matlab汽车运动控制系统设计.pdf

1 绪论
选题背景与意义
汽车已经成为人们日常生活不可缺少的代步交通工具,在汽车发达国家,旅客运输的
60%以上,货物运输的50%以上由汽车来完成,汽车工业水平和家庭平均拥有汽车数量已
经成为衡量一个国家工业发达程度的标志。、稳
定性和乘坐舒适性等待性着手。,考虑了道路环境在
内的汽车运动性能开始受到关注。因此,汽车运动控制系统的研究也显得尤为重要,在文
中,首先对汽车的运动原理进行分析,建立控制系统简化模型,确定期望的静态指针(稳
态误差)和动态指针(超调量和上升时间)。然后对汽车运动控制系统进行设计分析。从而
确定系统的最佳静态和动态指针。
2 论文基本原理分析
汽车运动横向控制
(1)绝对位置的获得方法
汽车横向方向的控制使用GPS(全球定位系统)的绝对位置信息。GPS信息的精度与采样
周期、时间滞后等有关。
进行修正。GPS的采样周期为200ms相对应控制的周期采用50ms。另外考虑通信等的滞后、
也需要进行补偿,采用航位推测法(dead reckoning)解决此问题。通过卡尔曼滤波和航位
推测法推算出的值作为汽车的绝对位置使用来控制车速、横摆角速度等车辆的状态量。GPS
的数据通过卡尔曼滤波减少偏差、
推算的精度。
(2)前轮转角变化量的算出方法
这里对前轮目标转角变化量()的算出方法作简要说明,横方向控制采用预见控制,可
以从现在汽车的状态预测经过时间秒后的汽车位置,由秒后的预测位置和目标路径的位置
1
可以算出秒后为沿着目标路径行驶所需要的汽车横摆角速度。这个数值前回馈或者从与现
在值的目标路径的误差的反馈来推算前轮目标转角变化量(式(1)).
式(1)
式中为控制周期,,根据与现在目标路径的误差最小的原则来求解。
汽车运动纵方向的控制
建立一个合理的传动系统模型是设计高性能汽车纵向运动控制系统的基础。目前纵向运动控制器设
计过程中采用的传动系统简化模型主要有两类:一类是忽略传动系统的部分动态特性得到简化模型:另
一类是通过对输入输出特性辨识得到简化模型。本文借鉴文献,忽略传动系统的部分动态特性,将车辆
简化为两轮模型,对于前轮驱动车辆,整车受力如图 1 所示。前后车轮运动方程分别为
上式中和,分别为前后轮转动惯量(左右轮之和),为后轮转速,和分别为前后车轮的
垂直载荷(左右轮之和),和分别为前后轮切向力(左右轮之和),r 为车轮半径,f 为滚动阻
力系数。对于汽车纵向运动控制系统,不会出现非常大的加减速度,采用线性化轮胎模型,
得到切向力与滑移率关系为:。式中为轮胎纵向刚度,s 为滑移率。驱动时 s=l-v/(r),
制动时 s=l-(r)/v。认为风阻作用于汽车质心,则前后轮垂直载荷分别为
式中 M 为整车品质;a 和 b 分别为前后轴到质心的距离,L=a+b;为质心至地面的高度。
整车运动方程为,式中风阻系数,A 为等效迎风面积。
发动机转矩、发动机转速、涡轮转速、半轴转矩、前后轮转速、车速7状态的非线性
传动系统模型,在低频带内,发动机动态对传动系统特性基本无影响,如果控制系统只涉
。忽略了半轴、轮胎滑移以及载荷转移和发动机转矩,
只包括发动机转速、车速2个状态。
飞轮运动方程为
整车运动方程为
2
汽车运动控制系统的模型简化分析
考虑图2所示的汽车运行控制系统。
摩擦阻力大小与运动速度成正比,方向与汽车运动方向相反,则该系统可以简化成简单的
质量阻尼系统。根据牛顿运动定律,该系统的模型(亦即系统的运动力方程)表示为:
(3-1)
其中,u为汽车的驱动力。
为了得到控制系统的传递函数,对式(3-1)进行Laplace变换。假定系统的初始条件为
零,则动态系统的Laplace变换为:
由于系统输出是汽车的运动速度,用 Y(S)替代 V(s),得到:
:
3
汽车控制系统 PID 控制器的校正
,对静态
和动态性能指针进行具体的分析,最终设计出满足我们需要的控制系统。系统在未加入任
何校正环节时的开环传递函数,在MATLAB环境下对系统未加校正时开环阶跃响应曲线进行
,图中系统的开环响应曲线未产生振荡,其上升时间约100