哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 0 -本科毕业论文（设计）开 题 报 告论文题目 汽车四轮主动转向系统设计与性能仿真 班 级 姓 名 院（系） 汽车工程学院 导 师 开题时间 哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 0 -1课题研究的目的和意义随着汽车电子技术的迅猛发展,人们对汽车转向操纵性能的要求也日益提高，汽车转向性能与操纵稳定性密切联系。纵观汽车转向系统技术的进展，已从传统机械转向、液压助力转向(Hydraulic Power Steering,简称 HPS)、电控液压助力转向( Electric Hydraulic Power Steering ,简称 EHPS ),发展到电动助力转向系统( Electric Power Steering,简称 EPS),最终将会过渡到主动转向和线控转向系统(Steer By Wire, 简称 SBW)。传统前轮转向汽车（FWS)的前轮即可绕自身的轮轴自转又可绕主销相对于车身偏转，而后轮只能自传而不偏转。通过前轮作用于车身，使车身横摆产生离心力，车身带动后轮使其产生侧偏，改变后轮前进方向，使后轮参与汽车的转向运动，后轮，后轮只是做被动转向。而四轮转向（4WS）当驾驶员转动方向盘后，后轮辅助转向，实现前后轮几乎同时转向，使汽车改变前进方向，实现转向运动，其中后轮主动参与了转向。同时，四轮主动转向汽车由于横摆率与横向加速度的差值减小，转向时的灵敏度高，响应速度较快。当低速行驶的时候，比如调头的时候后轮会与前轮方向相反转动较小的角度，以减少转弯半径，方便转向；在高速并线行驶的情况下后轮会与前轮方向相同的转动较小的角度，使得并线更稳定转向操纵性更好。从驾驶角度来看，四轮主动转向系统除了会帮助增加行驶稳定性和高速转向响应外。在低速时还会帮助减少驾驶员转向的工作量。四轮主动转向的目的在于低速行驶时依靠逆向转向（前轮与后轮转角方向相反) 改善汽车的操作性，获得较小的转向半径，在中高速行驶时依靠同向转向（前轮与后轮的转角方向相同），减少汽车的横摆运动，提高车道变更和直线行驶的操纵稳定性。四轮主动转向系统的功能是确保车辆良好的操纵性和稳定性，即有效控制车辆的横向运动特性，以充分保证汽车的操纵稳定性。因此，对于四轮主动转向系统的研究对于汽车的操纵稳定性的改善有深远的意义。2国内外研究现状一般的 4WS 控制器设计均是基于汽车的线性动力学方程，但是如果侧向加速度较大，轮胎侧偏特性进入非限行区域，则线性控制理论也无能为力。为此，许多研究者试图用不同先进控制理论，如自适应控制、基于线控理论、 综合理论和滑模变结构理论的鲁棒控制。以及基于精神网络的模糊技术的智能控制方案来解决。Yuhara 等提出了一种自适应控制后轮转向的方法，使用自校正控制器来控哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 1 -制后轮已达到所希望的响应特性。Wang 等也提出了使用基点配置的校正控制器，来控制前轮主动转向的技术。但在自适应控制系统中所需要对实时的汽车相应参数进行辨别，而在高侧向加速度情况下驾驶员的转向输入往往很小，很精确辨别实时车辆响应参数困难很大，参数辨识的精度也很低，给设计稳定的自适应控制系统带来了极大的困难，这决定了比较适应慢时变系统的自适应控制对于转向系统不一定有效，因为后者的参数变化可能很快，因此许多学者将目光投向了鲁棒控制理论。鲁棒控制理论是在传统前馈四轮主动转向控制的基础上, 提出一种两自由度四轮主动转向鲁棒控制方法。该方法通过独立参数化两自由度控制结构的引入, 实现了四轮转向系统对车速变化和轮胎侧偏刚度变化的独立补偿。其前馈控制器的设计与传统前馈四轮转向控制完全相同, 反馈控制器的设计为一针对轮胎侧偏刚度不确定性的标准 H 控制问题。该方法既充分发挥了传统前馈控制的优点, 又降低了反馈控制器的阶数。仿真结果表明, 即使在较大的侧向加速度或低附着工况下, 该方法亦可较好地实现稳态横摆角速度增益和质心侧偏角的控制, 具有良好的鲁棒性。由于轮胎侧向力与垂直负荷之间的非线性关系,因而通过控制前后主动悬架,改变侧倾力矩的分布,可达到控制汽车侧向运动的目的。汽车转弯时,汽车的侧倾运动造成负载横向转移,使得左右车轮上的侧向力发生变化,改变前后悬架的侧倾刚度比就能控制前后轮上的负荷转移,从而控制前后轮上的侧向力。通过轮胎的纵向力作用也能对汽车的侧向运动进行控制。一方面,由于作用在轮胎上的纵向力减小了轮胎的侧向力,因此可通过改变作用在前后轮上的纵向力的比例来控制前后轮上侧向力之间的平衡。这种间接的侧向运动控制方法已应用在四轮驱动汽车上。另一方面,可直接控制左右车轮上的驱动力和制动力,产生横摆力矩来精确控制汽车的侧向运动。这种横摆力矩控制方法( DYC)的最大优点是产生所需的横摆力矩时不受汽车运动状态的影响,使得汽车的运动对于外界干扰具有鲁棒性。虽然制动防抱系统( ABS) ,驱动防滑转系统( TCS)以及横摆力矩控制系统( DYC)的共同之处都是控制轮胎的纵向力,但它们是不同类型的底盘控制技术。TCS 和 ABS 独立地控制作用在每个车轮上的纵向力,使得汽车在纵向加速或制动时,各车轮不会滑转或抱死,从而间接地提高了汽车的侧向稳定性。而 DYC 系统是根据汽车的运动状态控制各车轮的纵向力,产生横摆力矩来稳定汽车的侧向运动。Fukui 等基于当方向盘快速转动时,后轮与前轮反向,以使得汽车转向灵敏,反之当方向盘慢速转动时,前后轮同向转动, 以获得高稳定性的观点。另一些人的观点也有类似之处,小转角时前后轮同向(一般是高速下) ,而大转角时,前后轮反向(一般是低速急转弯时) 。Shibahata 等提出了前后轮主动转向的思路, 即前轮与后轮一样,与方向盘之间不存在直接的耦合关系,可以独立地控制横摆角速度和侧向加速度的特性。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 2 -考虑到悬架的运动变形及横向负荷转移对轮胎特性的影响, Nalcez 等分析了各种类型的前馈型四轮转向系统的控制补偿效果,研究结果表明 4WS 系统能够快速地执行驾驶员的指令, 并且明显减少了非常有害的摆尾现象。由于我国汽车工业起步较晚，对四轮转向技术的研究还较少，主要的研究有：东南大学在福特-中国研究与发展基金的支持下，进行了一高 4WS 汽车操纵稳定性与鲁棒方面的研究，已经在 4WS 车辆最有随动控制等方面取得一些进展。该研究最初的利益是要解决在使用上质心侧偏角难以用合理成本测量得出的问题，设计了带队质心侧偏角的状态观测器的最优随动控制算法。文献提出了一种基于定量反馈理论（QFT）的主动前轮转向策略，通过反馈公职汽车的动态特性，以跟踪汽车理想横摆角速度，进而提出了基于定量反馈理论的主动四轮转向策略，使得汽车质心侧偏角和车体横摆角速度实现了解耦控制。运用现代非线性动力学与分岔理论对 4WS 汽车非线性动力学特性进行研究，探讨了4WS 理论发生随机 Hopf 分岔的参数区域，通过引入混杂(Hybrid)控制思想，对4WS 系统进行主动后轮控制研究。3. 本课题的研究内容及技术方案4WS 技术的实质是一种主动底盘控制技术，是一种能有效改善汽车操纵稳定性的主动安全技术。目前，4WS 系统的研究仍然滞留在理论研究和讨论阶段，并没有真正大量的进入使用阶段，没有得到广泛应用。在以上的背景下我们要研究四轮主动转向系统，首先确定主要具有发展前景的、车辆线控转向技术为支撑的全主动 4WS（四轮主动转向）汽车作为研究对象。确定以提高车辆中高速正常驾驶情况下的操纵性、确保紧急危险工况下的稳定性以及不确定因素影响下的鲁棒性为主要控制目标。以合适的、先进的控制理论作为控制策略的主要研究手段。收集相关资料，研究近年来转向系统技术的发展，掌握四轮主动转向系统的线控技术以及鲁棒控制技术，运用 Catia软件建立和分析二自由度汽车动力学模型，建立出对于 4WS 系统进行理性分析能真是模拟汽车实际运动情况的数学模型。4WS 控制技术的仿真分析是 4WS 技术研究的关键，也是课题研究创新性的具体体现。汽车是一个多输入，多输出，多干扰源、伴随时变与时滞的复杂多体系统，含有许多非线性特性，需要利用利用 Matlab 软件进行车辆模型动态仿真。研究首先应在动力学分析的基础上合理确定控制目标，其次针对不同控制要求制定合适的控制策略，最后根据控制算法进行控制系统的软件设计和控制效果仿真分析。需要改善主动 4WS 汽车线性区域操纵性的最优控制策略研究，对 4WS 系统的不确定因素影响的鲁棒的非线性结构控制研究。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 3 -4. 本设计的特色汽车转向性能与操纵稳定性密切联系。本设计结合二自由度汽车横向动力学模型的建立，对前轮转向和四轮主动转向技术进行性能比较和仿真研究，可以加深对车辆电子控制技术系及车辆操纵稳定性等知识的理解，提高汽车控制系统设计水平，锻炼利用先进技术解决实际问题的能力。在模型设计方面，通过 Catia 软件建立二自由度汽车动力学模型，以汽车侧向动力学二自由度模型为基础, 确立车辆转向理想跟踪模型, 设计四轮主动转向最优控制器。在仿真分析方面，通过 Matlab 软件进行仿真，通过仿真分析 , 能从理论上验证基于最优控制理论所设计的控制器是否可以适用于汽车的主动四轮转向系统, 系统能很好地跟随理想车辆转向模型。设计流程如下：1.首先学习车辆电子控制相关知识以及建模、仿真软件；2.进行汽车转向技术研究现状分析；3.进行电控四轮转向系统结构设计与建模；4.进行二自由度汽车动力学模型的建立 5.进行四轮转向控制策略研究；6.前轮转向与四轮主动转向性能比较；7.利用 Matlab 进行仿真分析。5. 进度安排第 1 周至第 3 周：收集相关资料，翻译外文资料，准备开题报告；第 4 周至第 7 周：学习车辆电子控制相关知识及 Catia 建模软件、Matlab 仿真软件； 第 8 周至第 13 周：汽车转向性能分析，电控四轮主动转向结构设计，控制算法设计分析，Matlab 仿真研究；第 14 周至第 16 周：撰写毕业设计论文；第 17 周至第 18 周：复查设计内容，准备答辩。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 4 -6. 参考文献1 屈求真, 刘延柱. 四轮转向汽车的动力学控制现状及展望J. 中国机械工程, 1999(08):114-117.2 李铂, 耿聪, 刘溧. 四轮主动转向的两自由度鲁棒控制J. 中国机械工程, 2004(17):76-79.3 申荣卫, 陶炳全. 汽车转向技术现状与发展趋势J. 邢台职业技术学院学报, 2006(05):1-4.4 胡建军, 李彤, 龚为伦, 等. 汽车转向技术进展分析J. 液压与气动, 2006(12):17-22.5 蒋励, 余卓平, 高晓杰. 宝马主动转向技术概述J. 汽车技术, 2006(04):1-4.6 杜峰, 魏朗, 李玉民. 模型跟踪四轮主动转向汽车的 H_控制J. 郑州大学学报(工学版 ), 2007(03):112-116.7 殷国栋, 陈南. 四轮转向控制技术的理论及应用研究J. 山东交通学院学报, 2008(02):10-13.8 殷国栋, 陈南. 四轮转向车辆鲁棒控制系统快速开发仿真与试验 J. 农业机械学报, 2009(11):13-17.9 李彬