文档介绍：上海交通大学
博士学位论文
四轮转向汽车侧向动力学特性及其控制研究
姓名:刘奋
申请学位级别:博士
专业:车辆工程
指导教师:张建武;屈求真
20030101
四轮转向汽车侧向动力学特性及其控制
摘要
四轮转向控制系统是主动底盘控制技术中用来提高主动安全性及改善操纵稳定
性最常用的控制方法之一该系统能有效地提高汽车低速时的机动性和高速时的操
纵稳定性目前四轮转向控制在研究开发中存在的问题主要包括缺少便于描述
及应用的非线性轮胎模型不能描述汽车在转向运动中车速的变化不具备实时在
线仿真功能等等另外必须结合控制目标的变换改进系统控制算法
针对四轮转向控制系统目前存在的问题本文从系统建模以及系统控制两方面
对四轮转向汽车侧向动力学特性及其控制进行了研究
本文在线性二自由度模型的基础上加入纵向运动自由度用来描述汽车在转向
运动中车速的变化并应用 Pacejka 轮胎模型描述轮胎侧偏特性由此构建了具有实
时在线仿真功能的非线性三自由度单轨四轮转向汽车侧向动力学模型模型的实时
性通过 dSPACE-DX1005 软硬件集成开发系统得到了验证另外结合某型低地板城
市客车的移线及蛇行实车试验验证了该模型的正确性
随后在分析 Pacejka 轮胎模型非线性侧偏特性的基础上本文尝试使用变侧
偏刚度系数分段描述其非线性特性进而将非线性 Pacejka 轮胎模型转化为线性变
系数模型由此将四轮转向汽车非线性侧向动力学模型转化为线性变参数侧向动力
学模型通过移线及蛇行实车试验对两种模型的侧向动力学特性进行了仿真分析比
较证实运用轮胎线性变系数模型构造的线性变参数侧向动力学模型对非线性侧向
动力学模型的模拟是成功的进而也证明了运用变侧偏刚度系数对非线性轮胎
模型进行线性化是可行的也是成功的
在完成非线性侧向动力学建模模型非线性特性分析及其线性化工作之后必
须对模型表现出来的侧向动力学特性进行研究以便实现有所针对的控制通常研
究模型侧向动力学特性是基于开环评价方法分析方向盘角阶跃输入下的汽车系统响
应但是不同转向类型的汽车面对同一行驶道路经驾驶员判断后产生的方向
盘转向角输入是不同的这就意味着开环评价系统在某方面存在着缺陷而加入驾
驶员及道路模型构成人车路闭环系统进行闭环研究则可以弥补这种不足因此
本文从闭环系统的角度出发在汽车侧向动力学模型的基础上综合考虑驾驶员特性
及道路条件构建了人车路闭环系统并以此模型为基础进行了汽车侧向动力学特
性的仿真研究通过对比分析对四轮转向汽车与前轮转向汽车的侧向动力学特性进
行了研究和探讨并得出了相应的结论随后分析比较了非线性模型线性变参
数模型与经典线性模型在侧向动力学特性描述上的优劣其目的是为随后的模型跟
踪变结构控制算法寻找更接近研究对象本质特性的理想动力学模型
研究思路为在线性二自由度模型的基础上加入纵向运动自由度用来描述汽
车在转向运动过程中车速的变化由此构建具有实时在线仿真功能的非线性三自由
度单轨四轮转向汽车侧向动力学模型模型非线性特性主要表现在非线性轮胎侧偏
特性上随后通过变侧偏刚度系数分段描述轮胎非线性特性将非线性轮胎
模型转化为线性变系数模型由此将四轮转向汽车非线性侧向动力学模型转化为线
性变参数侧向动力学模型并基于人-车-路闭环系统对比分析各模型在描述系统侧向
动力学特性方面的差异最后结合控制目标的变换设计高速行驶下考虑系统模型
参数发生变化时的不确定性系统模型跟踪变结构控制器以便在轮胎处于附着极限
时系统可以抵御汽车参数的变化保持所希望的转向特性
随着四轮转向汽车侧向动力学特性研究的深入其特性的控制目标也从最初较
简单的如减小汽车质心侧偏角保证低速行驶时具备良好的机动性和高速行驶时具
备良好的稳定性转变到现在较复杂的如可以抵御汽车参数的变化并保持所希望的转
向特性或者在轮胎处于附着极限时系统仍具备良好的响应特性等等对于汽车参
数的变化可以采用不确定性系统来描述强调跟随理想汽车模型的侧向动力学特
性即可保证系统具有所希望的转向特性另外在轮胎处于附着极限时对整车系
统进行适当的控制即可保证系统仍具备良好的响应特性因此本文首先结合模型
跟踪控制系统模型的不确定性描述以及不确定性系统模型的变结构控制理论探讨
了不确定性汽车模型的模型跟踪变结构控制算法的可行性随后考虑到汽车实际
行驶时由于加减速或转向侧倾会引起轮胎垂直载荷发生变化从而导致轮胎变侧偏
刚度系数产生波动当轮胎处于附着极限时这种情况容易导致汽车侧滑失去操纵
能力因此采用不确定性系统理论描述变侧偏刚度系数发生变化时的线性变参数
侧向动力学模型并在模型跟踪变结构控制器的作用下使得该不确定性对