基于博弈论的汽车底盘集成系统最优选择控制研究

This project is to study the integrated control of vehicle chassis system to obtain the whole-region optimal performance. The research emphasis is on the network structure modelling, game between the control performance indices and selective control method for the vehicle chassis system. Through analysing the coupled dynamics in and among the subsystems of the chassis large-scale system, the multi-freedom coupled dynamics network structure model reflecting the chassis system mutual relationship is firstly built. Considering the conflicts between the whole-region optimal index and the subsystems' control performance indices, and between different actuators' sharing, the controlled subsystems' main game indices set is to be fixed on, and the whole-region optimal control performance indices game method is then put forward. Finally according to the differences between the optimal performance and the subsystems' control performances, the selective control strategy is explored for the chassis whole-region optimal control system, and the control action optimal distribution method based on the matching degree is studied. The project research is to adopt theoretical analysis, software simulation, hardware-in-loop simulation and vehicle test, in order to provide the theoretical bassis or reference for the whole-region optimal control studying of vehicle chassis integrated system and its control system development.

本项目是针对汽车底盘集成系统全局性能最优控制的研究，重点研究汽车底盘大系统网络结构建模及控制性能指标博弈与其选择控制方法。通过分析各子系统内和子系统间的耦合动力学关系，建立综合反映汽车底盘系统相互关联关系的多自由度耦合动力学网络结构模型；考虑全局最优指标与子系统控制性能指标、不同执行器共享的冲突，确定可控子系统的主要博弈指标集，提出全局最优控制性能指标博弈方法；根据全局最优性能与子系统控制性能之间的差异，探索底盘全局最优控制系统选择控制策略，并研究基于匹配度的控制量最佳分配方法。本项目拟采用理论分析、软件仿真、硬件在环实时仿真与实车试验相结合的方法进行研究，以期为汽车底盘集成系统全局最优控制研究及其控制系统开发提供理论依据和参考。

考虑底盘集成系统悬架、转向和制动等子系统间的耦合关系、子系统间的控制性能指标间和执行器输出等冲突，进行了底盘集成系统的建模、最优选择控制、稳定性分析和控制系统性能优化等研究工作。该项目的主要成果包括：①完成了底盘系统含悬架、转向和制动系统的建模，构建了功能不同的上下两层控制系统结构：下层保证各对应子系统具有局部最优控制性能，上层从底盘系统全局控制性能优化出发，设计了优化控制规则或下层子系统控制器输出的权重调整方法；在不同工况下验证了所构造的控制系统及提出的算法的有效性。②研究了主动悬架系统故障估计与补偿容错控制、功能分配控制和H∞可拓控制，根据悬架作动器故障、运行工况或控制区域不同，进行了悬架控制输出的最优选择控制。建立了汽车自适应巡航系统速度模式和车距控制模式之间平稳切换策略，采用上下两层控制器，在不同的行驶工况下仿真验证了所提出的控制策略的有效性。③运用Lyapunov 指数方法对所建立的非线性整车模型进行了混沌数值分析；利用滑模变结构控制方法，对汽车横向运动中的混沌进行了控制；采用模糊控制的方法实现了幂次趋近律的自适应策略。对汽车横向运动中的混沌抑制和极限工况下汽车行驶稳定性提升进行了仿真验证。④进行了车道偏离辅助系统转向控制的人机共享和分层控制研究，仿真和硬件在环试验验证了所提出的方法能够有效避免车辆偏离车道，人机协调性好。采用期望式、增量式以及期望式与增量式集成的转角决策方法建立了5种不同的驾驶员模型，仿真验证了各驾驶员模型的优劣性。⑤搭建了汽车悬架、转向和制动的底盘集成系统硬件在环和实车试验平台，开发了相应的子系统和协调控制器，基于LabVIEW设计了底盘集成控制系统的上位机软件，利用CAN总线网络实现了车载传感器、上层协调决策层及底盘子系统控制器间的信息交互传递，进行了硬件在环实验和实车试验验证。理论分析、仿真计算、硬件在环和实车试验等结果表明，所提出的两层控制系统结构和对应的控制算法能够进一步优化底盘系统全局控制性能；提出的故障估计和补偿控制策略、功能分配控制和可拓控制能够很好地对悬架系统输出量进行优化选择控制，以保证汽车悬架系统具有最佳的控制性能；所设计的滑模变结构控制器能够有效抑制汽车横向运动中的混沌现象，提升汽车的行驶稳定性。