本发明涉及电动汽车主动前轮转向控制领域，特别是涉及一种基于扩张状态观测器的车辆主动前轮转向改进滑模可拓控制方法。
背景技术：
1、在快速躲避等紧急工况下，车辆稳定性必须要得到有效的保障，因此，近年来对于车辆稳定性控制的需求令车辆主动前轮转向技术得到了发展。而以往主动前轮转向控制技术在车辆处于非稳定域内时，控制效果并不理想，采用单一的控制算法进行车辆主动前轮转向的全局区域控制，会导致部分区域控制效果较差。常用的二自由度车辆模型与实际模型相差较大，未充分考虑到参数不确定性和外部干扰对车辆的影响。同时传统的滑模控制中，难以在有效抑制抖振现象的同时保持良好的鲁棒性和趋近速率。
技术实现思路
1、本发明针对以上问题，提出了一种基于扩张状态观测器的车辆主动前轮转向改进滑模可拓控制方法，根据车辆当前特征状态(包括横摆角速度误差e1以及横摆角速度的误差的导数)判断所处的区域(包括稳定域、临界稳定域、非稳定域)，选择不同控制策略，输出动态调整的汽车附加前轮转角，实现对车辆稳定性的实时控制。
2、本发明的技术方案为：包括以下步骤：
3、步骤1、建立车辆二自由度模型的空间状态方程，获取横摆角速度和质心侧偏角的期望值；
4、步骤2、设计基于快速指数趋近率的积分指数型快速终端滑模控制器；
5、步骤3、采用二阶扩张状态观测器对车辆模型中的非线性干扰项进行实时的观测和补偿；
6、步骤4、将可拓理论与步骤3中设计的滑模控制结合起来，形成改进滑模可拓控制器，对车辆横摆角速度ω和质心侧偏角β进行控制。
7、步骤1具体为：
8、考虑车辆在行驶过程中可能出现的建模误差和外界干扰，将上述因素对系统造成的影响归结为一个非线性干扰项d，并输入额外的前轮转角δδf来调节横摆角速度和质心侧偏角；得到考虑不确定性因素的车辆二自由度模型的空间状态方程：
9、
10、式中:
11、
12、式中，ω、β分别是横摆角速度和质心侧偏角.a为系统状态矩阵，包含元素：a11、a12、a21、a22；b为输入矩阵，包含元素：b11、b21。k1、k2分别为前、后轮胎侧偏刚度.a、b分别为前、后轴到车辆质心位置的距离；iz是车辆的质心绕z轴的转动惯量；m是车辆的总质量；δf是车辆前轮转角，并且δf＝δsw/i，δsw是方向盘转角，i为传动比；v是车辆质心处的纵向速度；d1、d2为非线性干扰项，且均有界，满足：
13、
14、通过理想的线性二自由度模型可求得横摆角速度和质心侧偏角的期望值：
15、
16、式中，l为车辆的前后轴轴距；是稳定性因子；μ为路面附着系数。
17、步骤2具体为：
18、选取横摆角速度作为控制量，定义误差项为：
19、e1＝ω-ωd (3)
20、建立非线性的ieftsmc滑模面s如下：
21、
22、式中，e1(0)表示误差变量e1的初始量；c3>0，c4>0，0<kr<1，qr，pr均为奇数，且满足qr<pr<2qr；ω1，ω2满足：
23、
24、为了在不影响其鲁棒特性以及趋近速率的同时，有效抑制抖振现象，采用如下快速指数趋近率：
25、
26、式中：
27、
28、式中ε为正实数，c5>0为正实数，s0为s的初始值，n为正整数，α>1为正实数，p≥2为正整数；已知大于0，因此系统的稳定性不会受项的影响；同时引入ε|s0|防止s趋近于滑模面时分母为0；
29、联立式(1)、(4)、(6)和(7)，得到ieftsmc的控制律：
30、
31、其中，δδf为额外的前轮转角。
32、步骤3具体为：
33、在控制器中包含着非线性干扰项d2，在实际的工程应用中，d2无法直接测量,因此将d2扩张为一个新的状态变量，构成如下二阶系统：
34、
35、式中η(t)为非线性干扰项d2的导数；可设计如下二阶扩张状态观测器：
36、
37、式中，e2为eso对系统状态量ω的观测误差；z1是eso对ω的观测值；z2是eso对非线性干扰项d2的观测值；β01和β02为误差校正系数；非线性函数fal(e2,α1,ξ)的表达式如下所示：
38、
39、式中，α1和ξ为非线性函数的参数，由扩张状态观测器可得到对上式的观测值；
40、联立式子(8)和(10)得到基于eso的ieftsmc控制律：
41、δδf＝(f-a21β-a22ω-z2)/b21-δf
42、
43、其中，δδf为额外的前轮转角。
44、步骤4具体为：
45、步骤4.1、特征量提取；
46、选择理想横摆角速度与实际横摆角速度的偏差，以及偏差的导数作为特征量，组成特征状态
47、步骤4.2、可拓集合划分；
48、横坐标选择偏差e1，纵坐标选取偏差的导数选择车辆的横摆角速度偏差e1以及偏差导数的容许范围分别为eom和系统可调的最大偏差和最大偏差导数分别为em和
49、步骤4.3、关联度计算；
50、假设特征平面的原点为s0(0,0)，定义和则对于平面上的任一点定义其关联函数为：
51、
52、式中，h(s)为特征状态关联函数，r为图中的经典域，k3、k4分别为误差以及误差变化率的加权系数；
53、步骤4.4、控制策略；
54、当{sh(s)≥0}时，此时其对应的特征量属于经典域，主动前轮转向效果较好，单独采用滑模控制；
55、当{s-1<h(s)≤0}时，其对应特征量属于可拓域，在此范围内控制性能通常会较差，但是能够调节此时系统的特征状态，改变控制输出量，从而提升控制性能；设计控制器为：
56、u2＝e1/kc-kcih(s)sgn(e1) (14)
57、式中，kc为控制器增益，kci为当前域的控制系数；
58、当{sh(s)≤-1}时，此时系统工作在不稳定区域，为了减小车辆处于不稳定区域的时间，取控制器输出幅值为当前控制器的输出值；
59、记上文滑模控制器输出为u1，则可拓滑模控制器输出为：
60、
61、式中，ρ为输出系数。
62、本发明基于考虑建模误差和外部干扰的二自由度车辆动力学模型，建立稳定性控制动力学模型；基于动力学模型进行分层控制，上层对滑模控制进行改进，设计了一种基于快速指数趋近率(ferl)的积分指数型快速终端滑模控制器(ieftsmc)；采用二阶扩张状态观测器(eso)对车辆模型中的非线性干扰项进行实时的观测和补偿；下层将上述改进滑模控制与可拓控制结合起来，形成改进滑模可拓控制器，根据车辆当前特征状态判断所处的区域，从而选择不同控制策略，输出动态调整的汽车附加前轮转角。本发明不仅提高了模型精度和抗干扰性能，进一步抑制了滑模控制的抖振现象，同时提升了全局区域的控制效果。具有较高的精度和较强的鲁棒性。
1.一种基于扩张状态观测器的车辆主动前轮转向改进滑模可拓控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于扩张状态观测器的车辆主动前轮转向改进滑模可拓控制方法，其特征在于，步骤1具体为：
3.根据权利要求1所述的一种基于扩张状态观测器的车辆主动前轮转向改进滑模可拓控制方法，其特征在于，步骤2具体为：
4.根据权利要求1所述的一种基于扩张状态观测器的车辆主动前轮转向改进滑模可拓控制方法，其特征在于，步骤3具体为：
5.根据权利要求1所述的一种基于扩张状态观测器的车辆主动前轮转向改进滑模可拓控制方法，其特征在于，步骤4具体为：
