分布式电动车辆多线控执行系统动力学优化及容错控制方法

Besides of energy saving, active safety control is another worldwide challenge for research and development of electric vehicles. This proposal looks into a distributed electric vehicle with a multi-actuation system structure including independent drive/brake/steer/suspension-by-wire systems, explores the fundamental theory and method for multi-system coupling dynamics, coordinated control and active fault-tolerant control of such kind of vehicle, and aims to fully exert the overall advantages of each actuation-by-wire system to comprehensively enhance active safety performance of an electric vehicle. This proposal will construct a hierarchical control architecture, in which the desired forces and torques are calculated in the upper controller; in the middle controller, the nonlinear dynamic optimal control of longitudinal/lateral/vertical tire forces is studied based on the nonlinear dynamic optimization theory, and the principle of multi-actuation system failure and compensation mechanism are analyzed to propose an active fault-tolerant control method based on longitudinal/lateral/vertical tire force coordination; in the lower controller, the inverse models of the tire and actuation-by-wire systems are constructed to address the conversion problem between longitudinal/lateral/vertical tire forces and the control commands of the actuation systems. In this program, the innovative breakthroughs are expected to be achieved in the optimization and fault-tolerant control architecture of multi-actuation systems, the dynamic optimal control method and the active fault-tolerant control method based on the inverse model of system dynamics and dynamic coordinated control of longitudinal/lateral/vertical tire forces.

电动汽车的主动安全控制是除节能之外，电动车辆研发亟待突破的另一项国际难题。申请者以具有独立线控驱动/制动/转向/悬架多执行系统结构特征的分布式电动车辆为研究对象，探讨该类型车辆的多系统耦合动力学、协同控制及主动容错控制所涉及的基础理论和方法，力求充分发挥各线控系统整体优势，综合提升电动车辆主动安全性能。本项目将构建分层控制架构，首先通过上层控制器求解期望合力及力矩；重点研究中层控制中基于非线性动态优化理论的“纵/横/垂”三向力非线性动态优化控制方法，探讨多执行系统失效原理及其补偿机制，拟提出基于“纵/横/垂”三向力协同的主动容错控制方法；在下层控制中，构建轮胎及线控执行系统动力学逆模型，以解决轮胎三向力与线控执行系统控制命令的转换难题。本项目力争在基于系统动力学逆模型和轮胎三向力动态协同优化的多执行系统优化与容错控制构架、动态优化控制方法与主动容错控制方法三个方面取得创新性突破。

高性能电动汽车已成为全球汽车行业的热点，而如何有效提升其综合性能，尤其是整车安全性，被公认为是该领域的国际难题。本项目以具有独立线控驱动/制动/转向/悬架多执行系统结构特征的分布式电动车辆为研究对象，开展了分布式电动车辆多线控执行系统动力学优化及容错控制方法的研究。项目组首先提出了多执行系统优化与容错控制结构，在此基础上对线控执行系统与轮胎的非线性动力学耦合特性分析及动力学模型建模、“纵/横/垂”三向力非线性动态优化控制方法、多执行系统失效分析及失效补偿机制、多执行系统主动容错控制方法等进行了深入研究，取得如下创新性成果：.1）提出了分布式电动车辆多执行系统无模型自适应协同容错控制方法，建立了驱动/制动/转向系统的多输入多输出无模型自校正控制器，突破了对系统故障精准建模的约束，同时解决了单执行系统主动容错和多执行系统协同容错难题。 .2）提出了分布式电动车辆“纵-横-垂”三向力协同主动容错控制方法，建立正常执行器冗余度模型，对正常状态下“纵-横-垂”三向力优化的约束条件、目标函数和多约束非凸函数优化求解方法进行容错处理，解决了异构执行系统之间主动容错控制难题。.3）创建了分布式电动车辆多执行系统优化与容错控制架构，提出将多执行系统主动容错控制与轮胎三向力协同优化相结合，不仅解决了驱动/制动/转向/悬挂多执行系统的协同容错问题，而且有效解决了系统优化控制与容错控制的融合难题。.此外，项目组还建立了分布式电动车辆协同优化及容错控制仿真平台、硬件在环试验平台和实车试验平台，完成了相关理论方法的仿真及试验验证。.项目执行期间，发表了SCI/EI学术论文16篇（其中SCI检索10篇），申请国家发明专利2项，授权国家发明专利2项，出版专著1部。获国家科学技术进步奖二等奖1项，中国汽车工业科学技术进步奖一等奖1项。培养研究生10人，博士后5人。.项目研究成果为分布式电动汽车动力学及容错控制研究提供了方法支撑。