（车辆工程专业论文）四轮转向汽车的动特性及其鲁棒控制研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着汽车技术的不断发展，现代汽车的速度越来越高，汽车的操纵稳定性 直接关系着乘员的人身安全，客观上要求汽车具有更快的跟随驾驶员指令的反 应能力，因此，四轮转向( 4 w s ) 技术应运而生。四轮转向技术是一种对汽车的 前轮转向和后轮转向同时进行控制以改善转向特性的汽车动力学控制技术。相 比传统两轮转向汽车，四轮转向系统还根据汽车当前运动状态对后轮转向进行 控制，提高了汽车转向的瞬态响应特性，从而增强了操纵稳定性和主动安全性。 。本文在四轮转向系统的动特性和控制研究上进行探索，取得了以下成果： 首先，介绍了四轮转向汽车的主要转向方式并和2 w s 汽车进行对比，得出其 优势所在。建立了四轮转向汽车的三自由度和二自由度动力学模型，由4 w s 车 辆的二自由度模型，推导出了前后轮前馈和反馈组合控制方式的四轮转向汽车 的传递函数和状态空间方程。对四轮转向汽车进行转向特性分析，对前轮角阶 跃输入下的汽车稳态响应和瞬态响应进行了研究和分析。 其次，阐述了线性矩阵不等式( l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y ：l m i ) 的处理 方法及其相关定理，并对l m i 问题的求解算法进行了简要的描述。建立了基于 外界干扰的4 w s 线性二自由度模型。应用也鲁棒控制理论、输出反馈凰也混 合控制理论和状态反馈见以混合控制理论，结合l m i 方法，采用零侧偏角控 制策略，设计出前轮转向角比例前馈加横摆角速度比例反馈控制来控制后轮转 向的不同的最优控制器。参考国内某轿车的基本参数，运用m a t l a b s i m u li n k 平 台进行仿真，并将仿真结果分别与传统的2 w s 汽车模型仿真结果进行比较。 最后，将三种控制理论设计系统仿真得到的结果进行比较。结果表明：输出 反馈日，玑混合控制设计能够最为迅速的使系统达到稳定状态，且有很小的超 调量，控制效果最好。 ， ， 总之，本课题从理论上对四轮转向汽车的动特性与控制方法进行了深入的 研究，将e 和风混合控制设计出的控制律具有其他方法无可比拟的稳定鲁棒 性且对外界干扰具有良好的抑制性能。 关键词：4 w s ，二自由度模型，动特性，l m i 方法，矾控制，也混合控制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t ，w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l et e c h n o l o g y , t h ed e m a n df o r a c t i v es a f l yo fa u t o m o b i l ei sh i g h e ra n dh i g h e r , t h eh a n d l i n gs t a b i l i t ya f f e c t ss a f t yo f t h ep a s s e n g e r sa n dd r i v e r sd i r e c t l y , a u t o m o b i l ei sd e m a n d e dt of o l l o wt h ed r i v e r s i n s t r u c t i o ne v e nq u i c k e ro b j e c t i v e l y , s ot h e4 w sa p p e a r s f o u rw h e e ls t e e r i n gi sa n a d v a n c e dv e h i c l e c o n t r o lt e c h n i q u ew h i c hc a ni m p r o v es t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lf r o n tw h e e ls t e e r i n gv e h i c l e s ，4 w sv e h i c l e sc a ns t e e rt h e f r o n tw h e e l sa n dt h er e a rw h e e l si n d i v i d u a l l yf o rc o r n e r i n g ，a c c o r d i n gt ot h ev e h i c l e m o t i o ns t a t e ss u c ha st h ev e h i c l es p e e d , y a wv e l o c i t ya n dl a t e r a la c c e l e r a t i o n t h e r e f o r e ，4 w sc a ne n h a n c et h eh a n d l i n gs t a b i l i t ya n di m p r o v et h ea c t i v es a f e t yo f v e h i c l e s b a s e do nt h et h e o r yo fv e h i c l ed y n a m i c sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h et h e s i s i n v e s t i g a t e st h ef o l l o w i n g i s s u e s ： f i r s t l y , t h em a i ns t e e r i n gm o d e so f4 w s v e h i c l ea r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e d w i t l lt h e2 w sv e h i c l e ，i t sa d v a n t a g ec a nb eg o t t h e2 d o f4 w sa n dt h e3 d o f d y n a m i cm o d e li sb u i l t ，a n dt h e2 d o fd y n a m i cm o d e li sa n a l y s e d t h et r a n s f e r f u n c t i o na n dt h es t a t e - s p a c ef o r m u l aa r ed e r i v e dw i t ht h eh e l po ff e e d f o r w a r da n d f e e d b a c kc o n t r o ls t y l e t h es t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f4 w si sa n a l y s e d t a k e nf r o n t t i r et u r n i n g a n g l ea ss t e pi n p u t ，t h es t e a d ys t a t er e s p o n s ea n dt h et r a n s i e n tr e s p o n s ea r e r e s e a r c h e da n a l y s e d s e c o n d l y , t h em e t h o do fl i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y ( l m i ) a n di t st h e o r e ma r e i n t r o d u c e d t h e4 w s2 d o fm o d e lb a s e do ne x t e r n a ld i s t u r b a n c ei sb u i l t ，b a s e do nt h e t h e o r yo fh 。r o b u s tc o n t r o l ，o u t p u tf e e d b a c kh 2 | h 。m i x e dc o n t r o l ，s t a t ef e e d b a c k h 2 | h 。m i x e dc o n t r o l ，l m im e t h o d ，z e r os i d e - s l i p a n g l ec o n t r o ls t r a t e g y , t h ed i f f e r e n t c o n t r o l l e r s 谢t ht h ef e e d f o r w a r da n df e e d b a c kc o n t r o ls t y l ei sd e s i g n e d r e f e r i n gt h e p a r a m e t e r so fac e r t a i nc a ri no u rc o u n t r y , t h e4 w si s s i m u l a t e dw i t ht h eh e l po f m a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h er e s u l t so ft h es i m u l m i o ni sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l 2 w sv e h i c l em o d e lr e s p e c t i v e l y 武汉理工大学硕士学位论文 l a s t l y , t h et h r e er e s u l t sa r ec o m p a r e dt o g e t h e r , i tc a l lb ec o n c l u d e dt h a tt h eo u t p u t f e e d b a c kh 2 | h 。m i x e dc o n t r o li st h e t h eo p t i m a lw a y i nc o n c l u s i o n , t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lm e t h o da r ed e e p l y r e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l y , e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei so b t a i n e db yh 2a n dh ；m i x e d c o n t r o l ，e x t e r n a ld i s t u r b a n c ei sa t t e n u a t e dp e r f e c t l ya n dt h es y s t e mr o b u s tp e r f o r m a n c e i se n h a n c e d k e yw o r d s ：4 w s ，2 d o fm o d e l ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，l m im e t h o d ，也c o n t r o l ， m i x e dh 2 | h 。c o n t r o l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盐查拄日期 关于论文使用授权的说明 枷g 且f 乙 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：超盔盐 导师签名：日期型j 。i 乙 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 四轮转向汽车的发展历史及国内外研究概况 在传统的汽车结构中，除专用汽车外，两轮转向( 2 - w h e e l s t e e r i n g ，2 w s ) 尤其是前轮转向一直是汽车转向的主要方式。这种传统的转向系布置结构及布 置方式具有结构简单、成本低廉的特点。但是，前轮转向汽车具有低速时转向 响应慢回转半径大，转向不灵活，高速时方向稳定性差等缺点。随着现代道路 交通系统的发展，汽车速度也越来越高，高速时汽车的操纵稳定性不仅影响到 汽车驾驶的操纵轻便程度，而且也是保证高速行驶汽车安全的一个主要性能。 所以，人们称之为“高速车辆的生命线 n 1 。客观上要求汽车具有更快的跟随驾 驶员指令的反应能力。由于四轮转向( 4 w s ) 系统让1 能够有效的改善汽车的机动 灵活性和操纵稳定性，因而受到了各大汽车公司的青睐。首先在中高速范围内， 通过适当控制后轮转角，可以从根本上避免由于轮胎侧偏特性而产生的过度转 向现象的发生。提高了汽车高速行驶的安全性口1 。其次，运用4 w s 技术，还可以 有效地减小低速行驶时汽车的转弯半径，使汽车在低速行驶时更加灵活h 1 。另外， 以相同的方向转动后轮，汽车能够产生后轮滑动角而不需要汽车侧偏角，这样 就可以消除转向输入与后轮侧向力之间的时间滞后，从而有效减少汽车到达稳 态转向所需的时间，大大地改善了汽车转向的瞬态响应，易于由一个车道向另 一个车道调整。图1 - 1 为前轮转向与四轮转向汽车的比较。 7 叶 7 ( a )( b )( c )( d ) ( a ) 两轮低速( b ) 两轮高速( c ) 四轮低速( d ) 四轮高速 图1 - 1 前轮转向与四轮转向汽车的比较 武汉理工大学硕士学位论文 四轮转向技术从2 0 世纪初开始萌芽到今天成为较为成熟的技术经历了漫长 的过程。1 9 0 7 年，日本政府颁发了第一个关于四轮转向的专利证书，它是利用 一根轴将前轮转向机构和后轮转向机构。1 直接连接，从而实现后轮转向。当汽车 低速行驶时，通过后轮相对于前轮的反向转向，能够减小低速时汽车的转弯半 径使其具有更好的机动性，这可以算是四轮转向技术最初的应用实例了。 直到1 9 6 2 年，在r 本汽车工程协会( j s a e ) 的技术会议上提出后轮主动转 向的概念，才开始了四轮转向系统的汽车动力学研究。这一阶段：研究人员开 始认识到四轮转向技术对于提高汽车高速时的操纵稳定性具有重要意义。 日本学者f u r u k a w a “1 通过一系列研究得出重要结论：在高车速范围内，应 用后轮与前轮的同向转向可以减小汽车质心侧偏角，从而减小侧向加速度响应 的相位滞后，表明主动控制后轮转向可以在很大程度上改善汽车的操纵稳定性。 随着对四轮转向系统研究的深入，n i s s a n 、m a z d a 、t o y o t a 和g m 等汽车厂商纷 纷推出了各自的四轮转向系统，并尝试把一些成熟的四轮转向技术应用到商用 车型上。 1 9 8 5 年，n i $ s a n 公司”1 在实车上应用了世界上第一套四轮转向系统，应用 在该公司开发的一种高性能主动控制悬架上( h i g hc a p a c i t y a c t i v e l y c o n t r o l l e ds u s p e n s l o n ，h i c a s ) ，并于1 9 8 7 年和1 9 8 9 年相继开发 出h i c a si i 和s u p e rh i c a s 。其后轮转向作用机理都是采用一套液压泵和液压 系统来主动控制后轮的转向角度，比较明显地改善了汽车在高车速范围内的操 纵稳定性。 目前随着电子技术的发展，汽车上也越来越广泛地应用了各种电子设备。 4 w s 开始与4 w d 、a b s 等共同应用，从而改普汽车的操纵稳定性、动力性、制动 性等汽车的综合性能，来满足人们对 汽车越来越高的要求。美国伽公司在 其很多车型上应用了d e l p h i 公司研发 的q u a d r a s t e e r t m 的四轮转向技术如 图卜2 ，其后轮电动转向系统包括了车 轮定位传感器、车速传感器和中央电 子控制模块。系统以电子控制的形式 对后轮转向进行实时控制，根据车速 图卜2 装备q u a d r a s t e e r t m 的车辆 武汉理工大学硕士学位论文 的不同对后轮转向进行控制以达到低速时反向转向和高速时同向转向，并与汽 车的底盘控制系统一体化，可以在控制面板上选择开启或者关闭四轮转向系统。 国外现阶段的4 w s 系统设计，力图达到以下目的： 1 ) 对沿行驶路线行驶的汽车车身姿势进行控制，减小汽车的质心侧偏角， 尽量控制汽车的质心侧偏角经常保持为零； 2 ) 减少汽车横摆角速度与侧向加速度之间的相位差以及各自相位； 3 ) 增强汽车行驶的稳定性； 4 ) 低速行驶时具备良好的机动性，改善低速范围汽车的操纵性； 5 ) 改善汽车的转向响应性能； 6 ) 抵制由汽车自身参数变化因素对汽车转向响应特性的影响，并保持所期 望的汽车转向响应特性呻1 ； 7 ) 增加对外界环境变化的抗干扰能力： 8 ) 改善轮胎附着力极限附近的响应n 们 这些设计目标与动力系统密切相关，随着汽车动力学和控制理论的发展，各 种现代控制理论开始被逐渐应用于四轮转向系统的研究中，国外具有代表性的 一些研究进展如下： o s s a m am o k h i a m a r ，m a s a t oa b e n l l 研究了四轮转向时的轮胎侧向力与纵向 力的最优合力分布，以改善汽车的侧向加速度响应和横摆角速度响应，并分析 了性能加权函数对于汽车操纵稳定性的影响。 a l l a ny l e e n 2 1 对四轮转向汽车在高速时的换道行驶进行了分析，对比了 在换道行驶过程中，有经验驾驶员的操纵转向和四轮转向汽车的最优化控制转 向，研究了驾驶员操纵四轮转向汽车的主观感受。 h i n o u e 和f s u g a s a w a n 3 1 提出了一种综合前馈和反馈控制的四轮转向系 统，选择最优的控制系统常量，把对转向输入响应的控制和对抗外部干扰的稳 定性控制分开，实现了两者的相互独立。 l a s z l op a l k o v i c s n 钔文章中研究通过前轮和后轮的转向反馈补偿自动控制 来提高汽车高速时的转向性能和在侧风干扰下的转向性能，提出了在参数变化 下的系统响应问题。分析了在后轮胎压低于正常情况下，汽车的过度转向以及 控制系统如何稳定汽车的运动。 h i g u c h i n 司应用最优控制理论提出了一种以减小质心侧偏角为目标的方向 盘前馈加状态反馈的四轮主动转向控制律。 武汉理工大学硕士学位论文 国内对于4 w s 系统的研究主要集中在几所大学里进行的，象北京理工大学、 吉林工业大学、上海交通大学、同济大学、武汉理工大学、天津大学等高校， 在国内的汽车行业中基本上还没有展开4 w s 的研究和开发工作。高校由于条件 的限制特别是试验条件和试验经费的限制，对于4 w s 的研究基本还处于初级阶 段，其研究的重点主要是4 w s 汽车的动力学响应和控制方法的研究。吉林工业 大学n 7 1 基于二自由度模型对四轮转向系统的控制方法进行了探讨，研究了轮胎 侧偏特性对于四轮转向系统的影响，对四轮转向汽车的运动稳定性进行了分析。 天津大学n 卜1 9 1 对四轮转向系统的非线性控制进行了研究，探讨了四轮转向系统发 生随机h o p f 分岔的参数区域。北京理工大学则在b j l 3 0 轻型卡车上安装了4 w s 系统，并进行了一些试验尝试。总的说来国内对4 w s 系统的研究基本还处在理 论研究阶段。 目前，国内外已有至少7 种不同的4 w s 系统在处于不同的投产和研制阶段。 这些系统由于驱动后轮转向的控制器的控制策略和控制方式的不同而不同。这 些4 w s 系统的研究基本是基于一个简单的两自由度的汽车模型。本课题亦是基 于二自由度汽车模型的研究。 1 2 四轮转向系统及控制方法简介 几十年来，人们把4 w s 系统作为改善汽车操纵稳定性的一个新方法进行了 深入的研究。各大公司已经有了不少成熟的4 w s 机构，它们的控制方式及工作 原理各异，例如有以同相位转向方式为主要目的的4 w s ，还有同时可控制同相位 和逆相位转向的4 w s 。而各公司研制出的4 w s 系统的种类也很多。但在目前4 w s 还是一种新的结构，人们对它的研究途径很多，这将会使4 w s 系统日臻完善。 四轮转向系统按其结构大致可分为四类：机械式、液压式、电动式、复合式； 按其控制方法分类可分为七类啪1 ，下面从控制方法方面对这七类四轮转向系统 作简要介绍。 1 ) 定前后轮转向比四轮转向系统 1 9 8 5 年s a n o 等用线性模型研究四轮转向系统。他们定义k 为前后轮转向角 之比。k 值为正时，表明前后轮转动方向相同。s a n o 认为通过k 值的选择应使 稳态转向时侧偏角等于零。在低速时值应k 为负，这可以减小转弯半径，提高 武汉理工大学硕士学位论文 汽车的操纵灵活性。高速时k 值应为正。研究表明在这样的k 值下，侧向加速 度响应时间缩短，但其增益大幅度减小。 2 ) 前后轮转向比是前轮转角函数的四轮转向系统 这是一种结构简单且效果良好的系统，9 0 年代初期一些四轮转向汽车中采 用了这种系统。该系统同时具有同相位及反相位转向功能。其前后轮转角关系 见图1 - 3 。k 值变化范围从0 5 5 ( 前轮转向角较小) 一0 2 ( 前轮转向角较大) 。 这种4 w s 系统在极限工况一高速且前轮转角较大时，后轮转角与前轮转角方向 相反，这将导致操纵稳定性极度恶化。 尽管在现实中人们很少在高速行驶中 大打方向盘，但这种潜在的危险依旧存 在。另外，当前轮转角较小时前后轮转 1 向比较大，汽车的操纵稳定性有一定程 度的恶化，这种汽车在高速行驶时具有 一定的危险性。这是该系统的一个明显 的缺点，也是这种系统没有得到广泛应 用的原因。 价 - - 一l- 吩 图1 - 3 前后轮转角关系 3 ) 前后轮转向比是车速函数的四轮转向系统 1 9 8 6 年s h i b a h a t a 等设计了一套实用的四轮转向系统。该系统采用微机控 制。前后轮转向比为车速和前轮转角的函数。其计算前后轮转向比的基本着眼 点同s a n o 是一致的，都是使汽车稳态转向时的侧偏角为零。 t a k i g u c h 等也设计了一套类似的四轮转向系统，前后轮转向比也是车速和 前轮转角的函数。其设计的着眼点在于使侧向加速度相位滞后同横摆角速度相 位滞后相等，这同零侧偏角原则本质上是一致的。他们这样计算是因为在主观 评价中，大多数最优的正的前后轮转向比都发生在二者相位滞后差别最小的时 候。试验表明，通过这种方法选择的k 能够基本在所有车速范围内，改善汽车 的方向响应。其优于前述方法的明显优点是可以在高速时，把侧向加速度增益 保持在一个驾驶员可以接受的幅度上。 4 ) 具有一阶滞后的四轮转向系统 f u k u n a g a 等在试验的基础上，设计了具有一阶滞后的四轮转向系统。前几 种4 w s 系统可以有效地改善汽车转向的稳态特性，但却使横摆角速度和侧向加 速度到达稳态值的时间有所延长。具有一阶滞后的四轮转向系统设计的着眼点 5 武汉理工大学硕士学位论文 是既改善汽车的稳态特性，又不牺牲瞬态响应时间特性。当汽车高速转向时后 轮的转动比前轮转动延迟一定的时间，当横摆角速度或侧向加速度到达稳态值， 后轮才开始转动。后轮转动时汽车的稳态侧偏角减小，并对其超调量等瞬态特 性也有一定程度的改善。尼桑( n i s s a n ) 装备了第一代h i c a s ( h i g h tc a p a c i t y a c t i v e l yc o n t r o ls u s p e n s i o n 高效主动控制悬架) 的地平线牌车即属于这种。 5 ) 具有反相特性的四轮转向系统 。 n i s s d n 公司的t a k a a k i e g u c h i 等在设计s u p e rh i c a 系统心时对具有反相 特性的四轮转向系统进行了研究。其设计的着眼点在于同时改善汽车转向的稳 态特性和瞬态特性。当汽车高速转向时，后轮先向与前轮转向相反的方向转动， 这样横摆角速度和侧向加速度动态响应加快，二者很快达到稳态值，这时，后 轮再向相反方向转动，以改善汽车的稳态响应特性。 6 ) 前轮转向角比例前馈加横摆角速度比例反馈 前轮转向角比例前馈能使车身的侧偏角为零，横摆角速度比例反馈既能提 高汽车转向的固有特性，又能改善汽车转向的频率响应特性。另外，采用横摆 角速度比例反馈控制的汽车在汽车受到侧向风等外力作用时，由于后轮的主动 控制，使汽车有一定的自律机制。将两种控制分式组合起来使用能极大提高汽 车的转向特性。这是目前四轮转向汽车最好的控制方式，也称为后轮主动控制。 s a t o 等人使用了前馈加反馈来控制后轮转角，其控制原则是：在车速极低时， 后轮与前轮反向转动，且比例为1 ：1 ，这样可使得前后轮的运动轨迹相同。随 着车速的提高，通过横摆角速度的反馈，补偿后轮的附加转角，其控制规律可 表达为：盈= - c 1 万，+ c 2 v r ，其中万，、4 分别为汽车的前后轮转向角，且 q ：1 o ；岛：= 兰= 兰，b4- a分别为汽车质心至前后轴的距离，g = 1 u ：厶= - ，万力j j 刀汽半腴o l 、芏刖屑：刖削圯丙 17 k ，( 口+ 6 )k ( n + 6 ) 。 k ，k ，分别为前后轮胎的侧偏刚度。本论文的研究采用这种控制方法。 7 ) 具有自学习、自适应能力的四轮转向系统 前5 种4 w s 系统都是采用古典控制理论，其局限性在于这些系统不能较好 地适应汽车本身特性的非线性或随机性变化( 如轮胎侧偏特性的非线性，前后轮 载荷变化的随机性) ，不能适应汽车一道路系统特性的非线性或随机性变化( 如 轮胎一路面附着系数的变化等) 。要在这样的条件下实现更为有效的控制，控制 系统应具有自学习、自适应能力，即随着被控对象的变化而改变控制器的结构 或参数，改变控制规律。 6 武汉理工大学硕士学位论文 通常采用的控制方法有以下几种控制方法。 1 ) p i d 控制 这种控制方法不需要了解被控对象的数学模型，只需要根据经验对调节器 进行在线调整，但只适用于线性系统，而且被控对象的参数变化比较敏感。 2 ) 最优控制刁 最优控制方法就是利用极值原理、最优滤波或动态规划等最优化方法来求 解系统最优控制输入的一种设计方法。由于最优控制规律是建立在系统理想数 学模型基础之上的，而实际的控制中往往采用降阶模型且存在多种约束条件， 因此基于最优控制规律设计的控制器作用于实际的受控系统时，大都只能实现 次最优控制。 3 ) 自适应控制口3 1 自适应控制主要应用于结构及参数具有严重不确定性的振动系统，大致可 分为自适应前馈控制、自校正控制和模型参考自适应控制三类。自适应前馈控 制通常假定干扰源可测；自校正控制是一种将受控结构参数在线辩识与受控器 参数整定相结合的控制方式：而模型参考自适应控制是由自适应机构驱动受控 制结构，使受控结构的输出跟踪参考模型的输出。 4 ) 鲁棒控制m 1 虽然自适应控制可用于具有不确定性振动系统，但自适应控制本身并不具 备强的鲁棒性。鲁棒控制设计选择线性反馈律，使得闭环系统的稳定性对于扰 动具有一定的抗干扰能力。滑模变结构控制近年来在鲁棒控制中得到了深入， 其实质是一种模型参考自适应控制。“参考模型”是一条预先设计好的流形，用 开关控制法迫使系统沿着这条轨迹滑动。由于开关切换频率高，易引起系统颤 振。巩控制是设计控制器在保证闭环系统各回路稳定的条件下使相对于噪声干 扰的输出取极小的一种优化控制法。它将鲁棒性直接反映在控制性能指标上， 设计出的控制律具有其他方法无可比拟的稳定鲁棒性。 5 ) 智能控制 智能控制理论的产生与发展为主动控制带来了新的活力。模糊控制作为智 能控制的一个重要分支，它不仅能提供系统的客观信息，而且可将人类的主观 经验和直觉纳入控制系统，为解决不易或无法建模的复杂系统控制问题提供了 有力的手段。 7 武汉理工大学硕士学位论文 神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一 种技术系统，是一种大规模并行的非线性动力学系统。神经网络以对信息的分 布式存储和并行处理为基础，它具有自组织、自学习功能，对于非线性具有很 强的逼近能力。 因为汽车是一个包含众多环节的复杂的非线性系统，无论是建模还是参数 测量都比较困难，研究人员倾向于应用比较简单的线性汽车系统来研究汽车动 力学，设计具有一定鲁棒性的4 w s 控制系统，通过后轮先逆相位转向再同相位 转向，并取得了一定的控制效果。但是，4 w s 汽车要能够进行推广应用，还需综 合考虑经济实用性、技术可靠性等诸多因素。 1 3 本论文的内容安排 第1 章介绍了四轮转向技术的发展历史及国内外研究概况以及四轮转向系 统的特点和控制方法。 第2 章对四轮转向汽车进行转向特性分析，建立了4 w s 的汽车二t l 由度和 三自由度动力学模型，并对所建立的二自由度模型进行理论分析； 第3 章参考国内某轿车的参数建立了基于外界干扰的4 w s 二自由度模型。 以月。鲁棒控制理论为基础，结合l m i 方法，采用零侧偏角控制策略，设计前轮 转向角比例前馈加横摆角速度比例反馈控制来控制后轮转向的日。控制器，运用 m a t l a b s i m u l i n k 平台进行仿真，并将仿真结果与2 w s 汽车模型仿真结果相比较； 第4 章应用已经建立的4 w s 模型，以输出反馈皿玩混合控制理论为基础， 结合l m i 方法，采用零侧偏角控制策略，设计前轮转向角比例前馈加横摆角速 度比例反馈控制来控制后轮转向的日，巩混合动态控制器，运用 m a t l a b s i m u li n k 进行仿真，并将所得到的结果与2 w s 汽车模型仿真结果比较； 第5 章应用已建立的4 w s 模型，以状态反馈也玩混合控制理论为基础， 结合l m i 方法，采用零侧偏角控制策略，设计了前后轮前馈和反馈组合控制的 状态反馈卫巩混合静态控制器，运用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真。并将其仿 真结果与应用也控制理论和输出反馈皿以混合控制理论设计控制系统得到 的结果以及2 w s 汽车模型仿真结果进行比较。 第6 章对全文进行了总结与展望，归纳了本文的研究内容，并展望了进一 步的研究方向。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章四轮转向汽车的动特性分析与模型研究 2 i4 w s 汽车的主要转向方式 根据理论分析研究和大量路试表明，四轮转向能够提高汽车转向的机动灵 活性和高速行驶时的操纵稳定性，现代4 w s 汽车就是根据这一指导思想研制的。 一般来说，4 w s 汽车在转向过程中，根据不同的行驶条件，前、后轮转向角之间应 遵循一定的规律。目前，典型4 w s 汽车前、后轮的偏转规律一般如下所述。 1 ) 同相位转向 。 如图2 - 1 ( a ) 所示，在中、高速行驶或方向盘转角较小时，前、后轮实现同 相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相同( 后轮转角一般为1 。左 右) 。使汽车车身的横摆角速度大大减小，可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向， 保证汽车在高速超车、进出高速公路、高架引桥及立交桥时，处于不足转向状 态。现在，有许多4 w s 汽车把改善汽车操纵性能的重点放在提高汽车高速行驶 的操纵稳定性上，而不过分要求汽车在低速行驶的转向机动灵活性。其工作特 点是低速时汽车只采用前轮转向，只在汽车行驶速度达到一定数值( 如5 0 k m h ) 后，后轮才参与转向，进行同相位四轮转向。 2 ) 异相位转向 如图2 - 1 ( b ) 所示，在低速行驶或者方向盘转角较大时，前、后轮实现逆相 位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相反，且偏转角度随方向盘转角 增大而在一定范围内增大( 后轮最大转向角一般为5 。左右) 。这种转向方式可改 善汽车低速时的操纵轻便性，减小汽车的转弯半径，提高汽车的机动灵活性。 便于汽车掉头转弯、避障行驶、进出车库和停车场。对轿车而言，若后轮逆相 位转向5 。，则可减少最小转向半径约0 5 m ；对重型货车而言，最小转向半径 减少的比例还会大些。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( a )( b ) 图2 1 四轮转向汽车的前后轮偏转规律 2 24 w s 汽车与2 w s 汽车转向过程比较 车身 前轮 后轮 行驶方向 俺向力 侧向力 c 2 w s 车) ( w s 军】 图2 - 2 从直线行驶进入转弯2 w s 车与4 w s 车的运动比较 普通两轮转向汽车( 2 w s 汽车) 的前轮既可绕自身的轮轴自转又可绕主销相 对于车身偏转，而后轮只能自转而不偏转。当驾驶员转动方向盘后，前轮转向，改 变了行驶方向，地面对前轮胎产生一个横向力，通过前轮作用于车身，使车身横 摆，产生离心力，使后轮产生侧偏，改变前进方向，参与汽车的转向运动。而4 w s 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 汽车的后轮与前轮一样，既可自转也能偏转。当驾驶员转动方向盘后，前、后轮 几乎同时转向，使汽车改变前进方向，实现转向运动。 2 w s 汽车在转向时，前轮作主动转向，后轮只是作被动转向。显然，2 w s 汽车 在转向过程中，从方向盘转动到后轮参与转向运动之间存在一定的滞后时间。 2 w s 汽车的这种相位滞后特性使汽车转向的随动性变差，并使汽车的转向半径增 大。另外，2 w s 汽车在高速行驶时，相对于一定的方向盘转角增量、车身的横摆角 速度和侧向加速度的增量增大，使汽车在高速行驶时的操纵性和稳定性变差。而 4 w s 汽车在转向时，前后轮都作主动转向，在转向过程中，灵敏度高，响应快，有效 地克服了上述缺点。2 w s 与4 w s 转弯时如图2 - 2 所示。 2 3 四轮转向汽车动力学模型 汽车在行驶中，作为刚体它具有6 个自由度。但是根据不同的研究目标， 汽车动力学模型的复杂程度也有所不同，如整车1 7 自由度( d e g r e eo ff r e e d o m ， 简称d o f ) 模型，研究车身侧向、横摆和侧倾运动的3 d o f 模型，只含有车身侧 向、横摆运动的2 d o f 模型。这里只介绍3 d o f4 w s 汽车模型和2 d o f4 w s 汽车模 型。 2 3 1 三自由度汽车动力学模型啪1 为了描述前轮偏转后汽车的运动状况，通常需建立一个固结于运动着的汽 车上的直角动坐标系即汽车坐标系，见图2 - 3 。x o z 处于汽车左右对称的平面内， 坐标系的原点令其与汽车质心重合，x 轴平行于地面指向前方，y 轴指向转弯时 的外侧，z 轴指向下方，汽车绕x 轴的侧倾角定义为9 。 图2 - 3 固结于车身的坐标系 武汉理工大学硕士学位论文 为了建立汽车转向运动的微分方程，首先应建立相应的动力学模型。由于 影响汽车转向运动的因素较多，受力情况较为复杂。假设汽车作等速运动，不 考虑切向力作用和空气作用；忽略车身绕y 轴的俯仰运动，只考虑车身沿y 轴的 侧向运动、绕z 轴的横摆运动和绕侧倾轴的侧倾运动；忽略转向系统作用，直接 以车轮转角作为输入：并认为汽车左右对称，前后轴上的每对车轮分别用具有 其两倍侧偏刚度的单个车轮来表示，汽车的侧倾轴近似固定不变；忽略各种空 气阻力、轮胎滚动阻力及非悬挂质量的侧倾效应；轮胎保持与地面接触，各轮。 胎所接触的路面条件相同，左右轮胎具有相同的侧偏特性。 根据以上的条件与假设，可建立线性3 d o f 的4 w s 汽车操纵动力学模型： 肌( 廿州一咖巧( 号+ 争巧缈一) + 墨( 号一争t 伊一4 ) 驴l 声= 呜( 芳+ 争巧伊一t ) 一( 芳一争e 缈一4 ) - ， l 户一l j 二一吃( 帚+ 玢) = 一p 一( 一嗽) 缈 式中，k ，k ，分别为前后轮胎的侧偏刚度：万，4 分别为前后轮的转向 角：为车体质