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關于非線性整合控制的四輪轉向裝置和 四輪扭矩車輛處理技術的發(fā)展 Shinichiro Horiuchi!, Kazuyuki Okada!, Shinya Nohtomi" 謝新譯 摘要：這篇文章介紹的是一個四輪轉向裝置和四輪扭矩的整體非線性控制系統(tǒng)。這種持續(xù)的非線性預示的系統(tǒng)被應用于控制系統(tǒng)的設計。這種四輪轉向裝置和每個輪子的扭矩協(xié)調的優(yōu)點通過計算機模擬顯示出來。被帶入到模擬中的駕駛力學敘述也被實施。模擬的結果表示在被提議的非線性控制系統(tǒng)中那個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年版權歸日本公司和 Elsevier科學B.V.的汽車工程協(xié)會所有。 1. 介紹 在車輛設計中,底盤控制系統(tǒng)有向復雜轉變的趨勢。底盤控制系統(tǒng)的三個主要部分是:側部控制,垂直控制和縱觀控制.這些系統(tǒng)是獨立發(fā)展的去改善操縱,乘坐舒適性和附著摩擦/最好剎車性能來減輕駕駛的工作量。在他們之中,有效的四輪轉向裝置系統(tǒng)的提高符合車輛轉向能力及前后輪轉向裝置的相關法規(guī)。這樣的轉向裝置控制系統(tǒng),通過車輛動力學的線模型描述,使得改善側面的穩(wěn)定和操縱性能變成可能[1]。然而,當輪帶接近附著力和側面受力的非線性特性的極限的時候,四輪轉向系統(tǒng)變的不怎么有效。另一方面，在一個近的界限范圍中,剎車和附著摩擦控制系統(tǒng)是有效的[2]。由于4輪轉向系統(tǒng)和輪子轉力矩控制系統(tǒng)的適當協(xié)調,即使當?shù)缆非闆r是不怎么樣的時候,車輛操作的巨大進步也可以實現(xiàn)[3]。在4 WS 和direct yaw moment control(DYC)已經考慮到了。在這一項研究中,線性4WS控制器,一個獨立設計的DYC 控制器已被使用。[4]線性模型相配理論和 LQ 控制理論被應用到整合控制系統(tǒng)的設計中。Yu和Moskwa[5]計劃了一個整合的控制系統(tǒng),這個理論是從使用回應線性化技術和滑模態(tài)控制理論中來的。回應線性化方式在控制浸透之前的控制決定方面遇到困難,回應線性化在一個如此情形中不容易成功。而且,系統(tǒng)非線性的精確知識是對控制器的需要而設計；如此強健控制系統(tǒng)需要實際的關心。這一章說的是非線性控制系統(tǒng)的一個新設計方法,即整合四輪轉向系統(tǒng)控制和四輪轉力矩控制。這個目的即控制運算法則是協(xié)調轉向裝置和剎車系統(tǒng)來改善車輛穩(wěn)定和操縱性能。連續(xù)時間非線預言性控制的理論(NLPC)[6,7] 被用于設計那些整合控制系統(tǒng)。這種學說是系統(tǒng)的,是容易應用的,而且是明確地控制浸透。結果顯示,四輪轉向系統(tǒng)和個別的轉力矩控制的優(yōu)點可能顯現(xiàn)出來。 2. 車輛系統(tǒng)模型 2.1. 車輛動力學模型 圖1 平面車輛模型 圖1中描述的是應用于控制器設計的自由模型的7度。在這張圖中, 縱觀的和側面的輪帶摩擦力分別用Fxi 和 Fyi(i=1,…,4)來表示?？v觀的和側面的輪帶摩擦力分別用Fxi 和 Fyi(i"1,2,4)來表示。外部沿著車輛 x 和 y 軸受力為Fx 和 Fy ,N被假定單獨地在輪帶和道路之間產生的摩擦力。這一個模型的運動基本相等源自下列各項: 縱觀的運動: 側部運動: 偏離運動: 在每輪子 Fzi 上的垂直負荷是空車重量和動態(tài)的重量移動以縱觀的和側面的速度聯(lián)合作用力。經過車輛卷物運動產生正常的荷載產生側面加速度的時候,經過車輛扎牢模態(tài)縱觀的加速度影響正常的荷載。雖然程度和卷物運動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,各項解釋如下: Fzf0 和 Fzr0 分別是對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/ 后面的旋轉堅硬分配, 而且是前面的/后面的旋轉中心高度。 輪帶- 道路交互作用的動力學是依賴的在側面的和縱觀的輪子滑動。圖2中顯 圖 2. 側滑角圖 1.平面的車輛模型和轉向角度 示的是側部滑動和輪子側滑角的定義。計算每個輪子的輪子側滑角 bi(i=1,2,4): 當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: 轉向角度和是通過單個第一的次序動力學落后系統(tǒng)的轉向裝置引動器中得到的，和是時間常數(shù)。 當 R 和 是有效的半徑和輪子分別旋轉的角速度的時候，縱觀的輪子滑移 si 被定義。 每個輪子的運動相等,如下: 是在每個輪子上的轉力矩和是輪子的旋轉慣性。 聯(lián)合上述的相等，整個非線性車輛模型,包括車輛平面運動,輪子動力學和轉向裝置引動器動力學,寫做： 表現(xiàn)車輛部件， 和分別指的是前后車輪轉向角度。上述的相等定義了一個六輸入和9部分的線性車輛動力學。 2.2. 輪帶模型 輪帶模型起源于用于控制器設計單一化 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部輪帶硬度。圖3指出的是輪帶模型特性。 3. 控制器設計 3.1．基線控制器 一個嶄新發(fā)展的 NLPC 理論被應用到整合的控制器設計。 圖 3. 側面和縱觀的輪帶受力 滑動比和側滑角的功能 把s當作是部分軌道和隔板所需要的s帶入關于 x1 和 x2 的 s1 和 s2。 在這一項研究中，只有 x1 應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)動時候發(fā)生的錯誤在的時候,讓我們考慮下列的性能索引的減到最小限度: Q1 是主動的不明確模型，R是主動明確的,用以適當?shù)某叽纭?使用膨脹系數(shù)和 能被估計出來。依下顯示： 當 把(23)代入(22),我們有一個關于u 參數(shù)最佳化問題。最佳化必需條件是,結果： 3.2.在控制之后的模型 最初的 NLPC 理論發(fā)展到設計在被預定的部分軌道受約束的系統(tǒng)追蹤控制器。這一個理論被延續(xù)到提供給一個模型結構控制。在這一個結構中,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生。向前地剎車輸入和需要速度之間關系，如下： 被需要的偏移率被定義在一個駕駛員轉動方向盤角度輸入和車輛速度的功能基礎上。 是參考模型的增益,A是穩(wěn)定因素和是轉向連桿的齒輪比。 需要的側面速度 vm 定義出來以便于側滑車輛的角相等對準零位。 因此, . 4.模擬結果 4.1.模擬情況 連續(xù)的計算機模擬被用以檢測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, 后車輪的有效轉向裝置車輛 (4 WS)的模擬也被實行。4 WS 后車輪的轉向角 被控制如前輪的轉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的轉向齒輪比相平衡。 4.2.步驟回應 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。整合的控制效果清楚地在圖形中示范。4 WS 的反應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在一種服務調動的情況中穩(wěn)定的回應。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計算定義性能尺寸。對性能的衡量,輪帶的工作量，gi,是， 圖 5為步驟回應的輪帶工作量。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.道路條件的強烈變化 其他的模擬實行來評估整合控制系統(tǒng)對道路情況的強健變化。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 剎車時正弦曲線轉向裝置輸入反應。 如這一個圖形顯示,對道路的變化情況，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 在這一個模擬方面，在 1 到 3 s 和 0 剩余時間的階段，需要的減速是 0.5 G。在二個右輪帶和道路之間的磨擦系數(shù)是0.8, 在二個輪帶和道路之間是 0.2. 磨擦系數(shù)在所有的輪帶控制器設計中，假定是 0.8 。 結果在圖 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力矩控制適用于四個輪子車輛穩(wěn)定方面有發(fā)展。 4.5.駕駛- 車輛的系統(tǒng)穩(wěn)定 兩倍小模擬進氣在從100公里/ h，以-0.4 G剎車減速，在一個關閉循環(huán)駕駛車輛系統(tǒng)上被實行，來調查整合控制的效果。在下列相等中描述的簡單事先查看駕駛模型，被用于這些模擬。 符號表示駕駛的增益，表示以計量器計量來自被需要的路徑側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減到最少的時候 : 符號表示來自被需要的路徑側面的偏離。數(shù)字式的最佳化技術被用來減到最小限度。圖 8 演示模擬的結果。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。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步。這意謂著整合控制使得駕駛在嚴格小變化工作條件下變得簡單。 5. 結論 本文章中, 有效的四輪驅動和獨立地剎車控制器的非線性整合轉向控制器，這種設計的新方式計劃出來?？刂七\算法則利用一個被制定的非線性預言性控制理論，這個理論通過一般零件隔開表現(xiàn)是為了要適應不同的車輛結構。這種控制系統(tǒng)的有效性透過計算機模擬示范出來。 9