汽车asr的模糊控制(编辑修改稿)

汽车asr的模糊控制(编辑修改稿)内容摘要：

出力矩调节是最早应用的驱动防滑控制方式，它在附着系数较小的冰雪路面上或在高速下，驱动轮发生过度滑转时，该控制方式十分有效。 而它的响应较慢，而且只能同时对所有驱动轮的驱动力矩进行调节，主要用于提高汽车行驶方向的稳定性，对加速或爬坡中提高牵引力效果不大。 另外，仅依靠调节发动机输出力矩不能解决汽车在对开路面上起步加速问题。 驱动轮制动力矩调节 驱动轮制动力矩调节就是在发生打滑的驱动轮上施加制动力矩，使车轮转速降至最佳的滑转率范围内。 制动力矩调节一般与发动机输出力矩 调节结合起来应用，即干预制动后要紧接着调节发动机输出力矩，否则可能出现制动力矩之间无意义平衡引起的功率损耗。 制动力矩调节的主要功能是部分控制差速器作用。 当两车轮处在对开路面上时，普通轮间差速器由于平均分配转矩的特点，使处在好路面上车轮的附着力不能充分发挥，从而导致牵引力不足。 此时，可以对滑转车轮施加制动力矩，以增加好路面上车轮的牵引力，从而提高车辆的牵引性。 因制动力矩直接作用在驱动轮上，所以驱动轮制动力矩调节的响应时间较短，但作用时间不宜过长，以免摩擦片过热。 考虑到舒适性，制动力矩变化率不宜过大。 离合器或变速器控制 离合器控制是指当发现汽车驱动轮发生过度滑转时，减弱离合器的结合程度，使离合器主、从动盘出现部分相对滑转，从而减小传输到半轴的发动机输出力矩；变速器控制是指通过减小传动比的办法来调节驱动轮的驱动力矩，从而减小驱动轮滑转程度的一种驱动防滑控制方式。 由于离合器和变速器控制反应较慢，变化突然，所以一般不作为单独的控制方式，而且由于压力和磨损等问题，其应用也受到很大的限制 【 3】、【 5】、【 6】。 ASR 系统的控制策略 PID 控制 PID（比例、微分、积分）控制是连续系统中技 术成熟，应用广泛的一种控制方法。 其最大优点是不需了解被控对象的数学模型，只要根据经验进行调节器参数在线整定，即可取得满意的结果。 实际控制中，可将实际车轮滑转率与理想第一章 绪论 6 的车轮滑转率构成的误差，由 PID 控制器算法算出控制牵引力值并反馈给发动机或制动器，从而调节发动机输出扭矩或者制动器制动力，使车轮滑转率接近或等于理想滑转率。 这种方法的不足之处是对被控对象参数变化比较敏感。 模糊控制 模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法。 模糊控制的基础是模糊数学，实现手段 是计算机。 美国加州大学电气工程系 教授在 1965 年发表的 Fuzzy Set 论文中首次提出了表达事物模糊性的重要概念 — 隶属函数，突破了经典集合理论的局限性，奠定了模糊理论的数学基础。 1966 年， 发表了模糊逻辑的研究报告，这一报告真正标志着模糊逻辑的诞生，为计算机模仿人的思维方式来处理普遍存在的语言信息提供了可能。 1973 年 又提出了用模糊语言进行系统描述的方法，给出了模糊推理的理论基础，为模糊控制提供了有效的手段。 1974年，英国的 和 他的学生在 Queen Mary 学院首次用模糊逻辑和模糊推理实现了蒸汽发动机的模糊控制实验，宣告了模糊控制的问世。 模糊逻辑最重要的性质之一，就是静态模糊系统同启发式规则相结合，从而具备了解决不确定问题的能力。 它首先将精确的数字量转换成模糊集合的隶属函数，然后根据控制器制定的模糊控制规则，进行模糊逻辑推理，得到一个模糊输出隶属函数，最后根据推理得到的隶属函数，用不同的方法找出一个具有代表性的精确值作为控制量，加到执行器上实现控制 【 7】。 本文研究的主要内容 控制理论目前已越来越多的在汽车领域得到应用， ASR 系统就是其中一个典型的例子。 由于 ASR 系统对于汽车行驶性能方面有着显著的作用，因此，国内外很多科研机构都对这一系统的控制问题展开了研究。 本文将参照国内外在这一领域的一些先进技术，提出自己的研究方案。 这里主要是针对汽车在平直对开路面起步和直线加速阶段，从以下几个方面作以研究： （ 1）研究 ASR 系统的工作实质，即 ASR 系统是如何通过控制滑转率来优化汽车的起步和防止汽车行驶中出现滑转现象。 选取仿真环境为左右轮分别为高附着和低附着的对开路面直线驱动，这个时候，由于未对车轮的加速进行控制，因此理论上会出现车轮滑转 率偏大、汽车行驶方向偏移的情况，得出未加入 ASR 各种调节方式时的车轮实际速度、车轮目标速度、车轮滑转率、汽车偏移角度等仿真曲第一章 绪论 7 线图。 （ 2）研究 ASR 系统的驱动轮制动控制控制调节方式，建立驱动轮制动控制系统的 Simulink 数学模型。 设计对开路面的选通控制逻辑，即在起步加速阶段，当某一驱动轮或两个驱动轮发生滑转时， ASR制动控制系统根据两个轮各自的附着系数情况加入适当的制动力，保证车辆获得尽可能高的加速度。 （ 3）选取左右附着系数不同的对开路面直线驱动为仿真环境，应用 PID、模糊控制等控制算法建立相应控制器对 驱动轮制动系统进行调节，分别得出加入制动控制调节方式之后的车轮实际速度、目标速度和滑转率，与未加入控制器时的仿真曲线作出比较，分析加入控制器之后对汽车的驱动效 果所产生的影响。 并通过对比两种不同的控制算法的仿真曲线，总结出两 个控制算法的优劣。 第二章 驱动防滑控制系统的数学模型 8 第二章 驱动防滑控制系统的数学模型 引言 汽车系统是一个复杂的机械系统，很难准确建立汽车驱动过程的数学模型，但可 以通过对汽车驱动过程的进行机理辨识，受力分析，建立合理的近似数学模型，辨识系统的特性。 通过计算 机仿真系统模拟汽车的特性，进行仿真研究。 本文所包含的模型有动力传动系模型、制动器模型，其中动力传动系模型又包括 发动机模型 、 传动系模型 、 轮胎模型 【 8】。 ASR 系统 数学模型的建立 动力传动系模型 汽车动力传动系包括发动机、离合器、变速箱、分动器、传动轴、主减速器、半轴和轮胎等，为了尽可能简化系统的数学模型，而有能反映出系统的运动特性，对动力传动系做如下假设： （ 1）各部件均以集中质量形式存在； （ 2）不考虑各相关件的弹性阻尼； （ 3）忽略扭振、摆振等振动的影响； （ 4）离合器、变速箱、传动 轴和半轴只起传递扭矩的作用； 发动机为柴油发动机，差速器为对称式锥齿轮差速器。 下边分别建立发动机模型、传动系模型和轮胎模型 【 9】。 1． 发动机 数学 模型 发动机模型是由发动机 MAP 曲线确定的，与驱动系统有关的 MAP 曲线是发动机的输出扭矩，通常是由点火提前角，发动机转速及进气压力计算出来的。 为了简化， 采用进气节流阀开度和发动机转速作为决定发动机输出扭矩的参数。 这样便于实际测试数据，用函数表达为  eM f n ， 式中 :Me—— 发动机输出力矩 ； n—— 发动机转速 ； a—— 发动机节气门 开度。 由于这一函数关系很难建立准确的物理模型，而且不同发动机的输出数据 关系相差较大。 一般是采用试验的方法测量 Me， n， a 数据。 根据节气门开度 a 的变化，可以采用数据拟合方式将这些数据拟合成一组组一维多项式表达，例如 : 230 1 2 3M i a a n a n a n    第二章 驱动防滑控制系统的数学模型 9 式中 :Mi—— 某一节气门开度的输出力矩。 a0， a1， a2， a3—— 方程拟合系数。 发动机的瞬态输出力矩，可以采用插值的方式来决定，根据试验数据求出Mi拟 合方程，再由插值确定节气门开度所利用的方程，这样就确定出最终的输出力矩。 2．传动系 数 学 模型 半轴作用于驱动轮的转矩 39。 tT 是发动机转矩 tqT 经传动系传递作用于驱动车轮上的转矩。 汽车加速时，发动机的旋转质量 (主要指飞轮 )也相应有一角 加速度edwdt ， edwdt 与驱动轮角加速度 2dwdt 之间的关系可由 下 式来决定 ： 20e gdw dwiidt dt 式中 : gi —— 变速器传动比 ； 0i —— 主减速器传动比。 显然 ： 39。 0et tq f g TdwT T I i idt  式中： fI —— 飞轮的转动惯量； tqT —— 发动机转矩。 所以 ： 39。 2 20 0 2t tq g T f g TT T i i I i i d w d t 所以作用在驱动轮上的实际驱动力为 ： 39。 39。 ttF T R 3．轮胎 数学 模型 轮胎与地面之间的相互作用力与滑转状态、侧偏角、垂直载荷、轮胎刚度以及地面种类有关，轮胎模型则以数学函数描述了地面对轮胎的作用力。 硬地面上一般采用理论模型或经验公式计算轮胎附着力 【 10】。 本文研究的是 对 开路面情况下的仿真分析，而 硬地面转向驱动汽车轨迹则由地面与轮胎纵向和侧向附着力决定，选择 GIM 轮胎模型。 轮胎与地面的静摩擦特性特征值： 1 1 01a  驱动轮 1 0a 非驱动轮 式中： 1 为车轮纵向滑转率取 100﹪时，车轮与地面间沿车轮动坐标系 x 轴方向的纵向附着系数； 0 为车轮与路面的静摩擦系数。 第二章 驱动防滑控制系统的数学模型 10 车轮沿车轮坐标系 x 轴方向的纵向滑转率：  xxs R V R 驱动轮 0xs  非驱动轮 车轮沿车轮坐标系轴 y 方向的侧向滑转率：  1 ta nxxss   驱动轮 tanxs  非驱动轮 轮胎与地面的联合附着系数：  22020x y x ya s s      驱动轮 tanxy   非驱动轮 轮胎与地面间沿 x 轴、 y 轴方向的纵向和侧向附着系数分别为： c o sx x y      siny x y      令轮胎与地面接触区的滚动和转动的临界点为：      22 3x y x x y y x y Zs c s c s F        驱动轮  3x y x x x y Zs c s F      非驱动轮 GIM 理论轮胎模型中间变量： 1n x y nls 则轮胎与地面间沿 x 轴纵向附着力：  2 2 31 3 2x x x n x Z n nF c s l F l l       x x ZFF 上面两式为驱动轮，下式为非驱动轮 ： 0xF 轮胎与地面间沿 y 轴侧向附着力：    2 2 31 3 2y x x n x Z n n x x cF c s l F l l s s           y x Z x x cF F s s    第二章 驱动防滑控制系统的数学模型 11 制动器 数学 模型 制动器模型用于计算汽车各个车轮在一定条件下所输出的制动力矩。 制动器制动力矩可由如下公式算出 ：  0bi l i iM P P B F R 式中 ： lP ： 分泵气压管路压力 (Mpa)； 0P ： 推出制动蹄使之于制动鼓接触的压力损失 (推出压耗 )(Mpa)；  ： 分泵效率 ； R： 制动鼓半径 (m)； i： 左驱动轮和右驱动轮。 由 于鼓式制动器的推出压耗 0P 一般为管路压力的几十分之一，可以忽略不计，则 上 式可以写成 ： bi i iM K P 其中 iiK BFR 为一常数 ， 对于常规制动，气压管路压力 iP 为： i p p p mP F l A 上式中： pF ： 踏板力 （Ｎ）； pl ： 踏板机构传动比 ； p ： 踏板杆系至总泵的效率 ； mA ： 总泵工作面积 ( 2m )【 11】。 本章小结 本章建立了驱动防滑系统中的所用数学模型为后面建立驱动防滑系统的Simulink 仿真模型打下基础。 第三章 ASR 系统的控制算法研究 12 第三章 ASR系统的控制算法研究 引言 由第一章 节所示， ASR 系统的核心控制思想就是控制打滑车轮的滑转率 S，以便充分发挥驱动轮的牵引力，同时又能保证车辆一定的侧向稳定，若以驱动轮的实际滑转率作为被控目标变量，那么控制汽车驱动轮过度滑转实质上就是调节驱动轮实际滑转率与目标滑转率 之间的差值，并使之趋近于 0。 本章针对汽车驱动防滑 （ ASR）系统采用 PID 及 Fuzzy PID 控制方法进行控制算法研究。 PID 控制算法 PID 控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器。