一种四轮驱动AFS/DYC集成控制系统的模糊-滑模复合控制系统

摘要

本发明请求保护一种四轮驱动AFS(Active Front Steering,主动前轮转向)/DYC(Direct Yaw‑moment Control,直接横摆力矩控制)集成控制系统的模糊‑滑模复合控制方法，该复合控制方法由模糊控制基于滑移率为控制目标和基于滑膜变结构控制AFS(主动前轮转角)和DYC(直接横摆力矩)控制器获取附加值构成。利用该方法基于四轮驱动电动汽车模型设计AFS/DYC集成控制器，进而分配各控制器权重，实现各控制器之间的切换，最后根据动态载荷分配各轮驱动力矩。在相同工况下与未集成控制方法相比，能够有效地改善四轮驱动汽车在高速行驶工况下的横摆稳定性能，当车辆失稳时，通过附加前轮转角以及横摆力矩能使车辆恢复至稳定状态，使实际的横摆角速度更好的跟踪其理想值，能有效的提高车辆在极限工况下的横向稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于四轮驱动电动汽车扭矩分配方法，尤其是一种四轮驱动AFS/DYC集成控制系统的模糊控制算法结合滑模变结构算法复合控制方法。

背景技术

四轮驱动-分布式电动汽车不同于单电机集中式驱动型电动汽车，分布式驱动电动汽车各轮毂内分别配置一台轮毂电机，可独立驱动各个车轮，控制方式比较灵活。当车辆处于失稳状态时，传统车辆只能通过两个驱动轮来提供等比例的制动力，修正车辆的姿态，当极限工况下，容易发生失稳。分布式驱动电动汽车可由四个独立驱动的电机作为动力源，通过设计合理的控制策略，可同时实现各个驱动轮不同的驱、制动力矩分配。

AFS系统可以根据车辆的行驶状况提供附加的前轮转角，以此来提高车辆的操纵稳定性，但该系统在低附着路面上的控制效果有限。DYC系统通过对轮胎的纵向力进行调节产生附加横摆力矩，实现纠正驾驶员转向过多或转向不足的目的，但直接横摆力矩控制对车辆的纵向速度有较大的干预。为充分发挥AFS和DYC系统的优势，需要将AFS和DYC协同控制，去解决其耦合问题。为此，提出了一种基于滑移率观测的模糊PID控制和滑模变结构复合控制方法。该方法可以分配各控制器权重，实现各控制器之间的切换。与未集成控制方法相比，该方法能提高扭矩分配的实时性，能够有效地改善四轮驱动汽车在高速行驶工况下的横摆稳定性能。

因此，设计一种四轮驱动AFS/DYC集成控制系统的模糊-滑模复合控制系统，能有效的提高车辆在极限工况下的横向稳定性。

CN104443022B，一种四轮独立驱动电动汽车稳定性控制方法及系统，解决了现有技术中电动汽车ARS和DYC两安全系统同时工作，出现耦合而降低整车性能的技术问题，所述方法包括：当车辆转向时，获取方向盘转角和车速；基于车速和车速传动比数学模型，获取方向盘与后轮转角之间的变传动比；基于方向盘转角获取前轮转角；基于变传动比车辆理想模型、车速和前轮转角获取车辆理想状态；基于电动汽车非线性八自由度模型、车速和前轮转角，获取车辆实际状态；获取车辆实际状态相对于车辆理想状态的车辆状态误差；针对车工作在非线性区域或线性区域，分别通过ARS+DYC或ARS，控制消除或减小车辆状态误差，以使车辆稳定运行。因四轮驱动汽车要面对实时变化的环境作出转矩分配，对所用算法及控制器的算力要求是非常高的，要保证算法去实现车辆扭矩分配的实时性，该专利中未体现实时性。本发明中通过滑移率模块实时观测，以滑移率为控制目标，采用模糊控制获取集成控制因子，分配各控制器权重，实现各控制器之间的切换，本发明中还考虑到垂直轴荷转移对车轮附着能力的影响，附着能力大的车轮分配的驱动力矩应较大，附着能力小的车轮分配的驱动力矩应较小，这样能够有效的防止车轮出现打滑，故采用了动态载荷的方式进行扭矩分配。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种四轮驱动AFS/DYC集成控制系统的模糊-滑模复合控制系统。本发明的技术方案如下：

一种四轮驱动AFS/DYC集成控制系统的模糊-滑模复合控制系统，首先建立复合控制系统，所述复合控制系统包括：驾驶员模型、七自由度整车模型、轮胎模型、驱动系统模型、二自由度理想模型、滑移率模块、扭矩分配模块、AFS(主动前轮转角)控制器、DYC(直接横摆力矩)控制器以及AFS/DYC协调集成控制器；其中，驾驶员模型用于车速跟随且输出当前速度下的驱动力矩，七自由度整车模型用于分析车辆的纵向、侧向以及横摆运动，轮胎模型用于计算出车轮的侧偏角和车轮滑移率，驱动系统模型用于将电机特性曲线输出，二自由度理想模型用于得到理想状态下的横摆角速度和质心侧偏角，滑移率模块用于得到各个车轮行驶状态下的滑移率，扭矩分配模块用于将驱动力和附加横摆力矩分配给各个车轮，AFS控制器用于得到稳定的附加前轮转角，DYC控制器用于得到稳定的附加横摆力矩，以及AFS/DYC协调集成控制器用于分配各控制器权重。

通过二自由度模型获得理想横摆角速度，整车模型输出的横摆角速度和理想横摆角速度的差值以及导数作为滑模变结构控制的输入，AFS控制器输出初始附加前轮转角，DYC控制器输出初始附加横摆力矩；AFS/DYC协调集成控制器优先考虑车轮纵向力进行稳定性控制，其次考虑侧向力控制；通过滑移率模块实时观测，以滑移率为控制目标，采用模糊控制获取集成控制因子，进而控制AFS和DYC的使用比例，进而获得最终附加横摆力矩和附加前轮转角；扭矩分配模块以此为输入，采用动态载荷的方式输出四个轮胎的转矩，输入到七自由度整车模型中形成闭环，在附加前轮转角的共同作用下，实现对车辆稳定性控制的目的。

进一步的，四轮驱动的七自由度整车模型为：

其中，M为整车质量；

进一步的，所述二自由度理想模型为：

其中，k

当车辆转向时，轮胎因受到地面附着极限的限制而产生极限值，车辆的横摆角速度将会被限制，因此期望的横摆角速度要满足下式；

|ω

其中，a为安全系数；μ为路面附着系数；ω

最终可得到修正后的理想横摆角速度：

其中，L为前后轴之间的距离；v

进一步的，所述AFS控制器设计如下：

选用等速趋近律；

其中，

定义横摆角速度跟踪误差及其导数为：

e

其中，s

化简可得到：

为了系统运动到滑模面的过程中具有良好的状态，确定附加前轮转角计算公式为：

其中，K

为了减小滑模控制中的抖振现象，用饱和函数sat(s

进一步的，所述DYC控制器设计如下：

定义横摆角速度跟踪误差及其导数为：

滑模切换面函数定义为：

其中，c

化简可得到

为了系统运动到滑模面的过程中具有良好的状态，确定附加横摆力矩计算公式为：

进一步的，所述AFS/DYC协调集成控制器设计如下：

该控制器通过滑移率模块，以滑移率为控制目标，采用模糊PID控制器获取集成控制因子，进而控制AFS和DYC的使用比例，实时进行AFS和DYC控制器间的切换，其中，滑移率模块数学模型为：

其中，λ

进一步的，基于滑移率的模糊PID控制器设计如下：

模糊控制器将滑移率的偏差以及偏差的变化率作为输入量，修正参数Δk

其中k

滑移率偏差在其模糊论域[-1，-0.6，-0.3，0，0.3，0.6，1]上定义了7个模糊子集[负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)]；滑移率偏差变化率在其模糊论域[-6，-4，-2，0，2，4，6]上定义了7个模糊子集[负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)]；输出量Δk

其中u(k)为控制器的输出；w

进一步的，扭矩分配模型设计如下：

其中：T为速度稳定控制时获得的力矩；r为车辆轮胎的滚动半径；B为轮胎之间的距离；ΔM为附加横摆力矩；τ

进一步的，驾驶员模型设计如下：

其中，I

进一步的，轮胎模型设计如下：

其中，α

进一步的，驱动系统模型设计如下：

其中：p为额定功率；n为电机的输出转速；n1为电机在恒定转矩工作时的最高转速；Te为电机恒定转矩时的额定转矩，T

本发明的优点及有益效果如下：

本发明的创新主要是权利要求6中AFS/DYC协调集成控制器的设计与权利要求7中滑移率模块与模糊控制器相结合，权利要求6中所述控制器通过滑移率模块进行实时观测，以车轮滑移率为控制目标，采用模糊PID控制器获取该控制器集成因子，从而控制AFS和DYC的使用比例，实现两个控制器之间的实时切换，保证了控制器之间的实时性。权利要求1中所述的七自由度整车模型包括四个轮胎的垂直载荷力，垂直轴荷转移对车轮附着能力有很大的影响，附着能力大的车轮分配的驱动力矩应较大，附着能力小的车轮分配的驱动力矩应较小，故权利要求8中采用了动态载荷的方式进行扭矩分配，能有效的防止车轮出现打滑，提高车辆行驶的稳定性。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的整车七自由度模型图；

图2是本发明的控制系统详细原理框图；

图3是本发明的参数自整定模糊PID系统结构图；

图4是本发明的模糊控制器的输入与输出的关系图；

图5是集成控制和未集成控制方式下的横摆角速度曲线对比图；

图6是集成控制和未集成控制方式下的横向位移曲线对比图；

图7是集成控制和未集成控制方式下的纵向车速曲线对比图；

图8是集成控制和未集成控制方式下的扭矩分配对比图；

图9是集成控制和未集成控制方式下的滑移率对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

如图1所示，一种四轮驱动AFS/DYC集成控制系统的模糊-滑模复合控制系统，其包括：驾驶员模型、七自由度整车模型、轮胎模型、驱动系统模型、二自由度理想模型、滑移率模块、扭矩分配模块、AFS控制器、DYC控制器以及AFS/DYC协调集成控制器。首先建立七自由度整车模型、轮胎模型、驱动系统模型以及驾驶员模型，通过二自由度模型获得理想横摆角速度，整车模型输出的横摆角速度和理想横摆角速度的差值以及导数作为滑模变结构控制的输入，AFS控制器输出初始附加前轮转角，DYC控制器输出初始附加横摆力矩。AFS/DYC协调集成控制器优先考虑车轮纵向力进行稳定性控制，其次考虑侧向力控制。通过滑移率模块实时观测，以滑移率为控制目标，采用模糊控制获取集成控制因子，进而控制AFS和DYC的使用比例，进而获得最终附加横摆力矩和附加前轮转角。扭矩分配模块以此为输入，采用动态载荷的方式输出四个轮胎的转矩，输入到七自由度整车模型中形成闭环，在附加前轮转角的共同作用下，实现对车辆稳定性控制的目的。

进一步的，所述四轮驱动的七自由度整车模型为：

其中，M为整车质量；ω

进一步的，所述二自由度理想模型为：

其中，k

当车辆转向时，轮胎因受到地面附着极限的限制而产生极限值，车辆的横摆角速度将会被限制，因此期望的横摆角速度要满足下式。

|ω

其中，a为安全系数；μ为路面附着系数；ω

最终可得到修正后的理想横摆角速度：

其中，L为前后轴之间的距离；v

进一步的，AFS控制器设计如下：

选用鲁棒性较好、实时性强、运算量较小等优点的等速趋近律。

其中，ε为趋近律常数，该参数表明系统的状态点以何种速率趋近滑模面。

定义横摆角速度跟踪误差及其导数为：

滑模切换面函数定义为：

其中，c

化简可得到：

为了系统运动到滑模面的过程中具有良好的状态，确定附加前轮转角计算公式为：

其中，K

为了减小滑模控制中的抖振现象，用饱和函数sat(s

进一步的，DYC控制器设计如下：

定义横摆角速度跟踪误差及其导数为：

滑模切换面函数定义为：

其中，c

化简可得到

为了系统运动到滑模面的过程中具有良好的状态，确定附加横摆力矩计算公式为：

进一步的，AFS/DYC协调集成控制器设计如下：

该控制器通过滑移率观测模块，以滑移率为控制目标，采用模糊PID控制器获取集成控制因子，进而控制AFS和DYC的使用比例，实时进行AFS和DYC控制器间的切换。其中，滑移率模块数学模型为：

其中，λ

进一步的，基于滑移率的模糊PID控制器设计如下：

模糊控制器将滑移率的偏差以及偏差的变化率作为输入量，修正参数Δk

其中k

滑移率偏差在其模糊论域[-1，-0.6，-0.3，0，0.3，0.6，1]上定义了7个模糊子集[负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)]。滑移率偏差变化率在其模糊论域[-6，-4，-2，0，2，4，6]上定义了7个模糊子集[负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)]。输出量Δk

其中u(k)为控制器的输出；w

其中：T为速度稳定控制时获得的力矩；r为车辆轮胎的滚动半径；B为轮胎之间的距离；ΔM为附加横摆力矩；τ

本发明所述四轮驱动的七自由度整车模型为：

其中，M为整车质量；ω

附图1是本发明的整车七自由度模型图，附图2是本发明的控制系统详细原理框图，根据这两个附图，易知，

本实施包括以下几个步骤：

1)建立七自由度转向动力学模型；

2)通过二自由度模型获得理想横摆角速度；

3)整车模型输出的横摆角速度和理想横摆角速度的差值以及导数作为滑模变结构控制的输入；

4)AFS控制器以步骤3中横摆角速度的差值作为输入，输出为初始附加前轮转角；DYC控制器以步骤3中横摆角速度的差值作为输入，输出为初始附加横摆力矩；

5)通过滑移率观测模块，以滑移率为控制目标，采用模糊控制获取集成控制因子，控制AFS控制器和DYC控制器的使用比例，进而获得最终附加横摆力矩和附加前轮转角；

6)扭矩分配模块以步骤5为输入，采用动态载荷的方式输出四个轮胎的转矩，输入到七自由度整车模型中形成闭环。

附图3是本发明的参数自整定模糊PID系统结构图，附图4是本发明的模糊控制器的输入与输出的关系图，本发明所述的基于滑移率的模糊PID控制器设计如下：

模糊控制器将滑移率的偏差以及偏差的变化率作为输入量，修正参数Δk

其中k

模糊控制采用Mamdani型模糊推理方法进行模糊逻辑运算，采用面积重心法去进行模糊，最终输出量u的表达式为：

其中u(k)为控制器的输出；w

附图5是集成控制和未集成控制方式下的横摆角速度曲线对比图，附图6是集成控制和未集成控制方式下的横向位移曲线对比图，附图7是集成控制和未集成控制方式下的纵向车速曲线对比图，将本发明(一种四轮驱动AFS/DYC集成控制系统的模糊-滑模复合控制方法)，与未集成控制系统进行对比，可知本发明的控制方法相比较于未集成控制，在滑模控制以及模糊控制下，横摆角速度、纵向车速以及横向位移都得到了改善。

附图8是集成控制和未集成控制方式下的扭矩分配曲线对比图。附图9是集成控制和未集成控制方式下的滑移率曲线对比图，将本发明(一种四轮驱动AFS/DYC集成控制系统的模糊-滑模复合控制方法)，与未集成控制系统进行对比，可知本发明的控制方法相比较于未集成控制，滑移率与扭矩分配控制系统根据车辆转向行驶的趋势，实时主动分配前后轴车轮的驱动力，满足车辆稳定性行驶的要求，提高了车辆在高速行驶下横向的稳定性。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。