基于模糊控制技術(shù)的全輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛防滑控制研究

鐘敬武，陽(yáng)貴兵，廖自力，劉春光

(1.解放軍76327部隊(duì),廣東 廣州 423026；2.裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京 100072)

基于模糊控制技術(shù)的全輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛防滑控制研究

鐘敬武1，陽(yáng)貴兵2，廖自力2，劉春光2

(1.解放軍76327部隊(duì),廣東 廣州 423026；2.裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京 100072)

針對(duì)多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛車輪容易出現(xiàn)打滑的問(wèn)題，提出了一種基于模糊控制技術(shù)的驅(qū)動(dòng)防滑控制方法。以某型8輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)防滑模糊控制器，對(duì)8個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立控制，通過(guò)試驗(yàn)獲取三種典型路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值，采用模糊估計(jì)法，對(duì)當(dāng)前路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值進(jìn)行估計(jì)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩采用進(jìn)行基于滑轉(zhuǎn)率差值及其變化率的模糊調(diào)節(jié)。利用ADAMS所建立的車輛動(dòng)力學(xué)模型與MATLAB中的控制模型進(jìn)行聯(lián)合仿真試驗(yàn)，對(duì)本文所提出的控制方法的可行性和有效性進(jìn)行分析驗(yàn)證。

全獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)防滑；模糊控制；聯(lián)合仿真

全輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛在行駛過(guò)程中，受路面條件的影響，驅(qū)動(dòng)輪容易出現(xiàn)打滑的情況，從而影響車輛的通過(guò)性，嚴(yán)重時(shí)甚至影響車輛的行駛安全性[1-2]。

路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率估計(jì)的精度，直接影響到驅(qū)動(dòng)防滑控制的效果。一種普遍的方法是利用車輪滑轉(zhuǎn)率-路面附著系數(shù)曲線，結(jié)合Pacejka[3]和Burckhardt[4]函數(shù)，對(duì)當(dāng)前路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行估計(jì)[5]。但是這種方法需要的參數(shù)較多，且較難獲取，實(shí)際運(yùn)用上受到一定限制。鑒于此，筆者采用

模糊控制算法，通過(guò)試驗(yàn)獲得三種典型路面下的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值，利用與典型路面的相似度，獲得其他路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值。最后，基于此最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行模糊調(diào)節(jié)，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)防滑控制的效果。

1 驅(qū)動(dòng)防滑模糊控制整車結(jié)構(gòu)

全輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)防滑控制，歸根結(jié)底是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，由于研究對(duì)象所采用的車輛為8輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，因此，對(duì)每個(gè)車輪都必須施加防滑控制。整車防滑控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

輸入端為駕駛員給定的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，采用0～1的擬合值；預(yù)分配模塊對(duì)駕駛員給定值進(jìn)行預(yù)分配(選擇平均分配)；驅(qū)動(dòng)防滑模糊控制器根據(jù)當(dāng)前路面附著系數(shù)μ，以及車輛反饋的車速v以及各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速wi等信息，通過(guò)一定的模糊規(guī)則和算法，輸出電機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)信號(hào)，對(duì)預(yù)分配的各電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后作用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其控制模塊中主要包含最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率模糊估計(jì)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩模糊調(diào)節(jié)兩部分。

2 驅(qū)動(dòng)防滑模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)防滑模糊控制原理

驅(qū)動(dòng)防滑模糊控制原理如圖2所示。

其中，μ為當(dāng)前路面附著系數(shù)；λd為模糊控制器輸出的當(dāng)前路面對(duì)應(yīng)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值；λ為車輪實(shí)際滑轉(zhuǎn)率；Δλ為滑轉(zhuǎn)率差值；ΔT為模糊控制器輸出的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量。

其中，路面附著系數(shù)為

μ=Fx/Fz

(1)

式中:Fx為驅(qū)動(dòng)軸縱向驅(qū)動(dòng)力;Fz為軸向載荷。

車輪滑轉(zhuǎn)率為

(2)

式中:v和ωi分別為車輛的縱向速度和第i個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速;r為輪胎半徑。

2.2 最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率模糊估計(jì)

驅(qū)動(dòng)防滑控制的有效性及控制精度，很大程度上決定于當(dāng)前路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率的估計(jì)準(zhǔn)確度。不同行駛路面對(duì)應(yīng)不同的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值，圖3給出了3種路面下的滑轉(zhuǎn)率-路面附著系數(shù)的關(guān)系曲線，其中，對(duì)應(yīng)路面附著系數(shù)最大處的滑轉(zhuǎn)率為此路面下的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，在最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率之后，路面附著系數(shù)隨著滑轉(zhuǎn)率的增加而下降。車輛的最大牽引力決定于路面的最大附著力，而路面最大附著力與路面附著系數(shù)成正比，因此，為了提高車輛的動(dòng)力性能，增大整車牽引力，當(dāng)車輪滑轉(zhuǎn)率超過(guò)最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率時(shí)，必須減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，使車輪滑轉(zhuǎn)率保持在最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率附近[6]。

實(shí)際行車路面復(fù)雜多變，假如對(duì)每一種路面都通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)得其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，則工作量非常大，而且也不現(xiàn)實(shí)，因此，可以通過(guò)試驗(yàn)先測(cè)得幾種典型路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，再采用模糊的方法，其他路面根據(jù)與這幾種典型路面的相似度情況，計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值。通過(guò)試驗(yàn)獲得3種典型路面(干水泥路面、濕瀝青路面、冰雪路面)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，分別作為高、中、低附著路面所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，其值分別為0.2、0.15和0.08。

采用模糊控制器方法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率的估計(jì)，輸入為當(dāng)前路面附著系數(shù)，輸出為最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值，為單輸入-單輸出控制器。以上3種路面的隸屬度函數(shù)如圖4所示。

用路面附著系數(shù)的模糊子集來(lái)表述所有路面情況，比如附著系數(shù)是0.6的路面，此路面屬于高附著路面有30%，屬于中附著路面有70%。模糊控制器的輸出為當(dāng)前路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值，采用加權(quán)平均法，其值為

(3)

式中：λd為當(dāng)前路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值；αi為第i種路面的隸屬度；λi為第i種路面對(duì)應(yīng)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值。

2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出模糊控制

驅(qū)動(dòng)防滑模糊控制的核心工作是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的控制，模糊調(diào)節(jié)量是否適中，直接決定了防滑控制器的控制精度?？刂破饕罁?jù)當(dāng)前路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率與車輪實(shí)際滑轉(zhuǎn)率的差值及其變化率，根據(jù)一定的模糊規(guī)則，輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量的大小。相比于傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)法，模糊控制法的輸出更加靈活，對(duì)路面參數(shù)變化具有更好的魯棒性，并且，它能實(shí)現(xiàn)諸如“如果差值較小且變化率較小，則輸出調(diào)節(jié)量小”這樣無(wú)法用精確參數(shù)表達(dá)的控制規(guī)則。采用雙輸入-單輸出的T-S型模糊控制器[7]，差值E及其變化率EC都采用低、中、高三個(gè)語(yǔ)言變量，其隸屬度函數(shù)分別如圖5和圖6所示。圖7為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量和輸入量的關(guān)系曲面圖。

3 聯(lián)合仿真模型的搭建

傳統(tǒng)的電傳動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)防滑控制，其車輛模型往往采用純數(shù)學(xué)建模的方法，或者電機(jī)的負(fù)載采用恒定的值，此方法帶來(lái)的不足是仿真太過(guò)理想化，忽略了車輛運(yùn)行時(shí)各種隨機(jī)因素對(duì)控制器的影響。而采用聯(lián)合仿真模型的方法則兼顧了模型的機(jī)電特性，解決傳統(tǒng)單一軟件建模所帶來(lái)的不足。車輛聯(lián)合仿真模型包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型以及控制系統(tǒng)模型。

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型

研究對(duì)象采用8個(gè)永磁同步電機(jī)，電機(jī)模型采用電機(jī)的外轉(zhuǎn)矩特性模型，即基速以下采用恒轉(zhuǎn)矩，基速以上采用恒功率[8]。電機(jī)外轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖8所示。

其中，電機(jī)額定功率為90 kW；最大轉(zhuǎn)矩為1 100 N·m；電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為356.26 N·m；額定轉(zhuǎn)速為2 400 r/min；電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。

3.2 車輛動(dòng)力學(xué)模型

研究對(duì)象為8輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪式車輛，采用機(jī)械建模軟件ADAMS車輛動(dòng)力學(xué)模型。整車模型包括懸架、雙橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎以及車身模塊等部分，如圖9所示。

3.3 整車驅(qū)動(dòng)防滑控制聯(lián)合仿真模型

整車驅(qū)動(dòng)防滑控制聯(lián)合仿真模型是將8個(gè)驅(qū)動(dòng)防滑模糊控制模型、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型、駕駛員輸入以及車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行聯(lián)合建模。駕駛員輸入模型、防滑控制模型以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型在MATLAB中搭建，車輛動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)ADAMS與MATLAB的接口技術(shù)導(dǎo)入到MATLAB/Simulink中[9]，定義其相應(yīng)的輸入輸出變量，將車輪轉(zhuǎn)矩定義為輸入變量(從MATLAB中輸入轉(zhuǎn)矩值)，將車速v以及8個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速ωi定義為輸出變量(傳遞給防滑控制模塊)。聯(lián)合仿真模型如圖10所示。

駕駛員給定用擬合的σ∈[0,1]表示油門開度，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的初始給定值T=σ×Tmax，其中，Tmax不是固定的值，而是當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)的最大扭矩。

4 聯(lián)合仿真試驗(yàn)

在ADAMS軟件中建立隨機(jī)低附著路面模型，駕駛員給定設(shè)為0.8，仿真過(guò)程中取車輛左側(cè)4個(gè)車輪作為觀察對(duì)象，即ω1、ω3、ω5和ω7。仿真時(shí)，以未加防滑控制和施加防滑控制的模型進(jìn)行對(duì)比。由圖11(a)和圖11(b)對(duì)比可知，采用基于模糊算法的防滑控制之后，車輪轉(zhuǎn)速很好的跟蹤車速，車輛防滑效果明顯；圖12(a)與圖12(b)對(duì)比可知，模糊控制器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出有明顯的調(diào)節(jié)作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)全輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)防滑問(wèn)題，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)防滑模糊控制器，對(duì)路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行模糊估計(jì)和調(diào)節(jié)，通過(guò)聯(lián)合仿真試驗(yàn)對(duì)防滑控制器的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，從而為全輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)防滑控制提供了一個(gè)較為可行的方法。

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AntiskidControlResearchofAll-wheelIndependentDriveVehiclesBasedonFuzzyControlTechnology

ZHONG Jingwu1, YANG Guibing2, LIAO Zili2, LIU Chunguang2

(1.76327 Troops of PLA, Guangzhou 423026, Guangdong, China;2.Department of Control Engineering, Armored Force Engineering Academy, Beijing 100072,China )

Aimed at the problem of the easily appearing slipped wheel in all-wheel independent drive vehicles, a kind of the driving antiskid control method was established based on the fuzzy control technology. Taking 8-wheel independent driven vehicle as the study target, the driving antiskid fuzzy controller was designed to independently control the 8 driving motors, the optimal slip ratio about 3 kinds of typical roads were obtained by means of experiments, and the road optimal slip ratio were estimated by use of fuzzy estimation method, and the fuzzy control and adjustment of the motor output torque based on slip ratio difference and changing rate were performed. At last, by use of the joint simulation experiments based on the vehicle dynamics model set by ADAMS and the control model in MATLAB, the control method was analyzed and proved to be a feasible and effective method.

all-wheel independent drive; driving antiskid; fuzzy control; co-simulation

2014-05-05；

2014-06-20

鐘敬武(1974-),男，碩士，工程師，主要從事車輛電傳動(dòng)技術(shù)研究。E-mail：609794121@qq.com

TJ81

A

1673-6524(2014)03-0036-05