基于模糊PID的客車防抱死制動系統(tǒng)硬件在環(huán)測試試驗研究

陸 藝, 徐博文, 吳佳偉, 郭 斌

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

1 引 言

防抱死制動系統(tǒng)(antilock brake system,ABS)的出現(xiàn)大大提高了汽車的被動安全性。當(dāng)前針對ABS控制邏輯的研究主要停留在純數(shù)值仿真;針對汽車硬件在環(huán)的研究主要集中在偏航穩(wěn)定性、汽車穩(wěn)定性等方面,但對客車ABS制動系統(tǒng)方面的研究較少,對實際客車ABS的研究開發(fā)缺少借鑒價值[1～5]。由此設(shè)計了一種參數(shù)自整定模糊PID控制策略,采用模糊推理的方法,對PID參數(shù)進行實時整定,使其具有較高的靈活性和自適應(yīng)能力。基于國家標(biāo)準(zhǔn)利用Matlab/xPC搭建客車ABS硬件在環(huán)測試系統(tǒng)[6,7],對客車ABS直線制動進行了仿真測試。

2 系統(tǒng)設(shè)計

客車ABS硬件在環(huán)測試系統(tǒng)包括xPC目標(biāo)實時環(huán)境、氣制動系統(tǒng)和整車動力學(xué)模型3部分,其原理如圖1所示。其中xPC目標(biāo)實時環(huán)境采用了宿主機-目標(biāo)機的技術(shù)途徑,即“雙機”模式[8]。宿主機使用Simulink運行整車動力學(xué)模型。

圖1 客車ABS硬件在環(huán)測試系統(tǒng)原理示意圖

目標(biāo)機則用于執(zhí)行生成的模型代碼,宿主機和目標(biāo)機通過TCP/IP通訊連接而成。在目標(biāo)機上安裝有數(shù)據(jù)采集卡和運動控制卡。數(shù)據(jù)采集卡采用研華PCI-1711,A/D分辨率為12位,采樣速率為1 kHz。運動控制卡提供電機快速、慢速等多種運動控制方式,模擬駕駛員踩剎車踏板的過程。氣制動系統(tǒng)按照真實客車制動系統(tǒng)并配合力傳感器搭建,結(jié)構(gòu)如圖2所示。ABS調(diào)節(jié)器有進氣閥、出氣閥兩個高速電磁閥,根據(jù)兩者開閉狀態(tài)不同可實現(xiàn)增壓、保壓、減壓3種工作狀態(tài),高速電磁閥驅(qū)動芯片采用TLE6228。

圖2 氣制動系統(tǒng)硬件組成1-氣源; 2-空氣干燥器; 3-四回路閥; 4,5,6-儲氣罐;7-制動總閥; 8-前橋繼動閥; 9,11-膜片制動氣室;13-后橋繼動閥; 14-手制動閥; 15-差動繼動閥;16,18-后橋彈簧制動缸; 20-伺服電機; 21-快速氣缸; 10,12,17,19,22-力傳感器; 23,24,25,26-ABS調(diào)節(jié)器

整車動力學(xué)模型由輪胎模型、7自由度車輛模型、制動器模型等組成,利用Simulink在宿主機中建立。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1中虛線框內(nèi)所示。輪胎模型選用GIM輪胎模型。該模型將車輪與地面的接觸面長度分為粘著域(0～ε)和滑動域(ε～l)。在粘著域內(nèi),附著力由輪胎表面的切線彈性力決定;在滑動域內(nèi),附著力有滑動摩擦應(yīng)力決定,則整個輪胎接地面的縱向附著力為:

(1)

(2)

7自由度車輛模型包括車身的縱向、側(cè)向、橫擺以及4個車輪的旋轉(zhuǎn),其在縱向、橫向、垂向自由度上的平衡計算公式為:

(3)

(4)

(5)

式中:Iz為汽車?yán)@相對坐標(biāo)軸z軸的轉(zhuǎn)動慣量,kg/m2;u為車輛縱向車速,m/s;v為車輛橫向車速,m/s;γ為車輛橫擺角速度,rad/s;Mz為橫擺力矩,N·m;M為整車質(zhì)量,kg。

制動器模型選取了領(lǐng)從蹄式鼓式制動器,其數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)為制動氣室輸出力和制動器輸出力矩的關(guān)系,是氣制動系統(tǒng)硬件和仿真模型的連接部分,數(shù)學(xué)公式為:

Tb=ηκFR

(6)

式中:η為制動器效率系數(shù);κ為制動器效能因素;F為制動氣室輸出力,N;R為輪胎半徑,m。

3 參數(shù)自整定模糊PID控制

由于真實的道路情況復(fù)雜,而車輛自身又是一個非線性系統(tǒng),具有很強的時變性。因此結(jié)合PID控制和模糊控制的優(yōu)點,提出參數(shù)自整定模糊PID控制作為ABS控制策略。參數(shù)自整定模糊PID控制以誤差E和誤差變化率Ec作為輸入,利用模糊推理的方法對PID控制的3個參數(shù)Kp,Ki和Kd進行實時整定[9～11]。模糊算法的隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)。輸入量E,Ec和輸出量Kp,Ki,Kd的隸屬度函數(shù)變量等級都為7級,論域都為[-6,-4,-2,0,2,4,6],模糊子集都為{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}。其基本原理如圖3所示。

圖3 參數(shù)自整定模糊PID控制的基本原理

4 硬件在環(huán)仿真測試結(jié)果及分析

硬件在環(huán)仿真試驗時保持制動系統(tǒng)管路壓力在0.7 MPa,高附著系數(shù)路面的滾動附著系數(shù)為0.84,滑動附著系數(shù)為0.75;低附著系數(shù)路面的滾動附著系數(shù)為0.3,滑動附著系數(shù)為0.22。高附著系數(shù)路面和對接路面的制動初速度為75 km/h;低附著系數(shù)路面的制動初速度為55 km/h。仿真試驗的ABS客車參數(shù)如表1所示。

根據(jù)GB 7258—2012對客車制動效能的規(guī)定,對客車制動的制動距離、制動減速度等進行測試,制動減速度計算公式為:

(7)

式中:dm為充分發(fā)出的平均減速度;vb=0.8v0,ve=0.1v0,v0為試驗車輛制動初速度;sb為試驗車速從v0到vb之間行駛的距離;se為試驗車速從v0到ve之間行駛的距離。

引入附著系數(shù)利用率θ作為評判一個防抱死制動系統(tǒng)是否滿足安全要求的指標(biāo)。

表1 ABS客車仿真參數(shù)

(8)

式中:KM為仿真模型中設(shè)置的路面附著系數(shù);ZAL為最大制動因數(shù),ZAL的計算方法為讓車輛以不低于55 km/h的初速度開始制動,測定車速從45 km/h降低到15 km/h所需的時間,取測試3次的平均值tm,計算最大制動因數(shù)ZAL:

(9)

若防抱死制動系統(tǒng)滿足θ>0.75,則應(yīng)認(rèn)為它是滿足安全要求的。θ應(yīng)在附著系數(shù)小于或等于0.3和大于或等于0.8的路面上測試得到。

4.1 高附著系數(shù)路面直線制動測試結(jié)果

在高附著系數(shù)路面上,試驗從緊急踩下制動踏板開始,直至ABS停止工作,制動結(jié)束為止。圖4為試驗結(jié)果。從圖4可以看出,車輛在1.3 s時開始制動,在4.3 s時制動停止。由于后輪制動力矩大于前輪制動力矩,所以制動開始后后輪的滑移率增加先于前輪。由于ABS的作用,制動過程中沒有發(fā)生抱死現(xiàn)象,4個車輪的滑移率維持在高附著系數(shù)路面最佳滑移率0.2附近,在4.0 s之后滑移率略有上升,在0.25附近振蕩。車輛制動距離為30.66 m,制動過程中無跑偏現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)式(7)計算可得dm為8.31 m/s2,根據(jù)式(8)可得附著系數(shù)利用率θ為97.90%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于75%的要求。ABS控制策略制動效果較好。

圖4 高附著系數(shù)路面測試結(jié)果

4.2 低附著系數(shù)路面直線制動測試結(jié)果

圖5為低附著系數(shù)路面測試結(jié)果。相比高附著系數(shù)路面,車輛的制動時間更長,在1.2 s時開始制動,9.7 s時制動結(jié)束,歷時8.5 s。制動開始后,車輪滑移率快速上升至0.13左右,之后基本維持在低附著系數(shù)路面的最佳滑移率0.1附近。由于路面附著系數(shù)低,車輪與路面的作用力減小,很小的制動力矩即能改變車輪輪速,導(dǎo)致滑移率曲線振蕩較快,制動后期滑移率曲線振蕩幅度略有增大。因此,在低附著系數(shù)路面上更容易發(fā)生車輪抱死,從而發(fā)生側(cè)滑、甩尾等事故。制動距離為48.06 m,制動過程中無車輪抱死、跑偏現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)式(7)計算可得dm為2.28 m/s2,根據(jù)式(8)可得附著系數(shù)利用率θ為95.31%,完全滿足安全要求。ABS控制策略制動效果良好。

圖5 低附著系數(shù)路面測試結(jié)果

4.3 與無ABS客車制動效能測試結(jié)果對比

為了測試制動效能,在同樣的路面附著系數(shù)和制動初速度條件下對無ABS客車的制動距離和充分發(fā)出的平均減速度dm進行了試驗,其試驗結(jié)果與有ABS客車對比如表2所示。

從表2中可以發(fā)現(xiàn),在高附著系數(shù)路面上有ABS客車比無ABS客車在制動距離和dm上有不同程度的減小。而在低附著系數(shù)路面上,ABS客車的制動距離反而要比無ABS客車長,這是由于當(dāng)車輪與地面之間的附著力較小時,若車輪抱死則極易導(dǎo)致喪失轉(zhuǎn)向能力、側(cè)滑甩尾等現(xiàn)象,有ABS客車相比無ABS客車犧牲了制動效能,但杜絕了上述現(xiàn)象的發(fā)生。因此,參數(shù)自整定模糊PID控制策略在緊急制動中對提高客車被動安全性具有明顯作用。

表2 無ABS客車與有ABS客車制動效能對比

5 結(jié) 論

本文根據(jù)客車ABS制動測試要求設(shè)計了參數(shù)自整定模糊PID控制策略,并在搭建的客車ABS制動硬件在環(huán)測試系統(tǒng)上分別就高附著系數(shù)路面、低附著系數(shù)路面制動情況進行了試驗,取得了良好的制動效果?？梢园l(fā)現(xiàn),通過實時整定Kp,Ki,Kd的參數(shù)自整定模糊PID控制策略具有良好的控制精度和魯棒性。對比無ABS客車制動測試結(jié)果,有ABS客車在提高制動效能,防止車輪抱死等方面效果明顯,對保證客車行車安全具有重大作用。參數(shù)自整定模糊PID控制策略應(yīng)用于客車ABS控制是可行的,試驗結(jié)果對ABS控制策略的研發(fā)具有重要意義和價值。

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