一种体现汽车非线性特性的横摆稳定性控制方法技术

一种体现汽车非线性特性的横摆稳定性控制方法，其特征在于，该方法包括参考模型、轮胎侧向力和侧偏刚度处理器、MPC控制器、Carsim汽车模型。参考模型用于确定期望的汽车横摆角速度；轮胎侧向力和侧偏刚度处理器用于确定轮胎的侧偏角、侧向力和侧偏刚度；CarSim汽车模型用于输出汽车的实际运动状态信息，包括汽车纵向速度、横摆角速度、质心侧偏角和路面附着系数；MPC控制器依据轮胎侧偏刚度选择预测模型，并结合期望的汽车横摆角速度和汽车的实际运动状态信息，优化求解出汽车的前轮附加转角，与驾驶员转向输入产生的前轮转角进行叠加，输出给CarSim汽车模型，控制汽车实现横摆稳定性控制。

【技术实现步骤摘要】
一种体现汽车非线性特性的横摆稳定性控制方法
本专利技术涉及汽车横摆稳定性控制领域，特别是关于一种体现汽车非线性特性的横摆稳定性控制方法。
技术介绍
随着人们对汽车行驶安全性越来越重视，汽车主动安全系统得到快速发展，其中主动前轮转向(ActiveFrontSteering,AFS)技术作为一种有效的横摆稳定性控制系统被广泛应用。目前，AFS所采用的控制方法主要有PID控制、滑模变结构控制和模型预测控制(ModelPredictiveControl,MPC)等方法，其中模型预测控制能较好地处理多目标任务以及系统约束，在汽车稳定性控制领域得到了广泛的应用。根据采用的预测模型以及优化方法的不同，MPC可分为线性MPC和非线性MPC。线性MPC凭借其计算负担少，计算速度快而得到广泛使用，然而线性MPC却不能表征非线性区域的轮胎侧偏特性，而能表征汽车非线性动力学特性的非线性MPC计算负担太重，实时性差，很难应用于实际。论文[陈杰,李亮,宋健.基于LTV-MPC的汽车稳定性控制研究[J].汽车工程，2016，38(3):308-316.]采用一种线性时变的MPC方法，通过对目标横摆角速度的限幅，实现极限工况的汽车稳定性控制，减少系统的计算负担。但是，目标横摆角速度幅值的限制依赖于车速和路面附着系数的精确估计，并且当轮胎侧向力饱和时，所采用的线性时变MPC方法不能体现出轮胎侧向力(绝对值)随着轮胎侧偏角的增加而减小的非线性变化特性。论文[CairanoSD,TsengHE,BernardiniD,etal.SteeringVehicleControlbySwitchedModelPredictiveControl[J].IFACProceedingsVolumes,2010,43(7):1-6.]根据汽车的运动状态设计一种切换控制器，考虑了极限工况下轮胎侧向力(绝对值)随着轮胎侧偏角的增加而减小的变化特性，但是该方法采用的仍然是线性的轮胎模型，不能表征汽车的非线性动力学特性。
技术实现思路
为了解决现有的线性MPC方法不能全面表征汽车的非线性动力学特性进而导致的控制精度低以及控制器稳定域窄的问题。本专利技术提供一种体现汽车非线性特性的横摆稳定性控制方法，能够根据轮胎侧偏刚度值自动切换预测模型，并采用线性时变的方法将非线性预测控制问题转换成线性预测控制问题，在表征汽车非线性动力学特性的同时减小系统的计算负担，保证汽车在极限工况下的横摆稳定性。本专利技术解决技术问题所采取的技术方案如下：一种体现汽车非线性特性的横摆稳定性控制方法，其特征在于，该方法包括参考模型、轮胎侧向力和侧偏刚度处理器、MPC控制器、Carsim汽车模型；参考模型用于确定期望的汽车横摆角速度；轮胎侧向力和侧偏刚度处理器用于确定轮胎的侧偏角、侧向力和侧偏刚度；CarSim汽车模型用于输出汽车的实际运动状态信息，包括汽车纵向速度、横摆角速度、质心侧偏角和路面附着系数；MPC控制器依据轮胎侧偏刚度选择预测模型，并结合期望的汽车横摆角速度和汽车的实际运动状态信息，优化求解出汽车的前轮附加转角，与驾驶员转向输入产生的前轮转角进行叠加，输出给CarSim汽车模型，控制汽车实现横摆稳定性控制；该方法包括以下步骤：步骤1、建立参考模型，确定期望的汽车横摆角速度，其过程包括如下子步骤：步骤1.1、采用线性二自由度汽车模型作为参考模型，其运动微分方程表达式如下：其中：β是汽车质心侧偏角；γ是汽车横摆角速度；Iz是绕汽车质心的铅垂轴的横摆转动惯量；Ux是汽车纵向速度；lf和lr分别是汽车质心至前、后轴的距离；Cf和Cr分别是汽车前、后轮轮胎的侧偏刚度；δf,dri是驾驶员转向输入产生的前轮转角；步骤1.2、将线性二自由度汽车模型的运动微分方程转换成传递函数，形式如下式：为了达到理想的闭环效果，基于公式(2)得到期望的汽车横摆角速度：其中：γref是期望的汽车横摆角速度；wn是系统的固有频率；ξ是系统阻尼；Gω(s)是传递函数增益；wd＝k1wn,ξd＝k2ξ,Gkω(s)＝k3Gω(s)；k1、k2、k3是改善系统相位延迟和响应速度的参数；步骤2、设计轮胎侧向力和侧偏刚度处理器，其过程包括如下子步骤：步骤2.1、设计轮胎侧偏角计算模块，前、后轮轮胎侧偏角通过下式计算获得：其中：αf和αr分别是汽车前、后轮轮胎的侧偏角；δf是最终作用于汽车的前轮转角，即优化求解的前轮附加转角与驾驶员转向输入产生前轮转角的叠加；步骤2.2、设计轮胎侧向力和侧偏刚度计算模块，为了获得前轮轮胎的非线性特性，基于Pacejka轮胎模型，获取不同路面附着系数下的前轮轮胎侧向力与前轮轮胎侧偏角的关系曲线，得到前轮轮胎侧偏特性三维图；获取不同路面附着系数下的前轮轮胎侧向力对前轮轮胎侧偏角导数的关系曲线，得到前轮轮胎侧偏刚度特性三维图；轮胎侧向力和侧偏刚度处理器将当前时刻实际的前轮轮胎侧偏角和路面附着系数分别输入到前轮轮胎侧偏特性三维图和前轮轮胎侧偏刚度特性三维图，通过线性插值法分别获得当前时刻的前轮轮胎侧向力和前轮轮胎侧偏刚度，输出给MPC控制器；在每个控制周期轮胎侧向力和侧偏刚度处理器更新一次前轮轮胎侧向力和前轮轮胎侧偏刚度数据；其中：Pacejka轮胎模型如下：其中：Fy是轮胎侧向力，α是轮胎侧偏角；B，C，D和E取决于车轮垂直载荷Fz；a0＝1.75；a1＝0；a2＝1000；a3＝1289；a4＝7.11；a5＝0.0053；a6＝0.1925步骤3、设计MPC控制器，其过程包括如下子步骤：步骤3.1、建立预测模型，包括预测模型A和预测模型B，其过程包括如下子步骤：步骤3.1.1、建立预测模型A，其运动微分方程与公式(1)相同，将其写成状态空间方程，用于设计预测方程，具体如下：其中：状态变量x是横摆角速度；控制输入u是前轮附加转角；系统干扰输入d是汽车的质心侧偏角；式中状态矩阵A1，控制输入矩阵Bu1，干扰输入矩阵Bd1如下所示：步骤3.1.2、建立预测模型B，其运动微分方程表达式为：考虑到汽车在实际行驶中前轮轮胎侧偏角较大，前轮轮胎侧向力和前轮轮胎侧偏角呈现出非线性变化关系，当前轮轮胎侧偏刚度小于0时，前轮轮胎侧向力随前轮轮胎侧偏角的增大而减小，为了表征前轮轮胎侧向力与前轮轮胎侧偏角间的这种非线性变化特性，构建前轮轮胎侧向力表达式如下：其中：其中：是前轮轮胎的残余侧向力；是基于前轮轮胎侧偏特性三维图，通过线性插值法获得的前轮轮胎的侧向力；是基于前轮轮胎侧偏刚度特性三维图，通过线性插值法获得的前轮轮胎的侧偏刚度；是当前时刻实际的前轮轮胎侧偏角；考虑到汽车在实际行驶中后轮轮胎侧偏角较小，后轮轮胎侧向力随后轮轮胎侧偏角的增大线性增加，后轮轮胎侧偏刚度为定值，因此构建后轮轮胎侧向力表达式如下：Fy,r＝Cr·αr(9)其中：Cr是后轮轮胎的侧偏刚度，αr是后轮轮胎的侧偏角；最终得到预测模型B的运动微分方程表达式为：将公式(10)写成状态空间方程，用于设计预测方程，具体如下:其中：状态变量x是汽车的横摆角速度；统控制输入u是前轮附加转角；系统干扰输入d是汽车的质心侧偏角；式中状态矩阵A2，控制输入矩阵Bu2，干扰输入矩阵Bd2如下所示：步骤3.1.3、设计预测模型A和预测模型B的切换门条件，当前轮轮胎侧偏刚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种体现汽车非线性特性的横摆稳定性控制方法，其特征在于，该方法包括参考模型、轮胎侧向力和侧偏刚度处理器、MPC控制器、Carsim汽车模型；参考模型用于确定期望的汽车横摆角速度；轮胎侧向力和侧偏刚度处理器用于确定轮胎的侧偏角、侧向力和侧偏刚度；CarSim汽车模型用于输出汽车的实际运动状态信息，包括汽车纵向速度、横摆角速度、质心侧偏角和路面附着系数；MPC控制器依据轮胎侧偏刚度选择预测模型，并结合期望的汽车横摆角速度和汽车的实际运动状态信息，优化求解出汽车的前轮附加转角，与驾驶员转向输入产生的前轮转角进行叠加，输出给CarSim汽车模型，控制汽车实现横摆稳定性控制；该方法包括以下步骤：步骤1、建立参考模型，确定期望的汽车横摆角速度，其过程包括如下子步骤：步骤1.1、采用线性二自由度汽车模型作为参考模型，其运动微分方程表达式如下：

【技术特征摘要】
1.一种体现汽车非线性特性的横摆稳定性控制方法，其特征在于，该方法包括参考模型、轮胎侧向力和侧偏刚度处理器、MPC控制器、Carsim汽车模型；参考模型用于确定期望的汽车横摆角速度；轮胎侧向力和侧偏刚度处理器用于确定轮胎的侧偏角、侧向力和侧偏刚度；CarSim汽车模型用于输出汽车的实际运动状态信息，包括汽车纵向速度、横摆角速度、质心侧偏角和路面附着系数；MPC控制器依据轮胎侧偏刚度选择预测模型，并结合期望的汽车横摆角速度和汽车的实际运动状态信息，优化求解出汽车的前轮附加转角，与驾驶员转向输入产生的前轮转角进行叠加，输出给CarSim汽车模型，控制汽车实现横摆稳定性控制；该方法包括以下步骤：步骤1、建立参考模型，确定期望的汽车横摆角速度，其过程包括如下子步骤：步骤1.1、采用线性二自由度汽车模型作为参考模型，其运动微分方程表达式如下：其中：β是汽车质心侧偏角；γ是汽车横摆角速度；Iz是绕汽车质心的铅垂轴的横摆转动惯量；Ux是汽车纵向速度；lf和lr分别是汽车质心至前、后轴的距离；Cf和Cr分别是汽车前、后轮轮胎的侧偏刚度；δf,dri是驾驶员转向输入产生的前轮转角；步骤1.2、将线性二自由度汽车模型的运动微分方程转换成传递函数，形式如下式：为了达到理想的闭环效果，基于公式(2)得到期望的汽车横摆角速度：其中：γref是期望的汽车横摆角速度；wn是系统的固有频率；ξ是系统阻尼；Gω(s)是传递函数增益；wd＝k1wn,ξd＝k2ξ,Gkω(s)＝k3Gω(s)；k1、k2、k3是改善系统相位延迟和响应速度的参数；步骤2、设计轮胎侧向力和侧偏刚度处理器，其过程包括如下子步骤：步骤2.1、设计轮胎侧偏角计算模块，前、后轮轮胎侧偏角通过下式计算获得：其中：αf和αr分别是汽车前、后轮轮胎的侧偏角；δf是最终作用于汽车的前轮转角，即优化求解的前轮附加转角与驾驶员转向输入产生前轮转角的叠加；步骤2.2、设计轮胎侧向力和侧偏刚度计算模块，为了获得前轮轮胎的非线性特性，基于Pacejka轮胎模型，获取不同路面附着系数下的前轮轮胎侧向力与前轮轮胎侧偏角的关系曲线，得到前轮轮胎侧偏特性三维图；获取不同路面附着系数下的前轮轮胎侧向力对前轮轮胎侧偏角导数的关系曲线，得到前轮轮胎侧偏刚度特性三维图；轮胎侧向力和侧偏刚度处理器将当前时刻实际的前轮轮胎侧偏角和路面附着系数分别输入到前轮轮胎侧偏特性三维图和前轮轮胎侧偏刚度特性三维图，通过线性插值法分别获得当前时刻的前轮轮胎侧向力和前轮轮胎侧偏刚度，输出给MPC控制器；在每个控制周期轮胎侧向力和侧偏刚度处理器更新一次前轮轮胎侧向力和前轮轮胎侧偏刚度数据；其中：Pacejka轮胎模型如下：其中：Fy是轮胎侧向力，α是轮胎侧偏角；B，C，D和E取决于车轮垂直载荷Fz；a0＝1.75；a1＝0；a2＝1000；a3＝1289；a4＝7.11；a5＝0.0053；a6＝0.1925步骤3、设计MPC控制器，其过程包括如下子步骤：步骤3.1、建立预测模型，包括预测模型A和预测模型B，其过程包括如下子步骤：步骤3.1.1、建立预测模型A，其运动微分方程与公式(1)相同，将其写成状态空间方程，用于设计预测方程，具体如下：其中：状态变量x是横摆角速度；控制输入u是前轮附加转角；系统干扰输入d是汽车的质心侧偏角；式中状态矩阵A1，控制输入矩阵Bu1，干扰输入矩阵Bd1如下所示：步骤3.1.2、建立预测模型B，其运动微分方程表达式为：考虑到汽车在实际行驶中前轮轮胎侧偏角较大，前轮轮胎侧向力和前轮轮胎侧偏角呈现出非线性变化关系，当前轮轮胎侧偏刚度小于0时，前轮轮胎侧向力随前轮轮胎侧偏角的增大而减小，为了表征前轮轮胎侧向力与前轮轮胎侧偏角间的这种非线性变化特性，构建前轮轮胎侧向力表达式如下：其中：

【专利技术属性】
技术研发人员：李绍松，王国栋，卢晓晖，崔高健，于志新，任晓光，宁方虎，李政，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22