汽車驅(qū)動防滑的模糊控制方法研究

1、汽車驅(qū)動防滑的模糊控制方法研究摘要：本文將模糊控制技術(shù)和傳統(tǒng)的PID 控制技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于車輛的防滑控制系統(tǒng)中，通過仿真結(jié)果比較看出，取得了較好的效果。關(guān)鍵詞：滑轉(zhuǎn) 滑轉(zhuǎn)率 模糊控制 隨著汽車行駛速度的提高，以及道路行車密度的增大，對于汽車的行駛安全性能的要求也越來越高。特別是汽車在高速工況下，驅(qū)動輪在低附著系數(shù)路面或附著系數(shù)分離的坡道、不平等路面行駛，或在起步和加速時，車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)，導(dǎo)致汽車側(cè)滑、空轉(zhuǎn)和方向失去控制等安全問題顯得更為突出。汽車驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)(Anti-slip Regulation，簡記為ASR)是一種新型的主動安全控制技術(shù)，它們是繼制動防抱死控制(ABS)之后又一新發(fā)展

2、，對于改善車輛的牽引性、操縱性、穩(wěn)定性和安全性、舒適性等具有重要的意義。 所以它的研究就得到很大的重視，而且已迅速成為一個重要的課題。驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)是防止汽車在驅(qū)動過程中(特別是起步、加速、轉(zhuǎn)彎等過程)驅(qū)動輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)，使汽車在驅(qū)動過程中的方向穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向操縱能力和加速性等也都得到提高。它是伴隨著汽車制動防抱死系統(tǒng)(ABS)的產(chǎn)品化發(fā)展起來的。車輛路面系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，它包括像路面、輪胎、駕駛員等諸多非線性因素，所以很難用一個數(shù)學(xué)模型將車輛系統(tǒng)準(zhǔn)確地表示出來。而驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)也是一類復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，由于車輛系統(tǒng)本身的非線性使得驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)非常困難，所以國外車輛上

3、安裝驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)大多采用邏輯門限控制方法，也就是一種開關(guān)控制，它的門限值要靠經(jīng)驗(yàn)選取，而且控制過程不平穩(wěn)，所以控制效果不是很理想。而智能控制方法恰恰正適用于該類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以本文將采用智能控制中較為成熟和有實(shí)際應(yīng)用的模糊邏輯控制方法進(jìn)行研究，將其應(yīng)用于驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)。1 汽車驅(qū)動防滑控制的原理 在駕駛員、汽車和環(huán)境三者所組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，汽車與環(huán)境之間的最基本聯(lián)系是輪胎和路面之間的作用力(包括縱向力和側(cè)向力、法向力以及回正力矩、翻轉(zhuǎn)力矩等)，汽車的行駛狀態(tài)主要是由輪胎和路面的作用力決定的，因此駕駛員對汽車的控制實(shí)質(zhì)上是在控制輪胎與路面間的作用力，但是，車輪與路面間的作用力要受到輪胎與路

4、面間的附著特性的限制。當(dāng)輪胎與路面間的作用力接近或達(dá)到附著極限，如汽車起動或加速行駛過程中，如果路面附著系數(shù)較小，常常會使車輛驅(qū)動扭矩超過輪胎與路面間的附著極限，產(chǎn)生驅(qū)動輪過度滑轉(zhuǎn)。這不但降低汽車的驅(qū)動性能，加劇輪胎磨損，增大傳動系載荷和駕駛員負(fù)擔(dān)，增加燃油消耗，而且損害車輛的操縱性、穩(wěn)定性和安全性。所以合理地調(diào)節(jié)車輛輪胎與路面間的作用力，對于提高汽車的主動安全性具有重要的意義。汽車在路面上行駛，其驅(qū)動力取決于發(fā)動機(jī)輸出扭矩，但要受到路面附著條件的限制。輪胎與路面的附著極限與輪胎結(jié)構(gòu)、路面狀況、天氣情況、車速等因素有關(guān)，是一個變化范圍很廣的不確定量，大量試驗(yàn)證明，輪胎與路面之間的附著系數(shù)與滑轉(zhuǎn)

5、率的關(guān)系如圖1 所示。從圖中可以看出，縱向附著系數(shù)在開始隨著滑轉(zhuǎn)率的增加，當(dāng)附著系數(shù)達(dá)到一最大值以后隨著滑轉(zhuǎn)率的增加而降低；側(cè)向附著系數(shù)則隨著滑轉(zhuǎn)率的增加而降低，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率為1 時，側(cè)向附著系數(shù)已非常小。而附著系數(shù)與附著力在一定范圍內(nèi)成正比例關(guān)系，綜合考慮縱向附著系數(shù)和側(cè)向附著系數(shù)，比較理想的驅(qū)動輪縱向滑轉(zhuǎn)率應(yīng)略小于峰值附著系數(shù)所對應(yīng)的滑轉(zhuǎn)率大約在0.050.2 之間。這樣不但可保證車輛具有良好的牽引性，同時又具有一定的側(cè)向穩(wěn)定潛能。汽車驅(qū)動防滑控制正是利用它們的這種關(guān)系，在驅(qū)動過程中將驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)率控制在0.050.2 的范圍內(nèi)。 圖1 附著系數(shù)與滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系圖2 模糊邏輯控制技術(shù)的基本原理

6、傳統(tǒng)的控制是依賴于被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而模糊邏輯控制規(guī)則是依賴于被控系統(tǒng)的物理特性。物理特性的提取要靠人的直覺和經(jīng)驗(yàn)。這些物理特性在人腦中是用自然語言來總結(jié)抽象成一系列的概念和規(guī)則的，自然語言的一個重要的特點(diǎn)就是具有模糊性。人可以根據(jù)不精確信息來進(jìn)行推理而得到有意義的結(jié)果，而模糊控制系統(tǒng)就是用機(jī)器來模仿人的這樣的過程。首先將人的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和形式化描述，用語言表達(dá)成一組定性的條件語句和不精確的決策規(guī)則，然后利用模糊集合作為工具使其定量化，進(jìn)而設(shè)計(jì)一個控制器，用那些形式化的人的經(jīng)驗(yàn)法則模仿人的控制策略，再驅(qū)動設(shè)備對復(fù)雜的工業(yè)過程進(jìn)行控制，這就構(gòu)成了模糊控制器。常規(guī)的模糊控制器對復(fù)雜的和模型不

7、清楚卻能進(jìn)行簡單而有效的控制，比較容易實(shí)現(xiàn)。但簡單的模糊控制器由于不具有積分環(huán)節(jié)，因而在模糊控制系統(tǒng)中又很難完全消除穩(wěn)態(tài)誤差，而且在變量不夠多的情況下，常常在平衡點(diǎn)附近會有小的振蕩現(xiàn)象。PID 控制器是一種非常簡單而有效的控制方法，是過程控制中應(yīng)用最廣泛最基本的控制方法，它具有積分環(huán)節(jié)，可消除余差。所以把這兩種控制方法結(jié)合起來，就可以構(gòu)成兼有這兩者優(yōu)點(diǎn)的模糊PID 控制器。目前模糊技術(shù)與PID 控制算法結(jié)合起來主要有兩種形式：一種是利用模糊控制器來給PID 控制器在線自整定(或者自校正、自調(diào)整)PID 參數(shù)，組成模糊自整定參數(shù)PID 控制器；另一種是在大偏差范圍內(nèi)采用比例控制，而在小偏差時采用

8、模糊控制，在0 值附近采用PI 控制，幾種控制方式的切換是根據(jù)預(yù)先確定的偏差闕值來控制，這就構(gòu)成P-FUZZY-PI 分段控制器。本文主要進(jìn)行后一種控制方法的設(shè)計(jì)研究。 2.1 模糊PID 控制器的原理要提高基本模糊控制器的設(shè)計(jì)精度和跟蹤性能，就必需對語言變量取更多的語言值，即分檔越細(xì)，性能越好。但同時帶來的缺點(diǎn)是規(guī)則數(shù)和系統(tǒng)的計(jì)算量也大大地增加，以至模糊控制規(guī)則表也難以把握，調(diào)試更加困難，或者不能滿足實(shí)時控制的要求。解決的一個方法就是在控制域內(nèi)用不同的控制方式實(shí)現(xiàn)控制。 當(dāng)偏差大于某一個闕值時，用比例控制，以提高系統(tǒng)的阻尼性能，減小響應(yīng)過程；當(dāng)偏差減小到闕值以下時，切換轉(zhuǎn)入模糊控制，以提高系

9、統(tǒng)的阻尼性能，減小響應(yīng)過程的超調(diào)，這樣就綜合了比例控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)。在這種方法中，模糊控制的論域僅是整個論域的一部分，這就相當(dāng)于模糊控制論域已被壓縮，就等效于語言變量的語言值即分檔數(shù)增加，提高了靈敏度和控制精度。然而由于模糊控制沒有積分環(huán)節(jié)，而且對輸入量的處理是離散而有限的，即控制曲面是階梯形而并非平滑的，因而最終必然存在穩(wěn)態(tài)余差，而PI 控制在平衡點(diǎn)附近的小范圍調(diào)節(jié)效果是較理想的，其積分作用可最終消除余差。 由此就可采用多模態(tài)分段控制算法來綜合比例、模糊和比例積分控制的長處，不但可以使系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和抗參數(shù)變化的魯棒性，而且可以對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度誤差控制的P-FUZZY-PI 控制

10、器，以汽車驅(qū)動防滑控制為例，其結(jié)構(gòu)如圖5-2 所示。 圖2 汽車驅(qū)動防滑的P-FUZZY-PI 控制器P 控制 當(dāng)e>=EP (切換闕值) FUZZY控制 當(dāng)Z<EPI 控制 當(dāng)e=Z (模糊語言中的0 值)由于其中三種控制方式在系統(tǒng)工作過程中是分段切換作用，不會同時出現(xiàn)而相互影響，所以三者可以分別設(shè)計(jì)和調(diào)試。但是切換闕值的設(shè)定是個關(guān)鍵。從P 模態(tài)向FUZZY模態(tài)切換的闕值要選得恰當(dāng)，如果選得太小，在接近目標(biāo)值時，就可能出現(xiàn)較大的超調(diào)；反之，選得太大，就會過早的進(jìn)入FUZZY 模態(tài)而影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但這有利于減小超調(diào)。所以要找到一個相對最優(yōu)點(diǎn)，或者根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)來選取。在從FU

11、ZZY 模態(tài)向PI 切換時，一般選在誤差語言變量的語言值為“零(Z)”時，切換至PI 控制，即當(dāng)eZE 時，用以下PI 算法： （1）式中 KP比例系數(shù)， KI 積分系數(shù)， UPI 的輸出控制量。 在模糊控制中，其語言變量的語言值為“零(Z)”時，其絕對誤差實(shí)際上并不一定為0，所以在此基礎(chǔ)上施加PI 控制就能消除余差。P-FUZZY-PI 控制器與常規(guī)PID 控制器相比，它大大提高了系統(tǒng)適應(yīng)抗外部干擾和內(nèi)部參數(shù)變化的魯棒性，減小了超調(diào)，改善了動態(tài)性能。與簡單模糊控制器相比，它減小了穩(wěn)態(tài)誤差，提高了平衡點(diǎn)的穩(wěn)定度，提高響應(yīng)速度，更加有利于實(shí)時控制。 2.2 汽車驅(qū)動防滑P-FUZZY-PI 控制

12、器設(shè)計(jì) 基于以上控制原理，設(shè)計(jì)了汽車驅(qū)動防滑的P-FUZZY-PI 控制器，在該控制器中，采用了兩個闕值進(jìn)行不同控制模態(tài)的切換。同其它控制器一樣將車輪的滑轉(zhuǎn)率s 作為車輛系統(tǒng)的輸出，驅(qū)動扭矩為輸入。假定主要考慮車輛的牽引性能，設(shè)車輪理想滑轉(zhuǎn)率為0.20。從P 模態(tài)向FUZZY模態(tài)切換的闕值確定為0.60，從FUZZY 模態(tài)向PI 模態(tài)切換時也確定一個闕值為0.25。根據(jù)實(shí)際情況，將滑轉(zhuǎn)率誤差E 分為5 個等級：正大(PL)、正小(PS)、零(Z)、負(fù)小(NS)和負(fù)大(NL)，將滑轉(zhuǎn)率變化率分為3 個等級：正大(PL)、零(Z)和負(fù)大(NL)，輸出U 分為5 個等級：正大(PL)、正小(PS)、

13、零(Z)、負(fù)小 (NS)和負(fù)大(NL)。隸屬函數(shù)選取常用的三角形隸屬函數(shù)和鈴形隸屬函數(shù)，本文將滑轉(zhuǎn)率誤差E 和輸出U 選取為鈴形隸屬函數(shù)，鈴形隸屬函數(shù)即正態(tài)分布的函數(shù)，滑轉(zhuǎn)率變化率選取EC 三角形隸屬函數(shù)，模糊控制只采用了7 條規(guī)則，如表1 所示。其隸屬度函數(shù)和輸出響應(yīng)曲線分別如圖36 所示： 表1 模糊控制規(guī)則表 3 汽車驅(qū)動防滑P-FUZZY-PI 控制器仿真計(jì)算 本文分別采用了兩種控制方法在8 自由度的車輛模型上進(jìn)行了仿真比較，一種是采用傳統(tǒng)的模糊控制方法，總共采用了15 條推理規(guī)則如表2 所示；另一種即P-FUZZY-PI 控制。仿真工況為低附著路面(0.20)起步加速直線行駛，其滑轉(zhuǎn)

14、率控制曲線和行駛距離曲線分別如圖7、圖8 所示。 表2 模糊控制規(guī)則表 圖7 滑轉(zhuǎn)率控制比較曲線圖8 行駛距離比較曲線從圖中的比較可以看出，采用模糊控制的滑轉(zhuǎn)率在理想滑轉(zhuǎn)率附近還有一定的誤差，這也是模糊控制器所固有的缺點(diǎn)，而P-FUZZY-PI 控制器控制的車輪滑轉(zhuǎn)率基本和理想值相等，基本消除模糊控制帶來的余差，而且其響應(yīng)速度更快，其效果也有一定的提高。同時采用模糊控制時，由于規(guī)則設(shè)計(jì)等原因常會引起振蕩，要消除振蕩要增加規(guī)則或經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，使計(jì)算量大大增加，采用P-FUZZY-PI 控制就很容易解決這一問題。從計(jì)算速度上P-FUZZY-PI 控制也有了較大的提高。 4 結(jié)論 本文主要進(jìn)行了一類模糊PID 控制器設(shè)計(jì)，它將傳統(tǒng)的PID 控制與模糊控制技術(shù)結(jié)合，利用了各自的優(yōu)點(diǎn)，從仿真計(jì)算結(jié)果來看其控制效果比單純的模糊控制有了較大的提高，而且大大降低了模糊控制器設(shè)計(jì)的工作量，提高了運(yùn)行速度，是一種較好的控制方法。每種控制方法都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單純的一種控制方法往往不一定是最優(yōu)的，如果采用幾種控制方法有效的結(jié)合，利用各自的優(yōu)點(diǎn)克服其弱點(diǎn)，將會得到更加理想的控制效