四轮独立驱动电动汽车的质心侧偏角控制方法与流程

本发明涉及一种电动汽车质心侧偏角控制方法，特别是涉及一种四轮独立驱动电动汽车的质心侧偏角控制方法。

背景技术：
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在对汽车质心侧偏角的研究中我们发现，当汽车质心侧偏角较小时，驾驶员可通过方向盘的操作控制汽车行驶转向。但是随着质心侧偏角增加，汽车轮胎逐渐进入饱和区，汽车横摆力矩将趋于0。意味着驾驶员将不能通过操纵汽车方向盘来产生横摆力矩控制汽车，汽车将失控。所以，汽车质心侧偏角要被控制在一定范围，对汽车质心侧偏角进行合理高效的控制已经引起越来越多的关注。

专利号为201410781886.8的专利《一种四轮独立驱动电动汽车的横摆角速度控制方法》描述了对横摆角速度进行控制的一种方法，但是，为满足汽车稳定性与安全性的需求，对汽车质心侧偏角的控制也尤为重要。四轮独立驱动电动汽车由于四个驱动轮可以单独控制，可以通过直接横摆力矩控制来控制汽车侧向动态性能，也就是通过附加横摆力矩来控制电动汽车的质心侧偏角。传统控制方法中常有PID控制器、模糊控制器、自适应控制器等。PID控制算法简单、参数少、可靠性高，但是PID控制器对负载变化的自适应能力弱、抗干扰能力差；模糊控制和自适应控制也有实时性较弱和结构复杂、控制结果不理想等缺点。

技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种容易实施、抗干扰能力强且自动控制的四轮独立驱动电动汽车的质心侧偏角控制方法。

本发明的技术方案是：

一种四轮独立驱动电动汽车的质心侧偏角控制方法，包括以下步骤：

a、根据自抗扰技术原理，设计自抗扰控制器，得到附加横摆力矩ΔM；

b、根据附加横摆力矩值ΔM在车轮间进行力矩分配，再将分配的各个车轮的指令转矩输入给对应车轮的四个电机，从而控制电动汽车的质心侧偏角按照设定值β_d变化。

进一步地：步骤a中自抗扰控制器主要由跟踪微分器、扩张状态观测器、误差的非线性组合和扰动补偿环节构成，其数学模型如下：

在数学模型中：

a)利用跟踪微分器得到期望质心侧偏角β_d(质心侧偏角设定值)的跟踪信号和此跟踪信号的微分，其中，x₁就是对期望质心侧偏角β_d的跟踪信号,x₂为x₁的微分,h为积分步长，r为决定跟踪速度的速度因子，fhan(x₁-β_d，x₂，r，h)是最速控制综合函数,该函数主要用于让x₁在加速度r的限制下,“最快地”且“无颤振地”跟踪β_d；

其中，最速控制综合函数的表达式为：

其中，

b)利用扩张状态观测器得到质心侧偏角β的估计值Z₁和质心侧偏角微分的估计值Z₂，以及电动汽车受到的不确定扰动估计值Z₃；

在扩张状态观测器的模型中，b₀是补偿因子；当积分步长h给定时，扩张状态观测器的参数β₀₁β₀₂β₀₃按下列公式确定：

c)在误差的非线性组合中，利用误差信号和微分信号非线性组合，得到误差反馈控制量；其中，e₁为误差信号，e₂为微分误差信号，u₀为误差反馈控制量，h₁决定跟踪质心侧偏角期望值的跟踪精度；c为阻尼因子；r₀为误差反馈控制量增益一般情况下，r₀增大到一定程度后几乎没有影响；

d)在扰动补偿中，放弃传统PID中的反馈误差积分的方法，利用估计值Z₃对误差反馈控制量u₀进行补偿，得到附加横摆力矩值ΔM。

进一步地：步骤b中采用的转矩分配算法如下：

其中，T'＝Kθ_C表示每个车轮的期望驱动转矩，K是电动汽车加速踏板深度，θ_C是反映加速踏板和期望驱动转矩之间对应关系的常数，和分别 表示左前、右前、左后、右后四个车轮的指令转矩。

进一步地：所述最速控制综合函数的表达式为：

其中，

本发明的有益效果是：

1、本发明能够很好地抑制各种扰动的影响，使汽车质心侧偏角快速、准确地跟踪设定值，是一种较好的汽车质心侧偏角控制策略。

2、本发明中跟踪微分器安排过渡过程，与传统PID控制相比，给出了合理的控制信号，解决了响应速度与超调性之间的矛盾。

3、本发明采用直接观测未知扰动、处理扰动的方式来抑制扰动对系统的影响，有效减少了控制系统的复杂程度。

4、本发明设计的控制器利用“观测+补偿”的方法来处理系统中非线性和不确定性，同时配合非线性的反馈方式，从而提高了控制器的动态性能。

5、本发明对算法精确模型依赖程度较低,抗干扰能力强，适合于动态特性复杂,且存在各种不确定性的非线性系统，易于推广实施，具有良好的经济效益。

附图说明：

图1是本发明电动汽车质心侧偏角控制系统结构框图；

图2是跟踪能力测试时质心侧偏角仿真结果对比图；

图3是抗扰能力测试时前轮转角扰动的设置图；

图4是抗扰能力测试时质心侧偏角受到扰动后的结果图；

图5是抗扰能力测试时质心侧偏角控制结果对比图。

具体实施方式：

实施例：参见图1-图5。

图1是本发明四轮独立驱动电动汽车航向跟踪控制系统结构框图；

图1是质心侧偏角控制系统结构框图。

在本实施例中，如图1所示，控制算法采用双层控制结构，其上层为直接横摆力矩制定层，下层为转矩分配层。在直接横摆力矩制定层，从四轮独立驱动电动汽车车辆模型获取车辆参数质心侧偏角β，在设定需要跟踪的质心侧偏角期望值β_d，将这两个值通过设计的自抗扰控制器得到附加横摆力矩ΔM。在转矩分配层，将附加横摆力矩ΔM通过转矩分配算法进行分配，给汽车四个电机输入分配的指令转矩从而控制电动汽车的质心侧偏角，使其跟踪设定值。

下面对控制系统控制汽车质心侧偏角的具体方法进行详细说明，如下：

一种四轮独立驱动电动汽车的质心侧偏角控制方法，包括以下步骤：

(1)设计自抗扰控制器，得到附加横摆力矩ΔM

根据自抗扰技术原理，设计自抗扰控制器，主要由跟踪微分器、扩张状态观测器、误差的非线性组合和扰动补偿环节构成，其数学模型如下：

在数学模型中：

a)利用跟踪微分器得到期望质心侧偏角β_d(质心侧偏角设定值)的跟踪信号和此跟踪信号的微分，其中，x₁就是对期望质心侧偏角β_d的跟踪信号,x₂为x₁的微分,h为积分步长，r为决定跟踪速度的速度因子，fhan(x₁-β_d，x₂，r，h)是最速控制综合函数,该函数主要用于让x₁在加速度r的限制下,“最快地”且“无颤振地”跟踪β_d；

其中，最速控制综合函数的表达式为：

其中，

b)利用扩张状态观测器得到质心侧偏角β的估计值Z₁和质心侧偏角微分的估计值Z₂，以及电动汽车受到的不确定扰动估计值Z₃；

在扩张状态观测器的模型中，b₀是补偿因子；当积分步长h给定时，扩张状态观测器的参数β₀₁β₀₂β₀₃按下列公式确定：

c)在误差的非线性组合中，利用误差信号和微分信号非线性组合，得到误差反馈控制量；其中，e₁为误差信号，e₂为微分误差信号，u₀为误差反馈控制量，h₁决定跟踪质心侧偏角期望值的跟踪精度；c为阻尼因子；r₀为误差反馈控制量增益一般情况下，r₀增大到一定程度后几乎没有影响；

d)在扰动补偿中，放弃传统PID中的反馈误差积分的方法，利用估计值Z₃对误差反馈控制量u₀进行补偿，得到附加横摆力矩值ΔM；

(2)根据附加横摆力矩值ΔM在车轮间进行力矩分配

采用如下转矩分配算法：

其中，T'＝Kθ_C表示每个车轮的期望驱动转矩，K是电动汽车加速踏板深度，θ_C是反映加速踏板和期望驱动转矩之间对应关系的常数，和分别表示左前、右前、左后、右后四个车轮的指令转矩；

再将分配的4个车轮的指令转矩输入给对应车轮的四个电机，从而控制电动汽车的横摆侧向运动，使汽车汽车质心侧偏角跟踪设定值。

实例

总质量m＝1650kg，轴距L＝3.05m，质心到前轴的距离a＝1.40m，质心到后 轴的距离b＝1.65m，前轮侧偏刚度C_af＝-40500，后轮侧偏刚度C_ar＝-40500的四驱电动车，当验证车速为70km/h时，验证本发明设计的质心侧偏角控制器的跟踪特性和抗扰特性。

图2是跟踪能力测试时质心侧偏角仿真结果对比图。

在本实施例中，如图2所示，实线代表需要跟踪的设定曲线，设定为一个正弦信号，虚线是采用本发明设计的质心侧偏角控制算法后，质心侧偏角的实时跟踪效果，可以看出，这两个曲线的差距很小，只有在峰值附近有0.01～0.05deg的差距，其余地方基本重合。这表明，通过对附加横摆力矩进行转矩分配，将4个车轮的指令转矩施加到汽车的四个车轮上，能够改变汽车的转向，使汽车质心侧偏角跟踪设定值。

图3是抗扰能力测试时前轮转角扰动的设置图；

在本实施例中，如图3所示，前轮转角扰动初始值设为0deg，在1s时加入幅度为1.2deg的阶跃信号，在3s时加入幅度为0.2的骤变扰动，并在5.5s、8s时加入与前面对应的反扰动，以此干扰信号，测试本发明设计控制系统的抗扰能力。

图4是抗扰能力测试时质心侧偏角受到扰动后的结果图；

在本实施例中，如图4所示，为受到图3所示前轮转角干扰信号后，汽车质心侧偏角的仿真曲线图，可以看出，质心侧偏角偏离了0值，在不同的干扰处均有体现，例如：在1s的阶跃干扰后达到了-0.5deg，在5.5s的骤变干扰后由-0.3deg变换为-0.2deg。

图5是抗扰能力测试时质心侧偏角控制结果对比图。

在本实施例中，如图5所示，以0为设定值，虚线代表加入PID控制算法后的控制结果，可以看出，与图4相比，质心侧偏角已经可以被控制在0值附近，表明PID控制器能够使系统输出跟踪期望值0，但与实线代表的本发明设计的自抗扰控制器相比，本发明设计的自抗扰控制器具有干扰后波动小(自抗扰质心侧偏角波动范围[-0.02～0.01deg]，而PID质心侧偏角波动范围[-0.1～0.06deg])、恢复控制效果时间短(第一个阶跃干扰后自抗扰1.3s恢复，而PID 2.0s恢复)的优势。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。