摘 要

分布式驱动电动汽车的发展非常快，在不可再生能源大量消耗的前提下，节能意识在不断提高，发展电车已经是不可被忽略的事实，也是大势所趋。对于电机液压复合结构控制分配，如何把电机驱动和传统的液压制动系统相结合就是问题关键。本文基于电机系统和液压制动系统的不同动态特性，对电机和液压执行器构建状态方程，应用模型预测控制分配（MPCA）方法，针对不同的控制策略，在carsim/simulink联合仿真平台进行的仿真验证。模型预测控制分配算法很好解决了针对动态特性差异大的协同工作组合的控制分配问题。

关键词：分布式驱动电动汽车；电液复合；模型预测控制；动态特性

Abstract

Distributed drive electric vehicle development is very fast, in the non-renewable energy consumption under the premise of a large number of energy-saving awareness in the continuous improvement of the development of trams can not be ignored the fact that the trend is also the trend. For the motor hydraulic composite structure control distribution, how to drive the motor and the traditional combination of hydraulic braking system is the key to the problem. Based on the different dynamic characteristics of the motor system and the hydraulic braking system, the state equation of the motor and the hydraulic actuator is applied, and the model predictive control distribution (MPCA) method is used to simulate the carsim / simulink joint simulation platform for different control strategies verification. The model predictive control allocation algorithm solves the problem of control allocation for cooperative work combinations with large difference in dynamic characteristics.

Key Words：distributed drive electric vehicle；electro - hydraulic compound；model predictive control；dynamic characteristics

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 四驱电动汽车动力学控制研究现状 1

1.3控制分配理论研究现状 2

1.4 考虑执行器动态特性的转矩控制分配研究现状 3

1.5 本文主要研究内容 6

第2章 四驱电动汽车动力学模型 7

2.1车辆纵向性能评价 7

2.1.1 车辆制动性 7

2.1.2 车辆驱动性 8

2.2 车辆受力分析 8

2.2.1 地面对前、后轮法向反作用力 8

2.2.2 地面对前、后轮切向反作用力 9

2.3 轮胎受力分析 10

2.4 carsim汽车动力学仿真软件简介 12

2.5四轮驱动电动汽车动力学模型 13

2.5.1 车辆坐标系 13

2.5.2 车辆运动方程 14

2.6 汽车稳定性判据 14

2.6.1汽车的稳态响应 14

2.6.2 汽车的瞬态响应 15

2.7本章小结 16

第3章 车辆纵向力和横摆力矩决策算法 17

3.1稳定性控制整体结构 18

3.2整车期望纵向力矩决策 18

3.2.1整车期望纵向力估算 19

3.2.2车辆纵向力决策算法仿真 22

3.3整车期望横摆力矩估算 24

3.3.1线性二自由度汽车模型 25

3.3.2前轮角阶跃输入下的汽车稳态响应 26

3.3.3整车期望横摆力矩估算算法仿真 27

3.4本章小结 30

第4章 轮胎力控制分配算法 31

4.1轮胎力控制分配算法概述 31

4.2基于车轮载荷的分配方法 32

4.2.1理想的前、后制动器制动力分配曲线 32

4.2.2轴间分配策略 37

4.3基于有效车轮的分配方法 38

4.3.1横摆力矩分配决策 38

4.3.2纵向力分配决策 39

4.4 整车轮胎纵向利用率的分配方法 40

4.5仿真对比（分析） 42

4.6 本章小结 45

第5章 基于动态特性的执行器控制分配算法 46

5.1执行器建模模型 46

5.1.1轮毂电机和液压系统模型 46

5.1.2 执行器动态特性分析 49

5.2 电机的再生制动功能 53

5.3不考虑动态特性的控制分配方法 54

5.4 基于模型预测控制的动态分配算法 55

5.5 仿真验证 60

5.6 本章小结 62

第6章 控制策略联合仿真验证 63

6.1 carsim-simulink联合仿真平台构建 63

6.2 控制策略仿真对比分析 65

6.2.1直线运动工况 65

6.2.2 转向盘正弦输入工况 68

6.2.3 双移线工况 72

6.3 本章小结 75

第7章 总结和展望 76

7.1 全文总结 76

7.2 研究展望 76

参考文献 77

附录A 80

附录B 81

致 谢 84

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

新能源汽车产业在近10年的发展非常快，涉及面广，与传统纯燃油汽车相比有不少的优势和发展潜力。当下能源消耗比较大，在日益最求节能环保的主题下，新能源汽车有了用武之地，而且不可缺少，人们出行用汽车除了传统燃油车，又多了新能能汽车这一选择。

所谓的新能源汽车可以分为纯电动汽车（EV）、燃料电池汽车（FCEV）和混合动力汽车（HEV）三大类。其中混合动力汽车做的比较好的就有日本的丰田汽车，例如雷凌和凯美瑞等，混合动力汽车在日本的发展十分抢眼；而对于燃料电池汽车，就目前国内的现状，很多都在大型巴士、公交等载客多的交通工具上，在节能效率上很有优势，虽然目前的成本比较高，但是在这一领域上有潜在的不可被剥夺的发展空间；除了混合动力汽车外，另一个比较引起人们关注的就是纯电动汽车，国内的比亚迪，国外的特斯拉等都做的比较好。21世纪的今天，对于汽车改革的要求其中的两点是电动化和智能化，即电动汽车的发展趋势是必然的，所以针对本文研究的对象——四轮驱动电动汽车的研究也是与时代接轨。说到智能化，结合本文研究的目的即是如何做到智能化的控制分配转矩，如何合理并且有效的控制汽车的制动或驱动系统，如何精确解析驾驶员的操作，自动化的进行控制执行机构动作来满足其需求。所以，其研究意义显而易见，对以后的汽车智能化推进打好基础。

1.2 四驱电动汽车动力学控制研究现状

四驱电动汽车动力学涉及到纵向的驱动、制动性能控制和侧向的稳定性控制等。文献[1]针对整车侧向稳定性控制方法，综合了跟随理想横摆角速度的方法和抑制汽车质心侧偏角的汽车稳定性控制方法,提出了一种新的最优控制方法。以线性二自由度车辆操纵特性模型为控制目标,根据附加汽车横摆力矩值与车辆状态偏差之间的动力学关系建立了相关的控制系统模型。采用线性二次型调节器方法进行了汽车横摆力矩的估算,实现了汽车稳定性控制^[1]。文献[2]针对整车纵向的制动力分配策略进行优化，其主要研究了系统针对过度转向和不足转向控制过程中的制动力分配控制策略优化问题。建立了包括线性二自由度的汽车参考模型、制动力矩分配模型轮胎和车身等八自由度整车动力学模型，设计了以汽车横摆角速度和质心侧偏角误差为控制变量的模糊逻辑控制器。

本文所研究四驱动力学控制主要集中在制动性和侧向稳定性的控制，纵向驱动性能相对要少。

1.3控制分配理论研究现状

随着现代科技的快速发展，控制系统结构变得更复杂、规模更大、自动化更高，利用单一驱动执行器实现某一控制目标的传统控制方式己难以满足实际应用中对控制系统的更高安全性、可靠性和稳定性的要求，而具有多个执行机构的过驱动系统可以很容易达到此类要求。过驱动系统是利用多组执行器实现于但执行器单控制目标下近似的控制效果，并采用控制分配策略进行分层控制决策，一般分为决策层(上层估计分配)和执行层（下层转矩分配），最终将上层的控制指令分配到各个执行器，产生预期的响应输出。控制分配的本质是依据某种优化目标，在满足执行器约束条件下，将上层控制指令最优的分配结果施加到各个执行器进行响应。目前，控制分配理论在航空航天、船舶等工程领域中得到了广泛的应用，而在汽车领域的发展相对较缓，这是由于传统燃油汽车的可控执行器相对较少，而可控自由度较多的电动汽车目前的研究仍集中在电机、电机控制、能量管理系统和电池管理系统（BMS）等的开发。