ABS滑模变结构控制器的设计及仿真

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[3] 程军. 汽车防抱死制动系 统 的 理 论 与 实 践 [M]. 北 京 : 北 京 理 工 大 学 出 版 社 ,1999:50-60.
[4] 冷雪. 基于滑模 变 结 构 的 汽 车 防 抱 死 制 动 系 统 的 研 究 [D]. 哈尔滨理工大学,2009.
Simulation and design of ABS controller based on sliding mode variable structure
目前,比较常用的一些削弱抖动的方法有“趋 近率”控制、模糊控制、神经网络控制、“边界层”控 制、遗传算法优化控制、H∞ 优化控制等。
2 ABS 滑模控制器的设计
对于防抱死系统,选取滑移率为控制对象,制
动力矩为控制变量。 基于车轮滑移率控制的汽车
ABS 是一个高度非线性系统, 许多非线性因素和
不确定参数包含于其中, 因此选择滑模变结构控
Teq=[-f3+f4 μ(λ)] /f5 ,
(8)
在 Teq 的作用下,可以保证系统状态运动点在设计
的滑模面上运动。
2.3 控制器的切换面可达性分析
等 效 制 动 力 矩 Teq 确 保 系 统 状 态 到 达 滑 模 面 后能够保持在滑模面上, 系统的运动规律仅由滑
动面动态特性决定, 当系统状态不在滑模面上或
滑动模态的产生。
忽略系统不确定性和外部扰动, 由系统状态
沿着滑动面运动的必要条件 s觶 =0,可以求得等效制
动力矩为
Teq=[λ觶 d-f3+f4 μ(λ)] /f5 ,
(7)
式中: f3,f4,f5 为描述 ABS 系统方程中的函数[4]。 又
因为本文仅考虑路面状况恒定的情况, 则最佳滑
移率 λd 为常数,所以导数为零。 最终的等效制动力 矩为
的控制量,可以表示为
Tb=Teq+as+Ksgn(s),
(14)
式中:a 为正的常数。 该控制规律的 ABS 滑模控制
系统从初始状态到达滑模面的时间最短, 系统响
应更快。
3 仿真结果分析对比
基于 MATLAB/Simulink 对所建立的 ABS 滑模 控制器进行了去抖前后的仿真, 得到在湿沥青路 面上制动 ABS 动态响应过程,即车速和轮速、滑移 率随时间的变化规律, 以及体现制动效果的制动 力矩的变化规律。 仿真结果如图 1~图 3 所示。
李 文 娟 (1968-),女 ,黑 龙 江 齐 齐 哈 尔 人 ,教 授 ,博 士 ,从 事 自 动 控 制 系 统 、汽 车 电 子 、像 质 评 价 方 面 的 研 究 。
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付天雷等:ABS 滑模变结构控制器的设计及仿真
的误差,特别对于计算机的采样系统,较长的采样 时间形成的“准滑模”等,都将会在光滑的滑动模 态上叠加一个锯齿形的轨迹。 在实际中抖振是存 在的,人们可以努力去削弱抖振的幅度,但无法完 全消除。 消除抖振也就消除了滑模变结构控制的 抗摄动及抗扰动的能力。
的情况,则最佳滑移率为常数,所以导数为零。
定义滑模函数
s(x)=(d/dt+σ)n-1e,
(4)
式中:σ 为设计参数;e 为状态偏差量。 因为单轮车
辆模型为一阶系统,因此,汽车 ABS 的切换函数为
s(x)=λ-λd 。
(5)
在广义滑模条件下按等速趋近率 η(η>0)设计
的滑模控制器,切换函数应满足
1.2 滑模变结构系统抖动的问题
滑模变结构控制系统的“鲁棒性”要比一般常
规的连续控制系统强。 然而,滑模变结构控制在本
质上的不连续开关特性将会引起系统的一种 “抖
振”问题,这在连续系统的控制中是不会出现的。
理想状态下的滑模变结构系统,“结构” 切换
的过程无时间及空间滞后, 体统状态测量精确无
误,控制量不受限制,则滑动模态总是降维的光滑
到达滑动面。 然而较大的 K 值不仅使得抖振现象
严重, 并且由于制动轮缸压力的限制使得滑模控
··
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宁波职业技术学院学报
制系统不可实现。 因此滑模控制系统设计的原则
是在满足
K≥(η+F+D)/ f赞 5
(13)
的前提下尽量取较小的 K 值, 式中 D 为路面因素
值。 为改善系统响应,可以在滑模控制中加入额外
由图 2 可以看出, 滑移率并不是始终处于最 佳值, 实际制动中的滑移率是始终在最佳值附近 的小区域内变化的。 图 3(a)显示当切换函数采用 不连续的符号函数时,制动力矩会发生高频振荡。 另外,可以比较使用饱和函数法控制的效果。 由图 1~图 3 中 (a)图 与 (b)图 比 较 可 以 看 出 ,采 用 符 号 函数的控制效果显然不如使用饱和函数的控制器 的控制效果。
ss觶 ≤-η| s |, η>0,
(6)
在满足式(6)时系统就满足了广义滑模的条件 ,也
就满足了滑模切换面的存在性和可达性。
2.2 等效控制控制力矩的设计
等效控制的几何意义在于:在控制面 s=0 的控
制力矩是间断的,可能是正向的力矩,也可能是反
向的力矩。 用某种意义下的平均值代替此切换控
制,此系统沿着 s=0 的切换面上走,这样才能保证
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付天雷等:ABS 滑模变结构控制器的设计及仿真
4 结束语
本文深入解析了滑模变结构的基本原理,在 此基础上设计了汽车 ABS 滑模控制器。 根据汽车 动力学原理, 通过人工图形建模的方法,在 MATlAB/Simulink 中建立了相应的汽车仿真模型。 并对基于滑模变结构控制算法的汽车 ABS 进行了 仿真, 仿真从滑模去除抖动前和去除抖动后两个 角度进行, 用饱和函数代替传统的符号函数进行 去抖动,并对去抖前后的轮速、滑移率、制动力矩 进行对比分析。 结果表明,该方法能够提高 ABS 的 制动性能,可在实际工程中作为借鉴应用。
滑模变结构基本原理的基础上,设计了该控制方法下的 ABS 控制器,并对实际出现的系统 抖 动 问 题 提 出 了 解
决方法,最后进行了仿真。 仿真结果表明,该控制方法可实现制动防抱死,采用饱和函数进行去抖后,轮速、滑
移率、制动力矩的抖动消除。 这些研究对工程应用具有一定的借鉴。
关键词: 滑模变结构; ABS; 抖动
制以增强系统对摄动、 不确定性及外部扰动的自
适应性。
2.1 滑模切换面的设计
车轮的滑移率动力学可以看作是一阶非线性
单输入系统。 汽车 ABS 控制的目标是寻找制动力
矩 Tb 的控制规律, 使得跟踪误差 λ-λd 趋近于零。 设 λd 为路面最佳滑移率, 则λ觶 d 就是最佳滑移率对
时间的导数。 控制器的设计目标是使得系统的状 态(λ,λ觶 )趋向于(λd,λ觶 d)。 本文仅考虑路面状况恒定
1 滑模控制原理
1.1 控制基本策略
对于一般的滑模变结构系统, 一般有 3 种基
本控制策略。
(1)常值切换控制
! ui =
ki+ ki-
当 si(x)>0 当 si(x)<0
(1)
式中:ui 为控制函数,si(x)为切换函数;ki+及 ki-均为
实数,i=1,…,m。
(2)函数切换控制
! ui =
ui+ ui-
针对仿真结果,对整个制动过程进行分析:当
汽车实施制动之前,车体速度等同于车轮速度,此 时的滑移率为零,汽车正常匀速行驶;当制动开始 时,车轮线速度迅速降低,而此时的车身速度降低 并没有车轮速度降低的快, 这将直接导致滑移率 迅速升高。 当滑移率超过最佳值之后 ABS 系统启 动, 降低制动力矩以控制车轮速度保持在期望范 围。 在随后的阶段里车轮速度始终被系统控制在 与车身速度相差不大的范围内 (保证始终处于最 佳滑移率处),最后车身速度和车轮速度同时降至 零,整个制动过程结束。
中图分类号: U 463.52
文献标识码: A
文章编号: 1671-2153(2010)02-0010-04
0 引言
目前汽车 ABS 的应用中, 对其性能的要求越 来越高, 除在硬件设计方面提高制动防抱死的性 能外, 在控制算法上加以改进来提高控制性能显 得尤为的重要。 滑模变结构控制的独特非线性优 势使其被选择成为 ABS 控制器的控制方法, 在汽 车 ABS 方面有很大的发展空间。 本文基于滑模变 结构对 ABS 控制器进行了设计, 增加了实际应用 中系统抖动问题的处理方法,在 MATLAB/Simulink 环境下进行了仿真, 并对去抖前后的轮速、 滑移 率、制动力矩进行了比较分析。
者系统运动点偏离滑模面时,也就是在滑模面 s=0
以外,则需加入一个控制项,使得相轨迹朝着滑模
面的方向运动。 定义制动力矩的控制规律为
Tb=Teq-Ksgn(s),
(9)
式中:sgn 为符号函数;K 为控制增益。
满足切换面的可达性,必须满足
ss觶 ≤0,
(10)
将 Tb 式带入下式
பைடு நூலகம்
ss觶 =s(f3-μf4+f5Tb-λ觶 d)
(11)
为 了 确 保 切 换 面 的 可 达 性 ,可 以 取 K=V0J/R,其 中
V0 是开始制动时刻的车身速度,则有
s ≤-η s≤0 ,
(12)
即满足了可达性条件。
2.4 消弱系统抖动问题的方法
在实际的滑模变结构系统中, 系统的控制力
受到限制而使得系统的控制加速度有限, 另外由
于系统的惯性、开关器件的时间、空间滞后以及系
2010 年 4 月 第 14 卷 第 2 期
宁波职业技术学院学报 Jour宁na波l 职of 业Ni技ng术bo学P院oly学te报chnic
Apr , 2010 Vol.14 No.2
ABS 滑模变结构控制器的设计及仿真
付天雷, 李文娟
(哈尔滨理工大学 电气工程学院, 哈尔滨 150080)
摘 要: 滑模变结构在非线性控制方面有着很好的优势,因此经常作为汽车 ABS 控制器的控制方法。 在阐述
参考文献:
[1] ERTUGRUL M,KAYNAK O. Neuro Sliding Mode Control of Robotic Manipulators[J]. Mechatronics,2000,10 (1): 239-263.
[2] CHUN K,SUN WOO M.Wheel Slip Control with Moving Sliding Surface for Traction Control System [J]. International Journal of Automotive Technology,2004,5 (2) :123-133.
当 si(x)>0 当 si(x)<0
(2)
式中:ui+(x)=ui+(x1,… ,xn)及 ui-(x)=ui-(x1,… ,xn)均
为连续函数,i=1,…,m。
(3)比例切换控制
uj = φij xi
式中
! φij=
αij βij
当 xisi(x)>0 当 xisi(x)<0
(3)
其中,αij 及 βij 都是实数(i=1,…,n;j=1,…,m)。
运动而且渐进稳定于原点,不会出现抖振。 但是在
实际应用中,控制力总是受到限制的。 另外,系统
的惯性、 切换开关的时间空间滞后以及状态检测
收稿日期: 2010-03-01 基金项目: 黑龙江省 2009 研究生创新科研基金项目(YJSCX2009-033HLJ) 作者简介: 付天雷(1985-),男,黑龙江七台河人,在读硕士研究生,研究方向为汽车 ABS 控制器设计。
统状态测量误差等因素, 都会在光滑的滑动模态
上叠加一个锯齿形的轨迹,即产生抖振现象。 抖振
有可能激励起系统中未建模的高频运动成分,引
起系统的高频振荡,因此,削弱或消除抖振是滑模
变结构控制在实际应用中首先要解决的重要问
题。
对于上述设计的汽车 ABS 的滑模控制, 选择
较大的控制增益 K 可以使得系统状态能够较快的
FU Tian-lei, LI Wen-juan
(Harbin University of Science And Technology, Harbin 150080, China)
Abstract: Sliding mode variable structure control has very good advantage in the nonlinear control. Therefore it can be used as a kind of control method in the ABS controller of vehicle. On the basis of stating the basic principle of the sliding mode variable structure, the ABS controller with this method is designed. The solutions to the chattering of the system in practice is given, and the simulations under MATLAB are done. Simulation results show that this control method can realize anti-lock braking, the chattering of wheel speed, sliding rate and braking torque are remedied after using saturation function. These studies can provide useful reference for engineering application. Key words: sliding mode variable structure; ABS; chattering
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