2007PLM征文之58：基于局部解耦和独立通道设计的4WS车辆操纵稳定性控制研究

一、前言

先进主动底盘技术的发展，提高车辆操纵稳定性和舒适性的技术成为汽车界研究的热点。4轮转向（four-wheel steering，4WS）系统能够有效改善车辆的操纵稳定性，正在得到不断应用和发展。

本文给出了一个反馈控制结构，其目标是使4WS车辆能精确跟踪驾驶员操纵的侧偏角和横摆率信号。其中假设输出变量是可以控制的，横摆率和侧偏角是可测量的（在实践中，后者通常使用估计值，如使用卡尔曼滤波）。同时也希望自动抵抗由侧向风或路面的附着力不同的制动状况时所引起的侧偏角和横摆率的扰动。所控制的车辆应该具有鲁棒稳定性，特别是在轮胎特性发生改变时。

以前大部分4WS方面的工作主要集中于使用预定前馈增益来控制后轮，从而改善车辆的操作性和转向特性[1]。Gianone L等[2]介绍了一个反馈控制结构，基于虚拟模型的控制和鲁棒LQR（性二次型调节器）设计。Darling I等[3]给出了一个基于横摆率和前轮转向交叉反馈的控制结构，这个结构解耦了横向加速度和前轴的横摆率的控制，两个外部反馈回路使前轮可以控制侧向加速度，并且使后轮能够减少合成横摆动力学的衰减。

本文研究的控制结构基于一个简化的恒定车速线性横向动力学四轮转向车辆模型。这个模型基于车辆信号跟踪和线性化的轮胎刚度，将侧偏角与横摆率控制为解耦目标，控制输入选择线性化的前、后轮转角，并引入一个交叉反馈元素。最终的控制对象是一个上三角阵，其允许使用经典的SISO（单输入单输出）技术设计一个侧偏控制器和横摆率控制器。仿真结果表明，4WS汽车系统具有良好的操纵鲁棒稳定性，对外界侧倾干扰具有较好的抑制性能。

1.1、横向四轮转向车辆操纵动力学模型

假设车辆的横向动力学特性都可以用一个简单的信号跟踪模型描述[4]，将两个前轮在前轴的中心集中简化为一个车轮。将两个后轮在后轴的中心集中简化为一个车轮。假设两个前轮的转角相等，两个后轮的转角也相等。忽略车辆的内倾角、俯仰角和侧向滑移，车辆只在水平面上运动，图1为车辆横向动力学信号跟踪模型。

图1 车辆信号跟踪模型

信号跟踪模型在恒速和零转向角的条件下进行了线性化。对图1的数学模型建立车辆运动微分方程：

（1）

（2）

式中，，，δf 和δr 是系统的前、后转角输入；β是侧偏角；是横摆率。

；

；

与（1）（2）式状态空间方程对应的传递函数如下：

（3）

1.2、独立通道分解和局部解耦

假设车辆横向动力学模型可以由图2所描述的控制系统控制。

图22×2控制系统

为了简化设计过程，假设图2中的2×2传递函数矩阵G描述了车辆转向响应，就是式（3）。如果控制器K可以对角化，那么图2中的多变量控制系统就可以分解成两个SISO（单输入单输出）控制系统，如图3所示的分解过程得到两个通道：

图3独立通道分解

图3中所示的通道分解基于以下方程：

（4）

（5）

（6）

通道参考输入量βref和ref的闭环响应，给出如下：

通道1：

通道2：（7）

，

，，，（8）

式（8）中的参数是通道i的开环传递函数，其定义如下：

，，，（9）

通道干扰量和的闭环响应如下：

通道1：

通道2：（10）

式中，，（11）