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摘要：本发明属于车辆操纵稳定性控制领域，具体说的是一种基于操纵稳定性概率分布的复合工况底盘集成控制方法。建立了相空间对复合工况下车辆稳定性进行了分析，进一步提出车辆操纵稳定性概率分布Pstable；其次，利用滑模变结构控制理论搭建了侧向稳定性控制器及滑移率控制器；进一步提出了综合车辆操纵性与稳定性的底盘集成控制策略，控制策略采用分层结构，上层由滑模控制器及操纵稳定性概率分布Pstable构成；下层根据上层计算的横摆力矩对驾驶员输入总力矩进行实时分配。本方法准确给出了复合工况下车辆操纵稳定性概率分布指标，在维持车辆稳定的同时，能有效防止轮胎过度滑转，实现了车辆操纵性与稳定性的综合控制。

主权项：1.基于操纵稳定性概率分布的复合工况底盘集成控制方法，其特征在于，该复合工况底盘集成控制方法包括以下步骤：步骤一、三自由度车辆动力学模型的建立，具体包括以下步骤：11三自由度车辆模型包括车辆的纵向、侧向和横摆三个运动自由度； 式中，m为整车质量，Vx、Vy为车辆纵向和侧向速度，为车辆纵向和侧向速度的一阶导数，r为横摆角速度，为横摆角速度的一阶导数，Fxf为前轮纵向力，Fxr为后轮纵向力，δf为前轮转角，Fyf为前轮侧向力，Fyr为后轮侧向力，Iz为车身绕z轴的转动惯量，lf为质心到前轴距离，lr为质心到后轴距离，质心侧偏角β为： 式中，Vx和Vy为纵向和侧向速度，12对车轮进行受力分析，得到运动方程如下： 式中，J为轮胎转动惯量，ωii＝fl,fr,rl,rr为各轮轮速的一阶导数，Ti为各轮驱动力矩，Fxi为各轮纵向力，R为轮胎有效滚动半径，13其中轮胎力采用UniTire轮胎模型表示，在纵滑-侧偏复合工况下轮胎力表示为： 式中，为无量纲轮胎力，φ为相对综合滑移率，φx为相对纵向滑移率，φy为相对侧向滑移率，E为曲率因子，Fx为轮胎纵向力，Fy为轮胎纵向力，μx为纵向摩擦系数，μy为侧向摩擦系数，Fz为轮胎载荷，14由于纵向加速度会引起轮胎载荷转移，因此1.4式中Fz表示为： 式中，Fzf为前轮载荷，Fzr为后轮载荷，m为整车质量，g为重力加速度，ax为纵向加速度，hg为车辆质心高度，lf为质心到前轴距离，lr为质心到后轴距离，15相对综合滑移率φ表示为 式中，相对纵向滑移率φx和相对侧向滑移率φy表示为 式中，Sx、Sy分别为轮胎纵向和侧向滑移率，Kx、Ky分别为轮胎的纵滑刚度和侧偏刚度，μx、μy分别为纵向和侧向摩擦系数，Fz为轮胎载荷，16轮胎纵向和侧向滑移率Sx、Sy表示为 式中，αi为各轮侧偏角，ωi为各轮轮速，R为轮胎有效滚动半径，Vti为轮心速度，17四轮侧偏角αfl、αfr、αrl、αrr表示为 式中，δf为前轮转角，Vx和Vy为车辆纵向和侧向速度，r为横摆角速度，lf为质心到前轴距离，lr为质心到后轴距离，步骤二、相空间建立与分析，其中，β为质心侧偏角，为质心侧偏角的一阶导数，Vx为车辆纵向速度，具体包括以下步骤；21在固定工况相同的摩擦系数μ、前轮转向角δf和纵向速度Vx下，相空间由不同质心侧偏角和横摆角速度初始值在固定仿真时间内生成的多条轨迹组成，为便于理解，将相空间内轨迹进行分类，除失稳轨迹外，相空间内其他轨迹分为三类：曲线1：在固定的仿真持续时间内，轨迹不通过减速收敛到同一轴；曲线2：在固定的仿真持续时间内，轨迹通过减速收敛到同一轴；曲线3：在固定的仿真持续时间后，轨迹仍围绕同一轴震荡，22对相空间分析，随着滑移率的增大，曲线1数量呈现先增后减的趋势，随着纵向速度和前轮转角的增大，曲线1数量逐渐减少，步骤三、车辆操纵稳定性概率分布模型建立与分析，具体包括以下步骤；31以恒定的摩擦系数μ、前轮转向角δf和纵向速度Vx为固定条件，每个滑移率对应一个相空间，提取相空间中曲线1、曲线2和曲线3的轨迹数，从而构建不同工况下车辆操纵稳定性的概率分布，具体表达式如下： 式中，Pn为曲线2的稳定度，NO1，NO2，NO3分别表示相空间内曲线1，2，3数量，Pstable为车辆操纵稳定性的概率分布，步骤四、车辆稳定性滑模控制器建立，具体包括以下步骤；41首先建立二自由度车辆模型，其状态空间方程为： 式中，为状态矢量的一阶导数，X为状态矢量，U为系统控制矢量，A为系统状态系数矩阵，B为系统控制系数矩阵，具体表示为， 式中，Kf为前轮侧偏刚度，Kr为后轮侧偏刚度，lf为质心到前轴距离，lr为质心到后轴距离，m为车辆质量，Vx为纵向速度，Iz为车身绕z轴的转动惯量，βd和γd分别为质心侧偏角和横摆角速度的参考值，δf为前轮转角，M为横摆力矩，42分别针对质心侧偏角和横摆角速度设计了滑模控制器，作为车辆的侧向稳定性控制器输出横摆力矩，质心侧偏角及横摆角速度的跟踪误差与导数为： 式中，eβ和er分别为质心侧偏角和横摆角速度的跟踪误差，和分别为质心侧偏角和横摆角速度跟踪误差的一阶导数，和分别为质心侧偏角和横摆角速度跟踪误差的二阶导数，βd和rd分别为质心侧偏角和横摆角速度的参考值，和分别为质心侧偏角和横摆角速度参考值的一阶导数，和分别为质心侧偏角和横摆角速度参考值的二阶导数，β和r分别为质心侧偏角和横摆角速度，和分别为质心侧偏角和横摆角速度的一阶导数，和分别为质心侧偏角和横摆角速度的二阶导数，根据式1.11得： 式中，aij和bij分别为A和B矩阵中的元素，β和r分别为质心侧偏角和横摆角速度，β和分别为质心侧偏角和横摆角速度的一阶导数，δf为前轮转角，M为横摆力矩，43进一步，基于质心侧偏角跟踪控制器的新状态空间方程为： 式中，aij和bij分别为A和B矩阵中的元素，r为横摆角速度，δf为前轮转角，为前轮转角的一阶导数，Mβ为质心侧偏角滑模控制器输出的横摆力矩，βd为质心侧偏角的参考值，为质心侧偏角参考值的一阶导数，为质心侧偏角参考值的二阶导数，44基于质心侧偏角定义动态滑模切换函数sβ为： 式中，sβ为质心侧偏角动态滑模切换函数，c1，c2和d1为质心侧偏角动态滑模切换函数系数，eβ为质心侧偏角跟踪误差，为质心侧偏角跟踪误差的一阶导数，uβ为质心侧偏角动态滑模切换函数的控制量，45设计滑模控制率时选取指数趋近律为：其中，k1和ε1为指数趋近律系数，sβ为质心侧偏角动态滑模切换函数，为质心侧偏角动态滑模切换函数的一阶导数，sat·为滑模系统开关函数，对sβ求导得： 式中，为质心侧偏角动态滑模切换函数的一阶导数，c1，c2和d1为切换函数系数，为质心侧偏角跟踪误差的一阶导数，为质心侧偏角跟踪误差的二阶导数，为质心侧偏角动态滑模切换函数的控制量的一阶导数，46同理，基于横摆角速度跟踪控制器的新状态空间方程为： 式中，aij和bij分别为A和B矩阵中的元素，β为质心侧偏角，δf为前轮转角，为前轮转角的一阶导数，Mr为横摆角速度滑模控制器输出的横摆力矩，rd为横摆角速度的参考值，为横摆角速度参考值的一阶导数，为横摆角速度参考值的二阶导数，47基于横摆角速度定义动态滑模切换函数sr为： 式中，sr为横摆角速度动态滑模切换函数，c3，c4和d2为横摆角速度动态滑模切换函数系数，er为横摆角速度跟踪误差，为横摆角速度跟踪误差的一阶导数，ur为横摆角速度动态滑模切换函数的控制量，48设计滑模控制率时选取指数趋近律为：其中，k2和ε2为指数趋近律系数，sr为横摆角速度动态滑模切换函数，对sr求导得： 式中，为横摆角速度动态滑模切换函数的一阶导数，c3，c4和d2为切换函数系数，为横摆角速度跟踪误差的一阶导数，为横摆角速度跟踪误差的二阶导数，为横摆角速度动态滑模切换函数的控制量的一阶导数，其中，开关函数sats为： 式中，s为动态滑模切换函数，λi为开关函数系数，49根据公式1.12-1.21，联立得； 式中，sβ和sr分别为质心侧偏角和横摆角速度动态滑模切换函数，c1，c2，c3，c4，d1和d2为切换函数系数，k1，k2，ε1和ε2为指数趋近律系数，和分别为质心侧偏角和横摆角速度动态滑模切换函数控制量的一阶导数，β和r分别为质心侧偏角和横摆角速度，和分别为质心侧偏角和横摆角速度的一阶导数，βd和rd分别为质心侧偏角和横摆角速度的参考值，和分别为质心侧偏角和横摆角速度参考值的一阶导数，进一步对式1.22进行积分，分别求得质心侧偏角和横摆角速度滑模控制器输出的横摆力矩Mr、Mβ，定义滑模控制的输出为横摆力矩M：M＝Mr+Mβ1.23步骤五、车辆滑移率滑模控制器建立，具体包含以下步骤；51选择轮速ω设计滑模控制器的跟踪参数，定义轮速的跟踪误差及导数： 式中，eωi为各轮轮速的跟踪误差，为各轮轮速跟踪误差的一阶导数，ωi为各轮轮速，为各轮轮速的一阶导数，ωdi为各轮轮速的参考值，为各轮轮速参考值的一阶导数， 式中，ωdi为各轮轮速的参考值，R为轮胎有效滚动半径，Sd为期望滑移率，ax为车辆纵向加速度，Vxi为轮胎纵向速度，各车轮期望轮心速度Vdti计算如下： 式中，Vdtfl，Vdtfr，Vdtrl和Vdtrr为各轮期望轮速，Vx和Vy分别为车辆纵向和侧向速度，twf和twr分别为前轮和后轮轮距，lf和lr分别为质心到前轴和后轴距离，rd为期望横摆角速度，δf为前轮转角，52则基于轮速的动态滑模切换函数为： 式中，eωi为各轮轮速的跟踪误差，为各轮轮速跟踪误差的一阶导数，sωi为各轮动态滑模切换函数，Ci为各轮切换函数系数，53同样选用sats函数作为开关函数： 式中，s为动态滑模切换函数，Ki为开关函数系数，54推导得各车轮附加力矩为： 式中，Tωi为各轮附加力矩，Fxi为各轮纵向力，R为轮胎有效滚动半径，Iw为轮胎转动惯量，为各轮轮速参考值的一阶导数，Ci为各轮切换函数系数，eωi为各轮轮速的跟踪误差，Ki为开关函数系数，sωi为各轮动态滑模切换函数，55根据四轮力矩求得修正横摆力矩ΔM： 式中，ΔM为修正横摆力矩，Tωi为各轮附加力矩，i＝fl,fr,rl,rr，twf和twr分别为前轮和后轮轮距，R为轮胎有效滚动半径，步骤六、复合工况底盘集成控制器建立，具体包含以下步骤；61建立综合车辆侧向稳定性与轮胎滑移率控制的复合工况底盘集成控制策略，上层控制器由侧向、纵向滑模控制器及车辆操纵稳定性的概率分布构成，用于分析车辆当前状态，计算横摆力矩，由式1.10、1.23和1.30计算出附加横摆力矩ΔMZ：ΔMZ＝PstableM+ΔM1.31式中，ΔMZ为附加横摆力矩，Pstable为车辆操纵稳定性概率分布，M为横摆力矩，ΔM为修正横摆力矩，62根据附加横摆力矩，下层对总驱动力矩进行力矩分配： 式中，Ti为各轮驱动力矩，i＝fl,fr,rl,rr，Tt为总力矩，ΔMZ为附加横摆力矩，twf和twr分别为前轮和后轮轮距，lf和lr分别为质心到前轴和后轴距离，R为轮胎有效滚动半径。

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百度查询： 长春工业大学 基于操纵稳定性概率分布的复合工况底盘集成控制方法