外文翻译--基于模糊PID控制的液压防抱死制动系统的研究与应用 中文版

基于模糊PID控制的液压防抱死制动系统的研究与应用摘要: 在液压制动系统中，针对当前的防抱死制动系统，一个新的控制策略被提出，其分析了液压系统的制动特性和瞬时动态。根据相关的数学模型，通过利用MATLAB/SIMULINK建立了仿真模型。为了保持可操纵性和提高制动效率，考虑到非线性特征、时变和防抱死制动系统的不确定性，模糊控制论被采用。由于缺乏单模糊控制器，又设计出了模糊PID控制器。通过具有更好控制精度的传统PID控制器，模糊控制器得到了优化。模拟结果表明模糊PID控制器使车胎在制动过程中总能达到完美的滑动状态，同时确保汽车有更好的方向机动性、稳定性，使制动距离相对缩短。 关键词：防抱死制动；液压；模糊控制；PID控制器；模拟1. 前言 防抱死制动系统（ABS）是一种采用电子控制技术的机电液体综合装置。它是基于传统的制动系统在预留范围内通过汽车轮胎刹车过程来控制滑动系数，从而提高制动效率和横向稳定性以及方向可操纵性。 对于液压ABS系统来说，控制器主要用于控制闸压力的变化：当较大的电流进入电磁阀，制动主缸和制动轮缸间的通道被堵塞，制动轮缸和液压燃料箱相通，制动液从前者流向后者，因此闸压力立即减少。同时电动机开启，驱使液压泵工作。制动液被迫流回液压汽油箱，然后被运输到准备开始下一个循环的制动主缸；当较小的电流进入电磁阀，所有的通道都被堵塞，所以闸压力保持不变。在电磁阀关掉后，制动主缸里的高压制动液（包括从液压泵输出的制动液）再次进入制动轮缸，增加闸压力。增压和降压的速度能通过电磁阀转换油料来控制。ABS是一种时变的、非线性的、未确定的系统。控制策略从单控制模式逐渐发展，例如PID控制、模糊控制、神经控制等等，它们都是基于加速和减速逻辑门限发展成为结合各种控制模式的综合性控制模式。在本文中，模糊PID控制器对于ABS来说是一个结合了单模糊控制和PID控制的优点的混合控制模式。这个混合控制系统能充分利用两种控制策略来达到更好的控制结果。2. ABS动态模型（1）汽车模型 七自由度（包括四个轮子的转动、车身侧摆动、纵向和横向的移动）车辆模型如图一所示。考虑到轮胎滚动阻力和空气动力阻力的影响，汽车运动的基本方程式如下：fx和fy表示汽车的纵向力和横向力，Fx1和Fy1表示每个轮子和地面间产生的摩擦力，Vx、Vy、MZ、表示纵向和横向的速率，惯性的瞬间和横向摆动的角速度，Bf、Br表示前轮距和后轮距，M是汽车总质量，IZ是是整个汽车的转动惯量。（2）轮胎模型描述四个轮子转动的微分方程式如下：i是轮子的角加速度，Ii是轮子的转动惯量，Mf是轮子的制动力矩，Mft是轮子的转动阻力矩，Ri是轮子的有效半径。车轮滑动的方程式如下：S和a分别是车轮纵向滑动和车轮横向滑动。在车轮与地面间，摩擦和滑动的长度系数的关系如图2（x）双线性模型所示。函数关系如下： 、h、g分别表示增长系数，增长系数最大值和滑动增长系数，S和Sr表示滑动和预期滑动。摩擦力横向系数和滑动间的关系采用复杂曲线所表达，如图2(y)。（3）制动器模型设置制动器模型的目的是为了建立车轮制动瞬间和闸压力在制动器中的关系。模拟时，集中在不同车轮泵上的闸压力直接作为车轮闸压力的输入值。当ABS工作时，中断驱动器来控制制动管路压力，并且车轮闸压力被安装在制动管路附近的压力调节器所控制。因此通过ABS控制器的控制算法算出了闸压力值。3. 模糊控制器的设计模拟模型的控制配置为四个途径，四个车轮上每个分别装有一个感应器。每个控制途径的结构如图3所示。 在本文中，ABS模糊控制器的设计使车轮滑动保持接近目标值，期望能获得更好的制动性能，横向稳定性是在要求范围内。滑摩控制是一种连续的数量控制，可以采用PID和优化控制等方法。虽然PID的方法简单且有实用性，但是它的参数需要根据系统情况匹配，然而因为车辆操纵模式多变和轮胎的非线性，匹配参数是一件很困难的事。模糊控制可以采用多变的工作情况和非线性系统，而且有稳健性的优势。 轮胎的滑动误差（e）和它的变化率（ec）作为模糊控制器精确的输入量。闸压力的变化量（p）作为精确的输出。滑动误差为预期的S0和实际的S之间的差距。e，ec和p在特定的基本定域里分别被量化，因此在相应的量化定域里得到模糊输入E和EC以及模糊输出p。 模糊控制器变量的定域和隶属函数如图4所示。模糊控制器输入变量采用E和EC。在不同泵里的制动汽油压力p作为输出变量。图4（a）（b）（c）分别所示的是两个输入变量和一个输出变量的隶属。为了得到更高的灵敏度，每个变量隶属采用三角函数，分别如下所示：E分成五个等级：NB，NS，ZE，PS，PB。EC分为三个等级：NB，ZE，PB。p分为五个等级：NB，NS，ZE，PS，PB。 在图4里，每个变量隶属函数分为更小的级别，为了防止太多的规则控制过程反应太慢。相比之下我们期望变量EC有一个较小的输出敏感度，所以它只被分成了三个级别。为了提高控制的敏感性，在较小的误差领域内采用了高识别模糊设置，而在大误差领域内采用低识别模糊设置，所以系统具有更好的稳定性。因此它更加接近零点，并且通过变量p的隶属函数更多的控制策略被采纳。构建ABS模糊控制规则是为了表现数据间的关系。当ABS工作，输入输出之间的变量作为逻辑推论规定了输入输出间的语言变量。控制规律设置的数被输入语言变量数和其隶属数所确定。本文采用的模糊规则如表1所示，四个途径的模糊逻辑采用的是同样的控制规则。模糊逻辑研究法采用马丹尼最大值和无穷小推论，以及在去模糊化中采用了重心法。根据模糊控制，模拟结果如图5和图6所示。初始状态设置为V0=30km/h。在这些图中，FL、FR、RR、RL分别指左前轮、右前轮、左后轮、右后轮，Vx是车速。 分析滑动曲线，车速和轮速形成两个曲线。我们发现采用模糊控制可以限制实际的滑动更接近于期望的结果，防止车轮抱死和汽车无法控制。但是滑动波动更接近于预期值，说明模糊控制器在控制精度方面较低，而避免系统稳态误差的能力很好。为了克服单模糊控制的缺点，PID控制器被用于提高控制精度。4. 模糊PID控制器的设计模糊PID控制器的设计理念：当滑动误差较大，模糊控制才会被采用，因为它有敏捷和较强的抗干扰能力；当滑动误差较小，PID控制方法被采用，因为它有更好的稳定性和更高的控制精度。根据模糊PID控制器，ABS的结构如图7所示。 在本文中，滑动误差的绝对值被设置为阈值。当少于这个值，采用PID控制，反之采用模糊控制。阈值的选择直接影响PID控制器和模糊控制器工作时间的长度，而且对控制效果也有很大的影响。如果这个值选的太大，PID控制器的工作时间会相对较长，将会影响运动的系统性。如果这个值太小，模糊控制器的工作时间相对较长，会影响控制的精度。5. 模拟结果和模糊PID控制器的分析 初始状态是V0=30km/h，控制器门限被设置为0.08。模拟结果如图8到图11所示。汽车制动数据如表格2所示。后稳定在预期值附近。图中没有很大的浮动，幅度范围保持在-0.10.1之间。因为负载的移动使轮胎和地面间的摩擦力增大，在转为制动的过程中，只考虑了横向移动而忽略了俯仰移动，这将导致在分配制动力时出现误差。因此，在1.56秒时前轮有停止转动的趋势，而后轮依然正常转动。从图9我们可以看出在ABS开始工作后车轮的速度很好地跟随汽车的速度。车轮一直保持减速状态，所以车身的方向稳定性能被控制。对比单模糊控制器，模糊PID控制器的稳定误差显然更小，制动稳定性更好。如图10和图11表明，制动距离是7.9米，汽车的横向偏移量是1.22米。制动距离并不是很理想，因为在制动开始时ABS还未工作，所以车轮速度下降的很慢，明显延长了距离。而汽车的横向偏移量在允许范围内。这证明了模糊PID控制器能更好地控制方向稳定性和可操作性。6. 总结 本文通过研究汽车制动模式，考虑了ABS模式的非线性和不确定性，设计出一个模糊控制器，实施了系统的模拟并且分析了模拟结果。结果证实模糊控制器能有效地控制车辆制动。鉴于模糊控制器控制精度方面的局限性，在采用相同模糊规则的情况下，模糊PID控制器被设计出来。模拟结果表明模糊PID控制器使轮胎在制动过程中一直保持更理想的滚动状态，确保操纵方向、稳定性和制动性能更佳优越，并且它证实了模糊PID控制器能达到更理想的制动控制性能。