本發(fā)明涉及一種電動(dòng)汽車質(zhì)心側(cè)偏角控制方法，特別是涉及一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的質(zhì)心側(cè)偏角控制方法。

背景技術(shù)：
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在對(duì)汽車質(zhì)心側(cè)偏角的研究中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汽車質(zhì)心側(cè)偏角較小時(shí)，駕駛員可通過方向盤的操作控制汽車行駛轉(zhuǎn)向。但是隨著質(zhì)心側(cè)偏角增加，汽車輪胎逐漸進(jìn)入飽和區(qū)，汽車橫擺力矩將趨于0。意味著駕駛員將不能通過操縱汽車方向盤來產(chǎn)生橫擺力矩控制汽車，汽車將失控。所以，汽車質(zhì)心側(cè)偏角要被控制在一定范圍，對(duì)汽車質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行合理高效的控制已經(jīng)引起越來越多的關(guān)注。

專利號(hào)為201410781886.8的專利《一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的橫擺角速度控制方法》描述了對(duì)橫擺角速度進(jìn)行控制的一種方法，但是，為滿足汽車穩(wěn)定性與安全性的需求，對(duì)汽車質(zhì)心側(cè)偏角的控制也尤為重要。四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車由于四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪可以單獨(dú)控制，可以通過直接橫擺力矩控制來控制汽車側(cè)向動(dòng)態(tài)性能，也就是通過附加橫擺力矩來控制電動(dòng)汽車的質(zhì)心側(cè)偏角。傳統(tǒng)控制方法中常有PID控制器、模糊控制器、自適應(yīng)控制器等。PID控制算法簡(jiǎn)單、參數(shù)少、可靠性高，但是PID控制器對(duì)負(fù)載變化的自適應(yīng)能力弱、抗干擾能力差；模糊控制和自適應(yīng)控制也有實(shí)時(shí)性較弱和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制結(jié)果不理想等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種容易實(shí)施、抗干擾能力強(qiáng)且自動(dòng)控制的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的質(zhì)心側(cè)偏角控制方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的質(zhì)心側(cè)偏角控制方法，包括以下步驟：

a、根據(jù)自抗擾技術(shù)原理，設(shè)計(jì)自抗擾控制器，得到附加橫擺力矩ΔM；

b、根據(jù)附加橫擺力矩值ΔM在車輪間進(jìn)行力矩分配，再將分配的各個(gè)車輪的指令轉(zhuǎn)矩輸入給對(duì)應(yīng)車輪的四個(gè)電機(jī)，從而控制電動(dòng)汽車的質(zhì)心側(cè)偏角按照設(shè)定值β_d變化。

進(jìn)一步地：步驟a中自抗擾控制器主要由跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、誤差的非線性組合和擾動(dòng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)構(gòu)成，其數(shù)學(xué)模型如下：

在數(shù)學(xué)模型中：

a)利用跟蹤微分器得到期望質(zhì)心側(cè)偏角β_d(質(zhì)心側(cè)偏角設(shè)定值)的跟蹤信號(hào)和此跟蹤信號(hào)的微分，其中，x₁就是對(duì)期望質(zhì)心側(cè)偏角β_d的跟蹤信號(hào),x₂為x₁的微分,h為積分步長(zhǎng)，r為決定跟蹤速度的速度因子，fhan(x₁-β_d，x₂，r，h)是最速控制綜合函數(shù),該函數(shù)主要用于讓x₁在加速度r的限制下,“最快地”且“無顫振地”跟蹤β_d；

其中，最速控制綜合函數(shù)的表達(dá)式為：

其中，

b)利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器得到質(zhì)心側(cè)偏角β的估計(jì)值Z₁和質(zhì)心側(cè)偏角微分的估計(jì)值Z₂，以及電動(dòng)汽車受到的不確定擾動(dòng)估計(jì)值Z₃；

在擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的模型中，b₀是補(bǔ)償因子；當(dāng)積分步長(zhǎng)h給定時(shí)，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的參數(shù)β₀₁β₀₂β₀₃按下列公式確定：

c)在誤差的非線性組合中，利用誤差信號(hào)和微分信號(hào)非線性組合，得到誤差反饋控制量；其中，e₁為誤差信號(hào)，e₂為微分誤差信號(hào)，u₀為誤差反饋控制量，h₁決定跟蹤質(zhì)心側(cè)偏角期望值的跟蹤精度；c為阻尼因子；r₀為誤差反饋控制量增益一般情況下，r₀增大到一定程度后幾乎沒有影響；

d)在擾動(dòng)補(bǔ)償中，放棄傳統(tǒng)PID中的反饋誤差積分的方法，利用估計(jì)值Z₃對(duì)誤差反饋控制量u₀進(jìn)行補(bǔ)償，得到附加橫擺力矩值ΔM。

進(jìn)一步地：步驟b中采用的轉(zhuǎn)矩分配算法如下：

其中，T'＝Kθ_C表示每個(gè)車輪的期望驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，K是電動(dòng)汽車加速踏板深度，θ_C是反映加速踏板和期望驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的常數(shù)，和分別 表示左前、右前、左后、右后四個(gè)車輪的指令轉(zhuǎn)矩。

進(jìn)一步地：所述最速控制綜合函數(shù)的表達(dá)式為：

其中，

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明能夠很好地抑制各種擾動(dòng)的影響，使汽車質(zhì)心側(cè)偏角快速、準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定值，是一種較好的汽車質(zhì)心側(cè)偏角控制策略。

2、本發(fā)明中跟蹤微分器安排過渡過程，與傳統(tǒng)PID控制相比，給出了合理的控制信號(hào)，解決了響應(yīng)速度與超調(diào)性之間的矛盾。

3、本發(fā)明采用直接觀測(cè)未知擾動(dòng)、處理擾動(dòng)的方式來抑制擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，有效減少了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

4、本發(fā)明設(shè)計(jì)的控制器利用“觀測(cè)+補(bǔ)償”的方法來處理系統(tǒng)中非線性和不確定性，同時(shí)配合非線性的反饋方式，從而提高了控制器的動(dòng)態(tài)性能。

5、本發(fā)明對(duì)算法精確模型依賴程度較低,抗干擾能力強(qiáng)，適合于動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜,且存在各種不確定性的非線性系統(tǒng)，易于推廣實(shí)施，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明電動(dòng)汽車質(zhì)心側(cè)偏角控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是跟蹤能力測(cè)試時(shí)質(zhì)心側(cè)偏角仿真結(jié)果對(duì)比圖；

圖3是抗擾能力測(cè)試時(shí)前輪轉(zhuǎn)角擾動(dòng)的設(shè)置圖；

圖4是抗擾能力測(cè)試時(shí)質(zhì)心側(cè)偏角受到擾動(dòng)后的結(jié)果圖；

圖5是抗擾能力測(cè)試時(shí)質(zhì)心側(cè)偏角控制結(jié)果對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式：

實(shí)施例：參見圖1-圖5。

圖1是本發(fā)明四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車航向跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖1是質(zhì)心側(cè)偏角控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

在本實(shí)施例中，如圖1所示，控制算法采用雙層控制結(jié)構(gòu)，其上層為直接橫擺力矩制定層，下層為轉(zhuǎn)矩分配層。在直接橫擺力矩制定層，從四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車車輛模型獲取車輛參數(shù)質(zhì)心側(cè)偏角β，在設(shè)定需要跟蹤的質(zhì)心側(cè)偏角期望值β_d，將這兩個(gè)值通過設(shè)計(jì)的自抗擾控制器得到附加橫擺力矩ΔM。在轉(zhuǎn)矩分配層，將附加橫擺力矩ΔM通過轉(zhuǎn)矩分配算法進(jìn)行分配，給汽車四個(gè)電機(jī)輸入分配的指令轉(zhuǎn)矩從而控制電動(dòng)汽車的質(zhì)心側(cè)偏角，使其跟蹤設(shè)定值。

下面對(duì)控制系統(tǒng)控制汽車質(zhì)心側(cè)偏角的具體方法進(jìn)行詳細(xì)說明，如下：

一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的質(zhì)心側(cè)偏角控制方法，包括以下步驟：

(1)設(shè)計(jì)自抗擾控制器，得到附加橫擺力矩ΔM

根據(jù)自抗擾技術(shù)原理，設(shè)計(jì)自抗擾控制器，主要由跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、誤差的非線性組合和擾動(dòng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)構(gòu)成，其數(shù)學(xué)模型如下：

在數(shù)學(xué)模型中：

a)利用跟蹤微分器得到期望質(zhì)心側(cè)偏角β_d(質(zhì)心側(cè)偏角設(shè)定值)的跟蹤信號(hào)和此跟蹤信號(hào)的微分，其中，x₁就是對(duì)期望質(zhì)心側(cè)偏角β_d的跟蹤信號(hào),x₂為x₁的微分,h為積分步長(zhǎng)，r為決定跟蹤速度的速度因子，fhan(x₁-β_d，x₂，r，h)是最速控制綜合函數(shù),該函數(shù)主要用于讓x₁在加速度r的限制下,“最快地”且“無顫振地”跟蹤β_d；

其中，最速控制綜合函數(shù)的表達(dá)式為：

其中，

b)利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器得到質(zhì)心側(cè)偏角β的估計(jì)值Z₁和質(zhì)心側(cè)偏角微分的估計(jì)值Z₂，以及電動(dòng)汽車受到的不確定擾動(dòng)估計(jì)值Z₃；

在擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的模型中，b₀是補(bǔ)償因子；當(dāng)積分步長(zhǎng)h給定時(shí)，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的參數(shù)β₀₁β₀₂β₀₃按下列公式確定：

c)在誤差的非線性組合中，利用誤差信號(hào)和微分信號(hào)非線性組合，得到誤差反饋控制量；其中，e₁為誤差信號(hào)，e₂為微分誤差信號(hào)，u₀為誤差反饋控制量，h₁決定跟蹤質(zhì)心側(cè)偏角期望值的跟蹤精度；c為阻尼因子；r₀為誤差反饋控制量增益一般情況下，r₀增大到一定程度后幾乎沒有影響；

d)在擾動(dòng)補(bǔ)償中，放棄傳統(tǒng)PID中的反饋誤差積分的方法，利用估計(jì)值Z₃對(duì)誤差反饋控制量u₀進(jìn)行補(bǔ)償，得到附加橫擺力矩值ΔM；

(2)根據(jù)附加橫擺力矩值ΔM在車輪間進(jìn)行力矩分配

采用如下轉(zhuǎn)矩分配算法：

其中，T'＝Kθ_C表示每個(gè)車輪的期望驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，K是電動(dòng)汽車加速踏板深度，θ_C是反映加速踏板和期望驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的常數(shù)，和分別表示左前、右前、左后、右后四個(gè)車輪的指令轉(zhuǎn)矩；

再將分配的4個(gè)車輪的指令轉(zhuǎn)矩輸入給對(duì)應(yīng)車輪的四個(gè)電機(jī)，從而控制電動(dòng)汽車的橫擺側(cè)向運(yùn)動(dòng)，使汽車汽車質(zhì)心側(cè)偏角跟蹤設(shè)定值。

實(shí)例

總質(zhì)量m＝1650kg，軸距L＝3.05m，質(zhì)心到前軸的距離a＝1.40m，質(zhì)心到后 軸的距離b＝1.65m，前輪側(cè)偏剛度C_af＝-40500，后輪側(cè)偏剛度C_ar＝-40500的四驅(qū)電動(dòng)車，當(dāng)驗(yàn)證車速為70km/h時(shí)，驗(yàn)證本發(fā)明設(shè)計(jì)的質(zhì)心側(cè)偏角控制器的跟蹤特性和抗擾特性。

圖2是跟蹤能力測(cè)試時(shí)質(zhì)心側(cè)偏角仿真結(jié)果對(duì)比圖。

在本實(shí)施例中，如圖2所示，實(shí)線代表需要跟蹤的設(shè)定曲線，設(shè)定為一個(gè)正弦信號(hào)，虛線是采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的質(zhì)心側(cè)偏角控制算法后，質(zhì)心側(cè)偏角的實(shí)時(shí)跟蹤效果，可以看出，這兩個(gè)曲線的差距很小，只有在峰值附近有0.01～0.05deg的差距，其余地方基本重合。這表明，通過對(duì)附加橫擺力矩進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配，將4個(gè)車輪的指令轉(zhuǎn)矩施加到汽車的四個(gè)車輪上，能夠改變汽車的轉(zhuǎn)向，使汽車質(zhì)心側(cè)偏角跟蹤設(shè)定值。

圖3是抗擾能力測(cè)試時(shí)前輪轉(zhuǎn)角擾動(dòng)的設(shè)置圖；

在本實(shí)施例中，如圖3所示，前輪轉(zhuǎn)角擾動(dòng)初始值設(shè)為0deg，在1s時(shí)加入幅度為1.2deg的階躍信號(hào)，在3s時(shí)加入幅度為0.2的驟變擾動(dòng)，并在5.5s、8s時(shí)加入與前面對(duì)應(yīng)的反擾動(dòng)，以此干擾信號(hào)，測(cè)試本發(fā)明設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的抗擾能力。

圖4是抗擾能力測(cè)試時(shí)質(zhì)心側(cè)偏角受到擾動(dòng)后的結(jié)果圖；

在本實(shí)施例中，如圖4所示，為受到圖3所示前輪轉(zhuǎn)角干擾信號(hào)后，汽車質(zhì)心側(cè)偏角的仿真曲線圖，可以看出，質(zhì)心側(cè)偏角偏離了0值，在不同的干擾處均有體現(xiàn)，例如：在1s的階躍干擾后達(dá)到了-0.5deg，在5.5s的驟變干擾后由-0.3deg變換為-0.2deg。

圖5是抗擾能力測(cè)試時(shí)質(zhì)心側(cè)偏角控制結(jié)果對(duì)比圖。

在本實(shí)施例中，如圖5所示，以0為設(shè)定值，虛線代表加入PID控制算法后的控制結(jié)果，可以看出，與圖4相比，質(zhì)心側(cè)偏角已經(jīng)可以被控制在0值附近，表明PID控制器能夠使系統(tǒng)輸出跟蹤期望值0，但與實(shí)線代表的本發(fā)明設(shè)計(jì)的自抗擾控制器相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的自抗擾控制器具有干擾后波動(dòng)小(自抗擾質(zhì)心側(cè)偏角波動(dòng)范圍[-0.02～0.01deg]，而PID質(zhì)心側(cè)偏角波動(dòng)范圍[-0.1～0.06deg])、恢復(fù)控制效果時(shí)間短(第一個(gè)階躍干擾后自抗擾1.3s恢復(fù)，而PID 2.0s恢復(fù))的優(yōu)勢(shì)。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。