蘇建強,馬曉軍,許世蒙,魏曙光
(1.裝甲兵工程學院控制工程系,北京 100072; 2.66188部隊,張家口 075000; 3.裝甲兵工程學院基礎(chǔ)部,北京 100072)
多輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛的每個車輪都安裝一個輪轂電機,執(zhí)行環(huán)節(jié)只有驅(qū)動電機和控制系統(tǒng),車輛動力學控制的自由度大大增加[1],對各個車輪的控制提出了更高要求。如車輛在低附著路面加速時,車輪會出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象;車輛在過溝過坎時會出現(xiàn)個別車輪懸空,造成車輪傳動系阻力減小,引起車輪“飛車”,故須對車輪實施必要的防滑控制。
汽車電動輪的驅(qū)動防滑控制有模糊控制、滑??刂啤ID控制和自適應(yīng)控制等[2-5]。裝甲車輛車輪轉(zhuǎn)動系統(tǒng)是一個具有參數(shù)攝動的大擾動系統(tǒng),本文中將車輪阻力和車輪參數(shù)不確定的部分等效為總擾動,通過擴展狀態(tài)觀測器(extend state observe, ESO)估計擾動量,并基于反演(backstepping)逐步遞推思想,將車輪系統(tǒng)簡化為兩個串聯(lián)的1階子系統(tǒng),分別設(shè)計滑??刂破?。以ESO獲得的擾動估計值代替滑模控制中的切換控制項,抑制傳統(tǒng)滑??刂频摹岸墩瘛眴栴},實現(xiàn)多輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛車輪的防滑控制。
多輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛裝有8個獨立驅(qū)動的輪轂電機,各車輪之間沒有機械連接關(guān)系,這就需要對每個車輪都實施防滑控制。車輪在防滑控制時,車輪系統(tǒng)可作為一個獨立的系統(tǒng)。
車輛在水平路面時的車輪模型為
(1)
式中:m為車輛的總質(zhì)量;i為電機與車輪之間的傳動比;J為車輪轉(zhuǎn)動慣量;v為車輛速度;λ為車輪滑移率;r為車輪半徑;ω為車輪角速度;μ(λ)為車輪的附著系數(shù);f為車輪的滾動阻力系數(shù);Te為電機的電磁轉(zhuǎn)矩;Fz為車輪載荷;ΔFz為車輪動態(tài)載荷。
輪轂電機的轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)響應(yīng)性能比車輪的瞬態(tài)響應(yīng)要快幾十倍,將電機的轉(zhuǎn)矩模型簡化為1階動態(tài)系統(tǒng)模型:
(2)
式中:Te_ref為電機參考轉(zhuǎn)矩;τ為電機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間常數(shù)。令x1=ω,x2=Te,u=Te_ref,則可得系統(tǒng)的狀態(tài)方程為
(3)
(4)
輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛的電機轉(zhuǎn)速很方便測量,轉(zhuǎn)矩也很容易通過電流計算得到,即狀態(tài)變量x1、x2均可實時獲取。
通過防滑控制使車輪保持在最佳滑移率附近,使地面提供最大驅(qū)動力。根據(jù)文獻[6]中縱向Magic輪胎模型:
μ=Dsin{Carctan[Bλ(1-E)+Earctan(Bλ)]}
(5)
式中:μ為縱向附著系數(shù);λ為滑移率;B為剛度系數(shù);C為形狀系數(shù);D為峰值系數(shù);E為曲率系數(shù)。圖1為兩種典型路面滑移率與附著系數(shù)關(guān)系曲線,不同路面的最佳滑移率λd不同,約在10%~25%處。
根據(jù)上述分析,車輛行駛過程中車輪阻力和垂向載荷變化大,車輪轉(zhuǎn)動系統(tǒng)是一個具有參數(shù)攝動的大擾動系統(tǒng)?;?刂茖?shù)攝動和外界干擾具有較強的魯棒性,但其切換控制項通過非連續(xù)開關(guān)切換實現(xiàn),會引起系統(tǒng)的“抖振”[7],提出采用ESO估計系統(tǒng)的總擾動,并利用backstepping的逐步遞推思想[8],將狀態(tài)變量x2作為式(4)狀態(tài)方程1的虛擬控制量,分別設(shè)計兩個狀態(tài)方程1階滑模控制器。
擴展狀態(tài)觀測器(ESO)將影響被控輸出的擾動擴展成新的狀態(tài)變量,用特殊的反饋觀測被擴展的狀態(tài)變量(即等效總擾動)。考慮n階系統(tǒng):
(6)
(7)
式中:zi(t)為狀態(tài)變量xi(t)的觀測值(i=1,…,n);zn+1(t)為不確定部分f1(x1,x2,…,xn-1)的觀測值。
由于狀態(tài)變量x1、x2均可知,只須對式(4)狀態(tài)方程1中F(t)進行觀測。子系統(tǒng)為1階系統(tǒng),經(jīng)擴展后為2階系統(tǒng):
(8)
可得到F(t)的估計值即為z2(t)。
將擾動量觀測值z2(t)代入上式,得到子系統(tǒng)的虛擬控制量:
(9)
則系統(tǒng)的控制量為
(10)
圖2為系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu)圖,用ESO對系統(tǒng)中的不確定項F(t)的估計值z2(t)代替滑模控制中的切換項,將狀態(tài)變量x2作為系統(tǒng)Ⅰ的虛擬控制量設(shè)計了滑??刂破鳍?,而后逐步向后遞推,對系統(tǒng)Ⅱ設(shè)計了滑??刂破鳍颍瓿纱?lián)滑??刂破髟O(shè)計。
(11)
(12)
為驗證控制算法的有效性,對車輛在低附著路面加速和車輪懸空過程進行了仿真。首先通過在給定的固定最佳滑移率下,測試控制的快速性和穩(wěn)定性;然后在最佳滑移率隨路況變化且輪胎阻力變化較大、車輪轉(zhuǎn)動慣量攝動的情況下,測試控制器的魯棒性;最后測試車輪懸空時滑移率的控制性能。
仿真前先對車輛的駕駛員加速踏板加以定義:駕駛員需求轉(zhuǎn)矩Tref=σTmax(n),σ∈[0,1]為加速踏板的歸一化行程,Tmax(n)為輪轂電機轉(zhuǎn)矩外特性曲線。輪轂電機的參考轉(zhuǎn)矩Te_ref=min(Tref,ud),車輛在高附著路面行駛,車輪實際滑移率很小,防滑控制計算的ud必然大于加速踏板給定的轉(zhuǎn)矩Tref,此時輪轂電機的參考轉(zhuǎn)矩由加速踏板給定Te_ref=Tref,防滑不起作用;車輛在低附著路面行駛時,地面不能傳遞駕駛員給定的動力,防滑控制使車輪滑移率控制在最佳范圍,保證車輛以最大動力性能加速。
車輪轉(zhuǎn)動慣量攝動10%,給定的固定最佳滑移率λ=0.15時,車輛在低附著路面加速仿真如圖3所示。由圖可見,ESO很好地觀測了車輪擾動值F(t),控制器輸出的輪轂電機轉(zhuǎn)矩平穩(wěn),抑制了滑??刂浦械摹岸墩瘛眴栴},滑移率響應(yīng)快,且滑移率的跟蹤誤差趨近于0,說明前面穩(wěn)定性分析正確,保證了車輪工作在穩(wěn)定區(qū),不會在低附著路面出現(xiàn)車輪滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象,車輛以最大驅(qū)動力加速。
車輪轉(zhuǎn)動慣量J攝動10%,地面阻力變化20%,給定最佳滑移率隨路況變化時,車輛在低附著路面加速仿真見圖4。由圖可見,車輪的實際滑移率很好地跟蹤目標滑移率,滑移率的跟蹤誤差趨近于0,抑制了車輛行駛中地面阻力等對車輪的擾動,控制器具有很強的魯棒性。
圖5為車輪懸空時,防滑控制仿真。t=5s時車輪懸空,t=7s時車輪重新落地。防滑控制將車輪在懸空過程中控制車輪在給定車輪最大滑移率,防止車輪“飛車”;在車輪重新接觸地面時,由于地面阻力使車輪的滑移率迅速減小。
通過以上3種情況的仿真,可看出基于ESO的車輪串聯(lián)滑模防滑控制器,對系統(tǒng)的大擾動、參數(shù)不確定性具有較強魯棒性?;坡薯憫?yīng)快速且無超調(diào),使車輪一直工作在穩(wěn)定區(qū)內(nèi),較其他控制方法提高了車輪的穩(wěn)定裕量和車輛的加速性能;同時也可防止車輪懸空時發(fā)生“飛車”現(xiàn)象,提高了車輛行駛的安全性。
通過擴展狀態(tài)觀測器(ESO)估計車輪轉(zhuǎn)動時總擾動,利用backstepping的逐步遞推思想,設(shè)計了輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛車輪滑??刂破?。以擾動觀測量代替滑模控制器的切換項,抑制了傳統(tǒng)滑??刂频摹岸墩瘛眴栴},且兩個滑??刂破鞫紴?階系統(tǒng),控制器設(shè)計簡單,易于工程實現(xiàn)。
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