基于FNN的電動汽車自適應橫向穩(wěn)定性控制

袁小芳 陳秋伊 黃國明 史可

摘? ?要：針對分布式驅(qū)動電動汽車（Distributed drive electric vehicles，DDEV）在急轉(zhuǎn)彎時出現(xiàn)的不足轉(zhuǎn)向和側(cè)向失穩(wěn)等不確定性穩(wěn)定問題，提出了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡（Fuzzy Neural Network，F(xiàn)NN）的自適應橫向穩(wěn)定性控制系統(tǒng).該系統(tǒng)包括上級直接橫擺力矩控制器和下級轉(zhuǎn)矩分配控制器. 其中，上級直接橫擺力矩控制器根據(jù)不確定因素產(chǎn)生的質(zhì)心側(cè)偏角誤差得到期望的直接橫擺力矩;下級轉(zhuǎn)矩分配控制器將上級控制器輸出的直接橫擺力矩按輪胎載荷分配至每個輪轂電機，實現(xiàn)高效調(diào)整汽車姿態(tài)，提高汽車的轉(zhuǎn)向能力和側(cè)向穩(wěn)定性.仿真實驗表明，所提出的控制系統(tǒng)顯著提升了DDEV的側(cè)向穩(wěn)定性，表現(xiàn)出較傳統(tǒng)模糊控制更好的控制效果.

關(guān)鍵詞：DDEV;橫向穩(wěn)定性;不確定性;橫擺力矩;模糊神經(jīng)網(wǎng)絡

中圖分類號：TH16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Adaptive Lateral Stability Control of Electric Vehicle Based on FNN

YUAN? Xiaofang1？覮，CHEN Qiuyi1，HUANG Guoming1，SHI? Ke1

（College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha? 410082，China）

Abstract：An adaptive lateral stability control system based on Fuzzy Neural Network（FNN） is proposed to solve the uncertain stability problems of Distributed Drive Electric Vehicles（DDEV） such as insufficient steering and lateral instability. The system consists of an upper direct yaw moment controller and a lower torque distribution controller. The upper direct yaw moment controller can get the desired direct yaw torque according to the error of side slip angle caused by uncertain factors. The lower torque allocation controller distributes the output of the upper controller to each hub motor according to the tire's load， which can adjust the vehicle attitude efficiently and improve the steering ability and lateral stability of the vehicle. Simulation results show that the proposed control system can significantly improve the lateral stability of DDEV，and show the better control effect than the traditional fuzzy control.

Key words：Distributed Drive Electric Vehicles（DDEV）;lateral stability;uncertainty;yaw moment;Fuzzy Neural Network（FNN）

在環(huán)境與能源問題愈發(fā)引起關(guān)注的社會背景下，電動汽車成為未來汽車行業(yè)的必然發(fā)展趨勢，分布式驅(qū)動電動汽車（DDEV）在結(jié)構(gòu)上采用四個內(nèi)嵌在車輪里的輪轂電機，使得車輛的各車輪單獨可控，避免了傳統(tǒng)汽車的機械傳動結(jié)構(gòu)，電機響應速度更快，控制方法也更加靈活多變，因此，DDEV得到越來越多研究者的關(guān)注[1-2].

DDEV在急轉(zhuǎn)彎時，由于側(cè)向加速度比較大，車輛失去側(cè)向力儲能能力，這使得駕駛員無法對車輛進行橫向控制，從而導致發(fā)生側(cè)翻等危險狀況[3]. 針對這一現(xiàn)象，常用控制方法為直接橫擺力矩控制，文獻[4]以操縱穩(wěn)定性為控制目標，提出一種基于滑模理論的橫擺力矩控制器，文獻[5]以極限工況下的穩(wěn)定性為控制目標，提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID聯(lián)合控制橫擺力矩控制器，文獻[6]提出了基于動態(tài)面理論的雙層控制策略，文獻[7]以橫向操縱穩(wěn)定性為控制目標，提出了基于變論域模糊控制理論的橫擺力矩控制策略，文獻[8]提出了一種基于模糊PI的穩(wěn)定性控制方法，文獻[9]為解決DDEV在低附著路面上的橫向操縱穩(wěn)定性問題，采用了上下雙層控制器，并以整車輪胎縱向力利用率最小為目標函數(shù)，采用加權(quán)最小二乘算法（WLS）將其得到的橫擺力矩和縱向力進行輪間的優(yōu)化分配.

目前，傳統(tǒng)直接橫擺力矩控制方法普遍存在計算量大，對象依賴性大、自適應能力差等問題.針對上述問題本文提出一種基于FNN的自適應穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（FNN-ASCS），顯著提升了DDEV的側(cè)向穩(wěn)定性，避免不足轉(zhuǎn)向、側(cè)翻、側(cè)滑的情形，表現(xiàn)出較傳統(tǒng)控制方法更好的控制效果.

式中：α = 2為學習率.

2.2? ?下級轉(zhuǎn)矩分配控制器

下級轉(zhuǎn)矩分配控制器（圖5）采用按載荷分配方式對上級控制器輸出的直接橫擺力矩進行力矩分配，相對常用的傳統(tǒng)平均力矩分配方式而言，此方式可以更好地利用垂直載荷較大的輪胎，使得輪胎的總利用率降低，延長輪胎使用期限[10].

按載荷分配轉(zhuǎn)矩的具體計算公式如下

中：Fzrl、Fzfr、Fzrl、Fzrr分別表示左前、右前、左后、右后輪胎的垂向力;Tfl、Tfr、Trl、Trr分別表示左前、右前、左后、右后輪胎的分配轉(zhuǎn)矩.

實際車輛運行時，還應當考慮電機輸出轉(zhuǎn)矩的上限值，另外電機輸出力矩也受到路面附著狀態(tài)的影響[4].

3? ?仿真分析

本文在MATLAB里搭建了DDEV急轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性控制的仿真平臺，來驗證本文FNN-ASCS的控制效果.仿真汽車的相關(guān)參數(shù)設定如表1所示.

3.1? ?低速工況

設路面附著系數(shù)μ = 0.65，初速度v = 15 m/s，方向盤輸入前輪轉(zhuǎn)角信號為正弦信號（如圖6），驗證車輛在低速工況下的急轉(zhuǎn)彎控制效果，由圖7車輛的動態(tài)響應曲線可知，未加控制的車輛質(zhì)心側(cè)偏角和側(cè)向力很大，特別是在車輛轉(zhuǎn)角變化值變號時，β最大誤差超過100%，加入模糊控制器后，β最大誤差也已達到10%以上，而加入FNN自適應控制器后，β誤差在5%以內(nèi)，車輛運行穩(wěn)定，質(zhì)心側(cè)偏角跟蹤效果明顯更好.

3.2? ?中、高速工況

同樣地，取路面附著系數(shù)μ=0.65，方向盤輸入前輪轉(zhuǎn)角信號為正弦信號（如圖6），驗證車輛在中速、高速工況下的急轉(zhuǎn)彎控制效果，圖8為車輛初速度v=25 m/s工況下的系統(tǒng)動態(tài)響應曲線，圖9為車輛初速度v=40 m/s工況下的系統(tǒng)動態(tài)響應曲線，在這兩種工況下，未加控制器的質(zhì)心側(cè)偏角已經(jīng)超過βmax，在

超過200%，加入模糊控制器后，最大誤差也超過了40%，而加入FNN自適應控制器后，誤差降低到5%以內(nèi)，保證了車輛的穩(wěn)定運行;另外，模糊控制在速度增加（工況變化）時，由于自適應能力較差，車輛超調(diào)增大，抖動增加也更明顯，相對于模糊控制，F(xiàn)NN自適應控制的抖動更小，質(zhì)心側(cè)偏角跟蹤效果也更好.

綜上，F(xiàn)NN自適應穩(wěn)定性控制系統(tǒng)在低、中、高速等工況下均能夠較好地跟蹤理想質(zhì)心側(cè)偏角，避免了車輛發(fā)生側(cè)翻，脫離運行軌跡的危險狀況，使得車輛穩(wěn)定運行，并且車速越大，控制效果越明顯.

4? ?總? ?結(jié)

本文針對DDEV在急轉(zhuǎn)彎時出現(xiàn)的不確定性穩(wěn)定問題，設計了一種基于FNN的自適應穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)在車輛急轉(zhuǎn)彎時，通過控制質(zhì)心側(cè)偏角，保證車輛穩(wěn)定運行.仿真結(jié)果表明，該控制器控制效果表現(xiàn)出較傳統(tǒng)模糊控制更好的控制效果，并且車速越大，控制效果越明顯.

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