四轮独立线控电动车执行器容错控制算法研究

【摘要】面对人们对于交通需求的迅猛增加、化石燃料消耗殆尽、内燃机汽车造成的严重环境污染和温室效应等严重问题，世界各国政府、汽车企业和科研院所等正积极寻找21世纪可持续道路交通运输的解决方案，而采用二次能源——电能的电动汽车正受到越来越的关注和研究。四轮独立线控电动车是一种基于线控技术独立控制每个车轮驱动、制动和转向运动的新型纯电动汽车类型。相对于传统汽车，其具有更多的执行器控制自由度，可以实现诸如斜行、横行、原地转向等多种行驶模式，提高了汽车在拥挤城市行驶的机动性和灵活性；同时，基于每个车轮独立控制的特点，可以综合控制车辆的驱动、转向、制动，优化车辆的动力学特性，提高车辆的操纵稳定性；更为重要的是，基于四轮独立线控电动车执行器冗余的特点，可以采用过驱动系统重构控制分配的容错控制方法，提高车辆在故障工况下的稳定性和安全性。综上所述，四轮独立线控电动车是极具发展前景的电动车构型，是研究先进车辆动力学控制方法的优良平台，代表了未来车辆的发展趋势。本文研究依托国家自然科学基金资助项目“线控汽车底盘控制方法和关键技术研究”（编号：50775096）和国家自然科学基金资助项目“线控转向系统操纵杆及其双向控制方法研究”（编号：51105165）及吉林大学研究生创新基金项目“全线控电动汽车状态估算及路面识别研究”（编号：20121088），基于四轮独立线控电动车平台，针对执行器故障后的容错控制问题，提出以最大化车辆故障后的稳定裕度为控制目标，开发了四轮独立线控电动车执行器容错控制算法。针对以上研究目标，论文主要内容如下：（1）四轮独立线控电动车动力学建模建立了整车11自由度电动车动力学模型，以3自由度车身平面运动模型为基础建立了包括驱动/制动系统模型、转向系统模型以及轮胎模型等部分，通过与CarSim车辆模型的在多工况下的仿真实验对比，验证了所建立的模型能准确表征车辆纵向运动、侧向运动、横摆运动间的耦合关系和动力学响应，可以作为电动车容错控制算法的仿真验证平台。（2）执行器容错控制研究针对四轮独立线控电动车的过驱动结构，设计了采用控制分配的分层控制结构。容错控制以最大化车辆执行器故障后的整车稳定裕度为控制目标，控制结构上可以分为上层运动控制器和下层重构控制分配器。运动控制器基于模型预测控制理论，根据驾驶员操纵输入优化车辆运动状态；重构控制分配器采用重构控制分配方法，以整车稳定性和安全性为目标制定了重构控制分配律，最大程度的保障车辆行驶性能和安全性能。（3）容错控制算法实验验证为了验证容错控制算法对执行器多种故障的容错控制性能，首先采用了低附着直行单轮故障工况、高附着阶跃转向双轮故障工况、对开路面阶跃转向三轮故障工况这3类仿真实验工况，针对不同的故障类型、路面附着情况、转向操作以及行驶车速进行了验证。而后，考察了所提出算法对噪声的鲁棒性；针对噪声影响因素，制定了噪声抑制方案，再次进行仿真实验验证，证实了噪声控制方法的有效性。最后，在实车平台上进行了直行单轮故障工况、方向盘正弦输入双轮故障工况、方向盘阶跃输入三轮故障工况等实车实验验证，实验结果表明，容错控制算法能保持车辆故障后车辆对驾驶员操纵的有效响应，保持车辆的期望性能，提高了故障后的安全性。
【作者】刘超；
【导师】宗长富；
【作者基本信息】吉林大学，车辆工程，2014，硕士
【关键词】电动汽车；线控技术；容错控制；执行器故障；控制分配；

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