極限工況下汽車轉(zhuǎn)向失穩(wěn)的非線性動力學(xué)特性與主動控制研究.pdf

1、隨著社會節(jié)奏的加快和高等級公路的發(fā)展，現(xiàn)代汽車的行駛速度越來越高，這給行車安全帶來了極大的隱患，保持高速大轉(zhuǎn)向即極限工況下汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性是現(xiàn)代汽車發(fā)展所要面臨的重要課題。通過主動前輪轉(zhuǎn)向（Active Front Steering， AFS）、四輪轉(zhuǎn)向（Four Wheel Steering，4WS）和基于橫擺力矩控制的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（Electronic Stability Program，ESP）改善汽車的操縱穩(wěn)定性代表了現(xiàn)代汽車

2、主動安全技術(shù)的發(fā)展方向。本課題研究的重點(diǎn)之一就是極限工況下汽車轉(zhuǎn)向失穩(wěn)的非線性動力學(xué)特性分析。從車輛動力學(xué)的角度來講，極限工況下汽車的轉(zhuǎn)向行為與常規(guī)工況有很大的不同，輪胎力達(dá)到飽和，系統(tǒng)呈現(xiàn)強(qiáng)非線性特性，需要從非線性動力學(xué)的角度探索極限工況下汽車的轉(zhuǎn)向特性，從而為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)提供更為豐富的理論依據(jù)。 本文重點(diǎn)討論極限工況下汽車轉(zhuǎn)向失穩(wěn)的非線性動力學(xué)特性，包括分岔與穩(wěn)定性等；研究基于狀態(tài)流形的極限工況下汽車轉(zhuǎn)向失穩(wěn)的動態(tài)機(jī)制

3、；探討穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向失穩(wěn)的預(yù)報(bào)方法及應(yīng)用；研究大變化工況下底盤穩(wěn)定性的魯棒控制等內(nèi)容。 分析汽車轉(zhuǎn)向動力學(xué)的基本問題，討論了不足轉(zhuǎn)向梯度、操縱圖法等汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向動力學(xué)特性的分析方法；分析了基于線性輪胎模型的汽車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，并應(yīng)用參數(shù)根軌跡的方法對汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性與橫擺阻尼特性進(jìn)行了對比分析；在理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了汽車操穩(wěn)性的實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果，并通過試驗(yàn)指出了現(xiàn)有汽車轉(zhuǎn)向動力學(xué)分析和評價(jià)方法的不足，直接應(yīng)用于底盤穩(wěn)定性

4、控制比較困難，引出了下文研究的問題。 研究了汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向失穩(wěn)的靜態(tài)分岔特性。綜合考慮輪胎的非線性特性和解析分析的需要，應(yīng)用多項(xiàng)式平方輪胎模型建立了包含側(cè)傾運(yùn)動和平面運(yùn)動的四維（4-D）非線性汽車轉(zhuǎn)向動力學(xué)系統(tǒng)；借助于非線性動力學(xué)中心流形理論將高維系統(tǒng)降為一維中心流形系統(tǒng)，理論推導(dǎo)和實(shí)例分析表明，汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)不會出現(xiàn)Hopf分岔極限環(huán)現(xiàn)象，但是隨著車速和前輪轉(zhuǎn)角的增加將發(fā)生鞍結(jié)分岔，發(fā)生鞍結(jié)分岔后穩(wěn)定的平衡點(diǎn)消失，若不采取措施，

5、汽車將最終失去控制。研究了通過狀態(tài)反饋并借助主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對分岔點(diǎn)進(jìn)行鎮(zhèn)定，結(jié)果表明，對分岔點(diǎn)進(jìn)行鎮(zhèn)定可以延緩分岔的發(fā)生，增加了汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。 基于非線性動力學(xué)的分岔與狀態(tài)流形理論研究了汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向和非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向失穩(wěn)的動態(tài)機(jī)制，并用數(shù)值方法對極限工況下汽車轉(zhuǎn)向的頻率特性進(jìn)行了分析和討論。給出了描述汽車發(fā)生靜態(tài)分岔后，轉(zhuǎn)向失穩(wěn)動態(tài)過程的狀態(tài)流形演化圖；提出了將穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向失穩(wěn)的動態(tài)過程劃分為發(fā)展階段和失控階段兩個(gè)階段的新思想，

6、一方面方便了對轉(zhuǎn)向失穩(wěn)的動態(tài)機(jī)制的描述和理解，另一方面，通過這種劃分思想將非線性分岔分析的結(jié)果直接應(yīng)用于底盤穩(wěn)定性控制，即根據(jù)質(zhì)心側(cè)偏角的狀態(tài)響應(yīng)來進(jìn)行控制邏輯的設(shè)計(jì)和決策。在失穩(wěn)的發(fā)展階段狀態(tài)運(yùn)動緩慢，進(jìn)入失控階段，運(yùn)動急劇加快，并在有限的時(shí)間內(nèi)通向無窮遠(yuǎn)處，導(dǎo)致汽車失去控制。在非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向操作中，即使轉(zhuǎn)向角暫時(shí)超過分岔值，如果系統(tǒng)狀態(tài)仍處于失穩(wěn)的發(fā)展階段，汽車并沒完全失控，還可以通過主動轉(zhuǎn)向等底盤主動安全系統(tǒng)來使汽車恢復(fù)到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向狀

7、態(tài)，一旦狀態(tài)進(jìn)入失控階段，汽車將迅速失去控制，通過主動控制系統(tǒng)改善其穩(wěn)定性比較困難。 研究了汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向失穩(wěn)的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)方法及在汽車穩(wěn)定性控制中的應(yīng)用。研究了基于奇異值分解法和u-δf，參數(shù)空間中實(shí)時(shí)追蹤最近分岔點(diǎn)的汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向失穩(wěn)的預(yù)報(bào)方法，提出了基于穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向失穩(wěn)預(yù)報(bào)的汽車穩(wěn)定性控制的新思路，直接將非線性分岔分析的結(jié)果應(yīng)用于汽車的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)決策，邁出了將非線性動力學(xué)應(yīng)用到底盤穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵的一步。討論了極限轉(zhuǎn)向角的取

8、值對主動轉(zhuǎn)向控制性能的影響，結(jié)果表明，極限轉(zhuǎn)向角取小于分岔參數(shù)值時(shí)基本不影響控制性能，而超過分岔參數(shù)值后，對控制性能的影響明顯，且隨著極限轉(zhuǎn)向角值的增加控制性能下降。 研究了考慮模型參數(shù)不確定性和大變化工況下汽車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的魯棒控制問題。建立了多功能試驗(yàn)車的9-DOF非線性車輛模型，并通過實(shí)車試驗(yàn)對模型進(jìn)行了測試，以作為控制方案仿真驗(yàn)證的平臺，通過多次調(diào)整汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)使仿真結(jié)果向試驗(yàn)結(jié)果靠攏，并以此估計(jì)了相關(guān)的汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)；討論