本文摘要：摘要:為解決四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)在高速情況下易發(fā)生甩尾失控的安全性問(wèn)題，針對(duì)整車(chē)和執(zhí)行器間的動(dòng)力學(xué)耦合、控制系統(tǒng)非線(xiàn)性、多變量、實(shí)時(shí)性等問(wèn)題，本文采用集中式的控制策略，設(shè)計(jì)了一種車(chē)輛橫擺穩(wěn)定的快速非線(xiàn)性預(yù)測(cè)控制器，實(shí)現(xiàn)了整車(chē)橫擺穩(wěn)定和電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配的一體化
摘要:為解決四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)在高速情況下易發(fā)生甩尾失控的安全性問(wèn)題，針對(duì)整車(chē)和執(zhí)行器間的動(dòng)力學(xué)耦合、控制系統(tǒng)非線(xiàn)性、多變量、實(shí)時(shí)性等問(wèn)題，本文采用集中式的控制策略，設(shè)計(jì)了一種車(chē)輛橫擺穩(wěn)定的快速非線(xiàn)性預(yù)測(cè)控制器，實(shí)現(xiàn)了整車(chē)橫擺穩(wěn)定和電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配的一體化控制.為了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，將非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組求解，通過(guò)解耦預(yù)測(cè)時(shí)域間方程組的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)時(shí)域間優(yōu)化問(wèn)題的并行求解，提高了控制器的計(jì)算速度.最后給出了控制器的硬件并行加速實(shí)驗(yàn)，完成了控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛橫擺穩(wěn)定系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制器不僅具有良好的控制性能，而且明顯提升了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性.
關(guān)鍵詞:車(chē)輛橫擺穩(wěn)定;模型預(yù)測(cè)控制;并行牛頓算法;一體化控制
1引言
隨著環(huán)境污染以及能源消耗問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1].四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的每一個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)力矩都是可控的，可根據(jù)不同的環(huán)境對(duì)汽車(chē)每一個(gè)的輪胎驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行控制，具有很強(qiáng)的靈活性[2].但是在汽車(chē)高速行駛的過(guò)程中，由于地面附著系數(shù)等不確定因素，汽車(chē)在冰雪路面或者濕滑路面進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎操作中仍會(huì)出現(xiàn)車(chē)輪打滑導(dǎo)致車(chē)身側(cè)翻現(xiàn)象，對(duì)車(chē)內(nèi)乘客有極大的威脅甚至生命危險(xiǎn)。
汽車(chē)工業(yè)評(píng)職知識(shí)： 汽車(chē)故障檢修論文發(fā)表哪個(gè)期刊
因此，四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性仍然是當(dāng)前有待解決的問(wèn)題.由于車(chē)輛橫擺穩(wěn)定控制是多輸入多輸出，而且還需要滿(mǎn)足關(guān)鍵的安全約束及執(zhí)行機(jī)構(gòu)約束，而模型預(yù)測(cè)控制(ModelPredictiveControl，MPC)具有前饋-反饋結(jié)構(gòu)，能夠處理多變量，顯式考慮硬約束等特點(diǎn)，因此，基于模型預(yù)測(cè)控制的電動(dòng)汽車(chē)橫擺穩(wěn)定控制成為研究熱點(diǎn).由于模型預(yù)測(cè)控制需要在線(xiàn)求解優(yōu)化問(wèn)題，計(jì)算負(fù)擔(dān)大，目前的研究主要集中于分層結(jié)構(gòu).分層結(jié)構(gòu)的控制策略主要將上層橫擺穩(wěn)定控制與下層的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配分開(kāi)處理，這種結(jié)構(gòu)降低了控制器的階次，減輕了系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，易于實(shí)現(xiàn).
文獻(xiàn)[3–5]采用分層控制結(jié)構(gòu)，將上層橫擺穩(wěn)定控制器與下層轉(zhuǎn)矩分配分開(kāi)設(shè)計(jì)，最終通過(guò)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真軟件Carsim驗(yàn)證了控制器的有效性;文獻(xiàn)[6]控制器上層采用極大值原理算法實(shí)現(xiàn)汽車(chē)橫擺穩(wěn)定控制，下層采用直接力矩分配方法，最后進(jìn)行了實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn).文獻(xiàn)[7]上層采用模型預(yù)測(cè)控制器計(jì)算所需的縱向力和橫擺力矩，下層根據(jù)上層控制器的輸出優(yōu)化調(diào)節(jié)每個(gè)車(chē)輪的扭矩，并進(jìn)行了實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn).文獻(xiàn)[8]上層設(shè)計(jì)了基于模型預(yù)測(cè)控制的橫擺力矩控制器，下層控制器通過(guò)最小化四個(gè)輪胎附著系數(shù)消耗率之和來(lái)分配車(chē)輪扭矩，最后完成了實(shí)車(chē)道路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.分層控制器雖具有很好的快速性，但控制器的輸出不能獲得更好的平滑性。
在一些極限工況下，由于整車(chē)和執(zhí)行器間的動(dòng)力學(xué)耦合特性，分層控制很難達(dá)到預(yù)期的控制效果.統(tǒng)一結(jié)構(gòu)控制策略將上層橫擺穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)力矩分配結(jié)合在一起，解決了整車(chē)和執(zhí)行器間的動(dòng)力學(xué)耦合，直接優(yōu)化出系統(tǒng)的控制輸入，相對(duì)于分層控制策略具有更好的平滑性.文獻(xiàn)[9]提出了一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的線(xiàn)性預(yù)測(cè)控制器，對(duì)非線(xiàn)性系統(tǒng)模型進(jìn)行線(xiàn)性化，降低了控制器計(jì)算負(fù)擔(dān).文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了基于前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向和電機(jī)扭矩分配的整體控制結(jié)構(gòu)的模型預(yù)測(cè)控制器，集成控制方案能夠簡(jiǎn)化控制器的層次結(jié)構(gòu)，具有更好的平滑性.
文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了基于MPC的轉(zhuǎn)向控制器，采用集成的控制策略，旨在基于自適應(yīng)車(chē)輛模型，通過(guò)主動(dòng)轉(zhuǎn)向和扭矩分配來(lái)保證橫擺和縱向穩(wěn)定性.集成的控制策略相對(duì)于分層結(jié)構(gòu)具有更好的控制性能，但是車(chē)輛的集成控制是一個(gè)高度的非線(xiàn)性控制問(wèn)題，然而，基于非線(xiàn)性預(yù)測(cè)控制器的車(chē)輛路徑跟蹤控制計(jì)算負(fù)擔(dān)大，難以滿(mǎn)足車(chē)輛快速動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，所以目前大多數(shù)研究都主要集中于仿真研究.因此，基于預(yù)測(cè)控制的電動(dòng)汽車(chē)集成控制及其實(shí)時(shí)性問(wèn)題亟需進(jìn)一步研究.針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了基于快速預(yù)測(cè)控制的四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)橫擺穩(wěn)定控制器，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛橫擺非線(xiàn)性預(yù)測(cè)控制器的實(shí)時(shí)計(jì)算，完成了硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)，具體工作包括：
(1)針對(duì)整車(chē)和執(zhí)行器間的動(dòng)力學(xué)耦合特性，以車(chē)輛狀態(tài)跟蹤和控制量約束懲罰為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)了非線(xiàn)性預(yù)測(cè)模型控制器，實(shí)現(xiàn)了整車(chē)橫擺穩(wěn)定和電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配的一體化控制;(2)將非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為等式代數(shù)方程組求解，解耦預(yù)測(cè)空域間方程組的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)時(shí)域間優(yōu)化問(wèn)題的并行求解，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA)對(duì)算法進(jìn)行硬件并行加速計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了控制器的實(shí)時(shí)計(jì)算;(3)搭建了硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制器的有效性，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛橫擺穩(wěn)定系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，為實(shí)車(chē)試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ).本文的章節(jié)介紹如下：第二節(jié)主要介紹了系統(tǒng)總體控制策略以及車(chē)輛模型，第三節(jié)介紹了快速非線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程，第四節(jié)對(duì)本文設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行仿真驗(yàn)證，第五節(jié)通過(guò)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制器的有效性及實(shí)時(shí)性，第六節(jié)對(duì)整篇論文進(jìn)行總結(jié).
2集成控制策略
系統(tǒng)框圖中駕駛員將方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和總驅(qū)動(dòng)力矩輸入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)的參考模型將根據(jù)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角以及縱向速度計(jì)算出汽車(chē)保持安全行駛理想的質(zhì)心側(cè)偏角以及橫擺角速度，快速非線(xiàn)性預(yù)測(cè)控制器由預(yù)測(cè)模型、目標(biāo)函數(shù)、約束條件、并行牛頓法優(yōu)化求解四部分組成.系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型和約束條件是構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)與約束條件共同組成了系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)并行牛頓法對(duì)該優(yōu)化問(wèn)題求解，得出系統(tǒng)最優(yōu)的前輪轉(zhuǎn)角以及四個(gè)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力矩，最終將控制器輸出的前輪轉(zhuǎn)角以及四個(gè)輪胎的驅(qū)動(dòng)力矩作用于車(chē)輛模型.
2.1八自由度車(chē)輛模型
八自由度車(chē)輛模型[12–13]是為了驗(yàn)證控制器設(shè)計(jì)的有效性而使用的車(chē)輛模型，包括車(chē)體的橫向，縱向，橫擺，側(cè)傾四個(gè)自由度以及四個(gè)車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)自由度，能夠真實(shí)的還原實(shí)際的車(chē)輛模型.
2.2二自由度車(chē)輛預(yù)測(cè)模型
系統(tǒng)的參考模型是為了根據(jù)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角以及縱向速度計(jì)算出汽車(chē)保持安全行駛理想的質(zhì)心側(cè)偏角以及橫擺角速度.由于電動(dòng)汽車(chē)的穩(wěn)定性主要取決于汽車(chē)的質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度，為了更方便的設(shè)計(jì)控制器，假設(shè)汽車(chē)兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角相等，然后將前后軸左右輪簡(jiǎn)化為一個(gè)輪，因此得出了一個(gè)二自由度車(chē)輛模型，參考模型的計(jì)算公式以及二自由度模型參數(shù)可參考文獻(xiàn)[9]。
3快速預(yù)測(cè)模型控制器設(shè)計(jì)
本控制器采取統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的控制策略，取消了力矩分配這一環(huán)節(jié)，而是將四個(gè)輪胎的總力矩轉(zhuǎn)化為每一個(gè)輪胎的驅(qū)動(dòng)力矩，直接優(yōu)化系統(tǒng)的控制輸入，因此選取汽車(chē)的前輪轉(zhuǎn)角和四個(gè)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力矩作為非線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)控制器的控制變量。
4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的快速預(yù)測(cè)模型控制器的快速性，在Matlab/Simulink平臺(tái)中對(duì)該控制器進(jìn)行仿真驗(yàn)證.本實(shí)驗(yàn)采用的車(chē)輛模型為八自由度車(chē)輛模型，其中包括車(chē)體的橫向，縱向，橫擺，側(cè)傾四個(gè)自由度以及四個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，共八自由度.控制器預(yù)測(cè)模型采用二自由度車(chē)輛模型，控制器模型參數(shù)。
本次仿真實(shí)驗(yàn)將系統(tǒng)的參考方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和駕駛員輸出的力矩直接輸入給控制器，系統(tǒng)將根據(jù)參考的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和輸入的力矩輸出最優(yōu)的前輪轉(zhuǎn)角以及四個(gè)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)了整車(chē)橫擺穩(wěn)定和電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配的一體化控制，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角選擇了最能反映車(chē)輛操作性側(cè)翻的雙移線(xiàn)工況和正弦工況.車(chē)輛行駛的速度65km/h，設(shè)行駛路面平緩沒(méi)有坡度，駕駛員輸入?yún)⒖剂卦O(shè)置為340Nm.
5硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)
5.1實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證控制器的有效性和實(shí)時(shí)性，搭建了硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由ZYNQ開(kāi)發(fā)板、MicroAutoBox和個(gè)人電腦三部分構(gòu)成.其中ZYNQ由ARM和FPGA組成，運(yùn)行本文設(shè)計(jì)的非線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)控制器，MicroAutoBox運(yùn)行八自由度車(chē)輛模型，個(gè)人電腦主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控.ZYNQ與MicroAutoBox之間通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
6總結(jié)
本文設(shè)計(jì)了一種基于快速預(yù)測(cè)控制的電動(dòng)汽車(chē)橫擺穩(wěn)定控制器，采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的控制策略，將上層控制器與下層力矩分配結(jié)合在一起，提升了系統(tǒng)的控制性能;解耦預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)優(yōu)化問(wèn)題的耦合關(guān)系，通過(guò)時(shí)域間優(yōu)化問(wèn)題的并行求解，實(shí)現(xiàn)了控制器的毫秒級(jí)計(jì)算，提高了控制器的計(jì)算性能。
基于ZYNQ搭建了硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用FPGA的并行計(jì)算能力對(duì)算法進(jìn)行硬件加速，給出了計(jì)算性能結(jié)果分析;最后完成了硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛橫擺穩(wěn)定系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，為實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ).本文設(shè)計(jì)的快速非線(xiàn)性控制器相比于傳統(tǒng)算法的控制器，系統(tǒng)的計(jì)算速度得到了大幅度提升，減小時(shí)延對(duì)系統(tǒng)的影響，使車(chē)輛行駛過(guò)程中能夠更快的作出反應(yīng)，提升汽車(chē)運(yùn)行的安全性.下一步工作將采用精度更高的高階控制器預(yù)測(cè)模型來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證該控制器的有效性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)將進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證控制器的可實(shí)施性.
References:
[1]LiQW,ZhangHH,YanSH,etal.Single-wheelfailurestabilitycontroloffour-wheelindependentdriveelectricvehicles.ControlEngineering,2021,28(1):155–163.(李慶望，張緩緩，嚴(yán)帥等.四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)單輪失效穩(wěn)定性控制.控制工程，2021,28(1):155–163.)
[2]YuShuyou,LiWenbo,LiuYi,etal.Steeringstabilitycontroloffourwheelindependentdriveelectricvehicles.ControlTheoryandApplications,2021,38(06):719–730..(于樹(shù)友,李文博,劉藝等.四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定控制.控制理論與應(yīng)用，2021,38(06):719–730.)
[3]QinghuaMeng,TingtingZhao,Chunjiang,etal.IntegratedstabilitycontrolofAFSandDYCforelectricvehiclebasedonnon-smoothcontrol.InternationalJournalofSystemsScience,2018,49(07):1518–1528.
[4]L.Zhai,T.SunandJ.Wang.ElectronicStabilityControlBasedonMotorDrivingandBrakingTorqueDistributionforaFourIn-WheelMotorDriveElectricVehicle.IEEETransactionsonVehicularTechnology,2016,65(06):4726–4739.
作者：許芳1,2†,郭中一2,于樹(shù)友2,陳虹3,2,劉奇芳2
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jjlw/28788.html
