车辆转向过程稳定性的非线性分析及控制策略研究

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1、摘要伴随汽车工业的不断发展，人们对车辆主动安全性能的要求逐渐提高。车辆的操纵稳定性在车辆主动安全性占据主导地位，车辆转向稳定性的分析与控制是提高车辆操纵稳定性主要途径。当车辆行驶在高速、大转向的工况下，车辆进入强非线性工作区域，此时传统的线性分析方法不能够准确的表述车辆运动状态；基于平面二自由的非线性模型也不能精确表述车辆当前非线性特性。因此通过建立高维多自由度的非线性车辆模型来研究高速、大转向的工况下车辆的转向稳定性能够为车辆操纵稳定性控制提供更精确的理论依据。本文考虑车辆在高速转向过程中系统存在较强的非线性特性问题，通过对比不同非线性轮胎模型的特点及数学形式，采用二次多项式平方轮胎模

2、型，建立含有车辆侧向、横摆和侧倾运动的三自由度非线性转向动力学模型；借助Hurwitz判据得出系统在平衡点处的稳定性条件，采用数值方法分析车辆转向失稳过程中前轮转角与车速的临界关系；研究不同车辆结构参数的变化对车辆转向过程稳定性的影响。车辆随着车速和前轮转角的增加转向系统会发生分岔，运用中心流形理论对搭建的高维非线性车辆转向动力学系统进行降维处理；根据非线性分岔理论对降维后的中心流形系统进行分析，并判断分岔类型；结合相平面分析车辆转向过程中系统的稳定平衡点随着前轮转角增加逐渐远离原点，最终消失，车辆将失去控制失稳的整个过程。考虑内部结构的变化、传感器噪声以及外界不确定因素等干扰对车辆转向

3、过程稳定性的影响，构建了μ分析综合控制框架；分析了影响转向鲁棒性的因素选取，以及加权函数与性能加权函数对控制器性能影响，从主动前轮转向控制的角度出发，设计并对比了标准H和μ综合控制器的鲁棒性能，并针对μ综合控制器存在的阶数偏高∞问题，进行了降阶处理；在MATLAB/Simulink环境下与CarSim车辆模型进行联合仿真，结果验证了主动前轮转向的μ综合控制器能够明显改善车辆的操纵稳定性。为提高车辆转向过程的稳定性，对车辆转向的动力学分析，考虑四个车轮的滚动，构造八自由度非线性车辆模型，在双移线工况下经过实车试验对模型验证；基于主动前轮转向，设计了模型预测控制器；与经典的PID控制效果相比

4、，模型预测控制效果较为明显。关键词：车辆，转向，非线性，稳定性，分岔，μ分析综合控制，模型预测控制IAbstractAlongwiththecontinuousdevelopmentofautoindustry,peoplealsoconstantlyimprovetotherequirementofautomobileactivesafetyperformance.Vehiclehandlingstabilityinvehicleactivesafetydominated,andtheprocessofvehiclesteeringstabilityisanimportantindex

5、evaluationofvehiclesteeringstability.Whenthevehicleisinhighspeed,largeturning,undertheconditionofthevehicleintothestronglynonlinearworkingarea,thetraditionallinearanalysismethodcan'taccuratestandardvehiclemotionstate;Basedontheplaneoftwofreedomnonlinearmodelcandescribethenonlinearcharacteristicso

6、fvehicle.Sothroughtheestablishmentofhigh-dimensionalmultivariantnonlinearvehiclemodeltostudythevehiclesteeringstabilitycanprovidemoreaccurateforthevehiclesteeringstabilitycontroltheorybasis.Vehicleathighspeedturningprocess,thispaperanalysesproblemsstronglynonlinearcharacteristicsofthesystem,bycom

7、paringthedifferentcharacteristicsandmathematicalmodelofnonlineartire,byusingthequadraticpolynomialsquaretiremodel,establishedthevehiclelateral,yawingandrollmotionofthreedegreesoffreedomnonlineardynamicmodelto;Withthehe