[发明专利]一种线控四轮转向汽车抗侧向干扰的改进型滑模控制方法

权利要求书

1.一种线控四轮转向汽车抗侧向干扰的改进型滑模控制方法,其特征在于:

(1)所述线控四轮转向汽车抗侧向干扰的改进型滑模控制方法中的汽车线控四轮转向系统包括方向盘模块、前后轮转向执行模块、主控制单元即ECU；方向盘模块包括方向盘、转角传感器、扭矩传感器以及路感电机；前后轮转向执行模块包括转向执行电机一和转向执行电机二、转向器一和转向器二、拉压力传感器一和拉压力传感器二、线位移传感器一和线位移传感器二；车体状态传感器包括车速传感器、横摆角速度传感器；

(2)所述线控四轮转向汽车抗侧向干扰的改进型滑模控制方法步骤如下：

步骤1：简化汽车为一个三自由度系统，根据汽车线控四轮转向原理以及理想横摆角速度条件，建立整车动力学传递函数：

在步骤1中,简化的汽车三自由度整车模型为：

式中：m为整车质量；m_s为汽车簧载质量，β表示质心侧偏角；ω_r表示横摆角速度；α表示车身侧倾角；u为汽车纵向速度；F_y1和F_y2分别表示前、后轮侧偏力；F_d表示侧向干扰力大小；a和b分别为质心到前、后轴的距离；h_s为悬挂质量的质心高度；h_d和l_d分别表示侧向干扰力中心距汽车质心垂向、纵向的距离；I_z和I_x为汽车绕z轴、x轴的转动惯量；I_xz为绕x、z轴的转动惯性积；和分别表示悬架的侧倾刚度、侧倾阻尼系数；g为重力加速度；

在侧倾工况下，前后轮侧偏力为：

式中：k_f和k_r分别表示前后轮等效侧偏刚度；ε_f和ε_r分别表示前后轴的侧倾转向系数；

为了简化控制四轮转向和可以调节前、后轮反馈角的比例，令前后轮转角满足：

式中：δ_f^*为方向盘转角经过传动比后的理论前轮转角；δ_i表示控制器反馈输入角；K_i

表示控制器对前后轮输入分配系数；

理想横摆角速度：

式中：

将公式(1.1)、(1.2)、(1.3)、(1.4)联立求解，并化为状态方程(1.5)

式中：

U＝[δi]；

注：上式D₁和G₁中的“|”表示“或”；

显然式(1.5)中的参数A₁不等于零，可把式(1.5)化简为式(1.6)；

式中：

步骤2：结合整车动力学传递函数和改进型滑模控制趋近律，可以得到汽车线控四轮转向改进型滑模控制律：

在步骤2中，构造滑模切换面为：

S＝C₃Y＝C₃C₂X (1.7)

令C＝C₃C₂，得：

S＝CX (1.8)

对式(1.8)两边进行一阶导数，得：

构造改进型趋近律：

其中：K₁＞0，K₂＞0，0＜λ＜1；

由式(1.9)、(1.10)联立，并令F_d＝0，可得滑模控制律为(1.11)

U＝-(CB)^-1[CAX+CDδ_f^*+CGI+K₁S+K₂|S|^λSat(S)] (1.11)

其中U_eq＝-(CB)^-1[CAX+CDδ_f^*+CGI]

U_in＝-(CB)^-1[K₁S+K₂|S|^λSat(S)]

所设计的滑模控制律由两部分组成：一是等效控制部分U_eq，它主要保证一是鲁棒控制部分U_in，它主要控制抵抗外界干扰；

步骤3：利用Lyapunov算法可以计算得到改进型滑模控制律的四个控制参数：即比例系数K₁、K₂和指数系数ξ、λ：

在步骤3中，构造Lyapunov函数为：

对式(1.12)两端同时求导，并把式(1.9)代入得：

控制使CE＝0，即

从式(1.14)可以得到，只要满足K₁＞0且K₂＞0，就有从而可以保证系统在Lyapunov意义下是渐进稳定的；

步骤4：采集方向盘转角传感器信号和整车状态信号，所述信号包括车速、横摆角速度，根据线控四轮转向改进型滑模控制律可以计算得到目标前后轮转角：

在步骤4中，汽车线控四轮转向理想目标前后轮转角：

步骤5：根据电动机电学特性方程，结合方向盘转角信号、拉压力传感器信号一和拉压力传感器信号二，计算出目标电压U_a信号，用PWM方式进行调节：

在步骤5中，电动机电磁转矩与电流关系：

T_m＝K_ei_a (1.16)

其中，K_e，i_a分别是电动机的电磁转矩常数和电流；

直流电动机电气特性模型：

由电路的基尔霍夫定律,电动机端电压U_a应满足：

其中,R,L,k_e分别是电动机电枢电阻、电感和反电动势系数,θ_m为电动机转角；

根据目标前后轮转角式(1.15)，方向盘转角传感器信号，扭矩传感器信号，结合电动机电学特性方程式(1.16)、(1.17)可以得到目标电动机端电压U_a，用PWM方式调节；

步骤6：精确控制实现以上5个步骤所得的目标前后轮转角；

所述精确控制实现以上5个步骤所得的目标前后轮转角方法之一为：通过线位移传感器信号一和线位移传感器信号二反馈前后轮转角大小，PID控制算法输出量U(t)公式为：

U(t)＝K_P[e(t)+1/K_I∫e(t)d_t+K_Dde(t)/dt (1.18)

其中：e(t)是指目标前后轮转角与实际前后轮转角之差，通过线位移传感器一和线位移传感器二来实现闭环反馈。