电动车底盘稳定性协调控制策略探讨范文

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论文字数:42155 论文编号:sb2021091314390138092 日期:2021-09-21 来源:硕博论文网
本文通过研究得到以下结论:(1)为了保证整车模型的精度,本文使用 CarSim 参数化建模软件,建立了车辆的制动、转向、悬架、轮胎、动力传动、空气动力学和车体主要参数模型。为了保证仿真模型的精度,本文通过国标蛇形试验对建立的整车模型进行了验证,为下一步的控制研究提供基础。

第 1 章  绪论

1.1  课题研究背景及意义
2020 年末,我国机动车总数量达 3.72 亿辆,其中汽车数量占总比的 75%,约为 2.8 亿辆,汽车驾驶人员也已达到 4.18 亿人。现如今汽车作为使用最为广泛的交通工具之一,在人们的生活中已变得不可或缺。当然在快捷便利的生活同时,危机也在靠近,交通事故不断发生。造成交通事故的原因除了客观的外界因素之外,汽车各系统的设计合理性也是重要因素之一,因此,通过提高车辆安全控制性能,才能保证行驶的安全稳定性。
随着汽车数量的增加,汽车在为人们提供便利的同时也带来了一些不可避免的社会问题。以燃烧石油产品作为主要动力的传统燃油汽车在使用过程中不可避免产生二氧化碳、二氧化硫以及固体颗粒等化学物质,这些物质会产生许多环境问题如:温室效应、能源危机、空气污染等,都对现在社会和人们的生活带来严重的威胁,研究人员对我国、美国、日本的城市空气质量调查发现,空气中的一氧化碳排放量有 10%来自汽车尾气的排放[1]。除此之外,燃油汽车以不可再生的石油为燃料,其庞大的石油消耗量造成的能源危机等问题,将严重影响到社会的可持续发展。对于上述问题,人们必须提出燃油汽车的替代方案。因此,新能源的出现是必然的,这也将促使着以更安全、更环保、更清洁为标准的新能源汽车的产生。而以电能、天然气作为动力能源的电动汽车和天然气汽车将会受到社会的高度重视,尤其以电能作为主要的动力能源的电动汽车将会成为未来最有潜力解决上述问题的关键。
20 世纪 30 年代早期,Olley 对当时的汽车设计情况进行了总结。但是针对车辆行驶平顺性差的问题,工程师虽然提出了很多方案,但汽车的稳定性能也未能达到满意的要求。随着理论和技术实践的成熟,以及对汽车安全性能要求的提高,研究者也将车辆底盘主动安全稳定系统作为研究的重点。底盘系统作为汽车主动安全系统重要的组成部分,其底盘的制动稳定性能直接影响到整车系统的稳定。
制动效能及其恒定性是评判一辆车制动性能的重要指标。当车辆在极限工况下,如紧急变道转向、冰雪路面、泥泞路面或者遇到较大侧向风的影响容易使车辆发生过多、不足、侧滑甚至发生侧翻等问题,从而发生交通事故,影响驾驶员的安全。因此,改善车辆在极限工况下的车辆底盘的制动性能对车辆的主动安全性能变得极为重要[2]。
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1.2  电动车国内外发展现状
新能源汽车根据动力源种类的不同,可分为天然气汽车(Natural Gas Vehicle,NGV)和电动汽车(Electric Vehicle, EV)两大类。NGV 以天然气作为主要能量源,EV 以电能作为主要动力源。国内外按照驱动方式和能量源的不同,电动车又可分为油电混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle)、燃料电池汽车(Full Cell Electric Vehicle)和纯电动汽车(Battery Electric)[3]。
在 21 世纪初,由于欧美等发达国家政策和排放标准限定,国外汽车厂商纷纷开始转型,并投入的大量人力、财力用于电动汽车的开发,这一时期也成为电动车研发的黄金时期。美国对于电动车研究时间最早,在电动车领域取得不少重要的研究成果。1996 年,通用公司成功研制出名为 EV-1 的电动汽车。除此之外,在 2009年,特斯拉推出 Model S,受到世界的广泛关注。21 世纪初,在日本政府对电动车产业的大力支持下,日本车企丰田、尼桑等开始注重电子控制单元以及电池技术的研发,经过 20 多年的发展,电池组技术水平处于世界领先的地位。德国从 2009 开始着重于电动车产业的研发,并制定一系列发展战略,因此鼓励了德国大批汽车厂商投入大量资金在电动汽车研究上。2011 年大众发布 E-golf 电动汽车,并在几年后实现多个电动汽车品牌量产化。
国内电动车相对国外发展比较晚,但从上个世纪 90 年代开始,国家对电动汽车的研发投入了大量资金,推行了相关的政策实施,推动我国电动汽车进入快速发展时期,经过各大厂商的不懈努力,目前各大厂商已经推出纯电动的汽车有:吉利帝豪 EV、荣威 E50、比亚迪秦、北汽新能源 EC180、EV160、蔚来 ES8 等。2020年末,我国新能源汽车数量已高达 492 万,其中包含纯电动汽车 400 万,新能源汽车已占汽车总量的 1.75%,其中纯电动汽车保有量达到 400 万辆,占新能源汽车的80%以上,稳居新能源汽车保有量第一位。除此之外,我国新能源汽车增量每年连续以 100 万辆的数量持续增长。根据市场调查对电动汽车的估计,预测 2025 年,纯电动汽车的价格将会实现巨大突破[4]。为积极响应国家号召顺应国情,必将让电动汽车的发展进入飞速阶段,电动车也会成为我国未来汽车产业一个最主要的研究方向。
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第 2 章  车辆整车动力系统搭建

2.1 CarSim 软件介绍
CarSim 是 MSC 公司开发的一款针对汽车动力学建模的仿真软件,其采用参数化建模的方法,具有仿真精度高、计算速度快的特点,其不仅可以用于控制系统的开发,还可以用来分析车辆的燃油经济性、车辆的动力性能评价,同时可直接观察驾驶员的操纵情况、空气动力学特性、路面工况,还可以根据试验要求搭建所需的虚拟场景等等,从而使车辆的整车模型更加直观的操作使用。
CarSim 以公式或者数据的方式调节车辆系统的相关参数,使用起来非常方便快捷。此外,CarSim 可支持常见的数学模型计算软件 Matlab/Simulink、LabV EIW和硬件系统 LabCar、NI 和 dS PACE 硬件系统进行联合仿真,有着强大的扩展功能。CarSim2020 版本中,除了包含燃油汽车、混合动力汽车之外,还加入电动汽车模型,方便研究人员的选择。软件中每个车辆的自由度高达 27 个,并且文献[44]中分别进行仿真分析和实车试验,证明了该软件的仿真数据精度符合汽车开发技术要求。因此,CarSim 对汽车的研究有着非常重要的研究意义。如图 2-1 是 CarSim 软件的主界面:
图 2-1 Carim 主界面
图 2-1 Carim 主界面
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2.2  模型仿真验证
为了能够对底盘稳定系统的协调控制研究能够有更好的效果,建立的 CarSim模型必须能够精确并实时的反应车辆的运动状态,本文通过国家标准工况试验对模型精度进行验证。由于蛇行试验可测试车辆极限工况的能力,故本文按照GB/T6323 进行车辆的仿真试验。
车辆速度设置 65km/h,车辆行驶路线和标桩横向布局如图 2-13 所示:
图 2-13  蛇行试验标桩布局
图 2-13  蛇行试验标桩布局 
从试验的结果可知:车辆的横向距离始终在稳定的区域范围内,并且车辆的速度、方向盘转角、和横摆角速度的响应也能够保持在目标范围附近,因此,本文基于 CarSim 参数化建立的整车模型是合理可行的。
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第 3 章  基于无模型自适应控制稳定性控制算法研究 ............................. 23
3.1  无模型自适应控制器设计 ..................................... 23
3.2  车辆稳定性分析 .......................... 25
第 4 章  纵向稳定性控制算法研究 ............................................ 37
4.1 ABS 控制算法研究 ........................................... 37
4.1.1  车辆制动稳定分析 .................................. 37
4.1.2  基于滑移率的 ABS 控制算法研究 .......................... 37
第 5 章  协调控制策略研究 ....................................... 51
5.1  协调控制策略制定 ....................................... 51
5.2  协调制动力矩计算 ............................ 52
5.3  输入和输出变量的确定 ................................ 54

第 5 章  协调控制策略研究

5.1  协调控制策略制定
ABS 与 TCS 控制系统控制车辆轮胎滑移率和滑转率保持在理想范围内,保证车辆在极限工况下的制动和驱动稳定性能。ESP 的作用是当车辆处于失稳时,通过对车轮施加合适的制动力,使之产生车辆维持稳定所需的补偿横摆力矩,从而将车辆恢复到稳定的状态。
1. ABS 与 ESP 协调
车辆在某些复杂的工况进行制动时,如冰雪路面转弯制动、对开路面制动等,当车辆在这些工况下行驶时发生失稳,此时车辆既需要通过 ABS 系统保证制动稳定效果,也需要 ESP 对合适车轮施加制动力,获得车辆稳定所需的补偿横摆力矩,维持该工况下的稳定性。因此,通过加入协调控制器对两个系统进行协调控制,实现复杂工况下车辆的行驶稳定,其协调控制逻辑图如图 5-1:
图 5-1 协调控制策略逻辑图
图 5-1 协调控制策略逻辑图 

由图 5-1 控制策略的控制原理,可将 ABS 与 ESP 的协调控制分为以下几种工作模式:
(1)车辆稳定,且正常行驶,此时 ABS 和 ESP 都为关闭状态,不要协调控制;
(2)车辆稳定,车轮的滑移率超出最佳滑移率范围,此时 ABS 工作,ESP 关闭;
(3)车辆失稳,车轮滑移率在最佳滑移率范围,ESP 工作,ABS 关闭;
(4)车辆失稳,且车轮的滑移率超出最佳滑移率范围,ABS 和 ESP 同时开启,对两系统进行协调控制。
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结论


本文以电动车底盘系统的协调控制背景为基础做了一定的研究,然后,在此基础上研究了底盘纵向稳定系统 ABS、TCS 和底盘稳定 ESP 控制系统。本文针对底盘系统协调控制问题,通过制定复杂工况下的协调控制策略,解决车辆在某些工况下系统之间发生冲突影响车辆整车系统性能问题,从而改善车辆的行驶稳定性能。本文通过研究得到以下结论:
(1)为了保证整车模型的精度,本文使用 CarSim 参数化建模软件,建立了车辆的制动、转向、悬架、轮胎、动力传动、空气动力学和车体主要参数模型。为了保证仿真模型的精度,本文通过国标蛇形试验对建立的整车模型进行了验证,为下一步的控制研究提供基础。
(2)进行了底盘稳定系统 ESP 的控制,基于无模型自适应控制的算法对 ESP进行控制器的设计,为了保证系统有更好的控制精度,本文选择横摆角速度和质心侧偏角作为 ESP 系统的控制变量,通过车辆二自由度模型推导出控制变量的理想计算公式,为车辆失稳的判断提供可靠的计算条件。选用同侧轮的控制方法,推导出车辆维持失稳所需横摆力矩的计算公式,最后对设计的控制器在双移线和角阶跃试验工况下进行仿真分析,对比有 ESP 控制和无 ESP 控制情况下车辆的行驶情况,最后验证了 ESP 在该控制算法下可以有效保证车辆的操纵稳定性能。
(3)设计了纵向稳定系统 ABS 和 TCS 的控制器,分析了 ABS 系统制动失稳的产生的原因以及对 TCS 进行控制策略的分析。为保证控制算法的有效性和准确性。本文选择目前比较成熟的逻辑门限值控制算法对 ABS 和 TCS 系统进行控制器设计,分析了该控制算法的控制逻辑和工作原理,并利用 Simulink 搭建该算法模型,最后在制动工况和驱动工况下对该控制器进行仿真验证,证明了该控制算法的有效性。
(4)研究了底盘稳定系统 ESP 和纵向稳定系统 ABS、TCS 的协调控制策略,为解决复杂工况下同时工作引起的制动冲突问题,本文根据车辆的转向工况、行驶状况以及根据失稳条件制定了各个系统的工作模式,并推导协调控制力矩的补偿计算公式,并通过复杂的驱动工况和制动工况进行仿真分析。
参考文献(略)