基于模糊控制的微型車ABS制動(dòng)性能仿真分析*

夏 偉

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

1 ABS控制策略研究現(xiàn)狀

防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（Anti-lock Braking System，簡稱ABS）是汽車上的一種提高制動(dòng)安全性能的主動(dòng)安全裝置，它能防止車輪制動(dòng)時(shí)發(fā)生抱死，從而減小制動(dòng)距離，保證車輛制動(dòng)時(shí)擁有良好的轉(zhuǎn)向操作能力且維持方向穩(wěn)定性。經(jīng)過多年發(fā)展，科研人員開發(fā)出了多種ABS控制策略。為選擇適合微型車車型和路況特點(diǎn)的ABS控制策略，搭建與實(shí)車性能相符的仿真模型，下面分析應(yīng)用廣泛的邏輯門限值控制、PID控制和模糊控制三種控制策略［1］。

1.1 邏輯門限值控制

邏輯門限值控制策略主要是參考車輪的角減速度和滑移率兩個(gè)控制參數(shù)來進(jìn)行制動(dòng)控制，通過將檢測參數(shù)與預(yù)設(shè)的門限值進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，判斷車輪抱死的趨勢(shì)，從而控制制動(dòng)管路的壓力變化，實(shí)時(shí)進(jìn)行增壓、減壓、保壓和階梯增壓控制來實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。

邏輯門限值控制是目前應(yīng)用最多的ABS控制策略，它的優(yōu)點(diǎn)在于只需設(shè)定相應(yīng)的門限值，無需具體的數(shù)學(xué)模型，能夠較好地適應(yīng)ABS控制時(shí)系統(tǒng)非線性的特點(diǎn)。但這種方法也存在明顯的缺點(diǎn)，比如各種門限值及保壓時(shí)間的確定沒有充分的理論依據(jù)，只能通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)取得，對(duì)不同路面和不同車輛的變化兼容性差，且對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)困難［2-3］。

1.2 PID控制

PID控制理論在工程中有著普遍的應(yīng)用，簡單來說，其控制原理就是對(duì)系統(tǒng)偏差進(jìn)行比例（Proportional），積分（Integral）和微分（Differential）的調(diào)節(jié)，如圖1所示。

圖1 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PID應(yīng)用到ABS上時(shí)，一般利用車輪滑移率的目標(biāo)值和測量值的偏差作為輸入，并向制動(dòng)系統(tǒng)輸出偏差的比例、積分與微分的線型組合。其中比例用以調(diào)整開環(huán)比例系數(shù)，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和響應(yīng)速度，但由于實(shí)際系統(tǒng)的慣性特征，太強(qiáng)的比例作用會(huì)引起系統(tǒng)振蕩不穩(wěn)定。積分的作用是通過對(duì)誤差進(jìn)行積分以消除靜態(tài)誤差，但太強(qiáng)的積分作用會(huì)導(dǎo)致積分輸出變化過快，從而產(chǎn)生積分超調(diào)和振蕩的現(xiàn)象。微分的作用是通過預(yù)測誤差變化的趨勢(shì)，從而做到提前抑制誤差的控制作用，縮短系統(tǒng)收斂的時(shí)間，并避免被控制量的嚴(yán)重超調(diào)，微分作用太強(qiáng)時(shí)也會(huì)引起振蕩。

PID控制器具有算法簡單、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)，所以當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)復(fù)雜，難以通過有效的測量手段得到時(shí)，PID控制策略能起到有效的控制作用；但針對(duì)ABS最優(yōu)滑移率控制參數(shù)的確定，也必需要依靠研究人員的經(jīng)驗(yàn)，并不斷調(diào)試，該參數(shù)的確定方法繁雜，常規(guī)PID控制器參數(shù)一般難以取得良好的效果，對(duì)車輛運(yùn)行工況的適應(yīng)能力不強(qiáng)［4-5］。

1.3 模糊控制

區(qū)別于傳統(tǒng)布爾邏輯的模糊邏輯在控制領(lǐng)域的應(yīng)用稱為模糊控制。模糊控制系統(tǒng)包括模糊化、模糊決策和精確化計(jì)算三個(gè)基本組成部分，模糊控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

模糊控制系統(tǒng)工作時(shí)主要的步驟為：首先對(duì)被控過程輸入的精確信息進(jìn)行模糊化處理，得到模糊量，然后經(jīng)模糊規(guī)則運(yùn)算得到模糊控制輸出的另一模糊量，再對(duì)模糊指令進(jìn)行精確化計(jì)算即解模糊處理，最后對(duì)被控系統(tǒng)輸出精確控制量。

模糊控制提供了一種實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)描述的控制規(guī)律的新理論，當(dāng)控制對(duì)象的模型難以確定，且具有非線性特征時(shí)，模糊控制能夠?qū)ζ涮卣鲄?shù)的變化以及可能受到的擾動(dòng)有很好的適應(yīng)和抑制作用。另外，模糊控制器結(jié)構(gòu)簡單，可由離線計(jì)算得到控制查詢表，易于軟件實(shí)現(xiàn)。這些特點(diǎn)較好地滿足了ABS的控制要求。同時(shí)，模糊控制系統(tǒng)對(duì)微型車多變的制動(dòng)工況也有比較好的適應(yīng)［6-8］。

模糊控制作為眾多智能控制中一種比較簡單實(shí)用的算法，具有很廣的應(yīng)用前景，本文選擇該控制策略來建立微型車的ABS控制模型以改進(jìn)ABS的非線性控制器，增強(qiáng)ABS的控制效果。

2 基于MATLAB/Simulink的模糊控制ABS模型的建立

控制系統(tǒng)的許多方案都是通過計(jì)算機(jī)仿真軟件來實(shí)現(xiàn)的，美國MathWorks軟件公司開發(fā)的動(dòng)態(tài)仿真集成軟件Simulink集成在MATLAB下，提供一個(gè)模塊化圖形建模仿真界面，其模型通過“模塊”和連接模塊的“信號(hào)線”組成，支持系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)、仿真、自動(dòng)代碼生成、連續(xù)測試和嵌入式系統(tǒng)驗(yàn)證。Simulink對(duì)建模環(huán)境的圖形化集成及仿真流程的封裝，使用戶對(duì)仿真模型的創(chuàng)建和驗(yàn)證更高效。

啟動(dòng)后的MATLAB/Simulink軟件是一個(gè)模型庫瀏覽器，它不僅包含建立一般控制模型所須的子模塊庫，多種針對(duì)特殊仿真需要的工具箱也在軟件中進(jìn)行了集成，借助其中的Fuzzy Logic Tool?box模糊邏輯工具箱，用戶可以在軟件集成的圖形化用戶界面（GUI）、Simulink模塊以及MATLAB函數(shù)的基礎(chǔ)上，直接、快速地構(gòu)建模糊控制系統(tǒng)模型，并且直觀精細(xì)地調(diào)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在MATLAB/Simulink中建立模糊控制系統(tǒng)的基本步驟如下：

（1）基于模糊邏輯工具箱創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的模糊推理系統(tǒng)（FIS）文件；

（2）建立模糊推理系統(tǒng)（FIS）文件與模糊邏輯控制器的連接；

（3）構(gòu)建模糊控制系統(tǒng)的仿真模型。

2.1 模糊推理系統(tǒng)文件的建立

作為模糊控制系統(tǒng)的核心，模糊邏輯控制器是一個(gè)典型的模糊推理系統(tǒng)，而在使用模糊邏輯工具箱中的Fuzzy Logic Controller模塊之前，必須先建立FIS文件并嵌入該模塊中。MATLAB/Simulink中建立模糊推理系統(tǒng)（FIS）文件是通過模糊邏輯圖形化工具（GUI）實(shí)現(xiàn)的，它由五個(gè)相互間動(dòng)態(tài)連接的部分組成。其中模糊推理系統(tǒng)（FIS）編輯器，隸屬度函數(shù)編輯器，模糊規(guī)則編輯器是三個(gè)可以互動(dòng)的編輯器。這三個(gè)編輯器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Mamdani型和Sugeno型兩類模糊推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的搭建、模糊子集隸屬度函數(shù)的編輯、模糊規(guī)則的建立等操作。

2.2 模糊控制ABS模型的建立

本文采用四傳感器三通道的ABS布置方案，即每個(gè)輪胎上都有一個(gè)獨(dú)立的傳感器，兩前輪分別布置獨(dú)立的通道，而后輪則共用一個(gè)控制通道，該通道中實(shí)際的控制量取兩輪計(jì)算得到控制量中的較小值。這種配置的方式能夠在保證行駛安全的前提下，使每個(gè)車輪的滑移率控制在最佳滑移率附近，在實(shí)際ABS系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。不論車輛行駛在左右摩擦系數(shù)相等還是不等的路面上，都能夠得到較短的縱向制動(dòng)距離，并且能夠有效防止車輛的縱向轉(zhuǎn)矩過大導(dǎo)致甩尾，車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性也能得到較好的保障。

在所建立完成的模糊控制器的基礎(chǔ)上添加所需Simulink子模塊，搭建完成的ABS模糊控制模型如圖3所示。

圖中控制模型的輸入信號(hào)分別為各車輪輪速和車身縱向速度。Slip Subsystem為計(jì)算滑移率的子系統(tǒng)，F(xiàn)uzzy Input為計(jì)算滑移率偏差及其變化率的子系統(tǒng)，F(xiàn)uzzy Logic Controller則是各個(gè)車輪的模糊控制器，Rear Control Subsystem為后輪低選控制子系統(tǒng)。控制模型的信號(hào)輸入后，前輪獨(dú)立管路制動(dòng)油壓系數(shù)的變化值可直接得到，后輪一同控制的值則還需要再通過低選控制子系統(tǒng)計(jì)算輸出。

圖3 ABS模糊控制模型

3 ABS模糊控制聯(lián)合仿真模型的建立

動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS用于虛擬樣機(jī)建造的同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制功能，軟件內(nèi)置了Controls模塊，可以實(shí)現(xiàn)將所建樣機(jī)與控制設(shè)計(jì)仿真軟件連接，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合分析。利用這種分析方法可以大幅降低開發(fā)產(chǎn)品的成本，避免反復(fù)對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行搭建和調(diào)試，而只需在計(jì)算機(jī)軟件中對(duì)分享同一虛擬樣機(jī)模型的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)。并且能夠有效模擬實(shí)際狀況下可能遇到的各種問題，從而在提供較高精度的同時(shí)，提高了設(shè)計(jì)效率。

ADAMS/Controls模塊支持同MATLAB等控制分析軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真的功能，聯(lián)合仿真對(duì)于MATLAB/Simulink所建立的控制系統(tǒng)模型來說，與其連接的虛擬樣機(jī)模型可以看成一個(gè)外部對(duì)象，這個(gè)對(duì)象通過特定接口連接到Simulink模型中，同Simulink中建立的純數(shù)學(xué)模型的對(duì)象相比，虛擬樣機(jī)代表的對(duì)象更接近于實(shí)物原型，因此可以獲得更高的仿真精度。

為了實(shí)現(xiàn)ADAMS/Controls模塊和MATLAB/Simulink的聯(lián)合仿真，需建立聯(lián)合仿真模型，在ADAMS模型中定義與MATLAB/Simulink的接口變量，建立控制模型的輸入輸出后即可通過AD?AMS/Controls Plant導(dǎo)出。控制模型的輸入變量是四個(gè)車輪的輪速和汽車的縱向車速，即ADAMS模型的輸出變量；ADAMS模型的輸入變量則是四個(gè)車輪上制動(dòng)油壓系數(shù)，它們是控制模型的輸出變量。輪速和車速為模型自帶的狀態(tài)變量，可通過ADAMS/Controls接口直接輸出；而制動(dòng)油壓系數(shù)通過在制動(dòng)系統(tǒng)模型中定義四個(gè)狀態(tài)變量來表示，并結(jié)合模型編輯制動(dòng)器制動(dòng)力公式，將狀態(tài)變量作為一個(gè)比例系數(shù)來控制各管路的油壓。

將整車模型加入到控制模型中所建立模糊控制聯(lián)合仿真模型如圖4所示。模型運(yùn)行聯(lián)合仿真的過程為：整車模型先受到驅(qū)動(dòng)控制文件仿真（File Driven Events）的制動(dòng)器制動(dòng)力階躍輸入，并實(shí)時(shí)地將縱向車速和各車輪角速度輸出到控制模型中，然后計(jì)算滑移率，減去目標(biāo)滑移率，得到滑移率偏差，再將其微分得到滑移率偏差的變化率，最后將二者輸入模糊控制器模塊，由模糊控制算法計(jì)算得到實(shí)時(shí)的制動(dòng)油壓調(diào)節(jié)系數(shù)，并反饋給整車模型，模型受到新的制動(dòng)力控制后進(jìn)行下一輪的輸入和輸出循環(huán)，以此實(shí)現(xiàn)ABS控制功能。另外，由于制動(dòng)力矩的輸出會(huì)因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性而相對(duì)控制指令存在一定的延后現(xiàn)象，所以建立的ABS聯(lián)合仿真模型設(shè)定液壓系統(tǒng)動(dòng)作轉(zhuǎn)換的遲滯時(shí)間為10ms。

在聯(lián)合仿真模型建立完成之后，為了保證仿真的精度和效率還需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。Simulink中設(shè)置軟件數(shù)據(jù)交互的步長應(yīng)與AD?AMS/Car驅(qū)動(dòng)文件中設(shè)置的仿真步長相同，本文設(shè)為0.01。另外選擇聯(lián)合仿真方式為離散，仿真算法為變步長，即在仿真過程中綜合考慮實(shí)時(shí)的計(jì)算速度和精度，對(duì)步長進(jìn)行自動(dòng)地增大或減小調(diào)節(jié)，適合于對(duì)復(fù)雜整車模型的運(yùn)算。最后還應(yīng)根據(jù)不同制動(dòng)工況設(shè)定仿真的開始和終止時(shí)間即可運(yùn)行仿真，結(jié)果輸出曲線可同時(shí)在Simulink的輸出模塊和ADAMS的后處理模塊中進(jìn)行查看。

為探究加裝模糊控制ABS后對(duì)整車制動(dòng)安全性能的影響，本文主要考察在高附著系數(shù)路面上直線制動(dòng)時(shí)車輛的制動(dòng)性能。制動(dòng)仿真的工況參照車輛緊急制動(dòng)時(shí)的狀況進(jìn)行設(shè)定，即車輛在預(yù)設(shè)路面以一定的初速度直線行駛，然后急踩制動(dòng)，從0到1s內(nèi)，制動(dòng)器制動(dòng)力由0上升到最大值，并保持制動(dòng)強(qiáng)度直至車輛停車，為檢驗(yàn)車輛的側(cè)向穩(wěn)定性能，將方向盤設(shè)為自由狀態(tài)。仿真結(jié)束后對(duì)比車輛的制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)距離、制動(dòng)減速度和車輛側(cè)向位移等制動(dòng)性能指標(biāo)，以分析ABS的控制效果。

圖4 ABS模糊控制聯(lián)合仿真模型

圖5 制動(dòng)車速時(shí)間歷程

圖6 制動(dòng)距離時(shí)間歷程

4 高附路面聯(lián)合仿真分析

下列曲線為邏輯門限值控制策略與模糊控制策略控制的ABS在高附路面上直線制動(dòng)聯(lián)合仿真時(shí)的結(jié)果比較。

圖5和圖6對(duì)比了模糊控制ABS和實(shí)車的邏輯門限值控制ABS分別作用時(shí)制動(dòng)車速和制動(dòng)距離的變化，可以看到在高附路面上模糊控制車輛的制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離都稍小于實(shí)車的邏輯門限值控制，具有更好的制動(dòng)效能。

由圖7高附路面的制動(dòng)減速度曲線對(duì)比可以看出，制動(dòng)過程中實(shí)車邏輯門限值控制ABS車輛制動(dòng)減速度的值與模糊控制時(shí)的相近，但是波動(dòng)較大，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

圖7 制動(dòng)減速度時(shí)間歷程

圖8 側(cè)向位移時(shí)間歷程

在制動(dòng)穩(wěn)定性方面，如圖8所反映的側(cè)向位移對(duì)比可知，邏輯門限值控制ABS由于制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性差等因素，側(cè)向位移較模糊控制偏大。

制動(dòng)過程各個(gè)車輪滑移率的對(duì)比如圖9所示，兩種控制策略的ABS都能有效地防止車輪出現(xiàn)抱死，但由于制動(dòng)系統(tǒng)的循環(huán)增壓、減壓和保壓，造成系統(tǒng)一定的振蕩等原因，邏輯門限值控制ABS作用時(shí)輪速的波動(dòng)要明顯大于模糊控制，并在仿真后期有變大的趨勢(shì)。并且前輪和后輪控制滑移率的變化范圍均與設(shè)定的目標(biāo)滑移率存在一定的偏差。

綜合以上對(duì)比分析能夠得到，不論是在制動(dòng)效能還是在制動(dòng)穩(wěn)定性方面，模糊控制ABS相對(duì)于實(shí)車邏輯門限值控制的ABS均有一定優(yōu)勢(shì)。另外，邏輯門限值控制的ABS在制動(dòng)過程中，會(huì)給系統(tǒng)造成明顯的波動(dòng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不如模糊控制，液壓式ABS硬件中的液壓元件在這種持續(xù)較大波動(dòng)的液壓沖擊下，可靠性和使用壽命會(huì)大大降低。

5 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為了使各控制方法仿真結(jié)果的差異得到更詳細(xì)的說明，本文將車輛緊急制動(dòng)時(shí)模糊控制ABS和實(shí)車邏輯門限值控制ABS兩種情況下，分別在高附路面上的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行量化對(duì)比分析。

由表1的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，車輛以72km/h進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，裝備有模糊控制ABS比邏輯門限值控制ABS對(duì)系統(tǒng)的控制效果更好，能夠?qū)⒒坡士刂圃陔x目標(biāo)值更近的范圍。模糊控制ABS要更優(yōu)于邏輯門限值A(chǔ)BS，特別是在側(cè)向位移的抑制上效果明顯，邏輯門限值控制車輪滑移率的偏差也更大。

圖9 各車輪滑移率時(shí)間歷程

表1 初速度為72km/h高附路面仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

結(jié)合以上仿真數(shù)據(jù)，對(duì)比車輛的制動(dòng)效能和制動(dòng)方向穩(wěn)定性分別在模糊控制和邏輯門限值控制兩種控制策略下的結(jié)果，可以說模糊控制全面占優(yōu)，特別是在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性上優(yōu)勢(shì)明顯，故通過加裝模糊控制的ABS以增強(qiáng)微型車制動(dòng)安全性能是值得期待的。

6 結(jié)語

在完成建立微型車模糊控制ABS模型的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了ADAMS與MATLAB軟件聯(lián)合仿真的方法和步驟，并搭建了模糊控制ABS聯(lián)合仿真模型，然后在高附路面上進(jìn)行緊急制動(dòng)的聯(lián)合仿真分析，得到了模糊控制ABS作用下車輛的制動(dòng)性能參數(shù)。將模糊控制的ABS與同樣工況下裝備邏輯門限值控制ABS的制動(dòng)過程進(jìn)行了對(duì)比分析，得出模糊控制ABS制動(dòng)性能全面占優(yōu)的結(jié)論。