CN107010104B - 一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法及系统 - Google Patents

一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法及系统 Download PDF

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CN107010104B CN201710138631.3A CN201710138631A CN107010104B CN 107010104 B CN107010104 B CN 107010104B CN 201710138631 A CN201710138631 A CN 201710138631A CN 107010104 B CN107010104 B CN 107010104B
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Abstract

本发明公开了一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法及系统；所述方法包括以下步骤：S1、获取车辆参考横摆角速度信息以及车辆实际行驶过程中的实际横摆角速度信息；S2、提取实际横摆角速度偏差及实际横摆角速度偏差的导数并组成特征状态；S3、建立滑模控制器，并基于可拓理论的可拓集合对滑模控制器在不同值域内进行拓展设计，以建立全域范围内的可拓滑模控制器；S4、根据特征状态对可拓集合进行划分，且计算出不同集合状态下的可拓控制的关联函数，并根据关联函数划分测度模式，为不同测度模式分配控制策略；S5、根据可拓滑模控制器在不同测度模式下输出车辆理想前轮转角，并使车辆实际前轮转角跟踪车辆理想前轮转角。

Description

一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法及系统
技术领域
本发明涉及车辆线控转向技术领域，尤其涉及一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法及系统。
背景技术
传统的汽车转向系统包括机械转向系统、液压助力转向系统以及电动助力转向系统等，都在方向盘与转向车轮之间保留了机械连接，因此存在着汽车转向过程中方向盘转角与转向车轮之间的比值即转向角传动比不随车速变化而改变以及转向柱的存在威胁驾驶员的人身安全等缺点，固定的转向传动比不能消除转向轻便与转向灵敏之间的矛盾，难以满足不同车速下操纵稳定性的需要。汽车的线控转向系统(Steer by Wire，简称SBW)由于取消了方向盘和转向车轮之间部分机械连接，使得汽车的转向特性可以自由的设计，从而可以基于汽车转向增益不变设计变角传动比，使得汽车在高速行驶时转向角传动比较大，低速时汽车的转向角传动比较小。控制汽车转向增益不变的变角传动比前馈控制是稳态意义上的控制，但实际行驶中的汽车经常处于动态过程。因此，在变角传动比前馈控制基础上，采用了基于汽车运动状态反馈的动态校正控制算法，主动校正汽车的运动状态，使汽车恢复稳定性。
已经公布的专利中有关于线控转向系统控制方法的。例如专利《用于汽车线控转向系统的控制方法》(中国专利公开号：CN102320326A)采用转矩控制位差反馈式双向伺服控制结构可以避免由于转向盘与小齿轮的位置偏差而造成转向执行模块的大幅转动甚至到达极限位置的现象，转向盘到小齿轮的角传动比和力传动比可变，实现现有线控转向系统转向及回正时的控制问题，但没有涉及前轮转角控制算法，本专利通过SBW系统控制汽车前轮转角，当汽车有失稳趋势时，消除实际横摆角速度和参考横摆角速度的差值，主动校正汽车的运动状态，使汽车恢复稳定性。
《一种线控转向系统的分数阶PID控制方法》(中国专利公开号：CN104908814A)汽车线控转向系统主要由电子控制单元模块、转向盘模块、转向电机模块、前轮转向模块等组成，联立各模块的传递函数可得到汽车线控转向系统的动力学传递函数，结合系统的传递函数和分数阶PID控制传递函数得到开换系统的相角与增益，根据开环系统的稳定裕量指标，利用粒子群优化算法计算得到分数阶PID控制器的参数KP、KI、Kd、λ、μ，通过分数阶PID控制器计算得到的电机电压驱动转向电机，使其输出理想的转向扭矩，该发明所述的控制策略能实现汽车线控转向系统的稳态控制，本专利基于可拓理论，划分汽车行驶状态，对应可拓集合中的经典域、可拓域和非域，在汽车趋于失稳(可拓域)和失稳状态(非域)时加入横摆角速度反馈控制，使线控转向汽车行驶的稳定性得到更好的控制。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法及系统。
本发明提出的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法，包括以下步骤：
S1、获取车辆参考横摆角速度信息以及车辆实际行驶过程中的实际横摆角速度信息；
S2、根据参考横摆角速度信息以及实际横摆角速度信息提取实际横摆角速度偏差及实际横摆角速度偏差的导数，并将实际横摆角速度偏差及实际横摆角速度偏差的导数组成特征状态；
S3、建立滑模控制器，并基于可拓理论的可拓集合对滑模控制器在不同值域内进行拓展设计，以建立全域范围内的可拓滑模控制器；
S4、根据特征状态对可拓集合进行划分，且计算出不同集合状态下的可拓控制的关联函数，并根据关联函数划分测度模式，为不同测度模式分配控制策略；
S5、根据可拓滑模控制器在不同测度模式下输出车辆理想前轮转角，并使车辆实际前轮转角跟踪车辆理想前轮转角。
优选地，步骤S1具体包括：
根据汽车二自由度参考模型获取车辆参考横摆角速度信息；
汽车二自由度参考模型如下：
Figure GDA0002257788580000031
其中，β为质心侧偏角，ωr为横摆角速度，δf为前轮转角，V为车速，m为车辆的整车质量，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，lf为质心到车辆前轴的距离，lr为质心到车辆后轴的距离，Ci为轮胎侧偏刚度且i＝1,2，a11＝(C1+C2)/(m*V)，a12＝(lf*C1-lr*C2)/(m*V2)-1，a21＝(lf*C1-lr*C2)/Iz，a22＝(lf 2*C1+lr 2*C2)/(Iz*V)，b11＝-C1/(m*V)，b21＝-lf*C1/Iz；
根据上述汽车二自由度参考模型得出车辆参考横摆角速度
Figure GDA0002257788580000032
其中，L＝lf+lr。
优选地，步骤S2具体包括：
对参考横摆角速度信息ωrd以及实际横摆角速度ωr′进行差值计算得到实际横摆角速度偏差e，其中，e＝ωrd-ωr′；再计算出实际横摆角速度偏差e的导数
Figure GDA0002257788580000041
并组成特征状态
Figure GDA0002257788580000042
优选地，步骤S3具体包括：
S31、定义误差平面为切换面s＝e，误差平面即为滑模平面；
当
Figure GDA0002257788580000043
到达滑模平面时，系统进入滑动模态状态，系统的动态特性由滑模切换函数决定，即
Figure GDA0002257788580000044
其中，λ为常数；
S32、将
Figure GDA0002257788580000045
代入汽车二自由度参考模型得出：
Figure GDA0002257788580000046
则滑模控制器输出量
Figure GDA0002257788580000047
优选地，系统采用指数趋近律作为滑模趋近律，所述指数趋近律为uh＝-ε·sgn(s)；
其中，sgn(s)为符号函数，ε为滑模控制器的设计参数且ε＞0；
滑模可达性条件为：
Figure GDA0002257788580000048
其中，η＞0；
优选地，系统采用饱和函数sat(s)来代替不连续性函数sgn(s)，其中，
Figure GDA0002257788580000049
则滑模控制器最终输出为：
Figure GDA00022577885800000410
S33、根据特征状态
Figure GDA00022577885800000411
将可拓集合划分为经典域、可拓域和非域；
将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差e作为横坐标，将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差的导数
Figure GDA00022577885800000412
作为纵坐标，将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差以及参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差的微分的容许范围设定为eom和
Figure GDA0002257788580000051
则系统可调的最大偏差为em偏差微分为
Figure GDA00022577885800000511
优选地，步骤S4具体包括：
设
Figure GDA0002257788580000053
特征平面的原点为S0(0,0)，定义
Figure GDA0002257788580000054
Figure GDA0002257788580000055
对于
Figure GDA0002257788580000056
特征平面上任一点
Figure GDA0002257788580000057
定义关联函数为：
Figure GDA0002257788580000058
其中，M为测度模式，K(S)为特征状态关联函数，R为经典域，
Figure GDA0002257788580000059
其中，k1为误差的加权系数，k2为误差变化率的加权系数，且k1＝k2＝1；
则测度模式包括：
测度模式M1：当{S|K(S)≥0}时，特征状态属于经典域，采用滑模控制方法进行控制；
测度模式M2：当{S|-1＜K(S)≤0}时，特征状态属于可拓域，设计控制器的输出为：u(t)＝y(t)/k-Kci·K(S)·sgn(e)；其中，y(t)为输入的实际横摆角速度ωr′与参考横摆角速度ωrd偏差e，k为控制器增益，Kci为当前测度模式的控制系数，K(S)为特征状态关联度，sgn(e)为偏差的符号函数；
测度模式M3：当{S|K(S)≤-1}时特征状态属于非域，取控制器输出幅值um为当前测度模式控制器的输出值，即输入线控转向系统的值为前轮转角的幅值δfm；
可拓滑模控制器输出为：
Figure GDA00022577885800000510
优选地，步骤S5具体包括：
根据可拓滑模控制器在不同测度模式下输出车辆理想前轮转角
Figure GDA0002257788580000061
通过转向执行电机的闭环PID控制，使车辆实际前轮转角δf跟踪车辆理想前轮转角
Figure GDA0002257788580000062
以维持车辆行驶稳定性。
本发明提出的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制系统，包括：
信息获取模块，用于获取车辆参考横摆角速度信息以及车辆实际行驶过程中的实际横摆角速度信息；
信息分析模块，用于根据参考横摆角速度信息以及实际横摆角速度信息提取实际横摆角速度偏差及实际横摆角速度偏差的导数，并将实际横摆角速度偏差及实际横摆角速度偏差的导数组成特征状态；
控制器建立模块，用于建立滑模控制器，并基于可拓理论的可拓集合对滑模控制器在不同值域内进行拓展设计，以建立全域范围内的可拓滑模控制器；
策略分配模块，用于根据特征状态对可拓集合进行划分，且计算出不同集合状态下的可拓控制的关联函数，并根据关联函数划分测度模式，为不同测度模式分配控制策略；
稳定维持模块，用于根据可拓滑模控制器在不同测度模式下输出车辆理想前轮转角，并使车辆实际前轮转角跟踪车辆理想前轮转角。
优选地，信息获取模块具体用于：
根据汽车二自由度参考模型获取车辆参考横摆角速度信息；
汽车二自由度参考模型如下：
Figure GDA0002257788580000063
其中，β为质心侧偏角，ωr为横摆角速度，δf为前轮转角，V为车速，m为车辆的整车质量，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，lf为质心到车辆前轴的距离，lr为质心到车辆后轴的距离，Ci为轮胎侧偏刚度且i＝1,2，a11＝(C1+C2)/(m*V)，a12＝(lf*C1-lr*C2)/(m*V2)-1，a21＝(lf*C1-lr*C2)/Iz，a22＝(lf 2*C1+lr 2*C2)/(Iz*V)，b11＝-C1/(m*V)，b21＝-lf*C1/Iz；
根据上述汽车二自由度参考模型得出车辆参考横摆角速度
Figure GDA0002257788580000071
其中，L＝lf+lr。
优选地，信息分析模块具体用于：
对参考横摆角速度信息ωrd以及实际横摆角速度ωr′进行差值计算得到实际横摆角速度偏差e，其中，e＝ωrd-ωr′；再计算出实际横摆角速度偏差e的导数
Figure GDA0002257788580000072
并组成特征状态
Figure GDA0002257788580000073
优选地，控制器建立模块具体用于：
a、定义误差平面为切换面s＝e，误差平面即为滑模平面；
当
Figure GDA0002257788580000074
到达滑模平面时，系统进入滑动模态状态，系统的动态特性由滑模切换函数决定，即
Figure GDA0002257788580000075
其中，λ为常数；
b、将
Figure GDA0002257788580000076
代入汽车二自由度参考模型得出：
Figure GDA0002257788580000077
则滑模控制器输出量
Figure GDA0002257788580000078
优选地，系统采用指数趋近律作为滑模趋近律，所述指数趋近律为uh＝-ε·sgn(s)；
其中，sgn(s)为符号函数，ε为滑模控制器的设计参数且ε＞0；
滑模可达性条件为：
Figure GDA0002257788580000081
其中，η＞0；
优选地，系统采用饱和函数sat(s)来代替不连续性函数sgn(s)，其中，
Figure GDA0002257788580000082
则滑模控制器最终输出为：
Figure GDA0002257788580000083
c、根据特征状态
Figure GDA0002257788580000084
将可拓集合划分为经典域、可拓域和非域；
将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差e作为横坐标，将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差的导数
Figure GDA0002257788580000085
作为纵坐标，将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差以及参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差的微分的容许范围设定为eom和
Figure GDA0002257788580000086
则系统可调的最大偏差为em偏差微分为
Figure GDA00022577885800000815
优选地，策略分配模块具体用于：
设
Figure GDA0002257788580000088
特征平面的原点为S0(0,0)，定义
Figure GDA0002257788580000089
Figure GDA00022577885800000810
对于
Figure GDA00022577885800000811
特征平面上任一点
Figure GDA00022577885800000812
定义关联函数为：
Figure GDA00022577885800000813
其中，M为测度模式，K(S)为特征状态关联函数，R为经典域，
Figure GDA00022577885800000814
其中，k1为误差的加权系数，k2为误差变化率的加权系数，且k1＝k2＝1；
则测度模式包括：
测度模式M1：当{S|K(S)≥0}时，特征状态属于经典域，采用滑模控制方法进行控制；
测度模式M2：当{S|-1＜K(S)≤0}时，特征状态属于可拓域，设计控制器的输出为：u(t)＝y(t)/k-Kci·K(S)·sgn(e)；其中，y(t)为输入的实际横摆角速度ωr′与参考横摆角速度ωrd偏差e，k为控制器增益，Kci为当前测度模式的控制系数，K(S)为特征状态关联度，sgn(e)为偏差的符号函数；
测度模式M3：当{S|K(S)≤-1}时特征状态属于非域，取控制器输出幅值um为当前测度模式控制器的输出值，即输入线控转向系统的值为前轮转角的幅值δfm；
可拓滑模控制器输出为：
Figure GDA0002257788580000091
优选地，稳定维持模块具体用于：
根据可拓滑模控制器在不同测度模式下输出车辆理想前轮转角
Figure GDA0002257788580000092
通过转向执行电机的闭环PID控制，使车辆实际前轮转角δf跟踪车辆理想前轮转角
Figure GDA0002257788580000093
以维持车辆行驶稳定性。
本发明提出的一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法及系统，基于可拓理论对车辆的实际行驶状态进行划分，并将车辆的实际行驶状态对应于可拓集合中的经典域、可拓域和非域，在车辆趋于失稳状态(可拓域)和失稳状态(非域)时加入横摆角速度反馈控制，实现线控转向汽车行驶稳定性的控制，以实现车辆行驶过程中的稳定性。
附图说明
图1为一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法的步骤示意图；
图2为一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制系统的结构示意图；
图3为一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法及系统的可拓滑模控制系统的结构示意图；
图4为一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法及系统的线控转向综合控制示意图；
图5为一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法及系统中特征状态的可拓集合的结构示意图；
图6为实施例中线控转向试验台示意图；
图7为实施例中高路面附着系数仿真结果示意图；
图8为实施例中高路面附着系数仿真结果示意图；
图9为实施例中高路面附着系数仿真结果示意图；
图10为实施例中低路面附着系数仿真结果示意图；
图11为实施例中低路面附着系数仿真结果示意图。
具体实施方式
参照图1、图3-图5，本发明提出的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法，包括以下步骤：
S1、获取车辆参考横摆角速度信息以及车辆实际行驶过程中的实际横摆角速度信息；
步骤S1具体包括：
根据汽车二自由度参考模型获取车辆参考横摆角速度信息；
汽车二自由度参考模型如下：
Figure GDA0002257788580000101
其中，β为质心侧偏角，ωr为横摆角速度,δf为前轮转角，V为车速，m为车辆的整车质量，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，lf为质心到车辆前轴的距离，lr为质心到车辆后轴的距离，Ci为轮胎侧偏刚度且i＝1,2，a11＝(C1+C2)/(m*v)，a12＝(lf*C1-lr*C2)/(m*V2)-1，a21＝(lf*C1-lr*C2)/Iz，a22＝(lf 2*C1+lr 2*C2)/(Iz*V)，b11＝-C1/(m*V)，b21＝-lf*C1/Iz；
根据上述汽车二自由度参考模型得出车辆参考横摆角速度
Figure GDA0002257788580000111
其中，L＝lf+lr。
S2、根据参考横摆角速度信息以及实际横摆角速度信息提取实际横摆角速度偏差及实际横摆角速度偏差的导数，并将实际横摆角速度偏差及实际横摆角速度偏差的导数组成特征状态；
步骤S2具体包括：
对参考横摆角速度信息ωrd以及实际横摆角速度ωr′进行差值计算得到实际横摆角速度偏差e，其中，e＝ωrd-ωr′；再计算出实际横摆角速度偏差e的导数
Figure GDA0002257788580000112
并组成特征状态
Figure GDA0002257788580000113
S3、建立滑模控制器，并基于可拓理论的可拓集合对滑模控制器在不同值域内进行拓展设计，以建立全域范围内的可拓滑模控制器；
步骤S3具体包括：
S31、定义误差平面为切换面s＝e，误差平面即为滑模平面；
当
Figure GDA0002257788580000114
到达滑模平面时，系统进入滑动模态状态，系统的动态特性由滑模切换函数决定，即
Figure GDA0002257788580000115
其中，λ为常数；
S32、将
Figure GDA0002257788580000116
代入汽车二自由度参考模型得出：
Figure GDA0002257788580000117
则滑模控制器输出量
Figure GDA0002257788580000118
优选地，为使系统存在扰动和参数不确定时仍能满足控制器输出量，采用指数趋近律作为滑模趋近律，所述指数趋近律为uh＝-ε·sgn(s)；
其中，sgn(s)为符号函数，ε为滑模控制器的设计参数且ε＞0，ε决定了系统到达滑模平面的速度；
滑模可达性条件为：
Figure GDA0002257788580000121
其中，η＞0；
优选地，为了改善滑模控制器的性能，采用饱和函数sat(s)来代替不连续性函数sgn(s)以减少系统产生的“抖振”，
Figure GDA0002257788580000122
则滑模控制器最终输出为：
Figure GDA0002257788580000123
S33、根据特征状态
Figure GDA0002257788580000124
将可拓集合划分为经典域、可拓域和非域；
将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差e作为横坐标，将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差的导数
Figure GDA0002257788580000125
作为纵坐标，将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差以及参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差的微分的容许范围设定为eom和
Figure GDA0002257788580000126
则系统可调的最大偏差为em偏差微分为
Figure GDA00022577885800001213
S4、根据特征状态对可拓集合进行划分，且计算出不同集合状态下的可拓控制的关联函数，并根据关联函数划分测度模式，为不同测度模式分配控制策略；
步骤S4具体包括：
设
Figure GDA0002257788580000128
特征平面的原点为S0(0,0)，定义
Figure GDA0002257788580000129
Figure GDA00022577885800001210
对于
Figure GDA00022577885800001211
特征平面上任一点
Figure GDA00022577885800001212
定义关联函数为：
Figure GDA0002257788580000131
其中，M为测度模式，K(S)为特征状态关联函数，R为经典域，
Figure GDA0002257788580000132
其中，k1为误差的加权系数，k2为误差变化率的加权系数，由于选取的特征量在表征系统静态及动态过程特征方面作用是同等重要,则无需确定特征模式中每个特征量对应的加权系数,即所有特征模式加权系数k1＝k2＝1；
则测度模式包括：
测度模式M1：当{S|K(S)≥0}时，特征状态属于经典域，线控转向汽车的主动前轮转向控制效果最好，采用滑模控制方法进行控制；
测度模式M2：当{S|-1＜K(S)≤0}时，特征状态属于可拓域，在此范围内控制性能往往会变差,但是可以通过调节特征状态，改变控制输出量，进而改善系统控制性能，设计控制器的输出为：u(t)＝y(t)/k-Kci·K(S)·sgn(e)
其中，y(t)为输入的实际横摆角速度ωr′与参考横摆角速度ωrd偏差e，k为控制器增益，Kci为当前测度模式的控制系数，K(S)为特征状态关联度，sgn(e)为偏差的符号函数；
测度模式M3：当{S|K(S)≤-1}时特征状态属于非域，控制器的控制输出量不能拓展稳定域，此时为了尽可能使不稳定区域减小，取控制器输出幅值um为当前测度模式控制器的输出值，即输入线控转向系统的值为前轮转角的幅值δfm；
综上所述，可拓滑模控制器输出为：
Figure GDA0002257788580000133
S5、根据可拓滑模控制器在不同测度模式下输出车辆理想前轮转角，并使车辆实际前轮转角跟踪车辆理想前轮转角；根据可拓滑模控制器在不同测度模式下输出车辆理想前轮转角
Figure GDA0002257788580000141
通过转向执行电机的闭环PID控制，使车辆实际前轮转角δf跟踪车辆理想前轮转角
Figure GDA0002257788580000142
以维持车辆行驶稳定性。
参照图2-图5，图2-图5为本发明提出的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制系统，包括：
信息获取模块，用于获取车辆参考横摆角速度信息以及车辆实际行驶过程中的实际横摆角速度信息；
信息获取模块具体用于：
根据汽车二自由度参考模型获取车辆参考横摆角速度信息；
汽车二自由度参考模型如下：
Figure GDA0002257788580000143
其中，β为质心侧偏角，ωr为横摆角速度,δf为前轮转角，V为车速，m为车辆的整车质量，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，lf为质心到车辆前轴的距离，lr为质心到车辆后轴的距离，Ci为轮胎侧偏刚度且i＝1,2，a11＝(C1+C2)/(m*V)，a12＝(lf*C1-lr*C2)/(m*V2)-1，a21＝(lf*C1-lr*C2)/Iz，a22＝(lf 2*C1+lr 2*C2)/(Iz*V)，b11＝-C1/(m*V)，b21＝-lf*C1/Iz；
根据上述汽车二自由度参考模型得出车辆参考横摆角速度
Figure GDA0002257788580000144
其中，L＝lf+lr。
信息分析模块，用于根据参考横摆角速度信息以及实际横摆角速度信息提取实际横摆角速度偏差及实际横摆角速度偏差的导数，并将实际横摆角速度偏差及实际横摆角速度偏差的导数组成特征状态；
信息分析模块具体用于：
对参考横摆角速度信息ωrd以及实际横摆角速度ωr′进行差值计算得到实际横摆角速度偏差e，其中，e＝ωrd-ωr′；再计算出实际横摆角速度偏差e的导数
Figure GDA0002257788580000151
并组成特征状态
Figure GDA0002257788580000152
控制器建立模块，用于建立滑模控制器，并基于可拓理论的可拓集合对滑模控制器在不同值域内进行拓展设计，以建立全域范围内的可拓滑模控制器；
控制器建立模块具体用于：
a、定义误差平面为切换面s＝e，误差平面即为滑模平面；
当
Figure GDA0002257788580000153
到达滑模平面时，系统进入滑动模态状态，系统的动态特性由滑模切换函数决定，即
Figure GDA0002257788580000154
其中，λ为常数；
b、将
Figure GDA0002257788580000155
代入汽车二自由度参考模型得出：
Figure GDA0002257788580000156
则滑模控制器输出量
Figure GDA0002257788580000157
优选地，为使系统存在扰动和参数不确定时仍能满足控制器输出量，采用指数趋近律作为滑模趋近律，所述指数趋近律为uh＝-ε·sgn(s)；
其中，sgn(s)为符号函数，ε为滑模控制器的设计参数且ε＞0，ε决定了系统到达滑模平面的速度；
滑模可达性条件为：
Figure GDA0002257788580000158
其中，η＞0；
优选地，为了改善滑模控制器的性能，采用饱和函数sat(s)来代替不连续性函数sgn(s)以减少系统产生的“抖振”，
Figure GDA0002257788580000159
则滑模控制器最终输出为：
Figure GDA0002257788580000161
c、根据特征状态
Figure GDA0002257788580000162
将可拓集合划分为经典域、可拓域和非域；
将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差e作为横坐标，将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差的导数
Figure GDA0002257788580000163
作为纵坐标，将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差以及参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差的微分的容许范围设定为eom和
Figure GDA00022577885800001612
则系统可调的最大偏差为em偏差微分为
Figure GDA00022577885800001613
策略分配模块，用于根据特征状态对可拓集合进行划分，且计算出不同集合状态下的可拓控制的关联函数，并根据关联函数划分测度模式，为不同测度模式分配控制策略；
策略分配模块具体用于：
设
Figure GDA0002257788580000165
特征平面的原点为S0(0,0)，定义
Figure GDA0002257788580000166
Figure GDA0002257788580000167
对于
Figure GDA0002257788580000168
特征平面上任一点
Figure GDA0002257788580000169
定义关联函数为：
Figure GDA00022577885800001610
其中，M为测度模式，K(S)为特征状态关联函数，R为经典域，
Figure GDA00022577885800001611
其中，k1为误差的加权系数，k2为误差变化率的加权系数，由于选取的特征量在表征系统静态及动态过程特征方面作用是同等重要,则无需确定特征模式中每个特征量对应的加权系数,即所有特征模式加权系数k1＝k2＝1；
则测度模式包括：
测度模式M1：当{S|K(S)≥0}时，特征状态属于经典域，线控转向汽车的主动前轮转向控制效果最好，采用滑模控制方法进行控制；
测度模式M2：当{S|-1＜K(S)≤0}时，特征状态属于可拓域，在此范围内控制性能往往会变差,但是可以通过调节特征状态，改变控制输出量，进而改善系统控制性能，设计控制器的输出为：u(t)＝y(t)/k-Kci·K(S)·sgn(e)；其中，y(t)为输入的实际横摆角速度ωr′与参考横摆角速度ωrd偏差e，k为控制器增益，Kci为当前测度模式的控制系数，K(S)为特征状态关联度，sgn(e)为偏差的符号函数；
测度模式M3：当{S|K(S)≤-1}时特征状态属于非域，控制器的控制输出量不能拓展稳定域，此时为了尽可能使不稳定区域减小，取控制器输出幅值um为当前测度模式控制器的输出值，即输入线控转向系统的值为前轮转角的幅值δfm；
综上所述，可拓滑模控制器输出为：
Figure GDA0002257788580000171
稳定维持模块，用于根据可拓滑模控制器在不同测度模式下输出车辆理想前轮转角，并使车辆实际前轮转角跟踪车辆理想前轮转角；根据可拓滑模控制器在不同测度模式下输出车辆理想前轮转角
Figure GDA0002257788580000172
通过转向执行电机的闭环PID控制，使车辆实际前轮转角δf跟踪车辆理想前轮转角
Figure GDA0002257788580000173
以维持车辆行驶稳定性。
基于可拓理论对车辆的实际行驶状态进行划分，并将车辆的实际行驶状态对应于可拓集合中的经典域、可拓域和非域，在车辆趋于失稳状态(可拓域)和失稳状态(非域)时加入横摆角速度反馈控制，实现线控转向汽车行驶稳定性的控制，以实现车辆行驶过程中的稳定性。
为了验证本发明提出的一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法及系统的准确性，以下结合一个仿真实例对上述方法进行验证：：
采用双移线工况，车速为60km/h，路面附着系数为0.9时，试验结果如图6-图8所示；当车速50km/h，路面附着系数为0.2时，试验结果如图9-图11所示；
在高路面附着系数情况下，采用本发明时汽车实际行驶路径与期望路径的横向误差和纵向误差均有较大改善，横摆角速度、质心侧偏角有着明显地减小；在低附着系数路面情况下，由于路面附着系数较低，没有施加控制的汽车在换道时由于轮胎力达到了饱和状态，汽车偏离了正常行驶路径，而采用本发明时，汽车可以按照预期的行驶路径完成行驶，且横摆角速度和质心侧偏角均有减小，确保了汽车的行驶稳定性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取车辆参考横摆角速度信息以及车辆实际行驶过程中的实际横摆角速度信息；
S2、根据参考横摆角速度信息以及实际横摆角速度信息提取实际横摆角速度偏差及实际横摆角速度偏差的导数，并将实际横摆角速度偏差及实际横摆角速度偏差的导数组成特征状态；
S3、建立滑模控制器，并基于可拓理论的可拓集合对滑模控制器在不同值域内进行拓展设计，以建立全域范围内的可拓滑模控制器；
S4、根据特征状态对可拓集合进行划分，且计算出不同集合状态下的可拓控制的关联函数，并根据关联函数划分测度模式，为不同测度模式分配控制策略；
S5、根据可拓滑模控制器在不同测度模式下输出车辆理想前轮转角，并使车辆实际前轮转角跟踪车辆理想前轮转角。
2.根据权利要求1所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
根据汽车二自由度参考模型获取车辆参考横摆角速度信息；
汽车二自由度参考模型如下：
Figure FDA0002111875630000011
其中，β为质心侧偏角，ωr为横摆角速度，δf为前轮转角，V为车速，m为车辆的整车质量，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，lf为质心到车辆前轴的距离，lr为质心到车辆后轴的距离，Ci为轮胎侧偏刚度且i＝1,2，a11＝(C1+C2)/(m*V)，a12＝(lf*C1-lr*C2)/(m*V2)-1，a21＝(lf*C1-lr*C2)/Iz，a22＝(lf 2*C1+lr 2*C2)/(Iz*V)，b11＝-C1/(m*V)，b21＝-lf*C1/Iz；
根据上述汽车二自由度参考模型得出车辆参考横摆角速度
Figure FDA0002111875630000021
其中，
Figure FDA0002111875630000022
为稳定性因数，L＝lf+lr。
3.根据权利要求2所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
对参考横摆角速度信息ωrd以及实际横摆角速度ωr′进行差值计算得到实际横摆角速度偏差e，其中，e＝ωrd-ωr′；再计算出实际横摆角速度偏差e的导数
Figure FDA0002111875630000023
并组成特征状态
Figure FDA0002111875630000024
4.根据权利要求3所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S31、定义误差平面为切换面s＝e，误差平面即为滑模平面；
当
Figure FDA0002111875630000025
到达滑模平面时，系统进入滑动模态状态，系统的动态特性由滑模切换函数决定，即
Figure FDA0002111875630000026
其中，λ为常数；
S32、将
Figure FDA0002111875630000027
代入汽车二自由度参考模型得出：
Figure FDA0002111875630000028
则滑模控制器输出量
Figure FDA0002111875630000029
5.根据权利要求4所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法，其特征在于，系统采用指数趋近律作为滑模趋近律，所述指数趋近律为uh＝-ε·sgn(s)；
其中，sgn(s)为符号函数，ε为滑模控制器的设计参数且ε＞0；
滑模可达性条件为：
Figure FDA0002111875630000031
其中，η＞0。
6.根据权利要求4所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法，其特征在于，系统采用饱和函数sat(s)来代替不连续性函数sgn(s)，其中，
Figure FDA0002111875630000032
则滑模控制器最终输出为：
Figure FDA0002111875630000033
S33、根据特征状态
Figure FDA0002111875630000034
将可拓集合划分为经典域、可拓域和非域；
将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差e作为横坐标，将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差的导数
Figure FDA0002111875630000035
作为纵坐标，将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差以及参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差的微分的容许范围设定为eom和
Figure FDA0002111875630000036
则系统可调的最大偏差为em偏差微分为
Figure FDA00021118756300000314
7.根据权利要求4-6任一项所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
设
Figure FDA0002111875630000038
特征平面的原点为S0(0,0)，定义
Figure FDA0002111875630000039
Figure FDA00021118756300000310
对于
Figure FDA00021118756300000311
特征平面上任一点
Figure FDA00021118756300000312
定义关联函数为：
Figure FDA00021118756300000313
其中，M为测度模式，K(S)为特征状态关联函数，R为经典域，
Figure FDA0002111875630000041
其中，k1为误差的加权系数，k2为误差变化率的加权系数，且k1＝k2＝1；
则测度模式包括：
测度模式M1：当{S|K(S)≥0}时，特征状态属于经典域，采用滑模控制方法进行控制；
测度模式M2：当{S|-1＜K(S)≤0}时，特征状态属于可拓域，设计控制器的输出为：u(t)＝y(t)/k-Kci·K(S)·sgn(e)；其中，y(t)为输入的实际横摆角速度ωr′与参考横摆角速度ωrd偏差e，k为控制器增益，Kci为当前测度模式的控制系数，K(S)为特征状态关联度，sgn(e)为偏差的符号函数；
测度模式M3：当{S|K(S)≤-1}时特征状态属于非域，取控制器输出幅值um为当前测度模式控制器的输出值，即输入线控转向系统的值为前轮转角的幅值δfm；
可拓滑模控制器输出为：
Figure FDA0002111875630000042
8.根据权利要求4-6任一项所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制方法，其特征在于，步骤S5具体包括：
根据可拓滑模控制器在不同测度模式下输出车辆理想前轮转角
Figure FDA0002111875630000043
通过转向执行电机的闭环PID控制，使车辆实际前轮转角δf跟踪车辆理想前轮转角
Figure FDA0002111875630000044
以维持车辆行驶稳定性。
9.一种基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制系统，其特征在于，包括：
信息获取模块，用于获取车辆参考横摆角速度信息以及车辆实际行驶过程中的实际横摆角速度信息；
信息分析模块，用于根据参考横摆角速度信息以及实际横摆角速度信息提取实际横摆角速度偏差及实际横摆角速度偏差的导数，并将实际横摆角速度偏差及实际横摆角速度偏差的导数组成特征状态；
控制器建立模块，用于建立滑模控制器，并基于可拓理论的可拓集合对滑模控制器在不同值域内进行拓展设计，以建立全域范围内的可拓滑模控制器；
策略分配模块，用于根据特征状态对可拓集合进行划分，且计算出不同集合状态下的可拓控制的关联函数，并根据关联函数划分测度模式，为不同测度模式分配控制策略；
稳定维持模块，用于根据可拓滑模控制器在不同测度模式下输出车辆理想前轮转角，并使车辆实际前轮转角跟踪车辆理想前轮转角。
10.根据权利要求9所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制系统，其特征在于，信息获取模块具体用于：
根据汽车二自由度参考模型获取车辆参考横摆角速度信息；
汽车二自由度参考模型如下：
Figure FDA0002111875630000051
其中，β为质心侧偏角，ωr为横摆角速度，δf为前轮转角，V为车速，m为车辆的整车质量，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，lf为质心到车辆前轴的距离，lr为质心到车辆后轴的距离，Ci为轮胎侧偏刚度且i＝1,2，a11＝(C1+C2)/(m*V)，a12＝(lf*C1-lr*C2)/(m*V2)-1，a21＝(lf*C1-lr*C2)/Iz，a22＝(lf 2*C1+lr 2*C2)/(Iz*V)，b11＝-C1/(m*V)，b21＝-lf*C1/Iz；
根据上述汽车二自由度参考模型得出车辆参考横摆角速度
Figure FDA0002111875630000061
其中，
Figure FDA0002111875630000062
为稳定性因数，L＝lf+lr。
11.根据权利要求10所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制系统，其特征在于，信息分析模块具体用于：
对参考横摆角速度信息ωrd以及实际横摆角速度ωr′进行差值计算得到实际横摆角速度偏差e，其中，e＝ωrd-ωr′；再计算出实际横摆角速度偏差e的导数
Figure FDA0002111875630000063
并组成特征状态
Figure FDA0002111875630000064
12.根据权利要求11所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制系统，其特征在于，控制器建立模块具体用于：
a、定义误差平面为切换面s＝e，误差平面即为滑模平面；
当
Figure FDA0002111875630000065
到达滑模平面时，系统进入滑动模态状态，系统的动态特性由滑模切换函数决定，即
Figure FDA0002111875630000066
其中，λ为常数；
b、将
Figure FDA0002111875630000067
代入汽车二自由度参考模型得出：
Figure FDA0002111875630000068
则滑模控制器输出量
Figure FDA0002111875630000069
13.根据权利要求12所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制系统，其特征在于，系统采用指数趋近律作为滑模趋近律，所述指数趋近律为uh＝-ε·sgn(s)；
其中，sgn(s)为符号函数，ε为滑模控制器的设计参数且ε＞0；
滑模可达性条件为：
Figure FDA00021118756300000610
其中，η＞0。
14.根据权利要求12所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制系统，其特征在于，系统采用饱和函数sat(s)来代替不连续性函数，其中，
Figure FDA0002111875630000071
则滑模控制器最终输出为：
Figure FDA0002111875630000072
c、根据特征状态
Figure FDA0002111875630000073
将可拓集合划分为经典域、可拓域和非域；
将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差e作为横坐标，将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差的导数
Figure FDA0002111875630000074
作为纵坐标，将参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差以及参考横摆角速度与实际横摆角速度的偏差的微分的容许范围设定为eom和
Figure FDA0002111875630000075
则系统可调的最大偏差为em偏差微分为
Figure FDA00021118756300000714
15.根据权利要求12-14任一项所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制系统，其特征在于，策略分配模块具体用于：
设
Figure FDA0002111875630000077
特征平面的原点为S0(0,0)，定义
Figure FDA0002111875630000078
Figure FDA0002111875630000079
对于
Figure FDA00021118756300000710
特征平面上任一点
Figure FDA00021118756300000711
定义关联函数为：
Figure FDA00021118756300000712
其中，M为测度模式，K(S)为特征状态关联函数，R为经典域，
Figure FDA00021118756300000713
其中，k1为误差的加权系数，k2为误差变化率的加权系数，且k1＝k2＝1；
则测度模式包括：
测度模式M1：当{S|K(S)≥0}时，特征状态属于经典域，采用滑模控制方法进行控制；
测度模式M2：当{S|-1＜K(S)≤0}时，特征状态属于可拓域，设计控制器的输出为：u(t)＝y(t)/k-Kci·K(S)·sgn(e)；其中，y(t)为输入的实际横摆角速度ωr′与参考横摆角速度ωrd偏差e，k为控制器增益，Kci为当前测度模式的控制系数，K(S)为特征状态关联度，sgn(e)为偏差的符号函数；
测度模式M3：当{S|K(S)≤-1}时特征状态属于非域，取控制器输出幅值um为当前测度模式控制器的输出值，即输入线控转向系统的值为前轮转角的幅值δfm；
可拓滑模控制器输出为：
Figure FDA0002111875630000081
16.根据权利要求12-14任一项所述的基于可拓滑模线控车辆行驶稳定性控制系统，其特征在于，稳定维持模块具体用于：
根据可拓滑模控制器在不同测度模式下输出车辆理想前轮转角
Figure FDA0002111875630000082
通过转向执行电机的闭环PID控制，使车辆实际前轮转角δf跟踪车辆理想前轮转角
Figure FDA0002111875630000083
以维持车辆行驶稳定性。
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