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汽车横摆的动态模型

第28卷第8期2011年8月

文章编号:1000 8152(2011)08 1145 06

控制理论与应用

ControlTheory&Applications

Vol.28No.8Aug.2011

汽车横摆的动态模型

刘志远1,周洪亮1,陈

虹2

(1.哈尔滨工业大学控制科学与工程系,黑龙江哈尔滨150001;2.吉林大学控制科学与工程系,吉林长春130025)

摘要:建立横摆动态模型是汽车横摆稳定控制的基础.本文根据汽车横摆稳定控制的特点,综合车身横摆动态,车轮动态和轮胎的非线性特性,建立了非线性离散横摆动态模型,其中轮胎摩擦力为时变参数.为了估计本模型中的时变参数,本文进而设计了离散滑模估计器估计轮胎摩擦力.最后,在一个高精度的汽车动力学仿真环境中,证实了本估计方法可有效地估计车轮摩擦力,所建立模型较为准确地反映汽车横摆动态.关键词:汽车横摆动态;建模;车轮摩擦力;滑模观测器中图分类号:TP273文献标识码:A

Model-buildingforvehicleyawdynamics

LIUZhi-yuan1,ZHOUHong-liang1,CHENHong2

(1.DepartmentofControlScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,HarbinHeilongjiang150001,China;

2.DepartmentofControlScienceandEngineering,JilinUniversity,ChangchunJilin130025,China)

Abstract:Buildingtheyawdynamicsmodelisfundamentaltovehicleyawstabilitycontrol.Consideringthecharacter-isticsofthevehicleyawstabilitycontrol,weproposeanonlineardiscreteyawdynamicsmodelforavehiclebycombiningthevehicleyawdynamics,wheeldynamicsandthenonlinearcharacteristicsoftires.Inthismodel,wheelfrictionalforcesareconsideredastime-varyingvariables;toestimatethesetime-varyingvariables,adiscreteslidingmodeobserverisde-signed.Finally,inahigh-accuratesimulationenvironmentforthevehicledynamics,resultsvalidatetheaccuracyintheestimationofwheelfrictionalforces,andtheef cacyoftheproposedmodelforthevehicleyawdynamics.Keywords:vehicleyawdynamics;buildmodel;wheeladhesionforce;slidingmodeestimator

1引言(Introduction)

汽车横摆稳定性决定汽车操控性和安全性,因而横摆稳定控制系统的研究得到了极大地关注.建模是控制系统设计的首要任务,但汽车动力学模型具有强非线性特性,难以基于此设计控制器,需对其简化处理,建立既能反映汽车主要动态,又便于控制系统设计的汽车模型.通过对汽车动力学特性简化可建立不同复杂程度的模型,如以汽车横摆率和侧偏角为状态,忽略车轮动态,忽略轮胎非线性特性,以车轮滑移率或制动力矩为控制输入,建立整车2自由度(degreeoffreedom,DoF)线性模型[1],但此模型仅能在汽车的线性特性区间反映汽车动态,如在高附着系数路面上,只有当汽车的横向加速度小于0.4g时此模型才可较为准确地描述汽车转向特性.而另外一些研究则将车身动态与车轮动态分开建立模型,针对车身以虚拟的直接横摆力矩为控制输入,横摆率为状态建立车身模型,再通过控制分配和车轮动态模型求取制动力矩作为控制输入[2,3].就笔者所知,针对汽车的横摆稳定控制,现在还没有既

收稿日期:2009 12 23;收修改稿日期:2010 10 23.基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(60725311).

考虑车身横摆动态又考虑车轮,轮胎非线性特性的统一模型.

本文主要完成两部分工作,第1部分工作是建立了包含车身、车轮动态和轮胎非线性特性的非线性离散汽车横摆动态模型,此模型由4个子模型组成,分别以汽车的横摆率和制动车轮的滑移率为状态,以制动车轮的制动力矩为控制输入,并且在此模型中,将车轮的纵向和横向摩擦力处理为时变参数.第2部分工作是为了提高模型精度以减小后续控制器设计的保守性,由车轮动力学特性设计离散滑模估计器,实时估计轮胎摩擦力,并且考虑到离散滑模估计器不能达到滑模面,只能处于边界层(boundarylayer)中,在摩擦力重构中加入了轮速估计误差补偿项.

2

汽车横摆动态模型建立(Vehicleyawdy-namicsmodelbuilding)

从总体上看,汽车动态特性分为两个主要部分:车身动态和车轮动态,汽车在转向时二者的动力学特性分别如图1和图2所示[1].

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