四轮独立驱动电动汽车轮胎力优化分配算法研究(附件)【字数：9949】
摘 要 近年来，能源消耗形势越来越严峻，随之而来的环境污染问题成为本世纪的一大难题，电动汽车行业迎来了新的契机，得到迅速发展，但是有关的电动汽车技术仍需提高。针对目前电动汽车的稳定性问题，提出了一种四轮独立驱动电动汽车轮胎力优化分配的方法。本文以分层控制结构设计汽车的控制器。在上层控制器中，根据二自由度汽车模型获得理想横摆角速度和质心侧偏角，再通过滑模控制得出总的横摆力矩和侧向力。在下层控制器中，将四个轮胎利用率的平方和的最小值作为目标函数,将上层控制器中获得的汽车总横摆力矩、总侧向力和加速踏板提供的总纵向力作为约束条件,运用惩罚函数（乘子法）将带有不等式约束优化问题转化为无约束优化问题，得出最终的解。最后利用Matlab/Simulink建立非线性汽车模型和轮胎力分配算法模型。仿真结果表明轮胎力优化分配算法能显著地提高本文提出的电动汽车的仿真工况的操纵稳定性和安全性。
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题背景及意义 1
1.2轮胎力算法国内外研究现状 2
第二章 车辆动力学模型 4
2.1二自由度汽车动力学模型的建立 4
2.2轮胎垂直载荷计算 8
2.3本章小结 9
第三章 电动汽车轮胎力分配算法研究 10
3.1滑模变结构控制理论 10
3.2轮胎力优化分配算法上层控制器设计 11
3.3轮胎力优化分配算法下层控制器设计 12
3.4乘子罚函数基本思想 13
3.4.1等式约束问题的乘子罚函数法 13
3.4.2等式约束问题的乘子法——PH算法 13
3.5本章小结 15
第四章 Simulink仿真与结果分析 16
4.1Matlab/Simulink软件介绍 16
4.2仿真参数设置 16
4.3控制系统仿真模型的建立 16
4.3.1上层控制器 16
4.3.2下层控制器 17
4.4仿真与结果分析 17
4.5本章小结 19
结束语 20
致 谢 21
参考文献 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
22
附录 23
第一章 绪论
1.1选题背景及意义
近年来，能源消耗形势越来越严峻，随之而来的环境污染问题正成为本世纪的一大难题。所以电动汽车行业迎来了新的契机，得到迅速发展。世界主要汽车生产国家都在积极发展电动汽车产业，从而提高产业竞争力，使经济稳步发展，因此，电动汽车产业成为各国竞相争逐的新兴产业。气候变暖、资源匮乏、环境污染是全世界汽车产业面对的共同问题，不同的汽车发展战略都被一一提出，各国政府也都积极应对。发展电动汽车成为汽车产业的风向标。电动汽车无污染、噪声低、能源效率高、结构简单的优点越来越受到人们的青睐。
伴随着相关技术的不断发展与成熟，各国政府在气候变暖、资源匮乏、环境污染等多重压力下，都相继出台了一系列新的有利于电动汽车发展的政策，加大研发投资，积极倡导发展电动汽车产业，在政策上越来越支持。欧盟注重产业竞争力，全面发展各种新能源汽车；美国重视二氧化碳排放，积极倡导节能减排，发展纯电动汽车；日本汲取教训，注重能源安全，特别是核能的使用安全，其电动汽车技术的发展已走在世界前列。
全球汽车领军产业通过多年的探索和实践，逐渐的制定了一系列的目标，也达成了相关的战略上的共识。在如今的技术发展情况下，常规混合动力汽车技术不断发展并已趋于成熟，取得了质的飞越。现如今，在这种新能源汽车发展的潮流下，涌现了一批批电动汽车发展的行头企业。如比亚迪。比亚迪电动轿车已经实现了产业化，被应用于各大城市的公交路线上，成为了其公司新的销售增长点。在2010—2015年期间，要完成大力发展燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车的最终目标，从而降低二氧化碳排放和减少石油消耗，并且纯电动技术应慢慢占据所有技术中的主导地位；在2015—2020年期间，为了实现更加严格的节能减排，保护环境的目标，在已有的内燃机技术基础上不断改进，加紧促进混合动力技术的发展与应用；在2020年以后，在已取得的成熟的混合动力技术的前提上，要不断地宣传纯电动汽车的优点。
中国政府十分注重电动汽车行业的发展。2006—2007年，我国电动汽车产业技术取得了质的突破，迎来了新的曙光。我国科学家自主研发的纯电动汽车产品出世且已经投入生产，规模可观；在全球化的推动下，我国的纯电动汽车已经走出国门，销往海外；燃料电池轿车研发取得了世界同行的认可，进入先进行列。在我的生活中，纯电动汽车也已慢慢普及。“十一五”时期，我国政府提出了“节能和新能源汽车”新的战略，积极倡导新能源汽车的发展，鼓励各大汽车生产商实现电动汽车的产业化。正是因为国家的大力支持，我国的电动汽车行业才得以飞速发展。
纯电动汽车与传统燃油汽车相比，优点很多。（1）它的稳定性、控制性和安全性更好。当汽车行驶在坑洼的路面上时，纯电动汽车可自行完成调整来实现汽车的稳定性行驶。可变力转向系统在汽车上被广泛使用的原因是其可以显著提高驾驶员的工作效率，增加安全性。（2）电动汽车的能源效率高、多样化。天然气、煤炭、核能、太阳能等多种能源都能为蓄电池充电。（3）纯电动汽车无污染。纯电动汽车工作时不产生二氧化碳、二氧化硫等不利于环境保护的气体，所以纯电动汽车对保护环境更有益。（4）纯电动汽车工作时不会产生多余的噪声，起步稳，并且电动机的噪声也远远小于内燃机。但是在发展电动汽车的道路上还有许多难题，留给未来的学者与专家去解决。四个关键性技术：电池技术、电机及其控制技术、电动汽车整车技术以及能量管理技术都是电动汽车发展的首要问题。轮胎力分配技术恰好是控制技术中的精华。论文通过研究轮胎纵向力和侧向力，改变电动汽车的总侧向力和横摆力矩，从而实现研究目标的横摆角速度和质心侧偏角的控制目标，来保证汽车的操纵稳定性和安全性。
1.2轮胎力算法国内外研究现状
轮胎力分配技术是电动汽车驱动控制的重要技术，合理的分配轮胎力，能大幅度地提高汽车的牵引性能，从而进一步改善汽车的稳定性和安全性。在这研究中，分层控制方法应用广泛。上层控制器获得总的侧向力和横摆力矩，通过下层控制器合理地优化分配轮胎力，对此国内外专家做了很多研究。
文献[1]针对现在电动汽车系统失效问题，提出了一种驱动力分配算法。首先建立函数和约束条件，然后在控制分配基础上对故障电机约束，保证了车辆在正常状态下的驱动力分配和失效情况下的驱动力分配。文献[2]对于目前汽车在非正情况下轮胎力出现饱和的现象，从而增加了滑移率，导致对控制目标调整出现的不合理的问题，作者给出了一种汽车全轮纵向力分配的办法。文献[3]通过系统识别的办法建立了预测控制器，通过前后轴纵向力分配的反馈，利用轴间驱动力分配深入的研究了车辆的稳定性问题。文献[4]通过上层控制器所获得的总的控制量，利用下层控制器来分配各车轮驱动力，进而在下层控制器中实现最优动力分配。文献[5]深入研究了电动汽车的轮胎力分配算法和路面附着系数估计算法来提高车辆的稳定性。依次采用了扩展尔曼滤波算法和分层控制算法。文献[6]采用动力学分析研究四轮独立驱动电动汽车，利用调节电机的电流控制各轮的纵向力，进而实现提高车辆操纵稳定性的目标。文献[7]对于目前电动汽车高速行驶的稳定性问题，提出了一种全新的轮胎力优化分配方法，从而实现提高高速车况下的车辆稳定性最终目标。文献[8]是深入研究了四轮独立驱动轮毂电机电动汽车轮胎力优化分配研究。文献[9]以汽车横摆角速度和质心侧偏角为目标，通过滑模变结构控制理论获得总的侧向力和和横摆力矩，接着以轮胎利用率为函数，将函数对轮胎侧向力和纵向力求导，最后得出理想的轮胎力。文献[10]以汽车横摆角速度为目标，利用PID得出期望的横摆力矩，接着根据加速踏板和横摆力矩提供的总的纵向力分配给轮胎纵向力，利Matlab/Simulink建立汽车模型并进行仿真实验。文献[11]采用加权二乘法和层次化整车稳定性控制方法优化分配方法，通过合理分配在约束范围内的纵向力，从而形成直接横摆力矩，提高汽车的行驶稳定性，改善车辆的行驶状态。研究轮胎力优化分配的算法很多。有的只考虑了轮胎纵向力的优化分配，但是忽略了侧向力。有的即使想到了轮胎侧向力，但要求轮胎模型的精确度很高。本人借鉴前人的研究，以四轮独立驱动电动汽车的理想质心侧偏角和横摆角速度为控制目标，优化分配轮胎力，进一步提高四轮独立驱动电动汽车的稳定性。
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题背景及意义 1
1.2轮胎力算法国内外研究现状 2
第二章 车辆动力学模型 4
2.1二自由度汽车动力学模型的建立 4
2.2轮胎垂直载荷计算 8
2.3本章小结 9
第三章 电动汽车轮胎力分配算法研究 10
3.1滑模变结构控制理论 10
3.2轮胎力优化分配算法上层控制器设计 11
3.3轮胎力优化分配算法下层控制器设计 12
3.4乘子罚函数基本思想 13
3.4.1等式约束问题的乘子罚函数法 13
3.4.2等式约束问题的乘子法——PH算法 13
3.5本章小结 15
第四章 Simulink仿真与结果分析 16
4.1Matlab/Simulink软件介绍 16
4.2仿真参数设置 16
4.3控制系统仿真模型的建立 16
4.3.1上层控制器 16
4.3.2下层控制器 17
4.4仿真与结果分析 17
4.5本章小结 19
结束语 20
致 谢 21
参考文献 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
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附录 23
第一章 绪论
1.1选题背景及意义
近年来，能源消耗形势越来越严峻，随之而来的环境污染问题正成为本世纪的一大难题。所以电动汽车行业迎来了新的契机，得到迅速发展。世界主要汽车生产国家都在积极发展电动汽车产业，从而提高产业竞争力，使经济稳步发展，因此，电动汽车产业成为各国竞相争逐的新兴产业。气候变暖、资源匮乏、环境污染是全世界汽车产业面对的共同问题，不同的汽车发展战略都被一一提出，各国政府也都积极应对。发展电动汽车成为汽车产业的风向标。电动汽车无污染、噪声低、能源效率高、结构简单的优点越来越受到人们的青睐。
伴随着相关技术的不断发展与成熟，各国政府在气候变暖、资源匮乏、环境污染等多重压力下，都相继出台了一系列新的有利于电动汽车发展的政策，加大研发投资，积极倡导发展电动汽车产业，在政策上越来越支持。欧盟注重产业竞争力，全面发展各种新能源汽车；美国重视二氧化碳排放，积极倡导节能减排，发展纯电动汽车；日本汲取教训，注重能源安全，特别是核能的使用安全，其电动汽车技术的发展已走在世界前列。
全球汽车领军产业通过多年的探索和实践，逐渐的制定了一系列的目标，也达成了相关的战略上的共识。在如今的技术发展情况下，常规混合动力汽车技术不断发展并已趋于成熟，取得了质的飞越。现如今，在这种新能源汽车发展的潮流下，涌现了一批批电动汽车发展的行头企业。如比亚迪。比亚迪电动轿车已经实现了产业化，被应用于各大城市的公交路线上，成为了其公司新的销售增长点。在2010—2015年期间，要完成大力发展燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车的最终目标，从而降低二氧化碳排放和减少石油消耗，并且纯电动技术应慢慢占据所有技术中的主导地位；在2015—2020年期间，为了实现更加严格的节能减排，保护环境的目标，在已有的内燃机技术基础上不断改进，加紧促进混合动力技术的发展与应用；在2020年以后，在已取得的成熟的混合动力技术的前提上，要不断地宣传纯电动汽车的优点。
中国政府十分注重电动汽车行业的发展。2006—2007年，我国电动汽车产业技术取得了质的突破，迎来了新的曙光。我国科学家自主研发的纯电动汽车产品出世且已经投入生产，规模可观；在全球化的推动下，我国的纯电动汽车已经走出国门，销往海外；燃料电池轿车研发取得了世界同行的认可，进入先进行列。在我的生活中，纯电动汽车也已慢慢普及。“十一五”时期，我国政府提出了“节能和新能源汽车”新的战略，积极倡导新能源汽车的发展，鼓励各大汽车生产商实现电动汽车的产业化。正是因为国家的大力支持，我国的电动汽车行业才得以飞速发展。
纯电动汽车与传统燃油汽车相比，优点很多。（1）它的稳定性、控制性和安全性更好。当汽车行驶在坑洼的路面上时，纯电动汽车可自行完成调整来实现汽车的稳定性行驶。可变力转向系统在汽车上被广泛使用的原因是其可以显著提高驾驶员的工作效率，增加安全性。（2）电动汽车的能源效率高、多样化。天然气、煤炭、核能、太阳能等多种能源都能为蓄电池充电。（3）纯电动汽车无污染。纯电动汽车工作时不产生二氧化碳、二氧化硫等不利于环境保护的气体，所以纯电动汽车对保护环境更有益。（4）纯电动汽车工作时不会产生多余的噪声，起步稳，并且电动机的噪声也远远小于内燃机。但是在发展电动汽车的道路上还有许多难题，留给未来的学者与专家去解决。四个关键性技术：电池技术、电机及其控制技术、电动汽车整车技术以及能量管理技术都是电动汽车发展的首要问题。轮胎力分配技术恰好是控制技术中的精华。论文通过研究轮胎纵向力和侧向力，改变电动汽车的总侧向力和横摆力矩，从而实现研究目标的横摆角速度和质心侧偏角的控制目标，来保证汽车的操纵稳定性和安全性。
1.2轮胎力算法国内外研究现状
轮胎力分配技术是电动汽车驱动控制的重要技术，合理的分配轮胎力，能大幅度地提高汽车的牵引性能，从而进一步改善汽车的稳定性和安全性。在这研究中，分层控制方法应用广泛。上层控制器获得总的侧向力和横摆力矩，通过下层控制器合理地优化分配轮胎力，对此国内外专家做了很多研究。
文献[1]针对现在电动汽车系统失效问题，提出了一种驱动力分配算法。首先建立函数和约束条件，然后在控制分配基础上对故障电机约束，保证了车辆在正常状态下的驱动力分配和失效情况下的驱动力分配。文献[2]对于目前汽车在非正情况下轮胎力出现饱和的现象，从而增加了滑移率，导致对控制目标调整出现的不合理的问题，作者给出了一种汽车全轮纵向力分配的办法。文献[3]通过系统识别的办法建立了预测控制器，通过前后轴纵向力分配的反馈，利用轴间驱动力分配深入的研究了车辆的稳定性问题。文献[4]通过上层控制器所获得的总的控制量，利用下层控制器来分配各车轮驱动力，进而在下层控制器中实现最优动力分配。文献[5]深入研究了电动汽车的轮胎力分配算法和路面附着系数估计算法来提高车辆的稳定性。依次采用了扩展尔曼滤波算法和分层控制算法。文献[6]采用动力学分析研究四轮独立驱动电动汽车，利用调节电机的电流控制各轮的纵向力，进而实现提高车辆操纵稳定性的目标。文献[7]对于目前电动汽车高速行驶的稳定性问题，提出了一种全新的轮胎力优化分配方法，从而实现提高高速车况下的车辆稳定性最终目标。文献[8]是深入研究了四轮独立驱动轮毂电机电动汽车轮胎力优化分配研究。文献[9]以汽车横摆角速度和质心侧偏角为目标，通过滑模变结构控制理论获得总的侧向力和和横摆力矩，接着以轮胎利用率为函数，将函数对轮胎侧向力和纵向力求导，最后得出理想的轮胎力。文献[10]以汽车横摆角速度为目标，利用PID得出期望的横摆力矩，接着根据加速踏板和横摆力矩提供的总的纵向力分配给轮胎纵向力，利Matlab/Simulink建立汽车模型并进行仿真实验。文献[11]采用加权二乘法和层次化整车稳定性控制方法优化分配方法，通过合理分配在约束范围内的纵向力，从而形成直接横摆力矩，提高汽车的行驶稳定性，改善车辆的行驶状态。研究轮胎力优化分配的算法很多。有的只考虑了轮胎纵向力的优化分配，但是忽略了侧向力。有的即使想到了轮胎侧向力，但要求轮胎模型的精确度很高。本人借鉴前人的研究，以四轮独立驱动电动汽车的理想质心侧偏角和横摆角速度为控制目标，优化分配轮胎力，进一步提高四轮独立驱动电动汽车的稳定性。
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