CN108248584A - 基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法 - Google Patents

基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法 Download PDF

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Abstract

基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法，属于车辆非线性控制领域，解决了现有车辆防抱死***无法对线控制动车辆进行鲁棒控制的问题。本发明所述的基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法包括建立线控制动车辆的制动动力学模型的步骤、根据所述制动动力学模型设计基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***控制器的步骤以及通过线控制动车辆防抱死***控制器来控制线控制动车辆防抱死***的步骤。本发明所述的基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法特别适用于对线控制动车辆防抱死***进行鲁棒控制。

Description

基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法
技术领域
本发明涉及一种车辆防抱死***的控制方法，属于车辆非线性控制领域。
背景技术
在车辆制动的过程中，尤其是在摩擦系数较低的路面上进行紧急制动时，车轮经常会抱死。抱死的车轮会导致车辆失去转向能力，并且会延长制动时间，拉长制动距离，这是非常危险的工况。为此，十分有必要对车辆进行防抱死控制，以提高车辆在制动过程中的安全性。
现有车辆通常采用防抱死***来防止车轮抱死情况的发生。然而，对于线控制动车辆来说，其车轮在滚动过程中会受到多种扰动力矩的干扰，如滚动阻力矩和电磁扰动力矩等。这些扰动力矩会严重影响防抱死***的控制鲁棒性，进而降低防抱死***的工作性能，影响车辆的制动安全。
发明内容
本发明为解决现有车辆防抱死***无法对线控制动车辆进行鲁棒控制的问题，提出了一种基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法。
本发明所述的基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法包括：
步骤一、建立线控制动车辆的制动动力学模型；
步骤二、根据所述制动动力学模型设计基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***控制器；
步骤三、通过线控制动车辆防抱死***控制器来控制线控制动车辆防抱死***，进而使线控制动车辆防抱死***在工作时不受扰动力矩的干扰。
作为优选的是，所述制动动力学模型为：
公式组(1)中，λ为车轮滑移率，v为车速；
m为1/4整车质量，R为车轮滚动半径；
J为车轮组件转动惯量，g为重力加速度；
μ为车轮路面摩擦系数，Tb为制动力矩；
d1为第一待观测扰动力矩；
ξ为制动电机带宽，k为制动电机常数，ia为制动电机的输入控制电流值；
d2为第二待观测扰动力矩；
c1、c2和c3分别为第一轮胎路面摩擦模型系数、第二轮胎路面摩擦模型系数和第三轮胎路面摩擦模型系数，三者的取值与路面类型有关：
当路面类型为湿沥青时，c1、c2和c3分别取0.587、33.822和0.347；
当路面类型为干混凝土时，c1、c2和c3分别取1.1973、25.168和0.5373；
当路面类型为干鹅卵石时，c1、c2和c3分别取1.3713、6.4565和0.6691；
当路面类型为冰雪时，c1、c2和c3分别取0.1946、94.129和0.0646。
作为优选的是，线控制动车辆防抱死***控制器的设计过程为：
令z1＝λ-λd，其中，z1为滑移率跟踪误差，λd为期望滑移率；
令z2＝Tb-Tbc，其中，z2为制动力矩跟踪误差，Tbc为Tbd经过一阶低通滤波器的期望虚拟控制量，Tbd为期望制动力矩，τ为一阶低通滤波器的时间常数；
令eb＝Tbc-Tbd，eb为Tbd的滤波误差；
取其中，V1为李雅普诺夫函数， 为第一扰动观测器的观测误差，为第一扰动观测器的观测值；
第一扰动观测器的具体形式如下：
公式组(2)中，p1为第一扰动观测器的辅助变量，β1为第一扰动观测器的待调节参数；
对V1求导可得：
假设其中，为d1的变化率，M1为的上界；
取：
公式(4)中，k1为线控制动车辆防抱死***控制器的第一控制参数，k1>0；
将公式(4)代入公式(3)可得：
公式(5)中，ε1为任意小的正常数；
取其中，V2为李雅普诺夫函数；
为第二扰动观测器的观测误差；
为第二扰动观测器的观测值；
第二扰动观测器的具体形式如下：
公式组(6)中，p2为第二扰动观测器的辅助变量，β2为第二扰动观测器的待调节参数；
对V2求导可得：
假设
为d2的变化率，M2为的上界；
为Tbd的变化率，Mb为的上界；
取：
公式(8)中，k2为线控制动车辆防抱死***控制器的第二控制参数，k2>0；
将公式(8)代入公式(7)可得：
公式(9)中，ε2和εb均为任意小的正常数；
根据公式(9)可得：
公式(10)中：
ε＝ε1+ε2+εb，ε为任意小的正常数；
线控制动车辆防抱死***控制器通过调节k1、k2、τ、β1和β2将z1限制在任意小的范围内，进而实现对线控制动车辆防抱死***的控制。
本发明所述的基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法根据线控制动车辆的制动动力学模型设计基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***控制器，并通过线控制动车辆防抱死***控制器来控制线控制动车辆防抱死***工作，使其不受扰动力矩的干扰。因此，基于本发明所述的基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法，现有车辆防抱死***能够对线控制动车辆进行鲁棒控制。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的基于扰动观测的线控制动车辆防抱死***的控制方法进行更详细的描述，其中：
图1为实施例所述的基于扰动观测的线控制动车辆防抱死***的控制方法的流程框图；
图2为实施例提及的有无线控制动车辆防抱死***控制器作用下的车轮滑移率随时间的变化曲线，其中，实线为线控制动车辆防抱死***控制器作用下的车轮滑移率随时间的变化曲线，虚线为无线控制动车辆防抱死***控制器作用下的车轮滑移率随时间的变化曲线；
图3为实施例提及的有无线控制动车辆防抱死***控制器作用下的制动距离随时间的变化曲线，其中，实线为线控制动车辆防抱死***控制器作用下的制动距离随时间的变化曲线，虚线为无线控制动车辆防抱死***控制器作用下的制动距离随时间的变化曲线；
图4为实施例提及的车速随时间的变化曲线；
图5为实施例提及的有无线控制动车辆防抱死***控制器作用下的制动电机的输入控制电流值随时间的变化曲线，其中，实线为线控制动车辆防抱死***控制器作用下的制动电机的输入控制电流值随时间的变化曲线，虚线为无线控制动车辆防抱死***控制器作用下的制动电机的输入控制电流值随时间的变化曲线；
图6为实施例提及的第一待观测扰动力矩的估计值随时间的变化曲线；
图7为实施例提及的第二待观测扰动力矩的估计值随时间的变化曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法作进一步说明。
实施例：下面结合图1～图7详细地说明本实施例。
本实施例所述的基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法包括：
步骤一、建立线控制动车辆的制动动力学模型；
步骤二、根据所述制动动力学模型设计基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***控制器；
步骤三、通过线控制动车辆防抱死***控制器来控制线控制动车辆防抱死***，进而使线控制动车辆防抱死***在工作时不受扰动力矩的干扰。
所述制动动力学模型为：
公式组(1)中，λ为车轮滑移率，v为车速，m为1/4整车质量，R为车轮滚动半径，J为车轮组件转动惯量，g为重力加速度，μ为车轮路面摩擦系数，Tb为制动力矩，d1为第一待观测扰动力矩；
ξ为制动电机带宽，k为制动电机常数，ia为制动电机的输入控制电流值，d2为第二待观测扰动力矩；
c1、c2和c3分别为第一轮胎路面摩擦模型系数、第二轮胎路面摩擦模型系数和第三轮胎路面摩擦模型系数，三者的取值与路面类型有关：
当路面类型为湿沥青时，c1、c2和c3分别取0.587、33.822和0.347；
当路面类型为干混凝土时，c1、c2和c3分别取1.1973、25.168和0.5373；
当路面类型为干鹅卵石时，c1、c2和c3分别取1.3713、6.4565和0.6691；
当路面类型为冰雪时，c1、c2和c3分别取0.1946、94.129和0.0646。
线控制动车辆防抱死***控制器的设计过程为：
令z1＝λ-λd，其中，z1为滑移率跟踪误差，λd为期望滑移率；
令z2＝Tb-Tbc，其中，z2为制动力矩跟踪误差，Tbc为Tbd经过一阶低通滤波器的期望虚拟控制量，Tbd为期望制动力矩，τ为一阶低通滤波器的时间常数；
令eb＝Tbc-Tbd，eb为Tbd的滤波误差；
取其中，V1为李雅普诺夫函数， 为第一扰动观测器的观测误差，为第一扰动观测器的观测值；
第一扰动观测器的具体形式如下：
公式组(2)中，p1为第一扰动观测器的辅助变量，β1为第一扰动观测器的待调节参数；
对V1求导可得：
假设其中，为d1的变化率，M1为的上界；
取：
公式(4)中，k1为线控制动车辆防抱死***控制器的第一控制参数，k1>0；
将公式(4)代入公式(3)可得：
公式(5)中，ε1为任意小的正常数；
取其中，V2为李雅普诺夫函数， 为第二扰动观测器的观测误差，为第二扰动观测器的观测值；
第二扰动观测器的具体形式如下：
公式组(6)中，p2为第二扰动观测器的辅助变量，β2为第二扰动观测器的待调节参数；
对V2求导可得：
假设为d2的变化率，M2为的上界，为Tbd的变化率，Mb为的上界；
取：
公式(8)中，k2为线控制动车辆防抱死***控制器的第二控制参数，k2>0；
将公式(8)代入公式(7)可得：
公式(9)中，ε2和εb均为任意小的正常数；
根据公式(9)可得：
公式(10)中：
kc为中的最小值，ε＝ε1+ε2+εb，ε为任意小的正常数；
线控制动车辆防抱死***控制器通过调节k1、k2、τ、β1和β2将z1限制在任意小的范围内，进而实现对线控制动车辆防抱死***的控制。
本实施例根据车辆防抱死***的设计要求并结合预期的仿真运行结果，设计仿真运行相关参数以及线控制动车辆防抱死***控制器的控制参数，并通过调节线控制动车辆防抱死***控制器的控制参数，使所设计的线控制动车辆防抱死***控制器满足设计要求，即在车辆制动的过程中，防止车轮发生抱死，缩短制动距离和制动时间，从而提高车辆在制动时的安全性能。
设计的仿真运行相关参数和线控制动车辆防抱死***控制器的控制参数如下：
ms＝277.5kg，R＝0.298m，J＝0.6kg·m2，ξ＝70rad/s，k＝0.37Nm/A，c1＝1.1973，c2＝25.168，c3＝0.5373，λd＝0.15。
控制参数的选取：k1＝10，k2＝10，τ＝0.001，β1＝50，β2＝50。
在仿真过程中，车辆以100km/h的初速度在水平干混凝土路面上制动，其他参数均初始化为0，验证所设计的线控制动车辆防抱死***控制器的作用效果。
图2～图7均为仿真效果曲线，其中，无线控制动车辆防抱死***控制器作用下的车辆以ia＝4000A制动。根据仿真效果曲线可知：本实施例设计的线控制动车辆防抱死***控制器能够有效地防止线控制动车辆在制动过程中发生车轮抱死，并缩短制动距离，减少制动时间，从而提高线控制动车辆的制动安全性能。除此之外，本实施例设计的第一扰动观测器和第二扰动观测器能够对未知扰动进行渐进估计，使得本实施例的线控制动车辆防抱死***控制器对外界扰动力矩具有鲁棒性。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
步骤一、建立线控制动车辆的制动动力学模型；
步骤二、根据所述制动动力学模型设计基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***控制器；
步骤三、通过线控制动车辆防抱死***控制器来控制线控制动车辆防抱死***，进而使线控制动车辆防抱死***在工作时不受扰动力矩的干扰。
2.如权利要求1所述的基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法，其特征在于，所述制动动力学模型为：
公式组(1)中，λ为车轮滑移率，v为车速，m为1/4整车质量，R为车轮滚动半径，J为车轮组件转动惯量，g为重力加速度，μ为车轮路面摩擦系数，Tb为制动力矩，d1为第一待观测扰动力矩；
ξ为制动电机带宽，k为制动电机常数，ia为制动电机的输入控制电流值，d2为第二待观测扰动力矩；
c1、c2和c3分别为第一轮胎路面摩擦模型系数、第二轮胎路面摩擦模型系数和第三轮胎路面摩擦模型系数，三者的取值与路面类型有关：
当路面类型为湿沥青时，c1、c2和c3分别取0.587、33.822和0.347；
当路面类型为干混凝土时，c1、c2和c3分别取1.1973、25.168和0.5373；
当路面类型为干鹅卵石时，c1、c2和c3分别取1.3713、6.4565和0.6691；
当路面类型为冰雪时，c1、c2和c3分别取0.1946、94.129和0.0646。
3.如权利要求2所述的基于扰动观测器的线控制动车辆防抱死***的控制方法，其特征在于，线控制动车辆防抱死***控制器的设计过程为：
令z1＝λ-λd，其中，z1为滑移率跟踪误差，λd为期望滑移率；
令z2＝Tb-Tbc，其中，z2为制动力矩跟踪误差，Tbc为Tbd经过一阶低通滤波器的期望虚拟控制量，Tbd为期望制动力矩，τ为一阶低通滤波器的时间常数；
令eb＝Tbc-Tbd，eb为Tbd的滤波误差；
取其中，V1为李雅普诺夫函数，为第一扰动观测器的观测误差，为第一扰动观测器的观测值；
第一扰动观测器的具体形式如下：
公式组(2)中，p1为第一扰动观测器的辅助变量，β1为第一扰动观测器的待调节参数；
对V1求导可得：
假设其中，为d1的变化率，M1为的上界；
取：
公式(4)中，k1为线控制动车辆防抱死***控制器的第一控制参数，k1>0；
将公式(4)代入公式(3)可得：
公式(5)中，ε1为任意小的正常数；
取其中，V2为李雅普诺夫函数，为第二扰动观测器的观测误差，为第二扰动观测器的观测值；
第二扰动观测器的具体形式如下：
公式组(6)中，p2为第二扰动观测器的辅助变量，β2为第二扰动观测器的待调节参数；
对V2求导可得：
假设为d2的变化率，M2为的上界，为Tbd的变化率，Mb为的上界；
取：
公式(8)中，k2为线控制动车辆防抱死***控制器的第二控制参数，k2>0；
将公式(8)代入公式(7)可得：
公式(9)中，ε2和εb均为任意小的正常数；
根据公式(9)可得：
公式(10)中：
，
ε＝ε1+ε2+εb，ε为任意小的正常数；
线控制动车辆防抱死***控制器通过调节k1、k2、τ、β1和β2将z1限制在任意小的范围内，进而实现对线控制动车辆防抱死***的控制。
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