电动轮驱动多轴特种车稳定性控制及驱动容错研究

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当今战场,多轴特种车必须具备愈来愈高的机动性和主动安全性来满足高性能战场作战要求,因此具备电动轮驱动技术的多轴特种车越来越受到了世界各国的重视,并在研究领域内逐渐成为热点和重要发展方向。与传统的动力传动系统相比,电动轮驱动技术在底盘布置和力矩分配等方面具备明显的优势。本文的研究对象为某8×8电动轮驱动特种车辆,结合模糊控制和滑模控制等相关算法知识,针对研究对象的横摆稳定性和驱动容错控制技术展开研究。首先,基于TruckSim软件平台构建了整车关键部件模型包括车体、悬架系统、转向系统和轮胎模型等,同时利用Matlab/Simulink建立了各轮驱动电机模型,然后设定输入输出接口将两部分模型结合起来,最终完成8×8电动轮驱动特种车辆整车动力学模型的构建。其次,进行车辆稳定性分析和研究,从轮胎动力学特性方面分析了车辆发生失稳现象的原因,对车辆横摆稳定性的控制参数和控制方法进行了分析研究,选择横摆角速度和质心侧偏角作为本文的控制参数,结合直接横摆力矩控制(DYC,Direct Yaw-moment Control)技术来保证车辆的横摆稳定性,并基于此建立了分层的控制架构。状态参考层基于线性二自由度车辆动力学模型,推导出理想的车辆转向状态;期望力矩生成层基于理想状态与实际状态的偏差,在滑模变结构控制算法的基础上引入自适应变指数趋近率,提升期望力矩跟踪控制效果;转矩分配层采用基于二次规划算法的最优控制思想,并通过加权最小二乘的求解办法计算各执行元件的分配力矩,最大程度上提高车辆的稳定性和机动性。接着设置了典型的车辆极限行驶工况对横向稳定性控制架构进行测试,验证了所设计控制策略的有效性。然后,进行车辆驱动容错控制研究,分析了8×8电动轮驱动车辆的失效形式,根据失效电机的个数和位置对整车驱动系统共划分出255种失效类别,为了便于对各失效类别进行容错管理,又将所有的失效形式划分为单侧驱动失效和双侧驱动失效两大类,然后对各大类失效情况制定基于规则的驱动容错控制策略;同时,引入电机失效因子的概念,对各驱动电机的剩余执行能力进行重新描述,然后综合考虑整车驱动系统各执行元件的剩余转矩输出能力,进行基于优化的转矩分配控制。为了对所设计的容错控制策略进行测试,在车辆典型转向行驶工况的基础上添加设定各驱动电机失效状态以构建失效测试工况,然后基于所设置的测试工况对设计的容错控制策略进行仿真测试,验证了控制策略的有效性。
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