汽車ASR的模糊控制

1、 . . . 摘要本文研究的是對開路面驅動防滑系統(tǒng)，采用驅動輪制動力矩調(diào)節(jié)，也就是在發(fā)生打滑的驅動輪上施加制動力矩，使車輪轉速降至最佳的滑轉率圍。探討了基于PID控制和模糊PID控制這兩種控制理論的ASR控制算法，使用MATALB/SIMULINK工具箱對這兩種控制算法進行了仿真分析。本文主要分為以下四個部分：1介紹ASR的研究意義，國外研究現(xiàn)狀，工作原理以與目前常用的控制方式和控制算法。2車輛系統(tǒng)動力學仿真模型是汽車牽引力控制的仿真分析基礎，同時也對其理論分析具有一定的指導意義。動力傳動系模型可用來分析各子系統(tǒng)的響應規(guī)律，并為整車動特性分析提供必要的數(shù)值依據(jù)，它包括發(fā)動機模型、傳動系模型和輪

2、胎模型。本文建立了包括動力傳動系模型和整車模型的車輛系統(tǒng)Simulink模型. 3. 從理論上探討了PID和模糊PID兩種控制理論下的ASR控制算法，并設計了它們在對開路面條件下的Simulink模型。4根據(jù)所建立的控制算法，進行了參數(shù)選擇，并在MATALB/SIMULINK環(huán)境下，分別在0.1/0.5、0.3/0.5對開路面使用制動控制對所建立的兩種控制算法進行仿真分析，并且在驗證算法適應性的時候采用了路面附著系數(shù)改變的狀況進行仿真。仿真結果表明汽車ASR系統(tǒng)能夠改善車輛的牽引性、操縱性和穩(wěn)定性，也驗證了本文建立的基于PID控制和模糊PID控制兩種控制理論的汽車牽引力控制算確。關鍵字：ASR

3、系統(tǒng)，PID，模糊PID，仿真41 / 46AbstractThis paper studies the Anti-Slip Regulation control system on-Split Road，use driving wheel braking torque regulation, it is imposed braking torque on the skid driving wheel, the speed of wheel lows to the best slip coefficient. This paper has discussed three control alg

4、orithms that is based on PID control and fuzzy PID control, simulated these two control algorithms with MATALB/SIMULINK, and compared the performance with the situation without ASR.This thesis mainly includes four parts:1. Introducing the significance of ASR system, the research status of domestic a

5、nd overseas, the principle of the working and the usually control algorithm presently.2. Vehicle system dynamics simulation model is the basis of ASR system simulation and analysis. Automobile transmission model is used to analyze the response of each subsystems, it includes engine model, transmissi

6、on line model and the tire model. This paper established the Simulink model of vehicle system.3. Theoretically discussed ASR control algorithm which under PID control and fuzzy PID control theory, and design their simulink model on -split road condition.4. The parameters in the algorithms are select

7、ed and these algorithms are simulated with SIMULINK, using active brake control on 0.1/0.5,0.3/0.5 split- road surface respectively, and use the situation of road adhesion coefficient changed to demonstrate algorithm adaptability and effectiveness.The results of the simulation has shown that ASR sys

8、tem can effectively improve the vehicle traction、handling and stability. At the same time, it proves the control algorithms that are established are correct. Key words: ASR system; PID; fuzzy PID; simulation目錄摘要IAbstractII目錄III第一章緒論11.1ASR系統(tǒng)簡介11.1.1 ASR系統(tǒng)概述11.1.2 ASR的發(fā)展歷程與國外研究現(xiàn)狀11.1.3 ASR基本原理21.2本文研

9、究的意義31.2.1過度滑轉的危害31.2.2 ASR的作用41.3ASR系統(tǒng)的控制途徑41.3.1發(fā)動機輸出轉矩調(diào)節(jié)41.3.2驅動輪制動力矩調(diào)節(jié)51.3.3離合器或變速器控制51.4 ASR系統(tǒng)的控制策略51.4.1 PID控制51.4.4模糊控制61.5本文研究的主要容6第二章驅動防滑控制系統(tǒng)的數(shù)學模型82.1引言82.2 ASR系統(tǒng)數(shù)學模型的建立82.2.1動力傳動系模型82.2.2制動器數(shù)學模型112.3 本章小結11第三章 ASR系統(tǒng)的控制算法研究123.1引言123.2 PID控制算法123.3模糊PID控制算法133.3.1模糊控制系統(tǒng)概述133.3.2 Fuzzy PID控制

10、器的結構組成143.3.3參數(shù)自整定思想153.3.4模糊控制規(guī)則的設計163.5小結21第四章 ASR系統(tǒng)的控制算法建模仿真224.1引言224.2 建立ASR系統(tǒng)Simulink模型224.2.1 發(fā)動機模型224.2.3 輪胎模型234.2.4 制動器模型234.3 ASR系統(tǒng)的控制算法仿真244.3.1無ASR控制直線加速仿真244.3.2基于PID算法的整車加速仿真254.3.3基于Fuzzy PID算法的整車加速仿真294.4控制算法的比較344.4.1兩種算法在控制指標上的比較344.4.2控制算法的適應性比較35第五章全文總結39參考文獻40致41第一章 緒論“安全、環(huán)保、節(jié)能

11、”是當今汽車發(fā)展的三大方向。提高汽車的安全性是各汽車廠商增強其產(chǎn)品競爭力的重要手段。隨著制動防抱死系統(tǒng)的廣泛應用，驅動防滑系統(tǒng)(ASR)也逐步被投入使用。目前，ASR已經(jīng)成為汽車向電子化發(fā)展的一個重要方面1、2。1.1ASR系統(tǒng)簡介1.1.1 ASR系統(tǒng)概述ASR(ACCELERATION SLIP REGULATION)，即驅動防滑系統(tǒng)，它是根據(jù)車輛行駛行為，運用數(shù)學算法和控制邏輯使車輛驅動輪在惡劣的路面或復雜輸入條件下產(chǎn)生最佳縱向驅動力的主動安全系統(tǒng)。由于驅動防滑系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)驅動車輪的牽引力實現(xiàn)驅動車輪防滑轉控制的，因此，也被稱為牽引力控制系統(tǒng)，簡稱TCS(TRACTION CONTRO

12、L SYSTEM)。ASR的應用對于驅動時驅動輪的過度滑轉起到了很好的抑制效果。汽車ASR系統(tǒng)是伴隨著汽車制動防抱死系統(tǒng)(ABS)產(chǎn)品化而發(fā)展起來的，實質上它是ABS基本思想在驅動領域的發(fā)展和推廣。汽車行駛時的車輪滑動包括兩種情況，一種是汽車在制動時車輪抱死而產(chǎn)生的車輪滑移情況；另一種是車身不動，車輪轉動，或者是汽車的速度低于轉動車輪的輪速，簡稱滑轉。ABS控制前一種情況，ASR控制后一種情況。或者說，ABS是減壓防滑移的過程，ASR是加壓防滑轉的過程1、2。1.1.2 ASR的發(fā)展歷程與國外研究現(xiàn)狀自二十世紀七十年代起，車輪滑轉問題開始引起人們的重視，驅動防滑控制系統(tǒng)因此得到迅速發(fā)展。197

13、2年，日本首次登記了通過停止發(fā)動機點火控制車輪滑轉的牽引力控制系統(tǒng)。1978年德國注冊了一種以減少氣缸供油來實現(xiàn)汽車驅動防滑控制的裝置。1981年，日本又注冊了一種以調(diào)節(jié)離合器接合程度來限制汽車驅動輪過度滑轉的汽車驅動防滑控制專利。1985年由瑞典VOLVO汽車公司試制生產(chǎn)的汽車電子驅動防滑裝置安裝在Volvo760 Turbo汽車上，該系統(tǒng)被稱為ETC（電子牽引力控制），是通過調(diào)節(jié)燃油供給量來調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出扭矩，從而控制驅動輪滑轉率，產(chǎn)生最佳驅動力的。此后，ASR技術日益發(fā)展并逐漸成熟，進入上世紀90年代后，得到了迅速普與。國外ASR的發(fā)展十分成熟，已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將ASR統(tǒng)作為標準或選裝裝備

14、批量裝車。國外的一些高級轎車如：寶馬、凌志、皇冠、克爾維特、卡迪拉克等已將牽引力控制系統(tǒng)作為標準或選裝裝備，其中包括一些性能優(yōu)良的牽引力控制系統(tǒng)，如：BOSCH ABS/ASR 2U，裝備于卡迪拉克多種型號的轎車上；寶馬ABS/ASC+T，裝備于BMW 850i轎車上；豐田ABS/TRAC，裝備于LEXUS300、LEXUS 400轎車上；TEVES MK IV，裝備于福特、別克、卡迪拉克、克萊斯勒等多種型號的汽車上。由于牽引力控制系統(tǒng)能提高汽車的動力性、主動安全性，因而也受到了軍隊的重視。如：美軍在M998、M1043、M1045、M1097等“Hummer”系列軍用越野汽車上裝備了牽引力控

15、制系統(tǒng)；卡迪拉克公司的Escalade越野汽車裝備的StabiliTrak牽引力控制系統(tǒng)可使該車060mph的加速時間降低到8.5秒，最大拖曳力達到8500磅。國對ASR的研究，約始于20世紀90年代。一些科研單位如清華大學、大學、理工大學、同濟大學、交通大學、重汽技術中心等對ASR技術的發(fā)展進行跟蹤、研究并取得了階段性進展。目前，我國科研人員主要針對ASR控制系統(tǒng)的控制策略和控制算法、邏輯等關鍵環(huán)節(jié)進行研究。由于受電控發(fā)動機的限制，我國ASR系統(tǒng)的控制理論方面大多側重于采用以制動控制為主、發(fā)動機控制為輔的控制方法。距離產(chǎn)品化研究還有一定的差距。目前國尚無自主研發(fā)的ABS/ASR防滑控制系統(tǒng)產(chǎn)

16、品2。1.1.3 ASR基本原理車輪相對于路面的運動狀態(tài)與附著力有重要關系，特別是在弱附著路面上更為明顯。車輪在路面上的縱向運動分為滾動和滑動兩種形式，人們引入了車輪滑動率S的概念來表征車輪縱向運動中滑動成分所占的比例?；D率S定義為：式中，Vv為車速；Vw為輪速。前輪發(fā)生滑轉可能使汽車喪失轉向能力，而后輪發(fā)生過度滑轉則會使汽車發(fā)生側滑而喪失方向穩(wěn)定性。ASR系統(tǒng)就是通過防止驅動輪過度滑轉，在車輛起動和加速時，根據(jù)路面和輪速情況控制驅動輪的附著能力，而提高車輛的操縱穩(wěn)定性和通過性。汽車在路面上行駛，其驅動力取決于發(fā)動機輸出扭矩，但要受到路面附著條件的限制。輪胎與路面的附著系數(shù)與輪胎結構、路面狀

17、況、天氣情況、車速等因素有關，是一個不確定量，大量試驗表明輪胎與地面之間的附著系數(shù)與滑轉率S有直接關系。圖1-1是典型路面上附著系數(shù)與滑轉率的關系圖。由圖可知，當滑轉率從0開始增加時，縱向附著系數(shù)也隨之增大，當滑轉率達到S0時，附著系數(shù)達到最大值h（稱為峰值附著系數(shù)）。此后，隨著滑轉率的繼續(xù)增加，附著系數(shù)反而下降；當滑轉率達到1時，即車輪發(fā)生純滑轉時，其滑動附著系數(shù)要遠小于h。在滑轉率0與縱向峰值附著系數(shù)所對應的滑轉率S0之間，即曲線的上升段為穩(wěn)定區(qū)，在該區(qū)可以保證穩(wěn)定驅動，在峰值附著系數(shù)所對應的滑轉率S0與純滑轉之間，即曲線的下降段為非穩(wěn)定區(qū)。所以從牽引性上考慮，驅動輪的縱向滑轉率最好在S0

18、處。同時考慮到輪胎與路面之間的側向附著系數(shù)隨縱向滑轉率的關系（圖1-1中虛線所示），隨縱向滑轉率的增大，側向附著系數(shù)急劇減小，所以從側向穩(wěn)定性上考慮，車輪縱向滑轉率越小越好。由此可見，驅動輪的縱向滑轉率最好控制在略小于S0的一個小區(qū)域（圖1-1中陰影區(qū)域），以便充分發(fā)揮驅動輪的牽引能力，同時又能保證車輛一定的側向穩(wěn)定。若以驅動輪的縱向滑轉率S0作為被控目標變量，那么控制汽車驅動輪過度滑轉實質上就是調(diào)節(jié)驅動輪實際縱向滑轉率與目標縱向滑轉率（陰影區(qū)域）之間的差值，并使之趨近于0。驅動防滑系統(tǒng)ASR通過監(jiān)測車輪運動狀態(tài)，根據(jù)驅動輪打滑情況調(diào)節(jié)減小控制施加到其上的驅動力矩，從而將驅動車輪滑轉率控制在最

19、佳圍之，在得到良好的縱向附著系數(shù)的同時也得到較大的側向附著系數(shù)，保證車輛在任何路面上都能獲得最佳的牽引通過性和行駛穩(wěn)定性4、5。1.2本文研究的意義1.2.1過度滑轉的危害驅動滑轉與制動防抱死的機理類似，危害也類似。只不過制動過程往往與交通事故聯(lián)系比較緊密，給人的印象較深，驅動滑轉的危害不太被人認識。一方面驅動輪過度滑轉會降低汽車起步和加速能力。車輪完全滑轉時的附著系數(shù)小于峰值附著系數(shù)，尤其在比較光滑的路面上，相差比較大，因此驅動輪會影響汽車在冰雪路面上的起步或加速能力。另一方面驅動輪過度滑轉會破壞汽車行使時的方向穩(wěn)定性。對于前輪驅動的汽車，驅動輪的滑轉會使汽車喪失轉向能力，對于后輪驅動的汽車

20、，驅動輪的滑轉，在一定條件下會使汽車側滑、甩尾，嚴重的會產(chǎn)生急轉，甚至翻車。當汽車以較高的車速在光滑或潮濕的路面上轉彎行駛時，如果后輪驅動力過大，造成車輪滑轉，則汽車在離心力的作用下就會側滑，側滑的結果與離心力構成正反饋，形成惡性循環(huán)。因此汽車后輪滑轉為不穩(wěn)定工況，危害很大。當汽車行駛在對開路面時，兩驅動輪的附著系數(shù)不同，有時甚至相差過大。除了影響起步加速能力外，汽車行駛時的方向穩(wěn)定性更加不容易控制。這就要求我們采用適當?shù)姆绞絹砑右钥刂啤?.2.2 ASR的作用ASR在汽車驅動加速時發(fā)揮作用，以獲得盡可能高的加速度，使驅動輪的驅動力不超過輪胎與地面的附著力，以防止車輪滑轉，從而改善汽車的操縱穩(wěn)

21、定性與加速性能，提高汽車的行駛平順性。有專家認為在一定的圍ASR等裝置有取替4輪驅動的可能。例如轎車，過去人們認為提高轎車行駛性能最好是采用4輪驅動，可是與4輪驅動相比，ASR等裝置更適合轎車。這是因為4輪驅動結構復雜成本高，增加車重而且耗油，而ASR等裝置結構簡單安裝方便，在一般城鎮(zhèn)道路上使用效果并不差。另外，裝備有驅動防滑轉系統(tǒng)的汽車在對開路面上行使時，可以對處于低附著系數(shù)路面的驅動車輪施加一定的制動力矩，使處于高附著系數(shù)路面的驅動車輪產(chǎn)生更大的驅動力。1.3ASR系統(tǒng)的控制途徑如何將驅動輪在弱附著系數(shù)路面上滑轉率控制在最佳圍，以保證汽車的起步加速性與行駛穩(wěn)定性，從控制手段上看，汽車驅動防

22、滑控制主要有三種控制方式。1.3.1發(fā)動機輸出轉矩調(diào)節(jié)汽車根據(jù)其驅動車輪的滑轉率，即車輪轉速傳感器，把信號送到ECU，由此控制其油門開度、點火正時、混合氣濃度與數(shù)量來控制其發(fā)動機輸出轉矩，進而控制其車輪轉矩，從而使車輪滑動率得到控制，并完成驅動輪的正確牽引力分配。主要調(diào)節(jié)方式有：控制燃油噴射、點火時間與對節(jié)氣門的調(diào)節(jié)控制等。發(fā)動機輸出力矩調(diào)節(jié)是最早應用的驅動防滑控制方式，它在附著系數(shù)較小的冰雪路面上或在高速下，驅動輪發(fā)生過度滑轉時，該控制方式十分有效。而它的響應較慢，而且只能同時對所有驅動輪的驅動力矩進行調(diào)節(jié)，主要用于提高汽車行駛方向的穩(wěn)定性，對加速或爬坡中提高牽引力效果不大。另外，僅依靠調(diào)節(jié)

23、發(fā)動機輸出力矩不能解決汽車在對開路面上起步加速問題。1.3.2驅動輪制動力矩調(diào)節(jié)驅動輪制動力矩調(diào)節(jié)就是在發(fā)生打滑的驅動輪上施加制動力矩，使車輪轉速降至最佳的滑轉率圍。制動力矩調(diào)節(jié)一般與發(fā)動機輸出力矩調(diào)節(jié)結合起來應用，即干預制動后要緊接著調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出力矩，否則可能出現(xiàn)制動力矩之間無意義平衡引起的功率損耗。制動力矩調(diào)節(jié)的主要功能是部分控制差速器作用。當兩車輪處在對開路面上時，普通輪間差速器由于平均分配轉矩的特點，使處在好路面上車輪的附著力不能充分發(fā)揮，從而導致牽引力不足。此時，可以對滑轉車輪施加制動力矩，以增加好路面上車輪的牽引力，從而提高車輛的牽引性。因制動力矩直接作用在驅動輪上，所以驅動輪制

24、動力矩調(diào)節(jié)的響應時間較短，但作用時間不宜過長，以免摩擦片過熱?？紤]到舒適性，制動力矩變化率不宜過大。1.3.3離合器或變速器控制離合器控制是指當發(fā)現(xiàn)汽車驅動輪發(fā)生過度滑轉時，減弱離合器的結合程度，使離合器主、從動盤出現(xiàn)部分相對滑轉，從而減小傳輸?shù)桨胼S的發(fā)動機輸出力矩；變速器控制是指通過減小傳動比的辦法來調(diào)節(jié)驅動輪的驅動力矩，從而減小驅動輪滑轉程度的一種驅動防滑控制方式。由于離合器和變速器控制反應較慢，變化突然，所以一般不作為單獨的控制方式，而且由于壓力和磨損等問題，其應用也受到很大的限制3、5、6。1.4 ASR系統(tǒng)的控制策略1.4.1 PID控制PID（比例、微分、積分）控制是連續(xù)系統(tǒng)術成熟

25、，應用廣泛的一種控制方法。其最大優(yōu)點是不需了解被控對象的數(shù)學模型，只要根據(jù)經(jīng)驗進行調(diào)節(jié)器參數(shù)在線整定，即可取得滿意的結果。實際控制中，可將實際車輪滑轉率與理想的車輪滑轉率構成的誤差，由PID控制器算法算出控制牽引力值并反饋給發(fā)動機或制動器，從而調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出扭矩或者制動器制動力，使車輪滑轉率接近或等于理想滑轉率。這種方法的不足之處是對被控對象參數(shù)變化比較敏感。1.4.4模糊控制模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量以與模糊邏輯推理為數(shù)學基礎的新型計算機控制方法。模糊控制的基礎是模糊數(shù)學，實現(xiàn)手段是計算機。美國加州大學電氣工程系L.A.Zadeh教授在1965年發(fā)表的Fuzzy Set論文中首

26、次提出了表達事物模糊性的重要概念隸屬函數(shù)，突破了經(jīng)典集合理論的局限性，奠定了模糊理論的數(shù)學基礎。1966年，P.N.Marinos發(fā)表了模糊邏輯的研究報告，這一報告真正標志著模糊邏輯的誕生，為計算機模仿人的思維方式來處理普遍存在的語言信息提供了可能。1973年L.A.Zadeh又提出了用模糊語言進行系統(tǒng)描述的方法，給出了模糊推理的理論基礎，為模糊控制提供了有效的手段。1974年，英國的E.H.Mamdani和他的學生在Queen Mary學院首次用模糊邏輯和模糊推理實現(xiàn)了蒸汽發(fā)動機的模糊控制實驗，宣告了模糊控制的問世。模糊邏輯最重要的性質之一，就是靜態(tài)模糊系統(tǒng)同啟發(fā)式規(guī)則相結合，從而具備了解決

27、不確定問題的能力。它首先將精確的數(shù)字量轉換成模糊集合的隸屬函數(shù)，然后根據(jù)控制器制定的模糊控制規(guī)則，進行模糊邏輯推理，得到一個模糊輸出隸屬函數(shù)，最后根據(jù)推理得到的隸屬函數(shù)，用不同的方法找出一個具有代表性的精確值作為控制量，加到執(zhí)行器上實現(xiàn)控制7。1.5本文研究的主要容控制理論目前已越來越多的在汽車領域得到應用，ASR系統(tǒng)就是其中一個典型的例子。由于ASR系統(tǒng)對于汽車行駛性能方面有著顯著的作用，因此，國外很多科研機構都對這一系統(tǒng)的控制問題展開了研究。本文將參照國外在這一領域的一些先進技術，提出自己的研究方案。這里主要是針對汽車在平直對開路面起步和直線加速階段，從以下幾個方面作以研究：（1）研究AS

28、R系統(tǒng)的工作實質，即ASR系統(tǒng)是如何通過控制滑轉率來優(yōu)化汽車的起步和防止汽車行駛中出現(xiàn)滑轉現(xiàn)象。選取仿真環(huán)境為左右輪分別為高附著和低附著的對開路面直線驅動，這個時候，由于未對車輪的加速進行控制，因此理論上會出現(xiàn)車輪滑轉率偏大、汽車行駛方向偏移的情況，得出未加入ASR各種調(diào)節(jié)方式時的車輪實際速度、車輪目標速度、車輪滑轉率、汽車偏移角度等仿真曲線圖。（2）研究ASR系統(tǒng)的驅動輪制動控制控制調(diào)節(jié)方式，建立驅動輪制動控制系統(tǒng)的Simulink數(shù)學模型。設計對開路面的選通控制邏輯，即在起步加速階段，當某一驅動輪或兩個驅動輪發(fā)生滑轉時，ASR制動控制系統(tǒng)根據(jù)兩個輪各自的附著系數(shù)情況加入適當?shù)闹苿恿?，保證車

29、輛獲得盡可能高的加速度。（3）選取左右附著系數(shù)不同的對開路面直線驅動為仿真環(huán)境，應用PID、模糊控制等控制算法建立相應控制器對驅動輪制動系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，分別得出加入制動控制調(diào)節(jié)方式之后的車輪實際速度、目標速度和滑轉率，與未加入控制器時的仿真曲線作出比較，分析加入控制器之后對汽車的驅動效果所產(chǎn)生的影響。并通過對比兩種不同的控制算法的仿真曲線，總結出兩個控制算法的優(yōu)劣。第二章 驅動防滑控制系統(tǒng)的數(shù)學模型2.1引言汽車系統(tǒng)是一個復雜的機械系統(tǒng)，很難準確建立汽車驅動過程的數(shù)學模型，但可以通過對汽車驅動過程的進行機理辨識，受力分析，建立合理的近似數(shù)學模型，辨識系統(tǒng)的特性。通過計算機仿真系統(tǒng)模擬汽車的特性，

30、進行仿真研究。 本文所包含的模型有動力傳動系模型、制動器模型，其中動力傳動系模型又包括發(fā)動機模型、傳動系模型、輪胎模型8。2.2 ASR系統(tǒng)數(shù)學模型的建立2.2.1動力傳動系模型汽車動力傳動系包括發(fā)動機、離合器、變速箱、分動器、傳動軸、主減速器、半軸和輪胎等，為了盡可能簡化系統(tǒng)的數(shù)學模型，而有能反映出系統(tǒng)的運動特性，對動力傳動系做如下假設：（1）各部件均以集中質量形式存在；（2）不考慮各相關件的彈性阻尼；（3）忽略扭振、擺振等振動的影響；（4）離合器、變速箱、傳動軸和半軸只起傳遞扭矩的作用；發(fā)動機為柴油發(fā)動機，差速器為對稱式錐齒輪差速器。下邊分別建立發(fā)動機模型、傳動系模型和輪胎模型9。1 發(fā)動

31、機數(shù)學模型發(fā)動機模型是由發(fā)動機MAP曲線確定的，與驅動系統(tǒng)有關的MAP曲線是發(fā)動機的輸出扭矩，通常是由點火提前角，發(fā)動機轉速與進氣壓力計算出來的。為了簡化，采用進氣節(jié)流閥開度和發(fā)動機轉速作為決定發(fā)動機輸出扭矩的參數(shù)。這樣便于實際測試數(shù)據(jù)，用函數(shù)表達為式中:Me發(fā)動機輸出力矩；n發(fā)動機轉速；a發(fā)動機節(jié)氣門開度。由于這一函數(shù)關系很難建立準確的物理模型，而且不同發(fā)動機的輸出數(shù)據(jù)關系相差較大。一般是采用試驗的方法測量Me，n，a數(shù)據(jù)。根據(jù)節(jié)氣門開度a的變化，可以采用數(shù)據(jù)擬合方式將這些數(shù)據(jù)擬合成一組組一維多項式表達，例如:式中:Mi某一節(jié)氣門開度的輸出力矩;a0，a1，a2，a3方程擬合系數(shù)。發(fā)動機的瞬

32、態(tài)輸出力矩，可以采用插值的方式來決定，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)求出Mi擬合方程，再由插值確定節(jié)氣門開度所利用的方程，這樣就確定出最終的輸出力矩。2傳動系數(shù)學模型半軸作用于驅動輪的轉矩是發(fā)動機轉矩經(jīng)傳動系傳遞作用于驅動車輪上的轉矩。汽車加速時，發(fā)動機的旋轉質量(主要指飛輪)也相應有一角加速度，與驅動輪角加速度之間的關系可由下式來決定：式中:變速器傳動比；主減速器傳動比。顯然：式中：飛輪的轉動慣量；發(fā)動機轉矩。所以：所以作用在驅動輪上的實際驅動力為：3輪胎數(shù)學模型輪胎與地面之間的相互作用力與滑轉狀態(tài)、側偏角、垂直載荷、輪胎剛度以與地面種類有關，輪胎模型則以數(shù)學函數(shù)描述了地面對輪胎的作用力。硬地面上一般采用理論

33、模型或經(jīng)驗公式計算輪胎附著力10。本文研究的是對開路面情況下的仿真分析，而硬地面轉向驅動汽車軌跡則由地面與輪胎縱向和側向附著力決定，選擇GIM輪胎模型。輪胎與地面的靜摩擦特性特征值： 驅動輪 非驅動輪式中：為車輪縱向滑轉率取100時，車輪與地面間沿車輪動坐標系軸方向的縱向附著系數(shù)；為車輪與路面的靜摩擦系數(shù)。車輪沿車輪坐標系軸方向的縱向滑轉率： 驅動輪 非驅動輪 車輪沿車輪坐標系軸方向的側向滑轉率： 驅動輪 非驅動輪輪胎與地面的聯(lián)合附著系數(shù)： 驅動輪 非驅動輪輪胎與地面間沿軸、軸方向的縱向和側向附著系數(shù)分別為：令輪胎與地面接觸區(qū)的滾動和轉動的臨界點為： 驅動輪 非驅動輪GIM理論輪胎模型中間變量

34、：則輪胎與地面間沿軸縱向附著力：上面兩式為驅動輪，下式為非驅動輪：輪胎與地面間沿軸側向附著力：2.2.2制動器數(shù)學模型制動器模型用于計算汽車各個車輪在一定條件下所輸出的制動力矩。制動器制動力矩可由如下公式算出：式中：分泵氣壓管路壓力(Mpa)；：推出制動蹄使之于制動鼓接觸的壓力損失(推出壓耗)(Mpa)；：分泵效率；R：制動鼓半徑(m)；i：左驅動輪和右驅動輪。由于鼓式制動器的推出壓耗一般為管路壓力的幾十分之一，可以忽略不計，則上式可以寫成：其中為一常數(shù)，對于常規(guī)制動，氣壓管路壓力為：上式中：踏板力（）；：踏板機構傳動比；：踏板桿系至總泵的效率；：總泵工作面積()11。2.3 本章小結本章建立

35、了驅動防滑系統(tǒng)中的所用數(shù)學模型為后面建立驅動防滑系統(tǒng)的Simulink仿真模型打下基礎。第三章 ASR系統(tǒng)的控制算法研究3.1引言由第一章1.1.3節(jié)所示，ASR系統(tǒng)的核心控制思想就是控制打滑車輪的滑轉率S，以便充分發(fā)揮驅動輪的牽引力，同時又能保證車輛一定的側向穩(wěn)定，若以驅動輪的實際滑轉率作為被控目標變量，那么控制汽車驅動輪過度滑轉實質上就是調(diào)節(jié)驅動輪實際滑轉率與目標滑轉率0.1之間的差值，并使之趨近于0。本章針對汽車驅動防滑（ASR）系統(tǒng)采用PID與Fuzzy PID控制方法進行控制算法研究。3.2 PID控制算法PID控制器（按閉環(huán)系統(tǒng)誤差的比例、積分和微分進行控制的調(diào)節(jié)器）自20世紀30

36、年代末期出現(xiàn)以來，在工業(yè)控制領域得到了很大的發(fā)展和廣泛的應用。它具有結構簡單、參數(shù)易于調(diào)整，在長期應用中已積累了豐富的經(jīng)驗。在應用計算機實現(xiàn)控制的系統(tǒng)中，PID控制很容易通過計算機語言編寫程序實現(xiàn)，由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID控制算法可以得到修正和完善，從而使數(shù)字PID控制具有很大的實用性。PID控制主要是基于系統(tǒng)的誤差,它的控制性能依賴于PID控器的三個參數(shù)以與對系統(tǒng)模型的數(shù)學模型的精確性。PID控制器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將系統(tǒng)的給定值r與實際輸出值y構成的控制偏差e =r -y的比例、積分、微分，通過線形組合構成控制量（如圖31所示），所以簡稱P（比例）I（積分）D（微分）控制器

37、。圖3-1 PID控制算法原理框圖連續(xù)控制系統(tǒng)中的模擬PID控制規(guī)律為：式中，為控制器的輸出，為系統(tǒng)給定量與輸出量的偏差，為比例系數(shù),為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，比例調(diào)節(jié)器、積分調(diào)節(jié)器和微分調(diào)節(jié)器的作用如下：1比例調(diào)節(jié)器：比例調(diào)節(jié)器對偏差是即時反應的，偏差一旦出現(xiàn)，比例調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使輸出量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)。比例調(diào)節(jié)器雖然簡單快速，但對于系統(tǒng)響應為有限值的控制對象存在靜差。加大比例系數(shù)可以減小靜差，但過大，會使系統(tǒng)得動態(tài)特性變壞，引起輸出量振蕩，甚至導致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。2比例積分調(diào)節(jié)器：

38、為了消除在比例調(diào)節(jié)中的殘余靜差，可在比例調(diào)節(jié)的基礎上加入積分調(diào)解。積分調(diào)節(jié)具有累加成分，只要偏差e不為零，它將通過累積作用影響控制量u，從而減小偏差，直到偏差為零。積分時間常數(shù)大，則積分作用弱，反之強。增大將減慢消除靜差的過程，但可以減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。引入積分調(diào)節(jié)的代價是降低系統(tǒng)的快速性。3比例積分微分調(diào)節(jié)器：為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨勢進行調(diào)節(jié)，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調(diào)節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定12。3.3模糊PID控制算法3.3.1模糊控制系統(tǒng)概述1模糊控制基本思想：模糊控制是模糊集合理論中的一個重要

39、方面，是以模糊集合化、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制，從線性控制到非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的疇。模糊控制是建立在人類思維模糊性基礎上的一種控制方式，模糊邏輯控制技術模仿人的思考方式接受不精確不完全信息來進行邏輯推理，用直覺經(jīng)驗和啟發(fā)式思維進行工作，是能涵蓋基于模型系統(tǒng)的技術。它不需用精確的公式來表示傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程，而是利用具有模糊性的語言控制規(guī)則來描述控制過程?？刂埔?guī)則通常是根據(jù)專家的經(jīng)驗得出的，所以模糊控制的基本思想就是利用計算機實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗。2模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理框圖如圖3-2所示

40、.圖3-2 模糊控制基本原理框圖模糊控制器是控制部分的核心，如圖3-2線框中所示，其控制規(guī)律由計算機的程序實現(xiàn)。控制算法的過程為計算機經(jīng)過采樣獲得控制量的參數(shù)精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差E，把誤差信號E進行模糊化處理變成模糊量。誤差E的模糊語言集合的一個子集為（模糊矢量），再由和模糊控制規(guī)則（模糊算子）根據(jù)模糊決策，得到模糊控制量。為了被控對象的精確控制，需要將模糊量轉換為精確量，經(jīng)輸出接口轉換為模擬量送給執(zhí)行機構，實現(xiàn)了被控對象的模糊控制。模糊控制算法的處理過程為：根據(jù)本次采樣得到系統(tǒng)的輸入量；將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?；根?jù)輸入模糊量和模糊控制規(guī)則，進行模糊判斷計算輸出模糊量；

41、將得到的模糊量經(jīng)過計算得到執(zhí)行機構的控制量。模糊控制器的設計容主要包括：確定控制器的輸入變量和輸出變量；設計模糊控制器的控制規(guī)則；確定模糊化和非模糊化的計算方法；選擇模糊控制器的輸入/輸出變量的值域并確定控制器的參數(shù);編制模糊控制算法的應用程序并進行調(diào)試等。3.3.2 Fuzzy PID控制器的結構組成PID控制雖然算法簡單，可靠性高，但缺乏自適應性，由于汽車行駛始終處于變化的路面條件下，恒定的PID控制參數(shù)難以滿足全工況下系統(tǒng)性能要求，從而影響了其控制效果的進一步提高。而模糊控制可以充分利用人的經(jīng)驗知識，對PID控制參數(shù)實時的進行整定，結合二者優(yōu)點?？刂平Y構圖如下：圖3-3 模糊PID控制框

42、圖這里采用二維模糊控制器，設滑轉率誤差為e=S0-S其中S0為目標滑轉率，S為實際滑轉率；滑轉率誤差變化率為ec，則模糊控制器的輸入語言變量是滑轉率誤差E和其誤差的變化率Ec，模糊控制器輸出的參數(shù)不是直接作為PID控制器的KP、KI和KD，而是作為修正量對原有PID控制器的模型進行在線調(diào)節(jié)，以適應多變的路面狀態(tài)。定義KP、KI和KD參數(shù)調(diào)整算式如下：式中、是PID控制器的參數(shù)，、是、的初始參數(shù)，它們通過常規(guī)方法得到。在線運行過程中，通過微機測控系統(tǒng)不斷的檢測系統(tǒng)的輸出響應值，并實時的計算出偏差和偏差變化率，然后將它們模糊化得到E和EC，通過查詢Fuzzy調(diào)整矩陣即可得到、三個參數(shù)的調(diào)整量、，完

43、成對控制器參數(shù)的調(diào)整13。3.3.3參數(shù)自整定思想模糊自整定PID控制首先選擇三個參數(shù)的初始值、，接下來找出比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)與e和ec之間的模糊關系，在運行過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理來對三個參數(shù)的增量進行在線修改，以滿足在不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。一般來說，PID控制器的結構和算法已經(jīng)確定，控制品質的好壞主要取決于控制參數(shù)選擇是否合理。通常，不同的偏差e和偏差變化率ec，對PID控制參數(shù)、的整定要求不同：（1）當e較大時，為了加快系統(tǒng)的響應速度，取較大的，但為了避免由于開始時的偏差e的瞬時變大可能出現(xiàn)的微分飽和而使控制作用超出

44、許可的圍，應取較小的；同時為了防止系統(tǒng)響應出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，要求取小值，一般取0。（2）當e和ec為中等大小時，為使系統(tǒng)響應具有較小的超調(diào)，應取較小值，取值要適中，在這種情況下的取值對系統(tǒng)的影響較大，取值要大小適中以保證系統(tǒng)的響應速度。（3）當e較小時，為使系統(tǒng)保持良好的穩(wěn)態(tài)性能，應增大、的值，同時為避免系統(tǒng)在設定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，當ec較小時，可取值大些；當ec較大時，應取值小些14。3.3.4模糊控制規(guī)則的設計模糊控制規(guī)則實質上是人們對于一個受控對象實施控制過程的經(jīng)驗總結。其輸入量e、ec是人們所觀察到的受控對象對于某種物理量的偏差、偏差變化率的大小的模糊

45、量。輸出量是人們根據(jù)輸入量的大小，以往經(jīng)驗的總結所給予受控對象的干預量大小。1 模糊集合、量化與比例因子、論域的確定：（1）根據(jù)輸入變量e、ec和、的取值圍和系統(tǒng)的要求，把ec、模糊化為7個等級，它們的模糊集均為：NB ,NM ,NS ,ZO ,PS ,PM ,PB為了提高穩(wěn)態(tài)精度，滑轉率偏差e模糊化為8個等級，其模糊集為：NB ,NM ,NS ,NO ,PO ,PS ,PM ,PB（2）輸入輸出變量的變化圍和變量論域不是同一概念，而量化與比例因子分別是是它們之間轉換的橋梁，將實際變化圍的輸入輸出值轉換成為論域圍的有關等級值，這一過程叫做模糊化與反模糊化過程。量化與比例因子的選取對于控制系統(tǒng)非

46、常重要，它將直接影響控制系統(tǒng)的性能，根據(jù)輸入輸出變量的變化圍和控制系統(tǒng)的性能適當選取量化與比例因子。（3）取e、ec的論域為，控制量、的論域為，并通過量化與比例因子的轉換將e、ec、的變化圍轉到各自的模糊論域上。2確定模糊變量的賦值表與其隸屬度與函數(shù)模糊變量誤差E、誤差變化EC與控制量、的模糊集和論域確定后，須對模糊語言變量確定隸屬度函數(shù)，即所謂對模糊變量賦值，就是確定論域元素對模糊語言變量的隸屬度。模糊變量E、與EC與、的賦值分別如表3-1、3-2與3-3所示，它們是根據(jù)不同對象的實際情況具體確定的。表3-1 模糊變量誤差E的賦值表ue-6-5-4-3-2-1-0+0+1+2+3+4+5+6

47、EPB00000000000.10.40.71.0PM000000000.10.40.71.00.70.4PS000000000.51.00.5000PO00000001.00.60.20000NO00000.20.61.00000000NS0000.51.00.500000000NM0.40.71.00.70.40.100000000NB1.00.70.40.10000000000表3-2模糊變量誤差變化EC的賦值表uec-6-5-4-3-2-1+0+1+2+3+4+5+6ECPB0000000000.10.40.71.0PM00000000.10.40.71.00.70.4PS000000

48、00.51.00.70.40.10ZO000000.51.00.500000NS00.10.40.71.00.50000000NM0.40.71.00.70.40.10000000NB1.00.70.40.1000000000表3-3模糊變量、的賦值表u k-7-6-5-4-3-2-1+0+1+2+3+4+5+6+7KPB0000000000000.20.61.0PM0000000000.20.61.00.60.20PS00000000.41.00.60.20000ZO0000000.51.00.4000000NS00000.20.61.00.40000000NM00.20.61.00.60.

49、2000000000NB1.00.60.2000000000000根據(jù)模糊變量誤差E、誤差變化EC與控制量、的賦值表，得到其相應的隸屬度函數(shù)，如圖3-4、3.5、3.6。圖3-4 模糊變量誤差E的隸屬度函數(shù)圖3-5 誤差變化EC的隸屬度函數(shù)圖3-6 控制量、的隸屬的度函數(shù)圖中，輸入量E的隸屬度函數(shù)采用靈敏度較高的三角形函數(shù)，變量等級是8級；輸入量EC和輸出量、的隸屬度函數(shù)也選用靈敏度較高的三角形函數(shù)，變量等級是7級。3模糊控制規(guī)則語言控制規(guī)則形式為“if A and B then C”型，再根據(jù)參數(shù)自整定思想制成模糊控制表，如下表所示：表3-4 的模糊控制規(guī)則ENBNMNSNOPOPSPMPB

50、ECNBPMPMPSPSNSNSNSNSNMPMPMPSPSNSZOZONSNSPSPSPSPSNSZOZONSZOZOZOZOZOZOZOZOZOPSNSNSNSNSPSPMPMPMPMNSZOZONSPSPMPSPSPBZOZOZONSPSPMPSPS表3-5 的模糊控制規(guī)則ENBNMNSNOPOPSPMPBECNBNBNBNBNMNMNMZOZONMNBNBNMNMNMNSZOZONSNMNMNSNSNSZOPSPSZONMNSNSZOZOPSPSPMPSNSNSZOPSPSPSPMPMPMZOZOPSPMPMPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPBPB表3-6 的模糊控制規(guī)則ENB

51、NMNSNOPOPSPMPBECNBPSPSZOZOZOZOPBPBNMNSNSNSPSNSZONSPMNSNBNMNMPSNSZOPSPMZONBNMNMPSNSZOPSPMPSNMNMNSPSNSZOPSPSPMNMNSNSPSNSZOPSPSPBPSZOZOZOZOZOPBPB4建立模糊控制表上述描寫模糊控制的模糊控制規(guī)則表中間的語句是或的關系，由表左上角四條語句所確定的規(guī)則為：if E=NB or NM and EC=NB or NM then=PM由此語句所確定的模糊關系可以表示為：如果令此刻采樣所得到的實際誤差量為e且誤差的變化為eC，可以計算出控制量為：其中，符號“o，+，.”分

52、別表示模糊集合的“合成，并，直積，交”運算。同理，可由其余各條語句分別求出控制量，.。則控制量為模糊集合，表示為：kp=kp1+kp2+kp56采用類似的方法可確定kI和kD15、16。5反模糊化模糊控制器的輸出是一個模糊集合，它反映控制語言的不同取值的一種組合，而被控過程只能接收一個控制量，這就需要從輸出的模糊種類判決出一個精確度控制量，也就是設計一個由模糊集合到普通集合的映射，這個映射稱為判決，即去模糊化。本文采用重心法，“Centroid”進行反模糊化17。3.5小結本章著重從理論上以PID控制和模糊PID控制兩種控制理論為基礎，建立了基于滑轉率的對打滑車輪進行制動力矩調(diào)節(jié)的ASR系統(tǒng)的控制算法。第四章 ASR系統(tǒng)的控制算法建模仿真4.1引言本章根據(jù)第二章容建立了驅動防滑系統(tǒng)的Simulink仿真模型，并且為了對上一章所設計的ASR控制算法進行驗證和比較，本章用Matlab/Simulink，利用PID和Fuzzy PID控制算法對在0.1/0.5，0.3/0.5對開路面條件下的汽車直線驅動加速狀況進行仿真，給出了仿真結果，進行了詳細的算法比較與分析，并且對算法的適應性進行了系統(tǒng)的研究。4.2 建立ASR系統(tǒng)Simulink模型4.2.1 發(fā)動