y s t e m i ti sd i f f i c u l tf o rt h ev e h i c l e m o d e lt oa p p l yd i r e c t l yt h em u l t i - i n p u ts y s t e mi d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h m i t f o l l o w sf r o mt h el i n e a rm o d e l i d e n t i f i e df o rt h ev e h i c l ea tc o n s t a n ts p e e d t h a tt h e r ee x i s t sa na p p r o x i m a t el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em o d e l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，an e wn o n l i n e a rm o d e lf o rt h e m u l t i i n p u ts y s t e mi n c o r p o r a t i o nw i t haw i e n e rs t r u c t u r em a vb eu n d e r s e t b yt h er e l a t i o n s h i p t h en o n l i n e a rm o d e l i sc o m p o s e do fal i n e a rd y n a m i c m o d e la n dan o n l i n e a rs t a t i cf u n c t i o n t h es t e e r i n gw h e e la n g l ei sa n i n p u tf o rt h el i n e a ri d e n t i t i c a t i o nm o d e la n dt h ev e h i c l es p e e di sa p a r a m e t r i cv r i a b l eo ft h en o n l i n e a rf u n c t i o n a c c o r d i n g l yt h e2 一s t a g e m o d e l i n ga p p r o a c hi sa p p l i e di nr e a ls i t u a t i o nt oc o n s t r u c tt h ev e h i c l e m o d e l b yd e t a i l e da n a l y s i si t i ss h o w nt h a tt h el i n e a rm o d e li d e n t i n e d f r o mh i g hs p e e dt e s t si so fh i g h e ra c c u r a c yt h a no t h e rt h ei d e n t i f i c a t i o n m o d e l s t h e n t h ef i n a ls y s t e mm o d e lo ft h ev e h i c l ei sc o m p r i s e do fa l i n e a rm o d e li d e n t m e df r o mas t e e r i n gw h e e ia n g l ep u l s ei n p u tt e s ta n da n o n l i n e a rf u n c t i o n ar a n d o mi n p u tt e s ti sc a r r i e df o rv a l i d a t i o nt h ef i n a l i d e n t i f i c a t i o nm o d e l b yt h ec o m p a r i s o n sb e t w e e ne x p e r i m e n t a la n d n u m e r i c a lr e s u l t si ti si n d i c a t e dt h a tt h en o n l i n e a ri d e n t i f i c a t i o nm o d e l m a v p r o d u c ec o m p u t a t i o n a lp r e d i c t i o n s a c c u r a t e e n o u g h t om e e t e n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ，v e h i c l e m o d e l ，m u l t i i n p u t m u l t i o u t p u ts y s t e m ，s u b s p a c e m e t h o d ，n o n l i n e a r s y s t e m v - 目录 目录 摘要一i a b s t r a c t i i i 目录一v i i 符号说明x i 第一章 绪论l 1 1 本课题的研究背景和意义l 1 1 1 研究背景l 1 1 2 研究意义2 1 2 辨识建模方法综述3 1 2 1 系统辨识发展状况3 1 2 2 子空间辨识方法5 1 2 3 辨识模型结构7 1 3 车辆系统辨识应用1 0 i 3 1 应用现状1 0 1 3 2 辨识试验1 1 1 4 课题来源和主要研究内容1 3 1 4 1 课题来源1 3 1 4 2 论文的主要研究内容1 3 1 4 3 论文的体系结构1 4 第二章部分输入为非持续激励条件下的子空间方法1 6 2 1 予空间方法的基本理论1 7 2 1 1 确定性实现1 7 2 1 2 随机性实现1 9 2 1 3 持续激励条件2 0 2 2 线性系统辨识算法2 2 2 2 1 系统自由响应2 2 2 2 2 基本投影算法2 3 2 2 3 两种实际应用的算法2 6 2 3 有偏估计的两种情况2 8 2 3 1 病态条件下的斜交投影2 8 2 3 2 随机性输出与系统输入相关3 0 2 4 部分输入非持续激励条件下的系统实现3 0 2 4 1 基本实现3 0 2 4 2 系统输入之间相互独立3 l 2 4 3 系统输入之间存在耦合关系3 2 2 5 基于模型分解的子空间算法一3 4 2 6 本章小结3 5 第三章单输入车辆操纵稳定性模型辨识3 6 3 1 理论建模3 6 3 2 模型分析3 9 3 2 1 近似线性系统3 9 3 2 2 两种辨识模型4 l 。f 上海交通大学博士学位论文 目录 3 3 辨识试验设计4 3 3 3 1 国标试验汇总4 3 3 3 2 辨识试验选择4 4 3 3 3 辨识车辆特性4 5 3 3 4 信号测试仪器与设备4 6 3 4 辨识试验数据分析4 6 3 4 1 模型阶次分析4 6 3 4 2 条件数分析4 8 3 5 低速工况试验辨识4 9 3 5 1 辨识试验与辨识结果4 9 3 5 2 辨识算法比较5 0 3 5 3 时域验证5 l 3 5 4 频域验证5 3 3 6 高速工况试验辨识5 5 3 6 1 辨识试验与验证试验5 5 3 6 2 时域验证5 7 3 6 3 频域验证5 7 3 7 基于非线性辨识模型昌的辨识及验证5 9 3 7 1 辨识模型对比5 9 3 7 2 恒速工况实验