賈浩楠　姚景軒

摘 要：在Matlab/Simulink中建立一種兩輪的汽車動(dòng)力模型，以自適應(yīng)模糊PID和道路識(shí)別控制器作為控制模塊，通過在高低附著路面和高低附著對接路面進(jìn)行緊急制動(dòng)仿真的研究。仿真結(jié)果表明道路識(shí)別控制器能夠快速準(zhǔn)確的識(shí)別路面不同附著路面最優(yōu)滑移率，自適應(yīng)模糊PID控制的ABS相于常規(guī)制動(dòng)性能有了很大程度的提高，具有在線自整定參數(shù)的特點(diǎn)，具有很好的穩(wěn)定性、適應(yīng)性和魯棒性。

關(guān)鍵詞：模糊控制;防抱死系統(tǒng);二輪車輛模型;道路識(shí)別

中圖分類號(hào)：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）03-147-05

1 引言

車輛的制動(dòng)性能直接影響道路交通安全。防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）能夠防止汽車在制動(dòng)過程中出現(xiàn)抱死，充分利用地面附著系數(shù)，提高汽車的制動(dòng)性能。隨著汽車對行駛安全要求的提高，其相關(guān)應(yīng)用研究日益受到關(guān)注。

汽車行駛路面多樣，制動(dòng)控制過程也將更加復(fù)雜。所以，ABS是一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng)。傳統(tǒng)ABS采用邏輯門限的控制策略，其控制過程簡單、易于實(shí)現(xiàn)。但是控制系統(tǒng)波動(dòng)大、控制參數(shù)單一，難以達(dá)到最佳的控制效果。以往的防抱死研究往往以單輪模型代替整車，忽略了制動(dòng)過程中前后制動(dòng)力轉(zhuǎn)移以及對接路面制動(dòng)過程。具有道路識(shí)別功能的二輪模型較為全面考慮了汽車的制動(dòng)情況。常規(guī)PID控制器參數(shù)經(jīng)常整定不良，對被控過程的適應(yīng)性差。模糊控制器是一種新型控制器，其優(yōu)點(diǎn)是無需掌握被控對象的數(shù)學(xué)模型，只需根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，該表決定控制量的大小，但其控制精度一般不高。將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來，既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。

本文針對基于滑移率ABS系統(tǒng)控制特點(diǎn)，將模糊控制與自適應(yīng)PID控制結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)PID控制器，實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的在線自整定，通過具有三種常規(guī)道路識(shí)別功能兩輪汽車模型，對這一控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2.2.2 建立模糊控制器的模糊規(guī)則表

自適應(yīng)模糊PID的模糊規(guī)則，是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)創(chuàng)建的知識(shí)庫來判斷，推算出PID的三個(gè)參數(shù)和誤差e以及誤差變化率ec間的模糊推理關(guān)系。通過運(yùn)行過程中e和ec的不斷變化，依照已經(jīng)確定的模糊規(guī)則來對三個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)整，來滿足不同e和ec時(shí)，PID三個(gè)參數(shù)不同要求，從而使被控對象具有穩(wěn)定的性能。

根據(jù)比、積分、微分對被控對象輸出特性的影響，可以歸納出不同來滿足不同e和ec時(shí)，PID三個(gè)參數(shù)整定原則如下：（1）當(dāng)e較大時(shí)，應(yīng)取較大Kp的和較小的Kd，將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度且防止開始時(shí)e的瞬間變大使控制超出許可范圍，Ki通常取0。（2）當(dāng)e和ec為中等大小時(shí)，Kp取小一些有助于系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小和保證一定的響應(yīng)速度;Kd相應(yīng)也取小一些。（3）當(dāng)e較小時(shí)，增大Kp、Ki的值將提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能;當(dāng)ec較小時(shí)，Kd取較大的值;當(dāng)ec較大時(shí)，Kd取小一些。

根據(jù)PID三項(xiàng)參數(shù)整定原則，并綜合工程技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出△Kp、△Ki、△Kd的控制規(guī)則如表2、3、4所示。

2.2.3 模糊推理與去模糊化

在對模糊控制器的輸入變量模糊化后，采用Mamdani的推理類型進(jìn)行模糊推理，并選用Centroid進(jìn)行去模糊化。

結(jié)合車輛運(yùn)動(dòng)模型、模糊PID控制器、路面識(shí)別器和輪胎模型等模塊，建立如圖6。

3 仿真結(jié)果分析與討論

3.1 單一路面仿真分析

在汽車制動(dòng)的過程中，無ABS系統(tǒng)作用的制動(dòng)器制動(dòng)力會(huì)隨著制動(dòng)踏板力的增長，也相應(yīng)地成比例增長，逐漸接近地面的最大附著力，當(dāng)與地面附著力相等時(shí)，既是與地面提供的最大制動(dòng)力相等，車輪便會(huì)趨于抱死，車輪角速度降為零出現(xiàn)拖滑現(xiàn)象。假設(shè)車輛的制動(dòng)器制動(dòng)力以40MPa·s-1的速率增加，在高附著路面對沒有ABS作用時(shí)緊急制動(dòng)的效果進(jìn)行仿真。從仿真圖形中可以看出，兩車輪滑移率的變化情況并不一致，前輪在1.401s時(shí)滑移率達(dá)到1完全抱死，后輪抱死在0.7487s時(shí) 輪速降為0，達(dá)到完全抱死狀態(tài)。出現(xiàn)這種情況的原因可從以下兩個(gè)方面解釋：一方面，假定前后輪實(shí)際制動(dòng)力分配比例為0.5，車輛在制動(dòng)的過程中，由于減速度存在，前后輪的垂直載荷發(fā)生了轉(zhuǎn)移，在同一附著路面，前輪受到的地面制動(dòng)力明顯大于后輪，故后輪更容易達(dá)到抱死的狀態(tài)。另一方面，該車型同步附著系數(shù)為小于該路面的附著系數(shù)，實(shí)際制動(dòng)力分配曲線位于理想制動(dòng)力分配去線上方，故后輪更容易抱死。此時(shí)，汽車處于一種極不穩(wěn)定的狀態(tài)，只需要很小的側(cè)向力就可能發(fā)生側(cè)滑和甩尾的現(xiàn)象。由圖制動(dòng)時(shí)間為5.507s，制動(dòng)距離為69.51m。

在采用模糊PID控制策略的ABS制動(dòng)系統(tǒng)中，汽車前后輪滑移率很快達(dá)到最優(yōu)滑移率，穩(wěn)定在最優(yōu)滑移率附近，此時(shí)汽車受到的縱向力最大，受到地面的橫向附著系數(shù)也在理想的范圍內(nèi)。既保證了汽車在制動(dòng)的過程中充分利用地面附著力，獲得最大的縱向減速度，也能夠保證制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。如圖8所示相比常規(guī)制動(dòng)制動(dòng)距離減少了31.96m，制動(dòng)時(shí)間減少了2.644s，分別減少了46%和48%。

3.2 對接路面仿真

在ABS的控制策略的研究中，目標(biāo)滑移率的確定也是不容忽視的技術(shù)難題，汽車行駛的路況是復(fù)雜多變的，也就是說可能由一種路況突變到另一種路況，加之雨、雪等自然不可抗因素的影響。在制動(dòng)過程中若要獲得較高的制動(dòng)因數(shù)，目標(biāo)滑移率就不能是一成不變的，應(yīng)該根據(jù)路況的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)目標(biāo)滑移率，使得輪胎受到路面的附著系數(shù)始終維持在最大值附近，這就對控制算法提出了很高的要求，要求算法有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，即自學(xué)習(xí)能力，能夠在線自調(diào)整控制參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)的控制目的。假設(shè)一種制動(dòng)條件，對能夠自動(dòng)感知目標(biāo)滑移率的模糊PID控制ABS制動(dòng)性能進(jìn)行研究。

設(shè)定單一目標(biāo)滑移率為0.2，車輛由低附著路面開始制動(dòng)，經(jīng)過30m的制動(dòng)距離后，進(jìn)入高附著路面。從仿真結(jié)果中可以看出，在路面對接處，控制系統(tǒng)出現(xiàn)短暫的波動(dòng)后，迅速穩(wěn)定在目標(biāo)滑移率附近。在對接路面特定制動(dòng)工況下，在相同的制動(dòng)條件下，加入道路識(shí)別器替代設(shè)定單一目標(biāo)滑移率。仿真結(jié)果表明，道路識(shí)別器能夠快速準(zhǔn)確識(shí)別不同附著路面的最優(yōu)滑移率，模糊PID具有很強(qiáng)的在線自整定能力，算法具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的路面條件，其制動(dòng)時(shí)間為3.848s，制動(dòng)距離為61.01m，較單一目標(biāo)滑移率分別減少了0.236s和3.3m。

4 結(jié)論

（1）通過對單一附著路面的仿真結(jié)果分析，模糊PID控制的ABS系統(tǒng)能夠大幅提高制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能，具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。

（2）與道路識(shí)別器結(jié)合的模糊PID，在線自適應(yīng)整定參數(shù)能力好，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠快速準(zhǔn)確識(shí)別最優(yōu)滑移率實(shí)時(shí)跟隨，可以更好的滿足車輛實(shí)際制動(dòng)過程中復(fù)雜的制動(dòng)工況。

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