基于模糊自整定PID 的爆胎車輛軌跡控制

劉 洋，于樹友，顧雪來，陳 虹

(1.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，長春130022;2.中國北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司客戶服務(wù)中心，遼寧大連116022)

基于模糊自整定PID 的爆胎車輛軌跡控制

劉 洋1，于樹友1，顧雪來2，陳 虹1

(1.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，長春130022;2.中國北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司客戶服務(wù)中心，遼寧大連116022)

為解決高速公路爆胎車輛出現(xiàn)偏航的問題，借助veDYNA軟件進(jìn)行了的仿真研究。在確定了爆胎車輛軌跡控制的評價(jià)指標(biāo)后，采用模糊PID(Proportion Integral Differential)控制器，規(guī)劃了爆胎后車輛的方向盤轉(zhuǎn)角，代替駕駛員對爆胎車輛進(jìn)行方向控制。該方法結(jié)合模糊控制和傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點(diǎn)，針對車輛爆胎的復(fù)雜環(huán)境，自動(dòng)整定PID控制參數(shù)，適應(yīng)爆胎車輛的參數(shù)變化。仿真結(jié)果表明:基于模糊自整定PID的爆胎車輛軌跡控制可在保證車輛穩(wěn)定行駛的同時(shí)控制車輛的行駛軌跡，使其在出現(xiàn)較小偏移后回到原路徑，具有較好的適應(yīng)性。

爆胎;模糊算法;自整定PID控制器;軌跡控制

0 引 言

美國汽車工程師協(xié)會(huì)的調(diào)查表明:美國每年有26萬起交通事故是由于輪胎胎壓不足引起的［1］。在國內(nèi)高速公路上發(fā)生的交通事故總數(shù)量中約有70%是由于爆胎引起的，如果車輛行駛速度高于120 km/h時(shí)爆胎，則車內(nèi)人員的死亡率接近100%［2］。由此可見，由汽車爆胎引發(fā)的交通事故在總交通事故數(shù)量中占有很大的比重。減少由汽車爆胎引發(fā)的事故對保證人身安全、減少國家及個(gè)人的財(cái)產(chǎn)的損失具有實(shí)際意義。

輪胎爆裂后，輪胎參數(shù)變化是影響輪胎性能的重要因素之一，會(huì)直接誘發(fā)輪胎徑向和切向力學(xué)特性發(fā)生巨大變化，最后導(dǎo)致整車動(dòng)力學(xué)性能發(fā)生變化。胎面分離是爆胎的一個(gè)重要表現(xiàn)形式，文獻(xiàn)［3-5］對此進(jìn)行了研究。在實(shí)際車輛上推廣應(yīng)用的輪胎主動(dòng)安全技術(shù)，通常是通過監(jiān)測輪胎壓力，對是否爆胎進(jìn)行監(jiān)測。具有代表性的是輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)TPMS(Tire Pressure Monitoring System)。爆胎監(jiān)測的另外一種方法是通過建立觀測器估計(jì)車輛當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)［6］，利用觀測器的值與實(shí)際測量值得出的殘差信息發(fā)出爆胎報(bào)警。然而這些檢測方法只能起到預(yù)防作用，并不能從根本上解決爆胎車輛的安全問題。因此，文獻(xiàn)［7-9］對爆胎車輛的行駛狀態(tài)進(jìn)行控制干預(yù)，以抑制爆胎車輛偏航和提高車輛的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在國內(nèi)的研究多是在汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(ESP:Electronic Stability Program)上開發(fā)一種爆胎汽車穩(wěn)定性控制子系統(tǒng)。文獻(xiàn)［10］根據(jù)爆胎車輛的特性建模后，結(jié)合ESP對爆胎車輛的主動(dòng)控制策略進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［11］提出差動(dòng)制動(dòng)的方法，通過調(diào)整車輛的橫擺運(yùn)動(dòng)使爆胎車輛避免偏航并保證車輛的操縱穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［12］針對爆胎車輛的穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)了二次型調(diào)節(jié)器，對最佳橫擺力矩進(jìn)行規(guī)劃。這些文獻(xiàn)都采用理想二自由度車輛模型設(shè)計(jì)控制器，由于在實(shí)際爆胎制動(dòng)過程中，車速是變化的且車輪的縱向力不能忽略，其搭建的理想二自由度模型與實(shí)際情況差異較大，不能準(zhǔn)確描述爆胎工況［13］。

PID(Proportion Integral Differential)控制器因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。然而，工程實(shí)際中的被控對象機(jī)理復(fù)雜，常伴有純滯后、非線性和不確定性等特點(diǎn)，其過程參數(shù)會(huì)隨工況條件的變化而變化［14］。因此，隨著智能控制在理論和應(yīng)用方面的快速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)了將智能控制方法與PID融合的新方法［15，16］。

筆者針對常規(guī)PID控制不具有自適應(yīng)能力，對于時(shí)變、非線性系統(tǒng)控制效果不佳等問題，將模糊技術(shù)與PID控制相結(jié)合，建立模糊PID控制器，對爆胎車輛的軌跡進(jìn)行控制。模糊PID控制器既具備常規(guī)PID結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，又具備自適應(yīng)能力，能自動(dòng)整定控制參數(shù)，以適應(yīng)被控對象參數(shù)的變化。仿真結(jié)果表明，模糊PID控制器能很好地糾正爆胎車輛的偏移，保持車輛的穩(wěn)定。

1 控制方法和控制任務(wù)的確立

PID控制器將系統(tǒng)偏差按照比例、積分、微分的運(yùn)算關(guān)系，線性組合得出輸出量用作控制。對比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd的整定是PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。常規(guī)PID控制器只利用一組固定不變的參數(shù)進(jìn)行控制，往往無法兼顧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能之間的矛盾，并且不能適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化范圍太大時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)明顯變差。由于高速公路上的汽車行駛速度在60～120 km/h之間，不同的行駛車速、路徑曲率、路面附著系數(shù)等都會(huì)影響PID控制參數(shù)。因此，針對高速公路爆胎車輛的軌跡控制，筆者擬設(shè)計(jì)可以實(shí)時(shí)改變控制參數(shù)的智能PID控制器，以適應(yīng)不同爆胎車速和爆胎道路環(huán)境的變化(見圖1)。當(dāng)被控對象參數(shù)變化時(shí)，通過在線調(diào)整控制器參數(shù)，使系統(tǒng)獲得滿意的控制效果，此時(shí)整個(gè)控制部分可看作一個(gè)可變增益的PID控制器。

圖1 智能PID控制原理圖Fig.1 The control principle figure of intelligent PID

1.1 模糊控制原理

現(xiàn)代控制系統(tǒng)由于被控對象的復(fù)雜化，常常具有多輸入、多輸出的強(qiáng)耦合特性、參數(shù)時(shí)變和非線性特性。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，即使操作人員不能掌握被控對象的數(shù)學(xué)模型，也能根據(jù)系統(tǒng)偏差等信息，憑借經(jīng)驗(yàn)采取相應(yīng)的控制決策。于是，將人工經(jīng)驗(yàn)的自然語言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)算法語言的模糊控制獲得了廣泛研究和應(yīng)用。模糊控制器由模糊數(shù)據(jù)和規(guī)則庫、模糊器、模糊推理機(jī)和解模糊器組成［17］(見圖2)。

圖2 模糊控制系統(tǒng)框圖Fig.2 The block diagram of fuzzy control system

模糊控制過程分為模糊化、模糊邏輯推理和解模糊判斷3個(gè)步驟。通常把誤差及其變化率作為模糊控制器的輸入變量，體現(xiàn)了模糊控制本質(zhì)上是一種非線性比例微分控制。誤差e、誤差變化率ec和輸出y的實(shí)際變化范圍，稱為模糊控制的基本論域。首先，為實(shí)施模糊控制，需要對輸入變量e、ec在基本論域內(nèi)的實(shí)際值轉(zhuǎn)化為語言變量值，即模糊化;然后，輸入語言變量值經(jīng)模糊邏輯推理，得到輸出語言變量值。模糊推理的關(guān)鍵是確定模糊控制規(guī)則表，此表是根據(jù)專家或操作者的手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出若干條“if-then”模糊控制規(guī)則的集合;最后，模糊推理的結(jié)果一般情況下是一個(gè)模糊集，不能直接用于控制，還需要對輸出語言變量值進(jìn)行解模糊化計(jì)算，將其轉(zhuǎn)化為輸出變量基本論域內(nèi)的一個(gè)精確值輸出。

1.2 爆胎車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

研究表明，輪胎在零胎壓下，滾動(dòng)阻力系數(shù)增大到正常胎壓下的20多倍，徑向剛度、側(cè)偏剛度、縱滑剛度與側(cè)傾剛度分別降低為正常值的6.7%，25%，28%和66%［18］。輪胎這些力學(xué)特性的變化對爆胎車輛的操縱穩(wěn)定性和運(yùn)行狀態(tài)有很大影響。為了直觀說明爆胎時(shí)輪胎性能的改變對車輛運(yùn)行狀態(tài)的影響，給出汽車左前輪爆胎后不施加任何控制措施時(shí)的響應(yīng)。在veDYNA仿真軟件中設(shè)定的仿真工況為汽車在附著系數(shù)為0.8的直道上行駛，爆胎發(fā)生在系統(tǒng)運(yùn)行25 s時(shí)，爆胎時(shí)車輛的行駛速度為60 km/h，仿真結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 爆胎車輛的側(cè)向位移Fig.3 The lateral offset of the vehicle with blownout tire

圖4 爆胎車輛的運(yùn)行狀態(tài)Fig.4 The running states of the vehicle with blownout tire

圖5 爆胎車輛的側(cè)偏角 Fig.5 The tire slip angle of the vehicle with blownout tire

圖6 爆胎車輛的行駛速度Fig.6 The velocity of the vehicle with blownout tire

仿真結(jié)果表明，在不施加任何控制措施的情況下，爆胎車輛可依靠滾動(dòng)阻力自動(dòng)減速，但側(cè)向位移偏移量足以讓車輛駛?cè)胂噜徿嚨阑蜃矒糇o(hù)欄，并且爆胎車輛的橫擺角速度在爆胎后的1 s內(nèi)達(dá)到正向的最大值;車輛的質(zhì)心側(cè)偏角和4個(gè)車輪的側(cè)偏角的大小變化不大，爆胎輪胎沒有同輪輞分離，沒有翻車的危險(xiǎn)。爆胎車輛最大的危險(xiǎn)來自車身劇烈的偏航。在相同工況不同爆胎車速下，爆胎車輛各性能指標(biāo)變化趨勢大體相同，但更高的爆胎車速會(huì)使這些性能指標(biāo)的幅值變大。當(dāng)爆胎車速為120 km/h，爆胎車輛會(huì)發(fā)生更大的偏航(見圖3b);其余性能指標(biāo)的幅度均增加了2～3倍，質(zhì)心側(cè)偏角達(dá)到了5倍。這說明爆胎車速越高，車輛的行駛穩(wěn)定性越差，更易出現(xiàn)危險(xiǎn)。

1.3 確立控制任務(wù)

筆者采用文獻(xiàn)［19］提出的爆胎車輛安全行駛評價(jià)指標(biāo)作為筆者提出的PID參數(shù)調(diào)整依據(jù):

1)質(zhì)心側(cè)偏角大于3°時(shí)，因駕駛員很難操縱車輛，此時(shí)認(rèn)為車輛是不穩(wěn)定的;

2)爆胎輪胎的側(cè)偏角大于4°時(shí)將與輪輞分離，造成輪輞觸地，此時(shí)視為翻車;

3)橫擺角速度出現(xiàn)較大的正負(fù)近似階躍變化時(shí)，車輛出現(xiàn)甩尾;

4)爆胎車輛可以發(fā)生輕微偏航，但不能駛?cè)雱e的車道，或者撞擊護(hù)欄。

通過以上分析，指標(biāo)1)～3)可視為表征爆胎車輛穩(wěn)定行駛的性能指標(biāo)。筆者控制任務(wù)是在滿足爆胎車輛行駛穩(wěn)定的約束下盡可能使爆胎車輛跟隨道路中心線。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 爆胎車輛安全控制系統(tǒng)

筆者設(shè)計(jì)的爆胎車輛安全控制系統(tǒng)的整體框圖如圖7所示。爆胎車輛在不施加任何控制措施的情況下，由于巨大的慣性作用，質(zhì)心側(cè)偏角和車輪側(cè)偏角變化不大，爆胎車輛不會(huì)立即失穩(wěn)。然而，在現(xiàn)場爆胎環(huán)境的嚴(yán)重干擾下，如果駕駛員錯(cuò)誤地判斷當(dāng)前車輛運(yùn)動(dòng)趨勢而采取了過度制動(dòng)或轉(zhuǎn)向等錯(cuò)誤操作，將直接導(dǎo)致車輛失去穩(wěn)定性，甚至翻車。因此，為了防止駕駛員對爆胎車輛的不恰當(dāng)操作，一旦車輛監(jiān)測到爆胎的發(fā)生，筆者設(shè)計(jì)的爆胎車輛安全控制系統(tǒng)會(huì)立即被觸發(fā)工作，替代駕駛員接管對車輛的控制。具體控制過程如下:速度控制子系統(tǒng)將車輛的油門踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)置零，使爆胎車輛依靠地面滾動(dòng)阻力減速;同時(shí)，方向控制子系統(tǒng)依據(jù)爆胎車輛的實(shí)際路徑與期望路徑之間的偏差及其變化率規(guī)劃方向盤轉(zhuǎn)角輸出給車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

圖7 基于模糊PID控制的爆胎車輛安全控制系統(tǒng)框圖Fig.7 The safety control system of the vehicle with blownout tire based on Fuzzy PID control

圖7 中的方向控制子系統(tǒng)利用模糊控制機(jī)制對PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，即采用模糊自整定PID控制器。模糊自整定PID控制器由兩部分組成，分別是常規(guī)PID控制器和模糊推理的參數(shù)校正。PID控制器根據(jù)閉環(huán)誤差產(chǎn)生控制信號(hào)。模糊推理部分調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，其算法過程為首先將在采樣時(shí)刻的控制指標(biāo)對應(yīng)規(guī)則庫進(jìn)行模糊化(以誤差e和誤差變化率ec作為模糊推理的輸入)，然后與規(guī)則庫中的模糊規(guī)則進(jìn)行匹配，確定PID控制器三參數(shù)的調(diào)整方向和大小，執(zhí)行被匹配規(guī)則的結(jié)果就可得到相應(yīng)的控制參數(shù)(以PID參數(shù)Kp、Ki、Kd作為模糊推理的輸出)。在veDYNA仿真環(huán)境中的方向控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

2.2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

首先利用常規(guī)PID控制方法整定不同爆胎速度下的合適的控制參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)觀察確定出控制參數(shù)的大致范圍，即模糊集上的基本論域。由于高速公路的行車環(huán)境十分復(fù)雜，包括不停變化的路面彎曲程度、路面附著系數(shù)等，車輛在直路上爆胎和在彎道上爆胎是兩種不同的工況，為了使控制器在多工況條件下具有很好的控制效果，需要在直路和彎路工況下分別標(biāo)定控制參數(shù)，結(jié)果如表1和表2所示。

圖8 爆胎車輛方向控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The direction control subsystem of the vehicle with blownout tire

表1 直路工況下不同爆胎車速的控制參數(shù)Tab.1 The control parameters of the different vehicle speed under the straight road working condition

表2 彎路工況下不同爆胎車速的控制參數(shù)Tab.2 The control parameters of the different vehicle speed under the curve road working condition

設(shè)E、Ec、KP、KI、KD為e、ec、Kp、Ki、Kd的模糊語言變量，依據(jù)上表可以初步確定各模糊語言變量在直路和彎路兩種道路環(huán)境下的模糊論域，分別如表3和表4所示。

表3 各模糊語言變量在直路環(huán)境下的模糊論域Tab.3 The fuzzy domain of each language variable under the straight road working condition

將各參數(shù)基本論域范圍內(nèi)連續(xù)變化的量分級(jí)離散化，進(jìn)行模糊處理。筆者將模糊論域量化為7個(gè)等級(jí)，設(shè)定語言值集合為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別代表{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，這種劃分可以得到較高的控制品質(zhì)。從表3和表4可以看出，各模糊語言變量在直路和彎路兩種道路環(huán)境下的模糊論域有一定差別，為了方便離散和量化，針對直路和彎路兩種不同的爆胎環(huán)境，筆者分別設(shè)計(jì)了直路模糊PID控制器和彎路模糊PID控制器，根據(jù)爆胎道路的曲率在線切換，以保證控制器在不同道路下都具有很好的控制效果。本文中所有模糊子集均采用靈敏度高并且能使控制具有較高分辨率的三角形隸屬函數(shù)。

設(shè)計(jì)模糊自整定PID參數(shù)控制器的目的就是能使控制參數(shù)Kp、Ki、Kd隨著誤差e和誤差變化率ec的變化而自動(dòng)調(diào)整，因此應(yīng)該先明確它們之間的關(guān)系。筆者設(shè)計(jì)的模糊自整定PID控制器的參數(shù)自調(diào)整要滿足如下調(diào)整原則:

1)當(dāng)誤差較大時(shí)，為了使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變快，同時(shí)減小由誤差突然變大引發(fā)的過飽和、微分控制作用超過預(yù)期范圍的可能性，應(yīng)該使用較小的Kd和較大的Kp，此時(shí)Ki通常取零;

2)當(dāng)誤差與誤差的變化率處于中等大小時(shí)，為了達(dá)到快速響應(yīng)同時(shí)減小超調(diào)的效果，應(yīng)該酌情適當(dāng)選取Ki的值，同時(shí)取小一點(diǎn)的Kd，以減小其對控制系統(tǒng)的影響，為降低超調(diào)應(yīng)該選取較小的Kp;

3)當(dāng)誤差較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增大Kp和Ki的值。適當(dāng)?shù)倪x取Kd的值，以增加系統(tǒng)抗干擾能力，使輸出響應(yīng)避免在期望值附近震蕩。通常情況下，當(dāng)誤差變化率較大時(shí)，取較小的Kd;當(dāng)誤差變化率較小時(shí)，取較大的Kd。

根據(jù)以上總結(jié)的調(diào)整原則，模糊自整定PID控制器的參數(shù)自調(diào)整要滿足的模糊規(guī)則共有49條，如表5所示。

表5 PID控制參數(shù)模糊規(guī)則表Tab.5 The fuzzy rules of the PID control parameters

模糊控制器采用Mamdani的極小-極大運(yùn)算方式生成模糊關(guān)系，采用控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛的重心法解模糊化。在輸入誤差、誤差變化量的基本論域轉(zhuǎn)化到相應(yīng)模糊集的論域時(shí)，中間需要量化因子。同時(shí)，從模糊控制算法求得的輸出量轉(zhuǎn)到輸出基本論域也需乘以一比例因子。輸入量化因子及輸出比例因子對系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能影響很大，要合理選取。本文中默認(rèn)模糊PID控制器的量化因子和比例因子都為1。

3 仿真結(jié)果

3.1 高附著系數(shù)路面直線路況

將模糊自整定PID控制器用于爆胎車輛軌跡控制實(shí)驗(yàn)仿真，首先采用直線路況進(jìn)行試驗(yàn):車輛在附著系數(shù)為0.8的均勻直路上行駛，在系統(tǒng)運(yùn)行25 s時(shí)車輛左前輪發(fā)生爆胎，在25 s前車輛達(dá)到預(yù)期速度并保持勻速行駛。爆胎車速分別為 80 km/h，100 km/h和 120 km/h，仿真結(jié)果如圖 9～圖14所示。

圖9 爆胎車輛的側(cè)向位移Fig.9 The lateral offset of the vehicle with blownout tire

圖10 爆胎車輛的側(cè)向加速度Fig.10 The lateral acceleration of the vehicle with blownout tire

從圖9看出，不同爆胎車速下的車輛偏航幅度很小，均在允許范圍內(nèi)，且最終跟隨上道路中心線，同時(shí)，可以觀察到隨著爆胎車速的增加，側(cè)向位移上升段的抖動(dòng)不可避免。圖10～圖13表明，表征車輛是否穩(wěn)定行駛的各指標(biāo)的變化幅度同樣很小，在安全行駛指標(biāo)范圍內(nèi)，爆胎車輛沒有側(cè)翻和輪輞觸地的危險(xiǎn);但隨著爆胎車速增加，各性能指標(biāo)在達(dá)到穩(wěn)定前幅度和震蕩次數(shù)均增加，調(diào)節(jié)時(shí)間變長。圖14中，爆胎車速增加時(shí)PID控制器決策出的方向盤轉(zhuǎn)角在幅值和頻率上均有所提高。這說明相對于低速爆胎，高速爆胎車輛的操縱穩(wěn)定性更差且更難趨于穩(wěn)定。

圖11 爆胎車輛的質(zhì)心側(cè)偏角Fig.11 The side slip angle of the vehicle with blownout tire

圖12 爆胎車輛的橫擺角速度Fig.12 The yaw rate of the vehicle with blownout tire

圖13 爆胎車輛左前輪的側(cè)偏角Fig.13 The front left tire slip angle of the vehicle with blownout tire

圖14 爆胎車輛的方向盤轉(zhuǎn)角Fig.14 The steer angle of the vehicle with blownout tire

3.2 高附著系數(shù)路面曲線路況

高速公路的行車環(huán)境十分復(fù)雜，為了能更好地驗(yàn)證基于模糊PID控制方案對爆胎車輛軌跡控制效果，筆者在veDYNA中設(shè)計(jì)了符合高速公路國家標(biāo)準(zhǔn)的曲線路段進(jìn)行仿真驗(yàn)證。試驗(yàn)路段分為直路與曲線路段兩部分，其目的是為了使汽車能以一定的速度在曲線路段上爆胎。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)道路時(shí)需要考慮直路長度，以保證試驗(yàn)車輛可在直路加速至理想速度。實(shí)驗(yàn)路徑和行駛工況的具體參數(shù)為:直路與彎路的附著系數(shù)均為0.8，其中直路長度為200 m，曲線路段的弧度為90°，左彎;左前輪爆胎，爆胎時(shí)刻為25 s，爆胎時(shí)刻車速分別為100 km/h，120 km/h。仿真結(jié)果如圖15～圖22所示。

圖15 爆胎車速為100 km/h時(shí)的車輛行駛XY平面圖Fig.15 The XY plot of the vehicle trajectory(100 km/h)

圖16 爆胎車速為120 km/h時(shí)的 車輛行駛XY平面圖Fig.16 The XY plotof the vehicle trajectory(120 km/h)

從圖15、圖16以及其各自的放大圖可以觀察到期望路徑和實(shí)際路徑的偏差很小，側(cè)向位移控制精度很高。從圖18可以看出，在整個(gè)爆胎過程中車輛的橫擺角速度未出現(xiàn)較大的正負(fù)近似階躍變化，爆胎車速100 km/h時(shí)，車身反復(fù)震蕩2 s;更高爆胎車速時(shí)震蕩時(shí)間加長，最多7 s。圖19表明，爆胎車輛質(zhì)心側(cè)偏角在3°以內(nèi)，是質(zhì)心側(cè)偏角的線性區(qū)，由此判定車輛爆胎后行駛穩(wěn)定。圖20顯示，爆胎后控制器所控制的方向盤的轉(zhuǎn)角沒有突然變大，說明整個(gè)控制過程較合理，能保證車輛安全行駛。在控制器規(guī)劃的方向盤轉(zhuǎn)角沒有發(fā)生激轉(zhuǎn)的情況下，圖21所示的車輛輪胎側(cè)偏角也在安全評價(jià)指標(biāo)內(nèi)，可保證車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)輪胎和輪輞不會(huì)分離。圖22說明爆胎車輛能夠依靠滾動(dòng)阻力平穩(wěn)降速。

圖17 爆胎車輛的側(cè)向加速度 Fig.17 The lateral acceleration of the vehicle

圖18 爆胎車輛的橫擺角速度Fig.18 The yaw rate of the vehicle

圖19 爆胎車輛的質(zhì)心側(cè)偏角Fig.19 The side slip angle of the vehicle

圖20 爆胎車輛的方向盤轉(zhuǎn)角Fig.20 The steer angle of the vehicle

圖21 爆胎車輛的左前輪側(cè)偏角Fig.21 The front left tire slip angle of the vehicle

圖22 爆胎車輛的縱向車速Fig.22 The longitudinal speed of the vehicle

綜上，模糊PID控制器對高速公路爆胎車輛軌跡能取得良好控制，車輛的各項(xiàng)安全指標(biāo)均在可以接受的范圍內(nèi)，并且所設(shè)計(jì)的模糊PID控制器不僅適用于直路爆胎，同樣也適用于彎路爆胎。

4 結(jié) 語

爆胎后車輛的輪胎力學(xué)特性發(fā)生改變，進(jìn)而影響了車輛行駛的穩(wěn)定性和行駛軌跡。筆者結(jié)合了模糊控制和傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點(diǎn)，針對當(dāng)爆胎車速、爆胎路徑曲率等參數(shù)變化時(shí)，常規(guī)PID控制器控制效果不佳的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于模糊自整定PID的高速公路爆胎車輛軌跡安全控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，以不同行駛車速分別在直路和彎路爆胎的多種工況下，模糊自整定PID控制器都能使車輛在穩(wěn)定行駛的同時(shí)控制車輛的行駛軌跡，使其在出現(xiàn)較小的偏移后回到原路徑。并且此控制器具有自適應(yīng)能力，能適應(yīng)較大范圍的參數(shù)變化。

［1］臧懷泉，田超，趙保軍.嵌入式汽車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(10):870-874. ZANG Huaiquan，TIAN Chao，ZHAO Baojun.Design of Tire Pressure Monitoring System Based on Embedded OperatingSystem［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2008，28(10):870-874.

［2］張放.汽車爆胎的原因及應(yīng)對措施問題研究［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2013(10):101-104. ZHANG Fang.Flat Tire Causes and Countermeasures Issues［J］.Automobile Applied Technology，2013(10):101-104.

［3］ARNDTM W，ROSENFIELD M J，ARNDT SM，et al.Force Response during Tire Tread Detachment Event［J］.Society of Automotive Engineers Transactions，2004，113(6):684-691.

［4］ARNDTM W，ROSENFIELD M J，ARNDT SM.Measurement of Changes to Vehicle Handling Due to Tread-Separation-Induced Axle Tramp［C］∥SAE International Congress and Exposition.［S.l.］:SAE，2006:1680-1696.

［5］DICKERSON C P，ARNDT M W，ARNDT SM.Vehicle Handling with Tire Tread Separation［J］.Society of Automotive Engineers Transactions，1999，108(6):421-442.

［6］TAKAJIUMENO.Observer Based Estimation of Parameter Variations and Its Application to Tyre Pressure Diagnosis［J］. Control Engineering Practice，2001，9(6):639-645.

［7］PATWARDHAN S，PATWARDHAN，TOMIZUKA M，et al.Theory and Experiments of Tire Blow-out Effects and Hazard Reduction Control for Automated Vehicle Lateral Control System［C］∥Proceedings of the American Control Conference. Baltimore:IEEE，1994:1207-1209.

［8］PATWARDHAN S，TAN H S，TOMIZUKA M.Experimental Results of a Tire-Burst Controller for AHS［J］.Control Eng Practice，1997，5(11):1615-1622.

［9］ZBIGNIEW LOZIA.Simulation Tests of Biaxial Vehicle Motion after a“Tire Blow-Out”［C］∥SAE International Congress and Exposition Technical Papers.Michigan:Michigan University Press，2005:56-59.

［10］鄭宏宇，宗長富，劉海貞.汽車爆胎特性建模與主動(dòng)制動(dòng)控制策略［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2012，25(4):147-152. ZHENG Hongyu，ZONG Changfu，LIU Haizhen.Tire Blow-out Modeling and Active Braking Control Algorithm of Vehicle［J］.China Journal of Highway and Transport，2012，25(4):147-152.

［11］黃江，郭孔輝，宋曉琳，等.爆胎汽車的穩(wěn)定性控制［J］.中國機(jī)械工程，2009，20(16):2006-2010. HUANG Jiang，GUO Konghui，SONG Xiaolin，et al.Vehicle Stability Control Method after Tire Blow-out［J］.China Mechanical Engineering，2009，20(16):2006-2010.

［12］丁海濤，郭孔輝，陳虹.汽車穩(wěn)定性控制中橫擺力矩決策的LQR方法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2010，40(3): 597-601. DING Haitao，GUO Konghui，CHEN Hong.LQR Method for Vehicle Yaw Moment Decision in Vehicle Stability Control［J］. Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition，2010，40(3):597-601.

［13］秦濤.汽車爆胎時(shí)主動(dòng)制動(dòng)控制策略的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，2013. QIN Tao.Research on Active Braking Control Strategy of Vehicle with Tire Blow-out［D］.Harbin:School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，2013.

［14］李淵.智能PID控制器優(yōu)化仿真研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2012，29(12):180-183. LIYuan.Parameters Optimization of PID Controller［J］.Computer Simulation，2012，29(12):180-183.

［15］高原，劉奇芳，盧曉暉，等.車輛起步過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制研究［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2013，31(4): 389-396. GAO Yuan，LIU Qifang，LU Xiaohui，etal.Research on Launch Control Strategy for AMT Vehicles Based on Neural Network PID［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2013，31(4):389-396.

［16］賈鶴鳴，柳澤銘，張金陽.基于滑模PID的微型旋翼飛行器軌跡跟蹤控制［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2014，32(4):383-388. JIA Heming，LIU Zeming，ZHANG Jinyang.Trajectory Tracking Control of Rotating Wing Micro Aerial Vehicle Based on Sliding Mode PID［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2014，32(4):383-388.

［17］王述彥，師宇，馮忠緒.基于模糊PID控制器的控制方法研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，30(1):166-172. WANG Shuyan，SHIYu，F(xiàn)ENG Zhongxu.A Method for Controlling a Loading System Based on a Fuzzy PID Controller［J］. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2011，30(1):166-172.

［18］王英麟.基于CarSim與UniTire的爆胎汽車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究［D］.長春:吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，，2007. WANG Yinglin.Study on Vehicle Dynamic Response to Tire Blow-out Based on CarSim and Unitire［D］.Changchun:College of Automotive Engineering，Jilin University，2007.

［19］郭大鵬.爆胎車輛軌跡控制［D］.長春:吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，2011. GUO Dapeng.Flat Tire Vehicle Trajectory Control［D］.Changchun:College of Communication Engineering，Jilin University，2011.

(責(zé)任編輯:張潔)

Trajectory Control of Vehicles with Blowout Tire on Expressway Based on Fuzzy PID Algorithm

LIU Yang1，YU Shuyou1，GU Xuelai2，CHEN Hong1
(1.College of Communication Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China;2.Customer Service Center，Dalian Locomotive and Rolling Stock Corporation Limited，China Northern Locomotive and Rolling Stock Industry Group，Dalian 116022，China)

A simulation research is carried out with the veDYNA software for the yawing motion of the vehicle during a tire blowout on the expressway.Firstly，the evaluation criteria ofmotion vehicles during a tire blowout are determined.Then，in order to replace the driver to control the direction of the vehicle，a fuzzy PID (Proportion，Integral，Differential)controller is adopted to plan the steering wheel angel of the vehicle with a blowout tire.This control scheme combines the advantages of fuzzy control method with the advantages of traditional PID control method.It can adjust the PID control parameters for different working conditions and complex road environments，to adapt to the changes in parameters of the vehicle during a tire blowout.The simulation shows that the trajectory control of vehicles with blowout tire based on the fuzzy PID can make the vehicle avoid yawing，the vehicle can be driven back to the original path after a small offset.It proves that this control scheme has a better adaptive ability.

tire blowout;fuzzy algorithm;self-tuning proportion integral differential(PID)controller;trajectory control

TP273

A

1671-5896(2015)04-0380-09

2014-12-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61034001);吉林大學(xué)“973課題”基金資助項(xiàng)目(2012CB821202)

劉洋(1991— )，女，吉林榆樹人，吉林大學(xué)碩士研究生，主要從事預(yù)測控制及機(jī)器人軌跡跟蹤研究，(Tel)86-13504409407(E-mail)liuyang9407@126.com.cn;于樹友(1974— )，男，長春人，吉林大學(xué)副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事預(yù)測控制及車輛穩(wěn)定性控制研究，(Tel)86-13504409392(E-mail)shuyou@jlu.edu.cn。