基于非线性动力学模型的车辆纵向队列控制研究摘要车辆队列是智能交通系统（ITS）的一个研究热点。在保证安全稳定的前提下，缩短车辆队列的车间距离可以提高道路通行能力，有效缓解道路交通拥堵，降低车辆油耗。通信是实现车辆队列信息实时交互的关键，其结构对车辆队列控制系统的性能有重要影响。本文构建了以车辆非线性纵向动力学为基础的队列模型，应用Lyapunov稳定性理论，采用终端约束，在固定的信息流拓扑结构下，建立了模型预测控制的稳定性条件，设计了相应的模型预测控制算法，并通过MATLAB仿真的方式验证了所提出算法在各个信息流拓扑结构下的有效性以及稳定性。本论文有以下几个方面的主要研究工作：（1）利用反馈线性化方法建立车辆线性动力学模型，并以其为基础建立了均质队列模型，提出了车辆均质队列系统的状态反馈模型预测控制算法，建立车辆队列控制系统的有限时域最优控制问题，将问题转化为了线性二次型问题进行求解。同时，分析了车辆均质队列闭环稳定性，求解出了队列闭环稳定性的充分条件。采用状态反馈的模型预测控制算法，实现了车辆队列系统的跟踪稳定性能，并通过MATLAB仿真，与智能驾驶模型和最优速度模型仿真结果进行了对比，验证了该算法的有效性及稳定性。（2）以车辆非线性动力学模型为基础建立异质车辆队列模型，提出适应各个信息流拓扑结构下的异质车辆队列模型预测控制算法。采用终端约束，应用Lyapunov稳定性理论求出控制器稳定性控制的充分条件，调节权重矩阵，在建立的时变离散系统中，保证了车辆队列系统的渐进稳定性。（3）在MATLAB环境下，针对典型的工况，对控制算法进行仿真分析。仿真结果表明：前车-领航者跟随式和双前车-领航者跟随式在四种信息流拓扑结构仿真下有良好的控制效果，即若跟随车能够获取领航车的状态信息，能获得较好的鲁棒性；在受到初始干扰时，都能在短时间内回复到平衡状态；本文所提出的算法解算平均时间均在0.05s左右，小于0.1s的采样周期，满足实时性要求；在车辆切入和切出的状态下仍然能保持良好的稳定性。关键词：车辆纵向队列控制；模型预测控制；终端约束；渐近稳定性；MATLAB仿真IIIAbstractVehiclequeuingisaresearchhotspotofintelligenttransportationsystem(ITS).Onthepremiseofensuringsafetyandstability,shorteningtheworkshopdistanceofvehiclequeuecanimproveroadcapacity,effectivelyalleviateroadtrafficcongestionandreducevehiclefuelconsumption.Communicationisthekeytorealizethereal-timeinteractionofvehiclequeueinformation,anditsstructurehasanimportantimpactontheperformanceofvehiclequeuecontrolsystem.Thispaperconstructsaqueuemodelbasedonvehiclenonlinearlongitudinaldynamics,appliesLyapunovstabilitytheory,adoptsterminalconstraints,establishesthestabilityconditionsofmodelpredictivecontrolunderafixedinformationflowtopology,designsthecorrespondingmodelpredictivecontrolalgorithm,andverifiestheapplicationoftheproposedalgorithmineachinformationflowtopologythroughMATLABsimulationTheeffectivenessandstabilityoftheproposedmethod.Themainresearchworkofthispaperisasfollows(1)Thelineardynamicmodelofvehicleisestablishedbyusingfeedbacklinearizationmethod,andthehomogeneousqueuemodelisestablishedbasedonit.Thestatefeedbackmodelpredictivecontrolalgorithmofvehiclehomogeneousqueuesystemisproposed.Thefinitetimeoptimalcontrolproblemofvehiclequeuecontrolsystemisestablished,andtheproblemistransformedintolinearquadraticproblemforsolution.Atthesametime,theclosed-loopstabilityofvehiclehomogeneousqueueisanalyzed,andthesufficientconditionsofclosed-loopstabilityareobtained.Usingthestatefeedbackmodelpredictivecontrolalgorithm,thetrackingstabilityperformanceofthevehiclequeuesystemisrealized.ThroughMATLABsimulation,thesimulationresultsarecomparedwiththeintelligentdrivingmodelandtheoptimalspeedmodel,an...
