自動(dòng)巡航汽車魯棒控制的研究

李世一，解淑英

（煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院，265500）

魯棒控制作為一種先進(jìn)的控制系統(tǒng)起源于20世紀(jì)50年代，研究人員發(fā)現(xiàn)其有很大的潛力和穩(wěn)定性，試圖將魯棒控制應(yīng)用到空間技術(shù)、汽車制造以及社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。但是受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)條件，及工業(yè)環(huán)境、外部干擾、誤差等緣故的影響，很難建立精準(zhǔn)的模型，這在一定程度上影響了魯棒控制的研究進(jìn)程。近幾年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)日新月異，這種潛力巨大的控制技術(shù)才再次走入人們的視野，并有了了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到汽車制造等各個(gè)領(lǐng)域，這些進(jìn)步的產(chǎn)生關(guān)鍵在于其控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和平衡性的逐步提高，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平衡性是影響控制系統(tǒng)效果的主要因素。

1 自動(dòng)巡航汽車魯棒控制技術(shù)概述

1.1 汽車自動(dòng)巡航系統(tǒng)概述

近幾年來(lái),計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)逐漸被應(yīng)用到汽車自動(dòng)巡航系統(tǒng)中來(lái),極大地提高了汽車自動(dòng)巡航系統(tǒng)的先進(jìn)性以及汽車本身的舒適和安全程度。汽車自動(dòng)巡航系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱CCS，是一種可以使汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)在有利的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，使司機(jī)在車輛達(dá)到要求速度之后閉合開(kāi)關(guān)，不用踩油門(mén)也能保持車速，使車輛保持固定速度行駛狀態(tài)的系統(tǒng)。它一方面可以在一定程度上減輕駕駛員的勞動(dòng)量，防止因疲勞駕駛產(chǎn)生的意外事故，節(jié)省燃料,具有一定的經(jīng)濟(jì)性；另一方面開(kāi)關(guān)閉合之后發(fā)動(dòng)機(jī)保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，可以減少尾氣的排放，保護(hù)環(huán)境，同時(shí)可以避免不必要的油門(mén)變動(dòng),在一定程度上提高了汽車的乘坐舒適性，特別是汽車在城間高等級(jí)公路或高速公路上行駛時(shí),這種優(yōu)越性就更為顯著。

汽車自動(dòng)巡航系統(tǒng)之所以能發(fā)揮其巨大的作用，主要在于其有一個(gè)強(qiáng)大的控制器，就像大腦控制人體的所有行動(dòng)一樣，控制器控制著整個(gè)系統(tǒng)的合理運(yùn)轉(zhuǎn)和良好狀態(tài)。

1.2 魯棒控制

魯棒性分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性兩種，是控制系統(tǒng)在一定的地域和時(shí)間域范圍，以及一定參數(shù)的攝動(dòng)下保持其工作穩(wěn)定效果的特性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標(biāo)設(shè)計(jì)得到的固定控制器稱為魯棒控制器?，F(xiàn)在我們所講的魯棒控制是指通過(guò)一定的控制算法的研究和實(shí)驗(yàn)，保證控制系統(tǒng)在合理的范圍內(nèi)滿足所有要求，由此所設(shè)計(jì)出來(lái)的控制器在保證參數(shù)不變的同時(shí)，也要保證系統(tǒng)的控制性能。

魯棒控制方法是指控制器在一定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，參考最差的情況，設(shè)計(jì)出質(zhì)量最優(yōu)的模型，INA方法、魯棒PID控制以及魯棒極點(diǎn)配置等都是其常用的設(shè)計(jì)方法。這種控制方法一般適用于對(duì)穩(wěn)定性要求較高的領(lǐng)域，如飛機(jī)和空間飛行器等的控制。在過(guò)程控制應(yīng)用中，也有一些控制系統(tǒng)適用于魯棒控制的設(shè)計(jì)方法，尤其是那些變化范圍較大，穩(wěn)定裕度小的被控對(duì)象。

2 自動(dòng)巡航汽車的魯棒控制研究創(chuàng)新

2.1 基于進(jìn)化算法的魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自從1991年以來(lái)，就已經(jīng)有科學(xué)家利用當(dāng)時(shí)先進(jìn)的進(jìn)化算法對(duì)魯棒控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，隨之而后，一大批的科學(xué)家也把研究方向轉(zhuǎn)到進(jìn)化算法在魯棒控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。它具有自組織、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)的特性。因?yàn)樵谶@種算法中，算法可以自身利用進(jìn)化過(guò)程獲得的信息進(jìn)行檢索，大大提高了工作效率，它應(yīng)用適者生存的原則操作一群?jiǎn)栴}的潛在解逐次產(chǎn)生最優(yōu)解的更優(yōu)近似。

進(jìn)化算法用于控制系統(tǒng)的魯棒性分析與設(shè)計(jì)一般可以概括為兩類,即直接設(shè)計(jì)法和間接設(shè)計(jì)法。在直接算法中，進(jìn)化算法EA可以被用來(lái)優(yōu)化搜索引擎，為一個(gè)特定的被控對(duì)象選擇一個(gè)最優(yōu)的參數(shù)，以滿足魯棒性能的指標(biāo)要求。而間接算法是在傳統(tǒng)的魯棒設(shè)計(jì)方法如特征結(jié)構(gòu)配置、定量反饋理論等基礎(chǔ)上引入進(jìn)化算法提供的最優(yōu)化參數(shù)，是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)的進(jìn)化算法的糅合、升級(jí)。和傳統(tǒng)的魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，這種設(shè)計(jì)方法以其簡(jiǎn)便、易行，可操作性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)高效等特點(diǎn)受到了極大的歡迎，能夠減少設(shè)計(jì)者的工作量，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度。

2.2 H∞次優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)H∞輸出反饋控制設(shè)計(jì)的控制器階次要遠(yuǎn)高于被控對(duì)象的階次,因而在實(shí)際工程應(yīng)用中,高階系統(tǒng)的H∞的優(yōu)化控制器不易實(shí)現(xiàn),因而需要進(jìn)行降階設(shè)計(jì)。

H∞次優(yōu)控制器是為了縮短控制理論和實(shí)際工程應(yīng)用的差距而縮小外部干擾、保證控制系統(tǒng)確定性的設(shè)計(jì)方法。我們也可以將進(jìn)化算法和這種控制方法相結(jié)合，其過(guò)程是:首先應(yīng)用Routh-Hurwitz準(zhǔn)則得到控制器每一個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定區(qū)域以保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；其次在先前得到的控制器參數(shù)空間中確定子集,以保證在其中選取的控制器參數(shù)滿足魯棒穩(wěn)定性約束條件；最后在上述子空間中尋找控制器參數(shù)，使得系統(tǒng)的H∞跟蹤性能最好,基于H∞次優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三自由度四轉(zhuǎn)向模型后視圖如圖1所示：

圖1 基于H∞次優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三自由度四轉(zhuǎn)向模型后視圖

2.3 雙閉環(huán)自動(dòng)巡航智能控制系統(tǒng)

圖2 雙閉環(huán)自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制器是控制系統(tǒng)的核心部件，在其中應(yīng)用的控制技術(shù)將直接影響著控制系統(tǒng)的性能和控制器的整體效果。雙閉環(huán)自動(dòng)巡航系統(tǒng)是指在汽車機(jī)械式自動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上利用節(jié)氣門(mén)的位置變動(dòng)來(lái)控制，采用人工智能模糊控制系統(tǒng)控制內(nèi)環(huán)，傳統(tǒng)的模糊控制系統(tǒng)控制外環(huán)，兩者構(gòu)成的雙閉環(huán)自動(dòng)控制整個(gè)汽車的自動(dòng)巡航系統(tǒng)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示：

采用節(jié)氣門(mén)位置變動(dòng)的方法，并將人工智能技術(shù)和以往的模糊控制系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度，且由于在實(shí)際的操作過(guò)程中不需要建立模型，能夠較好的提高工作效率和工程的安全、穩(wěn)定度，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)。

在進(jìn)行魯棒控制方法和雙閉環(huán)自動(dòng)巡航智能系統(tǒng)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)之前，筆者及其相關(guān)的實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行了大量的資料搜集，同時(shí)，還走訪了一些資歷、經(jīng)驗(yàn)比較豐富的駕駛?cè)藛T，并以他們?yōu)楹笃趯?shí)驗(yàn)的對(duì)象，進(jìn)行了可靠的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)之中，所采用的主要控制器包括二維常規(guī)模糊控制器（該控制器的設(shè)計(jì)采用雙輸入，單輸出原則）和實(shí)地控制器，該控制器的主要作用是保持汽車高速運(yùn)行下的穩(wěn)定性能，進(jìn)而獲得可靠的數(shù)據(jù)和有利于順利仿真的正確參數(shù)，在這種條件之下，再將參數(shù)代入上文中設(shè)計(jì)的三自由度四輪轉(zhuǎn)向模型之中——令狀態(tài)量x={實(shí)際值}，輸入量 u ={fr}，4ws狀態(tài)方程為:①mv(β+r)=Ffcosδf+Ffcosδ r,②Izr=lfFfcosδf-lrFfcosδr，并進(jìn)行不同攝動(dòng)狀態(tài)下的魯棒控制仿真，得出以下結(jié)果：車身側(cè)傾角響應(yīng)曲線和整個(gè)系統(tǒng)的擺角均在理想范圍之內(nèi)，并且相對(duì)比較穩(wěn)定，抗外界干擾能力比較強(qiáng)，車身側(cè)傾角相應(yīng)變化量基本趨近于零。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了H∞ 魯棒控制方法與雙閉環(huán)自動(dòng)巡航智能控制相結(jié)合的控制方案，并針對(duì)三自由度四輪轉(zhuǎn)向模型進(jìn)行了控制器設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：魯棒控制方法和雙閉環(huán)自動(dòng)巡航智能系統(tǒng)的相互結(jié)合，能夠保持整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，具有較好的魯棒性。

[1] 劉志蜂，郝平.非線性系統(tǒng)的線性控制方法研究[J].安徽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ，2010，12(81).

[2] 曾立東，歐陽(yáng)馬靜. 基于微分同胚的非線性系統(tǒng)解耦線性化[J]. 純粹數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)，2009，19(82).

[3] 陳春華，李慶平. 高精度陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的控制策略及誤差補(bǔ)償方法[J]. 遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，12(12).

[4] 李青新，張小強(qiáng). 二階滑?？刂圃谑至嚎刂茖?shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，22(12).

[5] 顧文錦,于紅蕓,楊智勇.變結(jié)構(gòu)控制在陣列式磁集成電壓調(diào)整模塊中的應(yīng)用研究 [J]；北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,13（01）.