基于模糊推理和反模糊化的汽车制动器防抱死控制方法.pdf

电气与自动化丁仰阳基于模糊推理和反模糊化的汽车制动器防抱死控制方法作者简介:丁仰阳()男山东梁山人高级讲师硕士研究方向为汽车维修.:./.基于模糊推理和反模糊化的汽车制动器防抱死控制方法丁仰阳(河北省机电工程技师学院 汽车与地质工程系河北 张家口)摘 要:常规模糊 控制策略下的汽车制动器防抱死技术能够通过模糊计算最大程度改进制动空间但是模糊控制过程缺少反馈规则导致很容易出现模糊过控制问题 利用信息感知、决策和执行模块构建制动器防抱死系统整体架构从车辆模型、轮胎模型和制动器模型三方面建立动力学模型通过非线性函数设置免疫反馈规则调整比例系数形成反模糊化规则获得模糊免疫 与反模糊化约束的控制输出经过模糊推理和反模糊化过程完成汽车制动器防抱死冗余自动控制 实验仿真结果表明:所提技术在不同路面下都能降低滑移率减少制动时间缩短制动距离避免出现抱死冗余现象关键词:汽车制动模糊推理反模糊化 控制防抱死制动系统自动控制反馈规则中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():.:引言汽车防抱死制动系统()是一种安全装置结合滑移率的改变调整制动压力在紧急制动情况下防止车轮抱死现象获取最优制动效能增强驾驶安全性 该系统的具体优势如下:缩小制动范围当汽车在路况不佳的路面上行驶时通过较高的制动效能避免车辆甩尾改善方向稳定性将附着系数调整到较高值时可避免车轮完全抱死提高横向承受力减轻轮胎磨损避免制动时产生拖痕延长轮胎使用年限缓解驾驶人员疲劳度为提高制动能力 通常需要使用可靠的控制技术 现阶段逻辑门限方法应用较为广泛但是控制逻辑复杂且 本身属于非线性系统增加了控制难度 针对上述问题相关学者给出如下解决方案 文献研究一种基于混合控制的制动器控制技术 利用电液盘制动器设置制动系统定义该系统的成本函数和控制系统的误差函数通过模糊神经网络算法改进传统 控制算法确定混合控制流程 文献利用动态规划策略设计一种联合制动控制方法使用遗传算法优化模糊控制器将制动器升温最低作为目标设置联合制动策略对制动力矩进行合理分配达到稳定控制的目的上述方法虽然操作逻辑简单但是响应速度较慢制动距离也有待进一步缩小 为了更好地实现制动器防抱死冗余控制很多人提出基于模糊(比例积分微分)的自动控制技术 模糊算法的最大优势是无需构建数学模型模型结构简单且具备智能化特征 但是模糊算法仅仅体现在控制过程中缺少必要的反向约束条件导致很容易出现过控制的问题出现稳态误差基于模糊推理和反模糊化的汽车制动器防抱死控制方法可避免算法使用中的稳态误差 利用该方法设置模糊控制器设定反模糊化的制约规则推理获得控制器的输出通过输出值即可实现对 系统的防抱死冗余控制电气与自动化丁仰阳基于模糊推理和反模糊化的汽车制动器防抱死控制方法 控制器防抱死系统动力学建模.系统整体架构在 系统中信息感知、决策与执行是 个重要模块 感知模块主要作用是通过传感器采集车辆行驶速度决策模块是控制器根据感知信息进行数学建模计算最佳滑移率出现时的制动力矩执行模块是按照决策过程中计算的力矩对车辆控制 系统整体架构如图 所示0#4D-=DD-DDDDE图 系统整体架构图控制单元、传感器、调节器和控制电路是该系统的重要部件 在使用中控制单元根据传感器获取轮速信号判断是否发生抱死现象并将判断指令发送到调节装置通过保压、减压和增压等不同形式控制制动力.系统动力学建模 系统的动力学模型由车辆、车轮和制动器模型构成 建模过程中将车辆看作刚体根据牛顿定律构建模型 轮胎模型则通过理论模型建模具有过程简洁、计算方便等优势同时综合考量不同方向的滑移和横摆力矩 制动器模型是描述力矩和液压力的关系模型)车辆模型分析车辆运动学原理在模型构建之前需要做出如下假设假设:路面光滑车身的位移、俯仰角与倾斜角均为车辆只做平面运动泊车没有出现侧滑情况无需分析车辆垂直运动不考虑悬架作用假设:汽车是由 个刚体构成的复杂系统刚体间存在约束关系建模过程中将前轮角视为输入忽略阻尼器和转向系统的影响假设:构建准坐标系统并固定在底盘上假设:驱动力较小不考虑轮胎侧偏特征和空气动力作用车辆行驶过程中受摩擦力、制动器释放力和阻力等因素影响 结合车辆和轮胎的关系第 轴上车轮 的纵向和横向速度计算公式如下:()()()()()式中:()为第 轴的轮距 为车辆轴距 为车轮半径)轮胎模型轮胎模型通常用附着系数和各类参数之间的关系来描述 轮胎要承受车身质量和路面冲击对车辆起到缓冲作用理论模型描述车辆运行中受到的纵向、横向等受力过程 其中纵向滑移率公式如下:()式中 与 分别代表轮胎圆周和汽车纵向速度横向滑移率计算公式如下:()式中:代表车轮偏角代表汽车横向行驶速度)制动器模型建模过程中假定制动器属于理想元件不考虑非线性特征其制动力矩表达式如下:()()式中:为能效因数()为制动缸压力为制动延时至此已完成 系统的动力学建模将该模型作为依据能获得更好的控制效果 反模糊化的反馈控制规则设定结合免疫算法的反馈相关原理做出如下假定:假设第 代抗原个数是()辅助细胞 的输出表示为()()()式中 为激励因子 如果抑制细胞和 细胞之间存在的关系表示为()()()式中:为抑制因子()为非线性函数 则 细胞的刺激公式如下:()()()()()式中 代表细胞刺激影响因子结合免疫算法反馈机制调节比例系数将输出变量作为比例系数输入 则控制器的比例环节能结合输出值与变化速度实现自适应调整其反馈控制规律表示为()()()()()式中:为比例系数()为控制误差为影响控制器的响应速度 为系统稳定时的控制量取值范围是 由此确定反模糊化控制器的输出表示为()()()()()()()式中 和 分别代表积分和微分控制系数 防抱死冗余自动控制技术制动器防抱死冗余自动控制由模糊免疫 控制技术设置控制器实现 结合上述设定参数和反模糊化规则确定输入与输出等参量选择主要变量构建模糊集合电气与自动化丁仰阳基于模糊推理和反模糊化的汽车制动器防抱死控制方法和隶属函数建立控制器结构设计的控制器包括下述三部分)模糊化非线性函数()的模糊过程如下:对输入与输出变量模糊处理 代表真实输入变量代表模糊语言变量设定模糊论域是 在该论域中将 与 变换为模糊量即正大()与负大()任意输入量()与()均可利用线性变换在论域中转换控制器的输出值为()模糊推理结合 系统的相关控制经验控制器应按照如下规则工作:当滑移率误差较小时误差变化率随之减小车轮角速度的变化幅度较小当滑移率误差适中时误差变化率适中角速度变化幅度适中当滑移率误差非常大时误差变化率随之增大角速度的变化幅度较大利用表示滑移率误差、误差变化率的模糊集合其中各类元素对应负大负小零正小正大 利用 描述车轮角速度的变化情况这些元素分别对应负大负小零正小正中正大 模糊规则如表 所示表 模糊规则表 )反模糊处理通过面积重心法实现反模糊化核心是计算隶属函数与横坐标覆盖区域面积的中心将计算结果作为集合中具有代表性的值假设论域 中集合 的隶属函数表示为()其面积中心横坐标为 则计算公式如下:()()通过上述控制技术即可实现控制器的有效控制能更好地控制 系统避免出现抱死现象 仿真与结果分析.仿真准备)测试对象将某小型轿车作为测试对象车辆相关参数如表 所示表 车辆相关参数表参数名称数值重力加速度/(/).初始速度/(/)车轮滚动半径/.转动惯量/(/)制动器动力因素/制动压力区间/在仿真软件中搭建测试平台整体架构如图 所示A155L+PIDE.#BB8E.E.35图 平台整体架构图图 所示的平台以下位机作为基本硬件上位机为主控计算机 制动控制器将实测值和目标值对比的结果结合输出控制量确保制动转矩始终平衡 下位机将获取的信息利用交换机与主机通信接收输入指令便于更好地完成仿真测试在图 所示的防抱死仿真模型中小型轿车以/的初始速度进入防抱死制动状态分别在附着系数为.的沥青路面和附着系数为.的泥土路面两种路面上进行仿真测试 以滑移率和制动距离为指标分别对比本文方法、文献混合控制算法和文献动态规划策略的控制效果图 防抱死仿真模型电气与自动化丁仰阳基于模糊推理和反模糊化的汽车制动器防抱死控制方法.结果分析对比本文方法、混合控制算法和动态规划策略分析不同算法控制下车辆的滑移率和制动距离得到的结果如图 和图 所示0(a)%0)#B5 3.53.02.52.01.51.00.5L/s%0)/%0.50.40.30.20.10-0.1-0.2#$1#?1+21034567(b)C.!3 03.53.02.52.01.51.00.5L/sD/m#$1#?1+图 沥青路面不同算法控制效果图(a)%0)#B503.53.02.52.01.51.00.5L/s%0)/%0.50.40.30.20.10-0.1-0.2#$1#?1+21034567(b)D/5 03.53.02.52.01.51.00.5L/sD/m#$1#?1+图 泥土路面不同算法控制效果图由图 可知在沥青路面行驶时本文方法在.时滑移率达到平稳即最佳状态其他方法的滑移率在.左右才逐渐平稳且仍有上下波动的趋势模糊免疫 控制算法的制动时间为 制动时间最短制动距离大约为.由此可知在高附着路面上本文方法的响应速度更快可以确保车辆刹车距离更短制动过程中安全系数最高由图()可知在低附着的泥土路面上本文方法在 左右时滑移率达到最佳之后滑移率没有出现明显波动其他两种控制方法滑移率波动较大.左右才趋于平稳 图()显示本文方法的制动距离依然最短刹车所需时间最短避免制动器抱死现象发生综上所述模糊免疫 控制方法有很好的控制效果是因为该方法根据被控对象的动力学模型构建控制器模糊算法与免疫算法相结合时改善了响应的滞后性提高控制效率使控制过程更加平稳 结语 系统由多个子系统共同作用控制系统性能决定系统安全性 为此结合免疫算法与模糊 方法设置一种控制器包括模糊化、推理和反模糊化 个部分 结果表明无论高附着还是低附着路面都具备很好的控制性能制动时间短滑移率较低避免抱死现象出现 但是 系统还需要不断完善例如增强自诊断功能提高安全性在控制器中可以添加通信模块例如牵引力系统和巡航系统通信等参考文献:张启森朱斌.基于混合控制的电动汽车电液盘式制动器控制研究.中国工程机械学报():.兰海潮马宗钰李学博等.基于动态规划的电动商用车长下坡联合制动控制策略.西北大学学报(自然科学版)():.刘振波闫玉峰.采用电液盘式制动器的电动汽车制动模型预测控制研究.机床与液压():.詹斌孙涛沈炎武等.基于复特征值分析的某盘式制动器制动尖叫问题改进.振动与冲击():.王志伟张杨.基于 汽车盘式制动器粘滑非线性动力学行为研究.现代制造工程():.竺元昊范伟军郭斌等.汽车气压盘式制动器性能在线检测系统研制.中国测试():.李俊玲赵海波.多目标捕获算法的红外感应型汽车自动制动系统.机械设计与制造():.余卓平史彪飞熊璐等.某分布式驱动电动汽车复合制动策略设计.汽车技术():.班小强覃桂全.半主动空气悬架 控制器设计及其随机路面验证.机械制造与自动化():.赵广元王超.基于改进人群搜索算法的 控制器参数优化.计算机仿真():.收稿日期: