四轮独立驱动电动汽车多目标优化与控制分配方法研究

A four-wheel-independent-drive electric vehicle behaves as an over-actuated system since both motor torque and hydraulic braking torque can be regulated independently for each wheel. The torque control allocation during driving or braking is closedly related to energy-saving, safety, and maneuverability of the vehicle, which is not fully considered in existing research. In view of the multi-control-objective property including vehicle speed tracking, energy-saving, maneuverability and safety, this project formulates the control problem as a multi-objective optimization, and focuses on torque planning and control of each wheel. Firstly, the multi-objective optimization index and the constraint are derived, and a nonlinear predictive control method is designed to compute target torques for each wheel. Additionally, considering the distinct dynamics and uncertainties of the motor and the hydraulic braking system, a robust dynamic control allocation method is developed for the wheel torque control during braking. Furthermore, an online regulation method for the multi-objective optimization index weights is explored to widen the applicable cases and to enhance the control performance. This project has important theoretical significance and practical value for driving and braking performance optimization of the four-wheel-independent-drive electric vehicle, but also enriches and improves the theory and application about the control allocation of the over-actuated system.

四轮独立驱动电动汽车具有各车轮电机力矩和液压制动力矩均可独立调节的过驱动系统特征，其在驱动/制动过程中的力矩控制分配方式与车辆节能、安全及操控性密切相关，而现有研究未予以充分考虑。本项目针对四轮独立驱动电动汽车驱动/制动控制中的车速跟踪、能量优化、操控性能以及行车安全等多控制目标特点，将其处理为具有约束的多目标优化问题，研究各车轮力矩的规划和控制方法。首先，提炼多目标优化和约束描述，并采用预测控制方法解决各车轮力矩规划问题；进而，针对电机和液压执行器的动态特性差异和不确定性，设计鲁棒动态控制分配方法解决制动过程车轮力矩控制问题；最后，分析多目标优化指标权值在线调整方法，进一步提高方法的适用范围和控制性能。本项目不仅对四轮独立驱动电动汽车驱动/制动控制性能优化具有重要的理论意义和实际价值，还可以丰富和完善过驱动系统控制分配相关理论和应用研究。

四轮独立驱动电动汽车可以分别调节各车轮的电机力矩和液压制动力矩，具有明显的过驱动特点，有利于提高车辆节能、安全和操控性能。本项目针对四轮独立驱动电动汽车驱动/制动行驶过程中的能效、安全等控制问题，提出了车辆纵横向集成控制、车轮力矩分配、电液复合制动等控制方法，研究成果包括：（1）为了提高能量回收利用率，提出了一种解耦式再生制动系统结构方案和基于主动增压的液压控制方法，具有结构简单、平顺性好的优点；（2）针对电动汽车车轮力矩过驱动特点，提出了一种基于多目标优化的车轮力矩控制分配方法，不仅可以满足一般工况下的能效优化需求，还可以保证极限工况下的行驶稳定，提高车辆的驱动/制动性能；（3）针对车辆/车轮集成系统维数过高、计算量大的问题，提出了一种分布式模型描述和基于协作的分布式模型预测控制方法，显著缩短了优化求解时间，实现与集中式预测控制接近的性能；（4）针对爆胎等复杂工况下车辆对方向稳定、纵向减速等综合需求，提出了一种基于增益调度鲁棒控制的横摆力矩规划方法和一种基于优化的车轮力矩动态分配方法，可以实现汽车的纵横向集成控制；（5）面向自动驾驶汽车应用问题，提出了一种基于滑模的制动减速度跟踪控制方法，进一步扩展了研究工作的应用范畴。本项目完成了项目计划中规定的研究内容，并分别基于高精度车辆动力学软件、硬件在回路仿真测试系统、试验车转鼓和道路测试对上述算法进行了大量试验验证。.本项目为四轮独立驱动电动汽车驱动/制动控制提出了一系列创新性方法，取得了一定的研究成果，可以在保证车辆行驶安全的同时实现对车速跟踪、能量优化、操控性能的综合控制，从而显著提高车辆整体性能及工况适应性，具有较好的应用前景。