淺談汽車ABS滑移率的模糊滑?？刂?/h1>
2018-05-31 02:28朱永
時(shí)代汽車 2018年2期
朱永
廣州市高級(jí)技工學(xué)校 廣東省廣州市 510440
1 引言
汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）可以在極限情況下維持車輪和整體車輛的穩(wěn)定性，是保證汽車安全的一個(gè)重要系統(tǒng)。汽車ABS系統(tǒng)的核心是控制系統(tǒng)，ABS系統(tǒng)的制動(dòng)性能受控制效果的影響非常巨大，其中目前最常用的控制方法是基于滑移率的控制方法。在進(jìn)行ABS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，常常會(huì)提到最佳滑移率的概念。所謂的最佳滑移率，就是指汽車輪胎附著系數(shù)最大時(shí)的滑移率，汽車的輪胎一直處于最佳滑移率是最理想的狀態(tài)，但是汽車在實(shí)際行駛的時(shí)候會(huì)受到非常多的因素的影響，所以汽車制動(dòng)系統(tǒng)也是一個(gè)非線性的不確定的復(fù)雜系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的控制方法基本都是建立在線性系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，所以控制效果不好。目前國內(nèi)外的很多學(xué)者紛紛提出很多新型的控制理論。
目前國際上有非常多的控制方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車ABS系統(tǒng)滑移率的控制。下面我們就來詳細(xì)分析一下國際上常用的滑移率控制方法。邏輯門限值控制方法是一種最簡單的控制方法，但是在測(cè)定門限值的時(shí)候要進(jìn)行大量的試驗(yàn)才能準(zhǔn)確測(cè)量，并且使用該控制方法會(huì)增加系統(tǒng)的調(diào)試難度，而且控制準(zhǔn)確度也不是最高的，使用邏輯門限制控制方法開發(fā)的系統(tǒng)適用性較差，僅僅在小范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的適用性。PID控制方法也是一種簡單的控制犯法，當(dāng)使用最佳滑移率作為參考滑移率的時(shí)候，PID控制系統(tǒng)的控制效果非常好，但是在實(shí)際的汽車行駛過程中，路面情況是會(huì)不斷發(fā)生變化的，隨之而來的是汽車最佳滑移率的變化，但是參考滑移率是不能隨意變動(dòng)的，這就使得PID控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用的過程中控制效果較差。而且，PID控制系統(tǒng)在調(diào)整參數(shù)的時(shí)候流程非常復(fù)雜，難度也比較大，所以PID控制系統(tǒng)在ABS系統(tǒng)中也很少使用。模糊控制方法對(duì)參數(shù)變化的適應(yīng)性較強(qiáng)，外界干擾對(duì)系統(tǒng)的影響也比較小，但是和其他控制系統(tǒng)相比，模糊控制方法的響應(yīng)速度要慢于其他控制系統(tǒng)，而且模糊控制系統(tǒng)質(zhì)量的好壞是與設(shè)計(jì)者的能力直接掛鉤的，這就導(dǎo)致不同的模糊控制系統(tǒng)之間存在很大的性能差異。而且，模糊控制系統(tǒng)對(duì)路面特征的識(shí)別效果較差，這導(dǎo)致模糊控制系統(tǒng)不能在路況變化之后及時(shí)的變更系統(tǒng)的參考滑移率?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)也是當(dāng)前國際上一個(gè)非常流行的控制方法，和其他的控制方法相比，滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，但是對(duì)滑模參數(shù)的依賴程度較高。而且滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)缺乏相應(yīng)的理論支持，控制效果的好壞受設(shè)計(jì)者影響非常嚴(yán)重，與模糊控制系統(tǒng)相同，滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)也不能識(shí)別路面特征。而自適應(yīng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路面特征的識(shí)別，而且可以根據(jù)路面狀況的變化而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，不斷的修正參考滑移率，控制效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于上述的幾種控制系統(tǒng)。
在實(shí)際設(shè)計(jì)的使用，并不一定要采用單一的控制算法，可以充分利用不同控制算法的特點(diǎn)，將幾種控制算法結(jié)合起來。目前國際上已經(jīng)有很多專家學(xué)者開始將幾種控制方法結(jié)合起來。比如模糊PID控制算法、自適應(yīng)模糊控制算法、模糊滑塊控制算法，這些都是目前國際上非常流行的結(jié)合控制方法。這些結(jié)合控制算法都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本人在經(jīng)過研究之后，提出一種新的組合控制算法——ABS自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴ǎ@種算法繼承了自適應(yīng)控制算法的有點(diǎn)，在不同的路面特征下可以及時(shí)的修正參考滑移率，同時(shí)該組合控制算法還繼承了滑?？刂扑惴ǖ奶攸c(diǎn)，整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到了極大的提高，利用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，提高制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)用性和安全性。
2 控制系統(tǒng)原理
2.1 輪胎的縱向附著系數(shù)——滑移率特性
在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究之后，專家學(xué)者發(fā)現(xiàn)縱向附著系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系并不是一種簡單的線性關(guān)系而是一種復(fù)雜的非線性關(guān)系，在滑移率增加到某一數(shù)值之前，輪胎的縱向附著系數(shù)也會(huì)逐漸增加直到達(dá)到峰值。但是如果在縱向附著系數(shù)達(dá)到峰值之后滑移率繼續(xù)增加，縱向附著系數(shù)反而會(huì)不斷下降，如果將縱向附著系數(shù)和滑移率之家你的關(guān)系畫成函數(shù)曲線，我們就可以非常顯著的發(fā)現(xiàn)，圖像有一個(gè)最高點(diǎn)，而最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的滑移率我們稱之為最佳滑移率。汽車ABS系統(tǒng)的原理就是輪胎附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系而設(shè)計(jì)的。那么汽車ABS系統(tǒng)是怎么來控制滑移率的呢？一般情況下，汽車ABS系統(tǒng)都是通過控制輪胎與地面之間的制動(dòng)壓力來實(shí)現(xiàn)對(duì)滑移率的控制的，如果增加輪胎和路面之間的縱向附著力，汽車的制動(dòng)壓力就會(huì)大幅度的提高，從而就能夠非?？焖俚膶?shí)現(xiàn)制動(dòng)，增加車輛行駛的安全性。
不同的實(shí)驗(yàn)會(huì)得到不同的縱向附著系數(shù)和滑移率之間的函數(shù)關(guān)系模型，當(dāng)前最流行的公式是魔術(shù)公式模型：
其中式中的ABCD全部為待定系數(shù)，可以通過試驗(yàn)測(cè)量。下面給出幾組具有代表性的路面參數(shù)數(shù)據(jù)。在干燥的瀝青路面上，A=0.85，B=2.4，C=4.5，D=0.9。最佳滑移率為0.2。在松礫石路面上，A=0.45，B=2.4，C=5.0，D=0.9。最佳滑移率的值為0.155。
2.2 單輪汽車運(yùn)動(dòng)模型
為了減少問題研究的難度，所以在研究的時(shí)候，我們忽略掉次要因素，將模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕怀鲋饕獑栴}，現(xiàn)在我們做出下列假設(shè)：首先，我們假定汽車的轉(zhuǎn)向角輸入為0，同時(shí)忽略掉汽車的垂直運(yùn)動(dòng)和傾側(cè)現(xiàn)象，只考慮汽車的縱向的直線運(yùn)動(dòng)，而且我們也不考慮汽車的側(cè)向運(yùn)動(dòng)和橫擺運(yùn)動(dòng)。同時(shí)我們也不再考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)整個(gè)汽車的影響，并且假定汽車的自重和載荷均勻分布與四個(gè)輪胎之上。最后我們假定輪胎在制動(dòng)過程中不發(fā)生變形，忽略因?yàn)橹苿?dòng)而導(dǎo)致的汽車質(zhì)心位置的變化。我們假定汽車行駛的路面是理想路面，不存在坡度和坑洼。
在進(jìn)行了上述假設(shè)之后，這時(shí)我們可以將汽車的運(yùn)動(dòng)簡化為單輪汽車運(yùn)動(dòng)模型，縱向輪胎受到縱向摩擦力F的作用，產(chǎn)生縱向加速度v，車輪中心出輪胎受到制動(dòng)力矩T和縱向摩擦力F產(chǎn)生的力矩作用以角速度ω，縱向摩擦力的力臂為輪胎的半徑R。根據(jù)牛頓力學(xué)定律，我們可以建立如下的物理學(xué)模型：
2.3 制動(dòng)系統(tǒng)模型
汽車的制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的最根本的方式就是將制動(dòng)壓力轉(zhuǎn)化為制動(dòng)力矩，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和制動(dòng)器是制動(dòng)系統(tǒng)的兩個(gè)重要組成部分，本文所涉及的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和其他傳動(dòng)系統(tǒng)相比延遲比較大，所以在進(jìn)行研究分析的時(shí)候，我們可以將液壓傳動(dòng)系統(tǒng)可以簡化為一個(gè)帶遲滯的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：
式中的參數(shù)T=0.01，K=100。
制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)器可以將液壓傳動(dòng)系統(tǒng)提供的壓力變成制動(dòng)力矩以此來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)效果，在理想的狀態(tài)下，制動(dòng)器制動(dòng)力矩為：
3 控制器設(shè)計(jì)
3.1 滑?？刂破髟O(shè)計(jì)
滑模控制器根據(jù)滑移率λ跟蹤最佳的差e來進(jìn)行制動(dòng)壓力調(diào)解，這樣就可以降低跟蹤誤差。通過計(jì)算我們可以得出，最佳滑移率是通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)器來確定的，而滑模參數(shù)是通過模糊邏輯調(diào)解器來確定的。
3.2 自適應(yīng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)
本組合控制算法可以充分利用獲得的滑移率λ和縱向附著系數(shù)μ來對(duì)最佳滑移率的數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)控，當(dāng)汽車行駛在不同的路面上時(shí)，最佳滑移率就可以隨時(shí)的進(jìn)行變化，以此來確保系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，自適應(yīng)調(diào)節(jié)的原理是基于輪胎縱向附著系數(shù)和滑移率的關(guān)系曲線特性來建立的，由于最佳滑移率對(duì)應(yīng)的是縱向附著系數(shù)的峰值位置，所以峰值兩側(cè)的曲線斜率為一正一負(fù)。
3.3 模糊邏輯調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)
在滑?？刂破髟O(shè)計(jì)的時(shí)候，滑模參數(shù)的設(shè)定并沒有什么科學(xué)的理論依據(jù)，一般都是通過多次實(shí)驗(yàn)的方法來進(jìn)行確定，這就使得滑模參數(shù)的設(shè)定非常的復(fù)雜繁瑣，而且得出的參數(shù)準(zhǔn)確度也不是很高。而模糊邏輯調(diào)節(jié)器自身具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，所以我們可以利用模糊邏輯調(diào)節(jié)器自動(dòng)的調(diào)整滑模參數(shù)。
我們將模糊邏輯調(diào)節(jié)器的輸入變量選擇為誤差e和誤差變化率Δe，輸出變量選擇為滑模參數(shù)k1、k2的變化率Δk1、Δk2。輸入和輸出的語言變量的隸屬度函數(shù)都設(shè)置為鐘型函數(shù)，變量等級(jí)設(shè)置為5級(jí)，根據(jù)輸入變量和輸出變量之間的定性關(guān)系，我們就可以建立一個(gè)模糊規(guī)則表。
4 仿真
在汽車ABS系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，還要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。
我們首先進(jìn)行單一路面情況下的仿真，仿真中選擇干瀝青路面。在完成仿真之后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選擇不同的自適應(yīng)滑模參數(shù)，那么仿真結(jié)果也不同。在多次試驗(yàn)之后，我們可以發(fā)現(xiàn)，控制效果最好的滑模參數(shù)為k1=500，k2=0.01，使用這個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真之后得到的制動(dòng)距離為24.3006米，制動(dòng)時(shí)間為2.417秒。附著系數(shù)的利用率為0.9337。為了實(shí)現(xiàn)與自適應(yīng)滑模控制系統(tǒng)的比較，我們將自適應(yīng)模糊滑模控制的滑模參數(shù)也設(shè)置為k1=500，k2=0.01?；?shù)的變化是通過模糊邏輯調(diào)節(jié)器輸出乘上輸出比例系數(shù)來得到的，當(dāng)我們選擇不同的比例系數(shù)的時(shí)候，仿真的結(jié)果也不完全相同。在多次比較之后，我們選擇輸出Δk1的比例系數(shù)為96，輸出Δk2的比例系數(shù)為0.01，仿真試驗(yàn)得到的制動(dòng)距離為24.2993米，制動(dòng)時(shí)間為2.417秒。為了驗(yàn)證所提出的控制算法對(duì)不同路面情況的適應(yīng)性和控制效果，我們分別在不同的路面狀況下對(duì)自適應(yīng)滑?？刂破骱妥赃m應(yīng)模糊滑?？刂破鬟M(jìn)行仿真，我們假設(shè)，汽車現(xiàn)在平坦干燥的瀝青路面上行駛一定距離，然后進(jìn)入光滑冰路面。在瀝青路面上時(shí)，最佳滑移率λd=0.2，最大縱向附著系數(shù)μ=0.85。在光滑的冰面上，最佳滑移率λd=0.155，最大縱向附著系數(shù)μ=0.1。
和單一路面仿真相似的是，不同路面情況下自適應(yīng)滑模參數(shù)的不同也會(huì)極大的影響仿真的結(jié)果，通過多次試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)最后選擇效果最好的滑模參數(shù)k1=350，k2=0.01。由此得到的制動(dòng)距離為87.1181米，制動(dòng)時(shí)間為13.051秒，附著系數(shù)利用率為0.9990。與上面的做法相同，我們?nèi)匀粚⒉煌访媲闆r下的自適應(yīng)模糊滑模控制系統(tǒng)的滑模參數(shù)初始值設(shè)定為k1=350，k2=0.01，滑模參數(shù)的變化也是通過模糊邏輯調(diào)節(jié)器輸出乘上輸出比例系數(shù)而得到的。通過實(shí)驗(yàn)我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)比例系數(shù)不同的時(shí)候，得到仿真結(jié)果也不相同。通過多次試驗(yàn)我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們選擇輸出Δk1=78，輸出Δk2=0.01時(shí)，仿真的制動(dòng)距離為87.0883米，制動(dòng)時(shí)間為13.049秒，附著系數(shù)的利用率為0.9991。
本文所提出的基于自適應(yīng)調(diào)節(jié)器和模糊邏輯調(diào)節(jié)器的自適應(yīng)模糊滑模控制算法從根本上來說是切實(shí)可行的，而且只需要很短的時(shí)間就可以快速的達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定系數(shù)較大，所以穩(wěn)定性較強(qiáng)，響應(yīng)也非常的迅速，和其他的控制算法相比，利用自適應(yīng)模糊滑?？刂破鞯钠嘇BS縱向附著系數(shù)的利用率更大，制動(dòng)距離也更加短，更加可以保護(hù)司機(jī)的乘客的安全。
5 結(jié)語
本文提出了一種由自適應(yīng)調(diào)節(jié)器和模糊邏輯調(diào)節(jié)器結(jié)合而產(chǎn)生的自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴?，當(dāng)前國際上非常流行的幾種組合控制算法他們都不具備識(shí)別路面的能力，缺乏自適應(yīng)能力，而且都具有或多或少的缺點(diǎn)，而本文所提及的自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴ǖ闹苿?dòng)時(shí)間較短，具有優(yōu)異的制動(dòng)效果，自適應(yīng)調(diào)節(jié)器可以獲得的輪胎附著系數(shù)和滑移率信息對(duì)最佳滑移率進(jìn)行修正，使得系統(tǒng)的參考滑移率不再是一個(gè)固定的值，而是可以隨著實(shí)際情況的不同而實(shí)時(shí)的發(fā)生變化的，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)能力，在不同的路面下，ABS系統(tǒng)都可以迅速的調(diào)整最佳滑移率的數(shù)值，使得汽車的制動(dòng)系統(tǒng)始終保持在一個(gè)高效的狀態(tài)，具有非常強(qiáng)的制動(dòng)效果?；？刂破骺梢钥焖僬{(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，所以本控制系統(tǒng)可以極大的減少制動(dòng)時(shí)間和汽車的制動(dòng)距離，大幅度增加汽車的安全性能。模糊邏輯調(diào)節(jié)器可以根據(jù)系統(tǒng)滑移率的變化對(duì)滑模參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使得系統(tǒng)存在一定的自適應(yīng)性。本文所提出的自適應(yīng)模糊滑模控制算法綜合了自適應(yīng)控制算法、模糊控制算法、滑?？刂扑惴ㄈN算法各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，取長補(bǔ)短，彌補(bǔ)了目前我們所使用的幾種控制算法的不足和缺點(diǎn)，極大的提高了ABS系統(tǒng)的性能和效率。汽車的ABS系統(tǒng)直接關(guān)系到了汽車駕駛員和乘客的人身安全，是汽車安全性能的保障，而控制算法又是ABS系統(tǒng)的核心部分，所以選擇合適的控制算法是ABS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行ABS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要綜合的全面的考慮問題，可以采用本文所提到的自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴▉磉M(jìn)行ABS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，增加汽車的安全性能。
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1 引言
汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）可以在極限情況下維持車輪和整體車輛的穩(wěn)定性，是保證汽車安全的一個(gè)重要系統(tǒng)。汽車ABS系統(tǒng)的核心是控制系統(tǒng)，ABS系統(tǒng)的制動(dòng)性能受控制效果的影響非常巨大，其中目前最常用的控制方法是基于滑移率的控制方法。在進(jìn)行ABS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，常常會(huì)提到最佳滑移率的概念。所謂的最佳滑移率，就是指汽車輪胎附著系數(shù)最大時(shí)的滑移率，汽車的輪胎一直處于最佳滑移率是最理想的狀態(tài)，但是汽車在實(shí)際行駛的時(shí)候會(huì)受到非常多的因素的影響，所以汽車制動(dòng)系統(tǒng)也是一個(gè)非線性的不確定的復(fù)雜系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的控制方法基本都是建立在線性系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，所以控制效果不好。目前國內(nèi)外的很多學(xué)者紛紛提出很多新型的控制理論。
目前國際上有非常多的控制方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車ABS系統(tǒng)滑移率的控制。下面我們就來詳細(xì)分析一下國際上常用的滑移率控制方法。邏輯門限值控制方法是一種最簡單的控制方法，但是在測(cè)定門限值的時(shí)候要進(jìn)行大量的試驗(yàn)才能準(zhǔn)確測(cè)量，并且使用該控制方法會(huì)增加系統(tǒng)的調(diào)試難度，而且控制準(zhǔn)確度也不是最高的，使用邏輯門限制控制方法開發(fā)的系統(tǒng)適用性較差，僅僅在小范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的適用性。PID控制方法也是一種簡單的控制犯法，當(dāng)使用最佳滑移率作為參考滑移率的時(shí)候，PID控制系統(tǒng)的控制效果非常好，但是在實(shí)際的汽車行駛過程中，路面情況是會(huì)不斷發(fā)生變化的，隨之而來的是汽車最佳滑移率的變化，但是參考滑移率是不能隨意變動(dòng)的，這就使得PID控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用的過程中控制效果較差。而且，PID控制系統(tǒng)在調(diào)整參數(shù)的時(shí)候流程非常復(fù)雜，難度也比較大，所以PID控制系統(tǒng)在ABS系統(tǒng)中也很少使用。模糊控制方法對(duì)參數(shù)變化的適應(yīng)性較強(qiáng)，外界干擾對(duì)系統(tǒng)的影響也比較小，但是和其他控制系統(tǒng)相比，模糊控制方法的響應(yīng)速度要慢于其他控制系統(tǒng)，而且模糊控制系統(tǒng)質(zhì)量的好壞是與設(shè)計(jì)者的能力直接掛鉤的，這就導(dǎo)致不同的模糊控制系統(tǒng)之間存在很大的性能差異。而且，模糊控制系統(tǒng)對(duì)路面特征的識(shí)別效果較差，這導(dǎo)致模糊控制系統(tǒng)不能在路況變化之后及時(shí)的變更系統(tǒng)的參考滑移率?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)也是當(dāng)前國際上一個(gè)非常流行的控制方法，和其他的控制方法相比，滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，但是對(duì)滑模參數(shù)的依賴程度較高。而且滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)缺乏相應(yīng)的理論支持，控制效果的好壞受設(shè)計(jì)者影響非常嚴(yán)重，與模糊控制系統(tǒng)相同，滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)也不能識(shí)別路面特征。而自適應(yīng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路面特征的識(shí)別，而且可以根據(jù)路面狀況的變化而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，不斷的修正參考滑移率，控制效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于上述的幾種控制系統(tǒng)。
在實(shí)際設(shè)計(jì)的使用，并不一定要采用單一的控制算法，可以充分利用不同控制算法的特點(diǎn)，將幾種控制算法結(jié)合起來。目前國際上已經(jīng)有很多專家學(xué)者開始將幾種控制方法結(jié)合起來。比如模糊PID控制算法、自適應(yīng)模糊控制算法、模糊滑塊控制算法，這些都是目前國際上非常流行的結(jié)合控制方法。這些結(jié)合控制算法都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本人在經(jīng)過研究之后，提出一種新的組合控制算法——ABS自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴ǎ@種算法繼承了自適應(yīng)控制算法的有點(diǎn)，在不同的路面特征下可以及時(shí)的修正參考滑移率，同時(shí)該組合控制算法還繼承了滑?？刂扑惴ǖ奶攸c(diǎn)，整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到了極大的提高，利用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，提高制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)用性和安全性。
2 控制系統(tǒng)原理
2.1 輪胎的縱向附著系數(shù)——滑移率特性
在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究之后，專家學(xué)者發(fā)現(xiàn)縱向附著系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系并不是一種簡單的線性關(guān)系而是一種復(fù)雜的非線性關(guān)系，在滑移率增加到某一數(shù)值之前，輪胎的縱向附著系數(shù)也會(huì)逐漸增加直到達(dá)到峰值。但是如果在縱向附著系數(shù)達(dá)到峰值之后滑移率繼續(xù)增加，縱向附著系數(shù)反而會(huì)不斷下降，如果將縱向附著系數(shù)和滑移率之家你的關(guān)系畫成函數(shù)曲線，我們就可以非常顯著的發(fā)現(xiàn)，圖像有一個(gè)最高點(diǎn)，而最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的滑移率我們稱之為最佳滑移率。汽車ABS系統(tǒng)的原理就是輪胎附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系而設(shè)計(jì)的。那么汽車ABS系統(tǒng)是怎么來控制滑移率的呢？一般情況下，汽車ABS系統(tǒng)都是通過控制輪胎與地面之間的制動(dòng)壓力來實(shí)現(xiàn)對(duì)滑移率的控制的，如果增加輪胎和路面之間的縱向附著力，汽車的制動(dòng)壓力就會(huì)大幅度的提高，從而就能夠非?？焖俚膶?shí)現(xiàn)制動(dòng)，增加車輛行駛的安全性。
不同的實(shí)驗(yàn)會(huì)得到不同的縱向附著系數(shù)和滑移率之間的函數(shù)關(guān)系模型，當(dāng)前最流行的公式是魔術(shù)公式模型：
其中式中的ABCD全部為待定系數(shù)，可以通過試驗(yàn)測(cè)量。下面給出幾組具有代表性的路面參數(shù)數(shù)據(jù)。在干燥的瀝青路面上，A=0.85，B=2.4，C=4.5，D=0.9。最佳滑移率為0.2。在松礫石路面上，A=0.45，B=2.4，C=5.0，D=0.9。最佳滑移率的值為0.155。
2.2 單輪汽車運(yùn)動(dòng)模型
為了減少問題研究的難度，所以在研究的時(shí)候，我們忽略掉次要因素，將模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕怀鲋饕獑栴}，現(xiàn)在我們做出下列假設(shè)：首先，我們假定汽車的轉(zhuǎn)向角輸入為0，同時(shí)忽略掉汽車的垂直運(yùn)動(dòng)和傾側(cè)現(xiàn)象，只考慮汽車的縱向的直線運(yùn)動(dòng)，而且我們也不考慮汽車的側(cè)向運(yùn)動(dòng)和橫擺運(yùn)動(dòng)。同時(shí)我們也不再考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)整個(gè)汽車的影響，并且假定汽車的自重和載荷均勻分布與四個(gè)輪胎之上。最后我們假定輪胎在制動(dòng)過程中不發(fā)生變形，忽略因?yàn)橹苿?dòng)而導(dǎo)致的汽車質(zhì)心位置的變化。我們假定汽車行駛的路面是理想路面，不存在坡度和坑洼。
在進(jìn)行了上述假設(shè)之后，這時(shí)我們可以將汽車的運(yùn)動(dòng)簡化為單輪汽車運(yùn)動(dòng)模型，縱向輪胎受到縱向摩擦力F的作用，產(chǎn)生縱向加速度v，車輪中心出輪胎受到制動(dòng)力矩T和縱向摩擦力F產(chǎn)生的力矩作用以角速度ω，縱向摩擦力的力臂為輪胎的半徑R。根據(jù)牛頓力學(xué)定律，我們可以建立如下的物理學(xué)模型：
2.3 制動(dòng)系統(tǒng)模型
汽車的制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的最根本的方式就是將制動(dòng)壓力轉(zhuǎn)化為制動(dòng)力矩，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和制動(dòng)器是制動(dòng)系統(tǒng)的兩個(gè)重要組成部分，本文所涉及的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和其他傳動(dòng)系統(tǒng)相比延遲比較大，所以在進(jìn)行研究分析的時(shí)候，我們可以將液壓傳動(dòng)系統(tǒng)可以簡化為一個(gè)帶遲滯的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：
式中的參數(shù)T=0.01，K=100。
制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)器可以將液壓傳動(dòng)系統(tǒng)提供的壓力變成制動(dòng)力矩以此來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)效果，在理想的狀態(tài)下，制動(dòng)器制動(dòng)力矩為：
3 控制器設(shè)計(jì)
3.1 滑?？刂破髟O(shè)計(jì)
滑模控制器根據(jù)滑移率λ跟蹤最佳的差e來進(jìn)行制動(dòng)壓力調(diào)解，這樣就可以降低跟蹤誤差。通過計(jì)算我們可以得出，最佳滑移率是通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)器來確定的，而滑模參數(shù)是通過模糊邏輯調(diào)解器來確定的。
3.2 自適應(yīng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)
本組合控制算法可以充分利用獲得的滑移率λ和縱向附著系數(shù)μ來對(duì)最佳滑移率的數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)控，當(dāng)汽車行駛在不同的路面上時(shí)，最佳滑移率就可以隨時(shí)的進(jìn)行變化，以此來確保系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，自適應(yīng)調(diào)節(jié)的原理是基于輪胎縱向附著系數(shù)和滑移率的關(guān)系曲線特性來建立的，由于最佳滑移率對(duì)應(yīng)的是縱向附著系數(shù)的峰值位置，所以峰值兩側(cè)的曲線斜率為一正一負(fù)。
3.3 模糊邏輯調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)
在滑?？刂破髟O(shè)計(jì)的時(shí)候，滑模參數(shù)的設(shè)定并沒有什么科學(xué)的理論依據(jù)，一般都是通過多次實(shí)驗(yàn)的方法來進(jìn)行確定，這就使得滑模參數(shù)的設(shè)定非常的復(fù)雜繁瑣，而且得出的參數(shù)準(zhǔn)確度也不是很高。而模糊邏輯調(diào)節(jié)器自身具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，所以我們可以利用模糊邏輯調(diào)節(jié)器自動(dòng)的調(diào)整滑模參數(shù)。
我們將模糊邏輯調(diào)節(jié)器的輸入變量選擇為誤差e和誤差變化率Δe，輸出變量選擇為滑模參數(shù)k1、k2的變化率Δk1、Δk2。輸入和輸出的語言變量的隸屬度函數(shù)都設(shè)置為鐘型函數(shù)，變量等級(jí)設(shè)置為5級(jí)，根據(jù)輸入變量和輸出變量之間的定性關(guān)系，我們就可以建立一個(gè)模糊規(guī)則表。
4 仿真
在汽車ABS系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，還要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。
我們首先進(jìn)行單一路面情況下的仿真，仿真中選擇干瀝青路面。在完成仿真之后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選擇不同的自適應(yīng)滑模參數(shù)，那么仿真結(jié)果也不同。在多次試驗(yàn)之后，我們可以發(fā)現(xiàn)，控制效果最好的滑模參數(shù)為k1=500，k2=0.01，使用這個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真之后得到的制動(dòng)距離為24.3006米，制動(dòng)時(shí)間為2.417秒。附著系數(shù)的利用率為0.9337。為了實(shí)現(xiàn)與自適應(yīng)滑模控制系統(tǒng)的比較，我們將自適應(yīng)模糊滑模控制的滑模參數(shù)也設(shè)置為k1=500，k2=0.01?；?shù)的變化是通過模糊邏輯調(diào)節(jié)器輸出乘上輸出比例系數(shù)來得到的，當(dāng)我們選擇不同的比例系數(shù)的時(shí)候，仿真的結(jié)果也不完全相同。在多次比較之后，我們選擇輸出Δk1的比例系數(shù)為96，輸出Δk2的比例系數(shù)為0.01，仿真試驗(yàn)得到的制動(dòng)距離為24.2993米，制動(dòng)時(shí)間為2.417秒。為了驗(yàn)證所提出的控制算法對(duì)不同路面情況的適應(yīng)性和控制效果，我們分別在不同的路面狀況下對(duì)自適應(yīng)滑?？刂破骱妥赃m應(yīng)模糊滑?？刂破鬟M(jìn)行仿真，我們假設(shè)，汽車現(xiàn)在平坦干燥的瀝青路面上行駛一定距離，然后進(jìn)入光滑冰路面。在瀝青路面上時(shí)，最佳滑移率λd=0.2，最大縱向附著系數(shù)μ=0.85。在光滑的冰面上，最佳滑移率λd=0.155，最大縱向附著系數(shù)μ=0.1。
和單一路面仿真相似的是，不同路面情況下自適應(yīng)滑模參數(shù)的不同也會(huì)極大的影響仿真的結(jié)果，通過多次試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)最后選擇效果最好的滑模參數(shù)k1=350，k2=0.01。由此得到的制動(dòng)距離為87.1181米，制動(dòng)時(shí)間為13.051秒，附著系數(shù)利用率為0.9990。與上面的做法相同，我們?nèi)匀粚⒉煌访媲闆r下的自適應(yīng)模糊滑模控制系統(tǒng)的滑模參數(shù)初始值設(shè)定為k1=350，k2=0.01，滑模參數(shù)的變化也是通過模糊邏輯調(diào)節(jié)器輸出乘上輸出比例系數(shù)而得到的。通過實(shí)驗(yàn)我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)比例系數(shù)不同的時(shí)候，得到仿真結(jié)果也不相同。通過多次試驗(yàn)我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們選擇輸出Δk1=78，輸出Δk2=0.01時(shí)，仿真的制動(dòng)距離為87.0883米，制動(dòng)時(shí)間為13.049秒，附著系數(shù)的利用率為0.9991。
本文所提出的基于自適應(yīng)調(diào)節(jié)器和模糊邏輯調(diào)節(jié)器的自適應(yīng)模糊滑模控制算法從根本上來說是切實(shí)可行的，而且只需要很短的時(shí)間就可以快速的達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定系數(shù)較大，所以穩(wěn)定性較強(qiáng)，響應(yīng)也非常的迅速，和其他的控制算法相比，利用自適應(yīng)模糊滑?？刂破鞯钠嘇BS縱向附著系數(shù)的利用率更大，制動(dòng)距離也更加短，更加可以保護(hù)司機(jī)的乘客的安全。
5 結(jié)語
本文提出了一種由自適應(yīng)調(diào)節(jié)器和模糊邏輯調(diào)節(jié)器結(jié)合而產(chǎn)生的自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴?，當(dāng)前國際上非常流行的幾種組合控制算法他們都不具備識(shí)別路面的能力，缺乏自適應(yīng)能力，而且都具有或多或少的缺點(diǎn)，而本文所提及的自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴ǖ闹苿?dòng)時(shí)間較短，具有優(yōu)異的制動(dòng)效果，自適應(yīng)調(diào)節(jié)器可以獲得的輪胎附著系數(shù)和滑移率信息對(duì)最佳滑移率進(jìn)行修正，使得系統(tǒng)的參考滑移率不再是一個(gè)固定的值，而是可以隨著實(shí)際情況的不同而實(shí)時(shí)的發(fā)生變化的，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)能力，在不同的路面下，ABS系統(tǒng)都可以迅速的調(diào)整最佳滑移率的數(shù)值，使得汽車的制動(dòng)系統(tǒng)始終保持在一個(gè)高效的狀態(tài)，具有非常強(qiáng)的制動(dòng)效果?；？刂破骺梢钥焖僬{(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，所以本控制系統(tǒng)可以極大的減少制動(dòng)時(shí)間和汽車的制動(dòng)距離，大幅度增加汽車的安全性能。模糊邏輯調(diào)節(jié)器可以根據(jù)系統(tǒng)滑移率的變化對(duì)滑模參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使得系統(tǒng)存在一定的自適應(yīng)性。本文所提出的自適應(yīng)模糊滑模控制算法綜合了自適應(yīng)控制算法、模糊控制算法、滑?？刂扑惴ㄈN算法各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，取長補(bǔ)短，彌補(bǔ)了目前我們所使用的幾種控制算法的不足和缺點(diǎn)，極大的提高了ABS系統(tǒng)的性能和效率。汽車的ABS系統(tǒng)直接關(guān)系到了汽車駕駛員和乘客的人身安全，是汽車安全性能的保障，而控制算法又是ABS系統(tǒng)的核心部分，所以選擇合適的控制算法是ABS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行ABS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要綜合的全面的考慮問題，可以采用本文所提到的自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴▉磉M(jìn)行ABS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，增加汽車的安全性能。
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