吳俊

武漢商學(xué)院 湖北 武漢 430000

引言

車(chē)輛在路面行駛，其安全性可分為主動(dòng)安全和被動(dòng)安全兩種類(lèi)別。主動(dòng)安全是車(chē)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(dòng)安全是車(chē)輛不可避免發(fā)生事故情況下，最大程度避免車(chē)內(nèi)成員發(fā)生傷害的能力。除了通過(guò)一定的法律法規(guī)保證汽車(chē)行駛的秩序，減少交通事故之外，在車(chē)輛上也必須具備相關(guān)的控制部件（防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、輔助約束系統(tǒng)）確保車(chē)輛行駛過(guò)程中的安全性。隨著汽車(chē)數(shù)量的急劇增長(zhǎng)，對(duì)車(chē)輛安全尤其是主動(dòng)安全的要求也越來(lái)越高，不僅加強(qiáng)了交通秩序的管制，而且對(duì)汽車(chē)這個(gè)現(xiàn)代交通工具自身的安全性也提出了新的要求。目前車(chē)輛上安裝涉及行駛安全系統(tǒng)的種類(lèi)越來(lái)越多，控制效果也越來(lái)越滿足實(shí)際行車(chē)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(chē)內(nèi)乘員傷亡的概率。

1 汽車(chē)ABS系統(tǒng)控制方式

汽車(chē)ABS系統(tǒng)能夠有效保證車(chē)輛制動(dòng)時(shí)不會(huì)因?yàn)橹苿?dòng)力太大從而使得輪胎相對(duì)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(dòng)狀況，通過(guò)調(diào)整車(chē)輪制動(dòng)力來(lái)保證車(chē)輪相對(duì)于路面不會(huì)發(fā)生較大程度地滑移，從而在保證制動(dòng)穩(wěn)定性條件下盡可能較少制動(dòng)距離。

ABS的控制方式雖然較多，但都是通過(guò)調(diào)節(jié)制動(dòng)力，充分利用路面附著性能，更加有效地控制車(chē)輛制動(dòng)?？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(chē)輪滑移率控制方式

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

（2）邏輯門(mén)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(mén)限值控制方式。車(chē)輛通過(guò)采用加、減速度門(mén)限作為控制門(mén)檻值，將參考滑移率值設(shè)置為輔助信息。車(chē)輛如果單獨(dú)采用門(mén)限值作為控制門(mén)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(chē)輪速度，通過(guò)設(shè)定的車(chē)輛制動(dòng)減速度值算出參考車(chē)速，再求出參考滑移率。這樣，設(shè)定的車(chē)輛制動(dòng)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(mén)限值的ABS系統(tǒng)，其各類(lèi)車(chē)輛之間兼容性不好，。對(duì)不同配置的車(chē)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(wú)法通過(guò)理論模型計(jì)算得出，只能依靠大量實(shí)驗(yàn)獲得經(jīng)驗(yàn)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(mén)限控制方式存在不可避免的缺點(diǎn)，一種基于最優(yōu)化控制方式的ABS系統(tǒng)慢慢發(fā)展開(kāi)來(lái)。它可以根據(jù)車(chē)輛-地面系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用狀態(tài)空間的概念，在時(shí)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(xiàng)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(chē)輛-地面系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的精度，而數(shù)學(xué)模型與實(shí)際工況有一定的誤差，加上車(chē)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(dòng)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(qiáng)。滑模動(dòng)態(tài)變結(jié)構(gòu)控制屬于一類(lèi)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(shí)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(kāi)關(guān)的方式切換控制量的大小和符號(hào)。系統(tǒng)由受控對(duì)象和一個(gè)變結(jié)構(gòu)控制器組成。其控制目標(biāo)是使實(shí)際制動(dòng)時(shí)，車(chē)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(chē)速傳感器，由于其成本太高而不可能采用，加之實(shí)現(xiàn)該控制方式的伺服機(jī)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(lèi)控制方式。

（5）模糊控制方式

模糊控制具有不依賴(lài)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，便于利用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，在汽車(chē)的ABS中正開(kāi)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(hào)、單信號(hào)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(jì)算得到的輸出量u作為制動(dòng)輪缸壓力控制信號(hào)，確定ABS壓力調(diào)節(jié)器的壓力調(diào)節(jié)值。滑移率誤差e為期望滑移率λ0和實(shí)測(cè)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(guò)計(jì)算機(jī)仿真研究和在試驗(yàn)臺(tái)上的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，模糊控制技術(shù)在汽車(chē)ABS上的應(yīng)用改善了其性能，使汽車(chē)的制動(dòng)性能變得更好；基于模糊控制技術(shù)的汽車(chē)ABS的預(yù)測(cè)性增強(qiáng)，制動(dòng)更加平穩(wěn)，顯示出汽車(chē)ABS模糊控制系統(tǒng)具有進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)價(jià)值，應(yīng)用前景良好。

2 ABS控制原理

（1）ABS理論基礎(chǔ)

汽車(chē)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(chē)輛的載荷和路面能夠提供的附著系數(shù)決定了汽車(chē)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(dòng)距離，增加制動(dòng)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?yàn)楦街禂?shù)μ隨著路況的變化處于不斷變化中，其值與車(chē)輛滑移率有關(guān)?；坡识x為：

其中 -汽車(chē)行駛的瞬時(shí)速度

ω-車(chē)輪角速度

R-車(chē)輪滾動(dòng)半徑

（2）ABS基本組成

ABS系統(tǒng)在常規(guī)制動(dòng)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(bào)警燈。輪速傳感器用以實(shí)時(shí)計(jì)算車(chē)輪轉(zhuǎn)速。電控單元以此信號(hào)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)電控單元計(jì)算汽車(chē)參考車(chē)速、車(chē)輛加速度（減速度），并對(duì)計(jì)算結(jié)果與設(shè)定的基準(zhǔn)值比較，發(fā)出控制指令信號(hào)，控制液壓調(diào)節(jié)單元從而調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力。此外，電控單元還具有對(duì)整個(gè)ABS工作狀況進(jìn)行自檢和安全監(jiān)視警告功能。

（3）ABS分類(lèi)

ABS控制通道通常是指制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器通往制動(dòng)器的獨(dú)立控制的液壓通過(guò)。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(guó)計(jì)算機(jī)與控制論專(zhuān)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(wèn)題的理論方法。模糊理論與技術(shù)一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)復(fù)雜事物和系統(tǒng)可以進(jìn)行模糊度量、模糊識(shí)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(jià)值的理論，其優(yōu)點(diǎn)主要有：

1）對(duì)于難以建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜問(wèn)題，利用模糊語(yǔ)言控制策略能夠使得問(wèn)題簡(jiǎn)化，控制更加高效。

2）模糊控制方法簡(jiǎn)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(qiáng)。

（2）模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制系統(tǒng)關(guān)鍵是模糊控制器的設(shè)計(jì)。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(shí)庫(kù)（數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)）、模糊推理機(jī)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(duì)應(yīng)的系統(tǒng)處理矢量；知識(shí)庫(kù)用以存貯系統(tǒng)控制需要應(yīng)用到的各類(lèi)子集和系統(tǒng)控制規(guī)則；推理機(jī)將由輸入部分輸入信息根據(jù)知識(shí)庫(kù)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(jī)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(chē)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(dòng)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(chē)輪的實(shí)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(jì)

模糊化過(guò)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(gè)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(jì)，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(duì)ABS系統(tǒng)進(jìn)行模型仿真，從而得出前后輪滑移率、車(chē)輛制動(dòng)距離及前后輪制動(dòng)壓力隨時(shí)間變化曲線，從而得到保證制動(dòng)穩(wěn)定性基礎(chǔ)上獲得最大制動(dòng)距離的仿真結(jié)果，驗(yàn)證模糊控制技術(shù)在汽車(chē)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(yǔ)

模糊控制作為一種智能控制方法，具有不依賴(lài)數(shù)學(xué)模型，魯棒性能好的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越成為解決當(dāng)今復(fù)雜問(wèn)題的一種技術(shù)手段。通過(guò)模糊控制規(guī)則的建立以及模糊控制器的設(shè)計(jì)，以期達(dá)到ABS系統(tǒng)工作過(guò)程中更優(yōu)的控制效果。通過(guò)導(dǎo)入MATLAB軟件，可以驗(yàn)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(dòng)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。