晉曉玲，張　蕾，李燕飛（天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，天津　300222）

汽車緊急制動工況的PID邏輯門限控制策略

晉曉玲，張蕾，李燕飛
（天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，天津300222）

摘要：根據(jù)Carsim整車動力學模型，結合邏輯門限控制理論和PID控制理論，建立了基于滑移率誤差的ABS控制器，并應用Matlab/Simulink進行了冰雪路面上車輛緊急制動過程的仿真分析。仿真結果表明：設計的基于滑移率誤差PID控制策略比單一滑移率邏輯門限的控制策略更能滿足預定目標，車輛的制動效果得到了明顯改善。

關鍵詞：整車動力學模型；邏輯門限控制；PID控制；緊急制動

現(xiàn)階段，針對ABS控制方法的研究已經很多，常用的控制方法有比例-積分-微分控制（proportion integration differentiation，PID）、滑?？刂啤⒆顑?yōu)控制、模糊控制和邏輯門限值控制。但是，這些方法都是在控制性能的某一方面具有優(yōu)勢，而在其他方面存在不同程度的欠缺。例如，文獻[1-2]設計模糊PID控制器，將最佳滑移率作為邏輯門限值，與實際滑移率作對比，從而調節(jié)制動壓力，將車輪滑移率維持在最佳滑移率處，改善了制動性能，提高了方向穩(wěn)定性，具有較強的魯棒性，但是模糊PID控制中的模糊規(guī)則需要依靠經驗和試湊法來調整。文獻[3]中設計的滑模ABS控制器通過跟蹤滑移率的誤差來控制制動力矩，增強了系統(tǒng)抗外部干擾的能力，具有很強的內在自適應性，但由于系統(tǒng)固有的慣性，在滑模運動中，系統(tǒng)存在不同程度的抖振現(xiàn)象，因而也未能實現(xiàn)ABS的最佳性能要求。上述ABS控制策略各有優(yōu)缺點，選取有優(yōu)勢的控制參數(shù)及控制策略相互組合是一種有效的方法。為使ABS控制的車輛有更好的制動性能，既能提高制動效能，又可以盡可能地減小制動距離[4]，本研究對常用的ABS控制器作出改進，在Simulink環(huán)境中建立基于滑移率誤差的PID邏輯門限ABS控制系統(tǒng)，通過Carsim軟件建立車輛整車動力學模型（S函數(shù)），并選取冰雪路面緊急制動工況[5]進行聯(lián)合制動防抱死控制，選取車輛縱向速度、側向角、制動距離等評價標準與改進前ABS控制器的車輛制動性能作對比，以驗證改進后ABS控制器的有效性。

1　Carsim整車動力學模型

車輛在冰雪路面上行駛時緊急制動，引起側滑和甩尾是非常危險的工況，針對冰雪路面緊急制動工況設計ABS控制策略，能夠最大限度降低行駛危險。本研究選用某款車型，建立整車動力學模型，參數(shù)設置如圖1所示。其驅動方式為后輪驅動，在冰雪路面上制動時，易發(fā)生抱死，更適合模擬緊急制動工況。整車主要參數(shù)有：整車質量1 020 kg；質心高度375 mm；輪距1 481 mm；軸距2 330 mm；車長3 200 m；車寬1 750 mm；車高1 200 mm；整車繞X軸轉動慣量Ixx=288 kg·m2；整車繞Y軸轉動慣量Iyy=996 kg·m2；整車繞Z軸轉動慣量Izz=996 kg·m2。

圖1　車輛動力學模型

冰雪路面緊急制動工況設置如表1所示[6-7]，選用Carsim提供的精確的統(tǒng)一輪胎模型，可對冰雪路面緊急制動工況進行實時運算；采用差動制動控制策略，即在制動過程中給每個車輪單獨施加制動力來改變車輛的運動狀態(tài)，保證制動穩(wěn)定。

表1　冰雪路面緊急制動工況設置

2　PID邏輯門限控制策略研究

2.1改進前的控制策略

改進前ABS的基本控制是以單一滑移率為門限值的開關邏輯門限控制，其控制過程為：制動開始時，滑移率小于滑移率下門限值0.15，車輪未檢測到抱死傾向，ABS不介入制動壓力的控制；當實時滑移率處于滑移率上下門限值0.15~0.20之間時，為理想制動區(qū)，控制器發(fā)出保壓信號，制動壓力繼續(xù)保持；當實時滑移率大于上門限值0.20時，車輪有抱死趨勢，控制器發(fā)出減壓信號，車輪的抱死趨勢開始消除[8]。

2.2改進后的控制策略

為提高車輛在緊急制動工況下的制動效能及方向穩(wěn)定性，本研究建立基于滑移率誤差的PID邏輯門限控制器，以滑移率誤差代替原有的滑移率為門限值，通過邏輯門限控制策略將滑移率控制在以最佳滑移率0.20為對稱軸的0.15~0.25之間，并串聯(lián)PID控制器，調整比例、積分、微分系數(shù)，消除系統(tǒng)誤差，以求使閉環(huán)控制系統(tǒng)獲得更好的制動效能。

2.2.1PID控制器

PID控制器是一種線性控制器，將實際滑移率與期望滑移率的差值作為控制量，控制策略設有2個目標滑移率，分別為λ1=0.15、λ2=0.25。定義車輪滑移率誤差為：

式中：e1、e2均為車輪滑移率誤差；λ為計算滑移率；λ1、λ2均為目標滑移率。

基于車輪滑移率的ABS控制可以用以下的PID控制規(guī)律實現(xiàn)[9]：

式中：μ為系統(tǒng)控制量；Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數(shù)。比例環(huán)節(jié)Kp適當加大時，可使系統(tǒng)動作靈敏，并減小偏差，提高控制精度；積分環(huán)節(jié)Ki主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，其值越大，積分作用越弱，反之則越強；微分環(huán)節(jié)Kd越大，微分作用越強，反映誤差信號的變化速度，有助于減小震蕩，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經整定，確定Kp=70，Ki=0.5，Kd=10。

2.2.2邏輯門限控制器

在現(xiàn)有的車輛防抱控制策略中，滑移率是常用的控制參數(shù)。式（4）為滑移率的計算公式：

式中：μ為車速；μω為車輪速率；ω為車輪滾動角速率；r為車輪半徑。

根據(jù)式（4）求得滑移率，其輸入量為車速和4個輪速，求得滑移率誤差，連接PID控制器及邏輯門限控制器，將滑移率誤差值通過PID模塊輸入到判斷模塊中[10]，得到控制器應該采取的策略，并參考實時車速，選擇控制車速大于6 km/h的工況，考慮ABS系統(tǒng)的延時，輸出增壓、保壓或減壓信號給執(zhí)行機構，從而控制輸出的制動壓力，將滑移率控制在最佳范圍內（0.15~0.25），模型如圖2所示。其控制策略為：

圖2　基于滑移率誤差的PID邏輯門限ABS控制器

3　聯(lián)合仿真與結果分析

3.1聯(lián)合仿真系統(tǒng)設置

Carsim整車動力學模型及冰雪路面緊急制動工況建立完成后，以S函數(shù)的形式輸入到Simulink中，連接控制器及整車動力學模型，其輸出變量依次定義為：左前輪速/（km·h-1）、右前輪速/（km·h-1）、左后輪速/（km·h-1）、右后輪速/（km·h-1）、汽車質心速度/（km·h-1）、主缸壓力/MPa；輸入變量為4個車輪的輪缸壓力：左前輪缸壓力/MPa、右前輪缸壓力/MPa、左后輪缸壓力/MPa、右后輪缸壓力/MPa。整體仿真模型如圖3所示，車速及4個輪速為輸入，計算出滑移率，提供給控制器；控制器根據(jù)自身控制策略，輸出增壓、降壓或保壓信號；輪缸壓力模塊根據(jù)控制器輸出的控制結果調節(jié)各缸制動液壓，達到差動制動的目的。

圖3　聯(lián)合仿真模型

3.2聯(lián)合仿真分析

將改進后的控制器與改進前的控制器分別代入仿真模型中進行仿真，仿真結果如圖4至圖7所示。

由圖4至圖6可知，冰雪路面緊急制動時，應用改進后ABS控制策略的車輛制動性能得到了改善。圖4中以右后輪為例，在同樣制動踏板力條件下，2種控制策略均控制右后輪制動輪缸經過了增壓、降壓、保壓的過程，右后輪速隨之進行上下波動，其線速度隨著車輛速度的減小而逐漸降低，滿足ABS控制器的設計要求；但改進后的縱向制動減速度比改進前有所減小，使車輛始終處于臨界抱死的間隙滾動狀態(tài)，有效克服了緊急制動時車身失控等情況的發(fā)生。從圖5可以看出，在制動過程后期，改進前控制策略失效，出現(xiàn)抱死，而改進后控制策略控制的車輛始終未抱死，且響應速度快，波動范圍較改進前小，滑移率曲線始終維持在最佳滑移率0.20附近，達到了最佳制動效果。圖6中，改進前制動距離為85 m，改進后制動距離為82 m，比改進前縮短了約3.5%，獲得了較短的制動距離，提高了制動效能。

圖7中，改進前側向角在-0.025°~0.35°范圍內波動，改進后側向角波動范圍減小，為-0.05°~0.175°，增強了緊急制動時的方向穩(wěn)定性，有效克服了緊急制動時由后輪抱死產生的車輛跑偏現(xiàn)象，防止車身失控等情況的發(fā)生。

圖4　右后輪縱向速度

圖5　車輛滑移率

圖6　車輛制動距離

圖7　側向角波形

4　結束語

本文在Carsim整車動力學模型基礎上，采用PID邏輯門限策略，以滑移率誤差為控制參數(shù)，建立了基于滑移率誤差的PID邏輯門限ABS控制器。在此控制器的作用下，車輛在冰雪路面緊急制動過程中減小了制動減速度，達到了最佳滑移率效果，縮短了制動距離，提高了整車的制動效能。

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Control strategy based on PID and logical threshold for vehicle emergency braking condition

JIN Xiao-ling, ZHANG Lei, LI Yan-fei
（School of Automotive and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：Combining the logical threshold control theory and the PID control theory，ABS controller based on slip rate error is established according to the vehicle dynamics model in the software of Carsim. The simulation analysis of the emergency braking process of the vehicles on the ice and snow road is carried out by the software of Matlab/Simulink. Simulation results show that the designed PID control strategy based on the slip rate error is more satisfied with the predetermined target than the single logical threshold control strategy based on slip rate，and obviously improves the braking effect.

Key words：vehicle dynamics model；logic threshold control；PID control；emergency braking

作者簡介：晉曉玲（1990—），女，碩士研究生；張蕾（1975—），女，教授，工學博士，碩士生導師，研究方向為汽車現(xiàn)代設計方法.

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51005167)；天津職業(yè)技術師范大學預研項目（KJY14-01）.

收稿日期：2015-05-30

中圖分類號：U463.5

文獻標識碼：A

文章編號：2095－0926（2015）03－0012－04