夏 偉

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

1 ABS控制策略研究現(xiàn)狀

防抱死制動系統(tǒng)（Anti-lock Braking System，簡稱ABS）是汽車上的一種提高制動安全性能的主動安全裝置，它能防止車輪制動時發(fā)生抱死，從而減小制動距離，保證車輛制動時擁有良好的轉(zhuǎn)向操作能力且維持方向穩(wěn)定性。經(jīng)過多年發(fā)展，科研人員開發(fā)出了多種ABS控制策略。為選擇適合微型車車型和路況特點(diǎn)的ABS控制策略，搭建與實(shí)車性能相符的仿真模型，下面分析應(yīng)用廣泛的邏輯門限值控制、PID控制和模糊控制三種控制策略［1］。

1.1 邏輯門限值控制

邏輯門限值控制策略主要是參考車輪的角減速度和滑移率兩個控制參數(shù)來進(jìn)行制動控制，通過將檢測參數(shù)與預(yù)設(shè)的門限值進(jìn)行實(shí)時比對，判斷車輪抱死的趨勢，從而控制制動管路的壓力變化，實(shí)時進(jìn)行增壓、減壓、保壓和階梯增壓控制來實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。

邏輯門限值控制是目前應(yīng)用最多的ABS控制策略，它的優(yōu)點(diǎn)在于只需設(shè)定相應(yīng)的門限值，無需具體的數(shù)學(xué)模型，能夠較好地適應(yīng)ABS控制時系統(tǒng)非線性的特點(diǎn)。但這種方法也存在明顯的缺點(diǎn)，比如各種門限值及保壓時間的確定沒有充分的理論依據(jù)，只能通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)取得，對不同路面和不同車輛的變化兼容性差，且對系統(tǒng)的穩(wěn)定性評價困難［2-3］。

1.2 PID控制

PID控制理論在工程中有著普遍的應(yīng)用，簡單來說，其控制原理就是對系統(tǒng)偏差進(jìn)行比例（Proportional），積分（Integral）和微分（Differential）的調(diào)節(jié)，如圖1所示。

圖1 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PID應(yīng)用到ABS上時，一般利用車輪滑移率的目標(biāo)值和測量值的偏差作為輸入，并向制動系統(tǒng)輸出偏差的比例、積分與微分的線型組合。其中比例用以調(diào)整開環(huán)比例系數(shù)，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和響應(yīng)速度，但由于實(shí)際系統(tǒng)的慣性特征，太強(qiáng)的比例作用會引起系統(tǒng)振蕩不穩(wěn)定。積分的作用是通過對誤差進(jìn)行積分以消除靜態(tài)誤差，但太強(qiáng)的積分作用會導(dǎo)致積分輸出變化過快，從而產(chǎn)生積分超調(diào)和振蕩的現(xiàn)象。微分的作用是通過預(yù)測誤差變化的趨勢，從而做到提前抑制誤差的控制作用，縮短系統(tǒng)收斂的時間，并避免被控制量的嚴(yán)重超調(diào)，微分作用太強(qiáng)時也會引起振蕩。

PID控制器具有算法簡單、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)，所以當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)復(fù)雜，難以通過有效的測量手段得到時，PID控制策略能起到有效的控制作用；但針對ABS最優(yōu)滑移率控制參數(shù)的確定，也必需要依靠研究人員的經(jīng)驗(yàn)，并不斷調(diào)試，該參數(shù)的確定方法繁雜，常規(guī)PID控制器參數(shù)一般難以取得良好的效果，對車輛運(yùn)行工況的適應(yīng)能力不強(qiáng)［4-5］。

1.3 模糊控制

區(qū)別于傳統(tǒng)布爾邏輯的模糊邏輯在控制領(lǐng)域的應(yīng)用稱為模糊控制。模糊控制系統(tǒng)包括模糊化、模糊決策和精確化計算三個基本組成部分，模糊控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

模糊控制系統(tǒng)工作時主要的步驟為：首先對被控過程輸入的精確信息進(jìn)行模糊化處理，得到模糊量，然后經(jīng)模糊規(guī)則運(yùn)算得到模糊控制輸出的另一模糊量，再對模糊指令進(jìn)行精確化計算即解模糊處理，最后對被控系統(tǒng)輸出精確控制量。

模糊控制提供了一種實(shí)現(xiàn)基于知識描述的控制規(guī)律的新理論，當(dāng)控制對象的模型難以確定，且具有非線性特征時，模糊控制能夠?qū)ζ涮卣鲄?shù)的變化以及可能受到的擾動有很好的適應(yīng)和抑制作用。另外，模糊控制器結(jié)構(gòu)簡單，可由離線計算得到控制查詢表，易于軟件實(shí)現(xiàn)。這些特點(diǎn)較好地滿足了ABS的控制要求。同時，模糊控制系統(tǒng)對微型車多變的制動工況也有比較好的適應(yīng)［6-8］。

模糊控制作為眾多智能控制中一種比較簡單實(shí)用的算法，具有很廣的應(yīng)用前景，本文選擇該控制策略來建立微型車的ABS控制模型以改進(jìn)ABS的非線性控制器，增強(qiáng)ABS的控制效果。

2 基于MATLAB/Simulink的模糊控制ABS模型的建立

控制系統(tǒng)的許多方案都是通過計算機(jī)仿真軟件來實(shí)現(xiàn)的，美國MathWorks軟件公司開發(fā)的動態(tài)仿真集成軟件Simulink集成在MATLAB下，提供一個模塊化圖形建模仿真界面，其模型通過“模塊”和連接模塊的“信號線”組成，支持系統(tǒng)級的設(shè)計、仿真、自動代碼生成、連續(xù)測試和嵌入式系統(tǒng)驗(yàn)證。Simulink對建模環(huán)境的圖形化集成及仿真流程的封裝，使用戶對仿真模型的創(chuàng)建和驗(yàn)證更高效。

啟動后的MATLAB/Simulink軟件是一個模型庫瀏覽器，它不僅包含建立一般控制模型所須的子模塊庫，多種針對特殊仿真需要的工具箱也在軟件中進(jìn)行了集成，借助其中的Fuzzy Logic Tool?box模糊邏輯工具箱，用戶可以在軟件集成的圖形化用戶界面（GUI）、Simulink模塊以及MATLAB函數(shù)的基礎(chǔ)上，直接、快速地構(gòu)建模糊控制系統(tǒng)模型，并且直觀精細(xì)地調(diào)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在MATLAB/Simulink中建立模糊控制系統(tǒng)的基本步驟如下：

（1）基于模糊邏輯工具箱創(chuàng)建對應(yīng)的模糊推理系統(tǒng)（FIS）文件；

（2）建立模糊推理系統(tǒng)（FIS）文件與模糊邏輯控制器的連接；

（3）構(gòu)建模糊控制系統(tǒng)的仿真模型。

2.1 模糊推理系統(tǒng)文件的建立

作為模糊控制系統(tǒng)的核心，模糊邏輯控制器是一個典型的模糊推理系統(tǒng)，而在使用模糊邏輯工具箱中的Fuzzy Logic Controller模塊之前，必須先建立FIS文件并嵌入該模塊中。MATLAB/Simulink中建立模糊推理系統(tǒng)（FIS）文件是通過模糊邏輯圖形化工具（GUI）實(shí)現(xiàn)的，它由五個相互間動態(tài)連接的部分組成。其中模糊推理系統(tǒng)（FIS）編輯器，隸屬度函數(shù)編輯器，模糊規(guī)則編輯器是三個可以互動的編輯器。這三個編輯器可以實(shí)現(xiàn)對Mamdani型和Sugeno型兩類模糊推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的搭建、模糊子集隸屬度函數(shù)的編輯、模糊規(guī)則的建立等操作。

2.2 模糊控制ABS模型的建立

本文采用四傳感器三通道的ABS布置方案，即每個輪胎上都有一個獨(dú)立的傳感器，兩前輪分別布置獨(dú)立的通道，而后輪則共用一個控制通道，該通道中實(shí)際的控制量取兩輪計算得到控制量中的較小值。這種配置的方式能夠在保證行駛安全的前提下，使每個車輪的滑移率控制在最佳滑移率附近，在實(shí)際ABS系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。不論車輛行駛在左右摩擦系數(shù)相等還是不等的路面上，都能夠得到較短的縱向制動距離，并且能夠有效防止車輛的縱向轉(zhuǎn)矩過大導(dǎo)致甩尾，車輛的制動穩(wěn)定性也能得到較好的保障。

在所建立完成的模糊控制器的基礎(chǔ)上添加所需Simulink子模塊，搭建完成的ABS模糊控制模型如圖3所示。

圖中控制模型的輸入信號分別為各車輪輪速和車身縱向速度。Slip Subsystem為計算滑移率的子系統(tǒng)，F(xiàn)uzzy Input為計算滑移率偏差及其變化率的子系統(tǒng)，F(xiàn)uzzy Logic Controller則是各個車輪的模糊控制器，Rear Control Subsystem為后輪低選控制子系統(tǒng)?？刂颇Ｐ偷男盘栞斎牒?，前輪獨(dú)立管路制動油壓系數(shù)的變化值可直接得到，后輪一同控制的值則還需要再通過低選控制子系統(tǒng)計算輸出。

圖3 ABS模糊控制模型

3 ABS模糊控制聯(lián)合仿真模型的建立

動力學(xué)仿真軟件ADAMS用于虛擬樣機(jī)建造的同時，為了實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制功能，軟件內(nèi)置了Controls模塊，可以實(shí)現(xiàn)將所建樣機(jī)與控制設(shè)計仿真軟件連接，然后對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合分析。利用這種分析方法可以大幅降低開發(fā)產(chǎn)品的成本，避免反復(fù)對物理樣機(jī)進(jìn)行搭建和調(diào)試，而只需在計算機(jī)軟件中對分享同一虛擬樣機(jī)模型的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)。并且能夠有效模擬實(shí)際狀況下可能遇到的各種問題，從而在提供較高精度的同時，提高了設(shè)計效率。

ADAMS/Controls模塊支持同MATLAB等控制分析軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真的功能，聯(lián)合仿真對于MATLAB/Simulink所建立的控制系統(tǒng)模型來說，與其連接的虛擬樣機(jī)模型可以看成一個外部對象，這個對象通過特定接口連接到Simulink模型中，同Simulink中建立的純數(shù)學(xué)模型的對象相比，虛擬樣機(jī)代表的對象更接近于實(shí)物原型，因此可以獲得更高的仿真精度。

為了實(shí)現(xiàn)ADAMS/Controls模塊和MATLAB/Simulink的聯(lián)合仿真，需建立聯(lián)合仿真模型，在ADAMS模型中定義與MATLAB/Simulink的接口變量，建立控制模型的輸入輸出后即可通過AD?AMS/Controls Plant導(dǎo)出?？刂颇Ｐ偷妮斎胱兞渴撬膫€車輪的輪速和汽車的縱向車速，即ADAMS模型的輸出變量；ADAMS模型的輸入變量則是四個車輪上制動油壓系數(shù)，它們是控制模型的輸出變量。輪速和車速為模型自帶的狀態(tài)變量，可通過ADAMS/Controls接口直接輸出；而制動油壓系數(shù)通過在制動系統(tǒng)模型中定義四個狀態(tài)變量來表示，并結(jié)合模型編輯制動器制動力公式，將狀態(tài)變量作為一個比例系數(shù)來控制各管路的油壓。

將整車模型加入到控制模型中所建立模糊控制聯(lián)合仿真模型如圖4所示。模型運(yùn)行聯(lián)合仿真的過程為：整車模型先受到驅(qū)動控制文件仿真（File Driven Events）的制動器制動力階躍輸入，并實(shí)時地將縱向車速和各車輪角速度輸出到控制模型中，然后計算滑移率，減去目標(biāo)滑移率，得到滑移率偏差，再將其微分得到滑移率偏差的變化率，最后將二者輸入模糊控制器模塊，由模糊控制算法計算得到實(shí)時的制動油壓調(diào)節(jié)系數(shù)，并反饋給整車模型，模型受到新的制動力控制后進(jìn)行下一輪的輸入和輸出循環(huán)，以此實(shí)現(xiàn)ABS控制功能。另外，由于制動力矩的輸出會因?yàn)檎麄€系統(tǒng)的動態(tài)特性而相對控制指令存在一定的延后現(xiàn)象，所以建立的ABS聯(lián)合仿真模型設(shè)定液壓系統(tǒng)動作轉(zhuǎn)換的遲滯時間為10ms。

在聯(lián)合仿真模型建立完成之后，為了保證仿真的精度和效率還需要對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。Simulink中設(shè)置軟件數(shù)據(jù)交互的步長應(yīng)與AD?AMS/Car驅(qū)動文件中設(shè)置的仿真步長相同，本文設(shè)為0.01。另外選擇聯(lián)合仿真方式為離散，仿真算法為變步長，即在仿真過程中綜合考慮實(shí)時的計算速度和精度，對步長進(jìn)行自動地增大或減小調(diào)節(jié)，適合于對復(fù)雜整車模型的運(yùn)算。最后還應(yīng)根據(jù)不同制動工況設(shè)定仿真的開始和終止時間即可運(yùn)行仿真，結(jié)果輸出曲線可同時在Simulink的輸出模塊和ADAMS的后處理模塊中進(jìn)行查看。

為探究加裝模糊控制ABS后對整車制動安全性能的影響，本文主要考察在高附著系數(shù)路面上直線制動時車輛的制動性能。制動仿真的工況參照車輛緊急制動時的狀況進(jìn)行設(shè)定，即車輛在預(yù)設(shè)路面以一定的初速度直線行駛，然后急踩制動，從0到1s內(nèi)，制動器制動力由0上升到最大值，并保持制動強(qiáng)度直至車輛停車，為檢驗(yàn)車輛的側(cè)向穩(wěn)定性能，將方向盤設(shè)為自由狀態(tài)。仿真結(jié)束后對比車輛的制動時間、制動距離、制動減速度和車輛側(cè)向位移等制動性能指標(biāo)，以分析ABS的控制效果。

圖4 ABS模糊控制聯(lián)合仿真模型

圖5 制動車速時間歷程

圖6 制動距離時間歷程

4 高附路面聯(lián)合仿真分析

下列曲線為邏輯門限值控制策略與模糊控制策略控制的ABS在高附路面上直線制動聯(lián)合仿真時的結(jié)果比較。

圖5和圖6對比了模糊控制ABS和實(shí)車的邏輯門限值控制ABS分別作用時制動車速和制動距離的變化，可以看到在高附路面上模糊控制車輛的制動時間和制動距離都稍小于實(shí)車的邏輯門限值控制，具有更好的制動效能。

由圖7高附路面的制動減速度曲線對比可以看出，制動過程中實(shí)車邏輯門限值控制ABS車輛制動減速度的值與模糊控制時的相近，但是波動較大，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

圖7 制動減速度時間歷程

圖8 側(cè)向位移時間歷程

在制動穩(wěn)定性方面，如圖8所反映的側(cè)向位移對比可知，邏輯門限值控制ABS由于制動時的穩(wěn)定性差等因素，側(cè)向位移較模糊控制偏大。

制動過程各個車輪滑移率的對比如圖9所示，兩種控制策略的ABS都能有效地防止車輪出現(xiàn)抱死，但由于制動系統(tǒng)的循環(huán)增壓、減壓和保壓，造成系統(tǒng)一定的振蕩等原因，邏輯門限值控制ABS作用時輪速的波動要明顯大于模糊控制，并在仿真后期有變大的趨勢。并且前輪和后輪控制滑移率的變化范圍均與設(shè)定的目標(biāo)滑移率存在一定的偏差。

綜合以上對比分析能夠得到，不論是在制動效能還是在制動穩(wěn)定性方面，模糊控制ABS相對于實(shí)車邏輯門限值控制的ABS均有一定優(yōu)勢。另外，邏輯門限值控制的ABS在制動過程中，會給系統(tǒng)造成明顯的波動，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不如模糊控制，液壓式ABS硬件中的液壓元件在這種持續(xù)較大波動的液壓沖擊下，可靠性和使用壽命會大大降低。

5 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對比分析

為了使各控制方法仿真結(jié)果的差異得到更詳細(xì)的說明，本文將車輛緊急制動時模糊控制ABS和實(shí)車邏輯門限值控制ABS兩種情況下，分別在高附路面上的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行量化對比分析。

由表1的對比數(shù)據(jù)可以看出，車輛以72km/h進(jìn)行緊急制動時，裝備有模糊控制ABS比邏輯門限值控制ABS對系統(tǒng)的控制效果更好，能夠?qū)⒒坡士刂圃陔x目標(biāo)值更近的范圍。模糊控制ABS要更優(yōu)于邏輯門限值A(chǔ)BS，特別是在側(cè)向位移的抑制上效果明顯，邏輯門限值控制車輪滑移率的偏差也更大。

圖9 各車輪滑移率時間歷程

表1 初速度為72km/h高附路面仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對比

結(jié)合以上仿真數(shù)據(jù)，對比車輛的制動效能和制動方向穩(wěn)定性分別在模糊控制和邏輯門限值控制兩種控制策略下的結(jié)果，可以說模糊控制全面占優(yōu)，特別是在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性上優(yōu)勢明顯，故通過加裝模糊控制的ABS以增強(qiáng)微型車制動安全性能是值得期待的。

6 結(jié)語

在完成建立微型車模糊控制ABS模型的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了ADAMS與MATLAB軟件聯(lián)合仿真的方法和步驟，并搭建了模糊控制ABS聯(lián)合仿真模型，然后在高附路面上進(jìn)行緊急制動的聯(lián)合仿真分析，得到了模糊控制ABS作用下車輛的制動性能參數(shù)。將模糊控制的ABS與同樣工況下裝備邏輯門限值控制ABS的制動過程進(jìn)行了對比分析，得出模糊控制ABS制動性能全面占優(yōu)的結(jié)論。