模糊控制技術(shù)在汽車ABS系統(tǒng)上的應(yīng)用研究

吳俊

武漢商學(xué)院 湖北 武漢 430000

引言

車輛在路面行駛，其安全性可分為主動安全和被動安全兩種類別。主動安全是車輛安全系統(tǒng)提前工作從而最大程度避免事故發(fā)生的能力。被動安全是車輛不可避免發(fā)生事故情況下，最大程度避免車內(nèi)成員發(fā)生傷害的能力。除了通過一定的法律法規(guī)保證汽車行駛的秩序，減少交通事故之外，在車輛上也必須具備相關(guān)的控制部件（防抱死制動系統(tǒng)、輔助約束系統(tǒng)）確保車輛行駛過程中的安全性。隨著汽車數(shù)量的急劇增長，對車輛安全尤其是主動安全的要求也越來越高，不僅加強了交通秩序的管制，而且對汽車這個現(xiàn)代交通工具自身的安全性也提出了新的要求。目前車輛上安裝涉及行駛安全系統(tǒng)的種類越來越多，控制效果也越來越滿足實際行車需求，比如，ABS系統(tǒng)、ESP系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以有效避免事故的發(fā)生或減輕事故發(fā)生所帶給車內(nèi)乘員傷亡的概率。

1 汽車ABS系統(tǒng)控制方式

汽車ABS系統(tǒng)能夠有效保證車輛制動時不會因為制動力太大從而使得輪胎相對地面發(fā)生抱死的情況，系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)的傳感器獲取輪胎轉(zhuǎn)動狀況，通過調(diào)整車輪制動力來保證車輪相對于路面不會發(fā)生較大程度地滑移，從而在保證制動穩(wěn)定性條件下盡可能較少制動距離。

ABS的控制方式雖然較多，但都是通過調(diào)節(jié)制動力，充分利用路面附著性能，更加有效地控制車輛制動?？刂茀?shù)選取是否得當(dāng)，不僅關(guān)系到ABS的控制邏輯和性能，而且還關(guān)系到ABS的結(jié)構(gòu)和成本。

（1）車輪滑移率控制方式

車輛的最佳滑移率是指滑移率處于20%附近的滑移率，此時輪胎能夠獲得最佳的縱、側(cè)向附著系數(shù)，車輛的穩(wěn)定性最好。通常理想狀況下，我們希望車輪行駛狀態(tài)可以與滑移率曲線重合，但由于汽車行駛過程中，工況一直處于變化的狀態(tài)，且這些工況的變化并無具體的規(guī)律可循，因此 ABS的傳統(tǒng)控制方法并不會處于一個最佳狀態(tài)。

（2）邏輯門限值控制方式

ABS發(fā)展至今，采用最多的控制方式是邏輯門限值控制方式。車輛通過采用加、減速度門限作為控制門檻值，將參考滑移率值設(shè)置為輔助信息。車輛如果單獨采用門限值作為控制門檻，則容易出現(xiàn)控制超調(diào)現(xiàn)象。因此，將兩種信息綜合處理，可以有效提高控制精度。目前，大部分廠家所采用的控制策略是用車輪速度，通過設(shè)定的車輛制動減速度值算出參考車速，再求出參考滑移率。這樣，設(shè)定的車輛制動減速度值是否合適，將直接影響控制系統(tǒng)品質(zhì)的優(yōu)劣。使用邏輯門限值的ABS系統(tǒng)，其各類車輛之間兼容性不好，。對不同配置的車輛，其控制參數(shù)值不一樣。此外。系統(tǒng)工作所需的部分?jǐn)?shù)據(jù)無法通過理論模型計算得出，只能依靠大量實驗獲得經(jīng)驗數(shù)據(jù)，從而缺乏理論根據(jù)。

（3）最優(yōu)控制方式

由于邏輯門限控制方式存在不可避免的缺點，一種基于最優(yōu)化控制方式的ABS系統(tǒng)慢慢發(fā)展開來。它可以根據(jù)車輛-地面系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用狀態(tài)空間的概念，在時域內(nèi)研究ABS。這是一種基于模型的控制，是一種分析型的系統(tǒng)。該方法根據(jù)ABS的各項控制要求，按最優(yōu)化原理，得到控制系統(tǒng)的最優(yōu)化控制指標(biāo)。但控制系統(tǒng)的效果基本取決于于車輛-地面系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的精度，而數(shù)學(xué)模型與實際工況有一定的誤差，加上車輛行駛中的各種參數(shù)變化的影響，使得系統(tǒng)控制效果不良。

（4）滑模變結(jié)構(gòu)控制方式

基于上述兩種控制方式的不足之處，行業(yè)內(nèi)又提出了滑模動態(tài)變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。它以經(jīng)典的數(shù)字控制理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)穩(wěn)定性強?；討B(tài)變結(jié)構(gòu)控制屬于一類特殊的非線性控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時的狀態(tài)、偏差及其導(dǎo)數(shù)值在不同的控制區(qū)域，以理想開關(guān)的方式切換控制量的大小和符號。系統(tǒng)由受控對象和一個變結(jié)構(gòu)控制器組成。其控制目標(biāo)是使實際制動時，車輛滑移率盡可能滿足最佳滑移率曲線。目前，能夠滿足要求的車速傳感器，由于其成本太高而不可能采用，加之實現(xiàn)該控制方式的伺服機構(gòu)仍比較復(fù)雜，另外需要滿足該控制方式的伺服部件工作原理復(fù)雜，因此ABS系統(tǒng)中較少采用此類控制方式。

（5）模糊控制方式

模糊控制具有不依賴對象的數(shù)學(xué)模型，便于利用人的經(jīng)驗知識，在汽車的ABS中正開始應(yīng)用。模糊控制原理圖如圖1所示。系統(tǒng)采用雙輸入信號、單信號輸出結(jié)構(gòu)，以滑移率誤差e及滑移率變化ec作為輸入量，經(jīng)模糊計算得到的輸出量u作為制動輪缸壓力控制信號，確定ABS壓力調(diào)節(jié)器的壓力調(diào)節(jié)值?；坡收`差e為期望滑移率λ0和實測的滑移率λ之差，滑移率誤差變化率ec為e的一階導(dǎo)數(shù)。通過計算機仿真研究和在試驗臺上的試驗研究結(jié)果表明，模糊控制技術(shù)在汽車ABS上的應(yīng)用改善了其性能，使汽車的制動性能變得更好；基于模糊控制技術(shù)的汽車ABS的預(yù)測性增強，制動更加平穩(wěn)，顯示出汽車ABS模糊控制系統(tǒng)具有進(jìn)一步研究和開發(fā)價值，應(yīng)用前景良好。

2 ABS控制原理

（1）ABS理論基礎(chǔ)

汽車行駛在路面上，地面能夠提供的附著力是輪胎與路面之間的摩擦力。因此，車輛的載荷和路面能夠提供的附著系數(shù)決定了汽車所能受到附著力的大小，其關(guān)系為

其中 Fμ-輪胎與路面間的附著力

FN-輪胎與路面間的垂直載荷

μ-輪胎與路面間的附著系數(shù)

由式（1-1）可知，最大程度減少制動距離，增加制動減速度就需盡可能提高輪胎與路面之間的附著系數(shù)μ。因為附著系數(shù)μ隨著路況的變化處于不斷變化中，其值與車輛滑移率有關(guān)?；坡识x為：

其中 -汽車行駛的瞬時速度

ω-車輪角速度

R-車輪滾動半徑

（2）ABS基本組成

ABS系統(tǒng)在常規(guī)制動裝置的基礎(chǔ)上，增設(shè)輪速傳感器、電控單元（集成液壓調(diào)節(jié)單元）和ABS報警燈。輪速傳感器用以實時計算車輪轉(zhuǎn)速。電控單元以此信號為基礎(chǔ)進(jìn)行計算。經(jīng)電控單元計算汽車參考車速、車輛加速度（減速度），并對計算結(jié)果與設(shè)定的基準(zhǔn)值比較，發(fā)出控制指令信號，控制液壓調(diào)節(jié)單元從而調(diào)節(jié)制動壓力。此外，電控單元還具有對整個ABS工作狀況進(jìn)行自檢和安全監(jiān)視警告功能。

（3）ABS分類

ABS控制通道通常是指制動壓力調(diào)節(jié)器通往制動器的獨立控制的液壓通過。按控制通道數(shù)量的不同，ABS可分為單通道、雙通道、三通道及四通道式，目前應(yīng)用最為廣泛為四通道式ABS系統(tǒng)。

3 模糊控制策略

（1）模糊理論

美國計算機與控制論專家L.A.Zadeh教授于1965年率先提出了模糊集概念，創(chuàng)造了研究模糊性或不確定性問題的理論方法。模糊理論與技術(shù)一個突出的優(yōu)點就是對復(fù)雜事物和系統(tǒng)可以進(jìn)行模糊度量、模糊識別、模糊推理、模糊控制與模糊決策。模糊控制理論是一種非常有應(yīng)用價值的理論，其優(yōu)點主要有：

1）對于難以建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜問題，利用模糊語言控制策略能夠使得問題簡化，控制更加高效。

2）模糊控制方法簡單、形象，研究難度不大。

3）系統(tǒng)控制效果好于傳統(tǒng)PID控制，參數(shù)適應(yīng)性強。

（2）模糊控制器設(shè)計

模糊控制系統(tǒng)關(guān)鍵是模糊控制器的設(shè)計。模糊控制器一般包括作為輸入部分的模糊化接口，作為相應(yīng)控制規(guī)則存貯的知識庫（數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫）、模糊推理機和作為輸出部分的解模糊接口等三大部分，如圖2所示。其中，輸入部分是將確定的輸入量轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的系統(tǒng)處理矢量；知識庫用以存貯系統(tǒng)控制需要應(yīng)用到的各類子集和系統(tǒng)控制規(guī)則；推理機將由輸入部分輸入信息根據(jù)知識庫有關(guān)規(guī)則進(jìn)行推理并將推理結(jié)果發(fā)送至輸出部分；解模糊控制接口則將推理機處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的精準(zhǔn)量最終輸出。

圖2 模糊控制器組成圖

1）輸入、輸出變量確定

ABS系統(tǒng)控制的最終目的是將當(dāng)前車輪滑移率控制于最佳滑移率范圍內(nèi)，故可將期望滑移率（最佳滑移率）作為輸入目標(biāo)，輸出變量作為制動器輪缸壓力增量。根據(jù)附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系曲線圖，最佳滑移率取值15%-25%，車輪的實際滑移率為0-100%，所以系統(tǒng)控制誤差的取值范圍可為-85%-25%，考慮到誤差范圍應(yīng)盡可能縮小，故最終誤差取值范圍為-20%-20%。

2）模糊規(guī)則設(shè)計

模糊化過程中，可選用三角函數(shù)作為隸屬度函數(shù)，將誤e及輸出變量u分為7個子集，根據(jù)輸入、輸出變量關(guān)系，建立模糊控制規(guī)則表，如表1所示。模糊推理方法選用Mamdani最小推理法，解模糊化采用二等分法。

（3）系統(tǒng)仿真

根據(jù)相應(yīng)模糊控制器設(shè)計，可將ABS系統(tǒng)模型導(dǎo)入MATLAB/Simulink軟件中，結(jié)合創(chuàng)建的模糊控制器，對ABS系統(tǒng)進(jìn)行模型仿真，從而得出前后輪滑移率、車輛制動距離及前后輪制動壓力隨時間變化曲線，從而得到保證制動穩(wěn)定性基礎(chǔ)上獲得最大制動距離的仿真結(jié)果，驗證模糊控制技術(shù)在汽車ABS系統(tǒng)上的應(yīng)用可以達(dá)到比較理想的控制效果。

表1 ABS模糊控制規(guī)則

4 結(jié)語

模糊控制作為一種智能控制方法，具有不依賴數(shù)學(xué)模型，魯棒性能好的優(yōu)點，越來越成為解決當(dāng)今復(fù)雜問題的一種技術(shù)手段。通過模糊控制規(guī)則的建立以及模糊控制器的設(shè)計，以期達(dá)到ABS系統(tǒng)工作過程中更優(yōu)的控制效果。通過導(dǎo)入MATLAB軟件，可以驗證具有模糊控制的ABS系統(tǒng)在不同附著系數(shù)的路面上都具有更好的制動效果，從而提高了ABS系統(tǒng)工作效率，具有極為廣泛地應(yīng)用前景。