申请/专利权人：南京理工大学

申请日：2022-11-30

公开（公告）日：2024-06-07

公开（公告）号：CN115782587B

主分类号：B60L3/00

分类号：B60L3/00;B60L15/20

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.07#授权;2023.03.31#实质审查的生效;2023.03.14#公开

摘要：本发明为一种基于单电机失效横向动力学聚类分析的主动容错控制方法。包括如下步骤：S1选取横摆角速度、质心侧偏角表征车辆的横向稳定性，通过设置不同失效因子和踏板开度，得到故障车辆当前横摆角速度、质心侧偏角的响应情况；聚类分析出横向稳定性与动力性控制参与的边界；S2基于方向盘转角和踏板开度输入，解析出期望的横摆角速度与质心侧偏角，设计得到附加横摆力矩和总的纵向力控制律的上层控制；S3根据性能选取边界及上层控制输出，建立最优力矩求解的容错控制下层控制。本发明考虑车辆失效后的对车辆横向稳定及纵向动力控制参与的边界设定问题；充分利用故障电机的剩余力矩输出能力，保证电机失效后，车辆仍然具有良好的稳定与动力性能。

主权项：1.一种基于单电机失效横向动力学聚类分析的主动容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：选取横摆角速度、质心侧偏角表征车辆的横向稳定性，通过设置不同失效因子和踏板开度，得到故障车辆当前横摆角速度、质心侧偏角的响应情况；聚类分析出横向稳定性控制与动力性控制参与的边界；步骤S2：基于驾驶员的方向盘转角和踏板开度输入，解析出期望的横摆角速度与质心侧偏角，采用滑模控制设计横摆力矩跟踪控制，基于PI控制设计纵向力跟踪控制，得到附加横摆力矩和总的纵向力控制律的上层控制；步骤S3：根据步骤S1中的性能选取边界及步骤S2中上层控制输出，建立基于二次规划算法的最优力矩求解的容错控制下层控制，将步骤S2中上层控制输出作为下层控制的输入，步骤S1中的性能选取边界作为下层目标函数及约束集选取的依据；步骤S2具体包括如下步骤：步骤S21：横向期望值跟踪控制设计步骤如下：首先，简化车辆为二自由度模型，根据车辆的二自由度动力学模型，推导出稳态时车辆期望的横摆角速度wd与质心侧偏角βd； 这里c1、c2、c3、c4、c5是与车辆质量、轮胎侧偏刚度、轴距相关的常数，δ为车轮转角、u为纵向车速，wd期望的横摆角速度，βd期望质心侧偏角；步骤S22：设计滑模控制作为跟踪控制算法，跟踪步骤S21的期望横摆角速度与质心侧偏角，设计步骤如下：设计滑模面切换函数s为：e＝w-wd+ε1β-βd e为横摆角速度与质心侧偏角联合偏差，ε1为质心侧偏角权重，c为正常数，c值取值越大，系统到达稳态的时间越短，t为积分时间，w为当前横摆角速度，β为当前质心侧偏角；采用指数趋近率 式中ε2，k均为正数，为控制器的参数；采用边界层法消除滑模颤振现象；当系统在边界层外时，使用开关控制，边界层内时，使用饱和函数替代符号函数，即： 这里，φ为边界层厚度；将控制规律函数代入滑模切换函数的一阶导数可得到包含滑模控制变量的附加横摆力矩的期望值为： 这里，为各个车轮纵向力对质心的力矩之和，Iz为车辆绕Z轴的转动惯量，Mzd为附加横摆力矩；步骤S23：纵向期望值跟踪控制设计步骤如下：纵向力需求可按如下公式计算： N为驱动电机个数，Tmax为电机最大扭矩；为踏板开度，v为车辆当前纵向车速，R为轮胎半径，Fxd为总的纵向力；步骤S3具体包括如下步骤：步骤S31：获取当前车辆的横摆角速度、质心侧偏角信息，计算与步骤S1中分析出来的动力性聚类质心的欧式距离d1与稳定性聚类质心的欧式距离d2，判断当前车辆的优化性能需求；欧式距离计算公式如下： 其中，w、β为车辆当前的横摆角速度、质心侧偏角，w1、β1为动力性聚类质心，w2、β2为稳定性聚类质心，d1为动力性聚类质心的欧式距离，d2为动力性聚类质心的欧式距离；步骤S32：获取当前优化性能需求后，二次规划最优力矩求解实施步骤如下：上层控制器产生的目标控制量Vd为Vd＝[FxdMzd]T这里，Vd为上层控制器输出，下层控制器的目标量控制；电机输出矢量x为：x＝[T1fT1rT2fT2rT3fT3r…TNfTNr]T其中，x为电机输出矢量，TNf为第N轴左侧驱动电机的力矩，TNr为第N轴右侧驱动电机的力矩；理想情况下，下层目标控制量Vd与电机输出矢量x之间的关系为：Vd＝Bxxmin≤x≤xmax其中，xmin，xmax分别为电机输出矢量约束的下界与上界，B为控制系数矩阵；写成矩阵型式为： 其中，b为轮距；对于一般的控制分配问题的数学描述表示为优化问题： 其中，Jx为成本函数；电机失效后，重新定义故障电机的约束边界，当某电机i发生故障时，定义故障电机对应的约束边界为：-hxmax≤xi≤hxmax其中，h为失效因子；最后，失效后的最优力矩分配问题可描述为： 通过设置不同目标函数可获得不同性能需要的力矩分配结果，实现容错。

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