电动汽车线控转向系统优化控制及容错机理研究

电动汽车采用线控转向（Steer-by-wire，SBW）技术，转向轮与转向盘控制解耦灵活，大大提高整车操纵稳定性和主动安全性。建立SBW虚拟样机多学科协同优化平台，与整车匹配、基于ansys软件结构优化、Flexray 总线网络拓扑优化。针对SBW非线性建立人-车-路闭环系统的模糊神经网络模型，进行动力学分析。运用现代控制理论和人机工程学建立基于整车运动状态反馈和驾驶员控制意图的主动转向控制策略；汽车处于失稳状态时，SBW主动干预转向。路感控制策略基于转向电机电流和模型估计建立真实优化的转向感觉，并进行回正控制和阻尼控制。利用自适应在线估计辨识车辆控制的动态参数。确立基于可靠性分析与模糊神经网络故障诊断的容错机制。确立SBW的评价体系。完善SBW的硬件在环试验台架与驾驶模拟器，针对各种转向工况进行试验，验证优化控制的有效性。为SBW的研发提供理论基础和试验验证。

电动汽车采用线控转向技术，转向轮与转向盘的导线连接替代了传统转向系统的机械连接，转向轮与转向盘的控制解耦，大大提高整车操纵稳定性和主动安全性。项目建立了图形用户界面友好的线控转向系统虚拟样机设计、分析、优化平台。确立了线控转向系统的设计方法，设计了新颖的人机操纵界面，驾驶员根据驾驶喜好选择相应的转向角传动比模式和转向盘力反馈水平调节模式，调节汽车转向的轻便、灵敏程度，实现不同的驾驶模式、驾驶风格个性化和定制化。人机显示界面显示驾驶员转向模式选择结果及线控转向系统故障诊断结果显示，驾驶员及时掌握车辆状态。确立了线控转向系统有限元分析方法，进行模态分析等，指导结构设计。建立了驾驶员—车—路闭环系统的动力学模型。其中，整车模型采用基于魔术公式轮胎模型的非线性三自由度模型，整个转向范围内有效。采用神经网络方法训练非线性模型，较好拟合输出与输入的非线性关系。进行动力学分析，确定了关键结构参数和控制参数对汽车操纵稳定性的影响。采用遗传算法等多种方法优化线控转向系统电机减速比等结构参数，在保障车辆稳定性的前提下，提高汽车操纵稳定性。转向控制的上层控制算法根据横摆角速度传感器测量的实际横摆角速度与车辆模型得到的横摆角速度目标值的误差大小，决定执行正常转向时的转向传动比算法或可能失稳时的侧向稳定性算法。其中，正常转向时采用模糊控制算法根据专家经验由车速和转向盘转角得到转向传动比，降低低速转向时的体力负荷和高速转向时的精神负荷，随车速变化调整稳态转向特性。车辆在遇到侧风等各种侧向干扰引起车辆不期望的转向运动时，采用基于模糊PID的侧向稳定性算法，横摆角速度偏差及偏差变化率经过模糊控制整定得到PID控制参数用于经典PID，得到目标前轮转角。转向电机提供主动转向力矩抵抗干扰，尽可能的消除汽车不期望的横摆运动及不安全因素。转向盘力反馈控制的上层控制算法采用模糊控制，根据车速、转向电机电流等传感器的测量值得到转向盘力反馈电机电流目标值，向转向盘提供合适的转向盘阻力矩，低速转向轻便，高速有一定的转向阻力，消除了高速发飘现象，显著优化驾驶员的路感。研究了线控转向系统容错方案。进行线控转向系统故障树分析和故障诊断。确定了线控转向系统硬件在环试验平台方案，模拟一定转向工况验证提出的控制算法。项目在线控转向系统研究方面建立了一定理论体系，取得了一系列成果，包括出版专著1部，发表论文18篇，申请专利4项。