四轮独立电驱动车辆的网络时滞动力学及控制研究

The four-wheel-individually-drive (4WID) electric vehicle (EV) has significant advantages in vehicle dynamics control. But the control must depend on the vehicle's network system to coordinate the sub-controllers such as the motor controller. Therefore the whole control system becomes a complex mechanical electrical network based dynamic system, in which the vehicle's network delay strongly influences to the vehicle dynamic behaviors..In this fund application the author wants to build up the complex 4WID EV's dynamic model coupling with the mechanical, electrical and network delay behaviors. The critical rules of the network-delay influences to the vehicle dynamics such as TCS, ABS and ESP will be discovered. Then the optimized dynamics control strategy with network delays will be carried out. The diagnosis and fault tolerant control of 4WID EV's key sensors, actuators, controllers and network will be studied..This fund application is a inter-disciplinary of complex mechanical-electrical system and network delay control theory, the research results will be helpful for engineering design of 4WID EVs, and it will also further prompt the research and development of China's EVs.

采用四个轮毂电机独立驱动的电动车在动力学控制上有较大的优点，但其动力学控制必须依靠车载网络来协调控制各控制器，形成了网络在回路中的复杂机-电-网络耦合动力学系统，车载网络的时滞特性对整车动力学控制具有重要影响。本基金项目拟建立包含网络时滞特性的复杂机-电-网络耦合的整车动力学模型；围绕车辆的驱动防滑、制动防抱死、车身横向稳定等一系列动力学控制过程，揭示网络时滞特性对整车动力学控制的影响规律；开展基于网络时滞非线性动力系统理论的动力学控制的研究；探索复杂机-电-网络耦合条件下的四轮驱动电动车关键传感器、执行器和车载网络的故障诊断和容错控制方法。本基金的研究交叉了复杂机电系统动力学和网络时滞控制理论两个领域，研究结果将为四轮独立驱动电动车控制系统的工程化设计提供理论指导，对促进我国电动汽车的发展具有重要意义。

网络时滞是分布式驱动电动汽车的固有特性，网络时滞对车辆动力学及其控制性能的影响究竟如何，以及在网络存在延迟的条件下应该如何进行控制，是分布式电驱动车辆和未来的智能网联车辆中的重要科学问题。.本研究以四轮独立电驱动车辆为研究对象，首先建立了包含网络延迟的整车动力学模型，分析了不同程度的网络时滞对系统稳定性的影响，结果表明当网络通讯延迟超过40ms时，整车动力学稳定性将受到明显的影响；在此基础上，从控制系统的稳定性评价指标入手，建立了考虑随机时变网络延时的面向控制的时滞动力学模型，采用不确定系统的矩阵多胞形模型对随机时变网络延时引入的不确定性进行描述，解决了网络时滞和整车动力学耦合建模和及其影响的定量描述这一关键科学问题。.在分层控制架构下，设计了对随机时变网络延时具有鲁棒性的上层控制器，设计了对网络通信中断故障具有容错能力的转矩优化分配算法，基于H∞鲁棒控制理论和 LQR 的思想进行上层跟踪控制器的设计，并采用线性矩阵不等式工具求解了控制器的最优反馈增益，解决了实际运行条件下，由控制网络的随机延迟所带来的整车动力学稳定性如何控制的理论问题。.在四轮车辆刚体模型和魔术公式轮胎模型的基础上，采用过驱动系统的控制分配理论设计了基于二次规划的四轮转矩优化分配算法，保证四轮的驱/制动转矩输出能够精确满足上层控制器的直接横摆转矩需求的同时，实现了底层执行器控制量与轮胎-路面附着情况的最优化。通过搭建整车分布式控制系统的硬件在环仿真平台，进一步验证了本文提出的控制算法。.除此之外，还针对电动轮的振动问题展开研究，并将滑模控制器与最大转矩估计算法进行结合，提出了新的算法来实现无传感器四轮独立电驱动车辆的驱动防滑控制。通过本基金项目，形成了电驱动轮高频动力学建模-控制网络时滞特性分析-整车动力学稳定性鲁棒控制的三层分布式驱动车辆动力学建模及其控制方法。