CN108583554B - 一种基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法，该方法采用下列步骤：先确定电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换控制策略，代入通过先进的车载传感器获得相关数据，确定车辆制动工况，然后通过驾驶员预期制动强度以及车轮转速判断车辆采用何种制动模式。通过结合混杂理论相关知识，确定采用以推广自动机模型为基础的混杂制动系统模型。通过将驾驶员制动意图及车辆制动状态参数作为系统输入，确定集成制动系统的制动模式切换控制。通过对集成制动系统最优性能指标的优化处理，确定制动模式切换系统局部最优解。采用本发明所提出的基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法，能够有效减少车辆制动距离和制动时间，提高制动效能。

Description

一种基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法

技术领域

本发明涉及车辆制动控制方法和混杂理论领域，特别是涉及一种基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法。

背景技术

汽车制动以电子液压制动为主，虽然电控系统已经开始与制动系统进行融合，但大部分车辆依然仅靠摩擦制动器进行制动，制动过程中同样会产生粉尘、噪音等负面现象，长时间持续制动还易导致“热衰退”，使得制动效率大为降低。而电磁制动使用非接触的电涡流形成制动力矩进行制动，具有快速的制动响应性能和良好的高速制动效果。综上所述，将电磁制动器与电子液压制动器进行集成设计。发挥两种制动方式的优点，提高制动效率。

目前，国内外研究学者在摩擦与电磁集成制动系统领域已经取得一些研究进展，但这些研究大部分注重于电子液压制动动态特性分析、电磁制动性能的有限元分析、电子液压制动和电磁制动非线性控制方法、摩擦与电磁制动集成系统的结构设计和参数优选、摩擦制动与电磁制动联合工作的性能分析、基于电磁制动实现防抱死制动控制或车身稳定性控制等。分析国内外技术文献，相关的研究成果中缺乏对摩擦与电磁集成制动系统节能优化、制动力分配、制动模式切换策略等方面的研究。针对电磁与摩擦集成制动系统分层协调控制关键问题，因此针对集成系统的制动控制策略深入研究。

发明内容

本发明针对集成系统的制动控制策略问题，提出了一种基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法，以减少制动距离以及制动时间为目标，提高制动器制动效能。为实现以上目的，

本文发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：对电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换控制规则的确定，通过对车速的判断，将汽车的制动情况分为低速制动和高速制动；步骤2：电磁与摩擦集成制动系统推广自动机模型的建立；步骤3：采用分段梯度下降法对电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换系统进行优化控制。

进一步，所述步骤1电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换控制策略的确定，考虑驾驶员制动需求以及制动时的车辆状态，将汽车的制动工况分为普通制动和紧急制动。

进一步，还包括根据车轮转速与制动强度大小，确定电磁与摩擦集成系统的制动模式，制动模式分为摩擦制动、电磁制动以及电磁与摩擦集成制动3种，在低速普通制动情况时，使用摩擦制动；在高速普通制动时，使用电磁制动；在低速紧急制动以及高速紧急制动情况下，使用电磁与摩擦集成制动。

进一步，所述制动模式的具体过程为：将车辆制动初始运动状态参数输入系统进行判断，若车轮角速度ω＞ω_max，最大车轮转速ω_max为320r/min，且制动强度z＞z_max，最大制动强度z_max为0.8，则使用电磁与摩擦集成制动；若制动强度z≤z_max，则使用电磁制动；若车轮角速度ω≤ω_max且ω＞ω_min，最小车轮转速ω_min为150r/min，同时制动强度z＞z_min，最小制动强度z_min为0.1，则使用电磁与摩擦集成制动；若制动强度z≤z_min或ω≤ω_min，则使用摩擦制动，制动过程中，对车辆运动状态进行实时监测，并将运动状态参数周期性输入系统，判断系统对模式的使用。

进一步，所述步骤2的具体过程为，采用一个5元组来表示推广自动机模型，可表示为：

H＝(V,Q,Init,E,Q_f)

其中：V是变量的有限合集；Q是连续状态空间的有限集；Init是初始变量值和初始状态空间；

是离散事件变迁的有限集；Q_f是最终状态空间的集合；

当汽车开始制动时，将车辆制动初始状态和驾驶员的制动意图作为初始变量值和初始状态空间，并对车辆制动开始阶段的各个状态进行分析判断，由推广自动机的定义可知，从某一时间点开始，系统执行切换操作，将驾驶员制动意图以及车辆行驶状态作为初始数据输入到系统，通过步骤1中电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换控制规则，进行制动模式的选择与切换，通过制动模式切换来确定连续状态的改变。

进一步，所述步骤3中所述分段梯度下降法的具体过程如下：

Pro1:混杂系统演化规律为：

x(t)＝f_q(x(t),u(t),t)

其中，f_q为Rⁿ×Rⁿ→Rⁿ，Rⁿ每个连续状态所对应的连续状态空间，u(t)∈Rⁿ为连续控制变量；

制动系统由初始制动状态(q₀,x₀)，q₀,x₀分别代表车辆制动模式切换时的离散状态库和连续状态库，切换到末态总代价最小，即：

式中，L(x(t),u(t),t)为系统演化中状态与控制变量的代价函数，M(x_i,x_j)为模态切换代价函数；

Pro2：提出切换系统的分段梯度下降法进行优化，有效给出局部最优解，将(1)式改写为：

Φ(x_i)＝M(x_i,g(x_i))＝M(x_i,x_j)，且Φ(x_i)是关于x_i连续可微的；

Pro3：确定连续状态演化规律，表示为：

x(t)＝A_qx(t)+B_qu(t) (3)

其中，A_q，B_q可控，A_q维数为n*n的矩阵，B_q维数为n*m的矩阵(m≤n)；

Pro4：对于某段连续部分的最优化可表示为：

x_qe,x_qf为系统状态曲线x(t)进入模态q(q∈{1，2，....})和离开模态q对应的点，Q,R分别为对称正定阵。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、对电磁与摩擦集成系统控制策略进行优化，保证电磁制动器与摩擦制动器分别工作的能力，也提高了联合制动时的效率，提高集成制动器整体的制动效能。

2、采用推广自动机模型进行制动系统的搭建，并根据系统混杂特性，提出相应的分段梯度下降法进行优化。减小制动时间以及制动距离。

附图说明

图1为电磁与摩擦集成制动系统分层协调控制技术流程图。

图2为制动模式切换框图。

图3为制动模式切换控制策略流程图。

图4为混杂理论系统模型图。

图5为制动过程中纵向车速比较图(附着系数μ＝0.85)。

图6为制动过程中滑移率比较图(附着系数μ＝0.85)。

图7为制动力矩大小以及分配情况图(附着系数μ＝0.85)。

图8为制动过程中纵向车速比较图(附着系数μ＝0.3)。

图9为制动过程中滑移率比较图(附着系数μ＝0.3)。

图10为制动力矩大小以及分配情况图(附着系数μ＝0.3)。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式进行说明，以便以后的更好的理解本发明。

步骤1.电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换控制策略的确定。

建立整车动力学模型以及轮胎模型。通过车载传感器获取相关参数，通过基于逻辑门限的制动控制策略，对车轮转速以及制动强度进行判断，确定车辆制动工况。

步骤2.电磁与摩擦集成制动系统推广自动机模型的建立。

采用一个5元组来表示推广自动机模型。通过步骤一所述的切换规则，进行制动模式的选择与切换，通过制动模式切换来确定连续状态的改变。

步骤3.电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换系统优化控制。

对于混杂切换系统，其状态是不连续的，因此最优性能指标(J)也是不连续的，因此传统优化方法对是J无效的。为此，提出切换系统的分段梯度下降法进行优化，有效给出局部最优解。

图1是电磁与摩擦集成制动系统分层协调控制技术流程图。整体上介绍了本发明的主题思路，先确定电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换控制策略，代入通过先进的车载传感器获得相关数据，确定车辆制动工况，然后通过驾驶员预期制动强度以及车轮转速判断车辆采用何种制动模式，并进行相应的制动力矩分配。通过结合混杂理论相关知识，确定采用以推广自动机模型为基础，用符号表示系统方法，用图形的方式来描述混杂制动系统模型。通过将驾驶员制动意图及车辆制动状态参数作为系统输入，确定集成制动系统的制动模式切换控制。通过对集成制动系统最优性能指标的优化处理，确定制动模式切换系统局部最优解。

步骤1：电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换控制策略的确定。

如图2所示对电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换控制策略的确定，需要考虑驾驶员制动需求以及制动时的车辆状态。通过对车速的判断，将汽车的制动情况分为低速制动和高速制动，再根据制动强度大小，将制动状况进一步细分为普通制动和紧急制动。在低速普通制动情况时，使用纯摩擦制动；在高速普通制动时，使用纯电磁制动；在低速紧急制动以及高速紧急制动情况下，使用电磁与摩擦集成制动。

如图3所示为制动模式切换控制策略流程图。根据车轮转速与制动强度大小，确定电磁与摩擦集成系统的制动模式，制动模式分为摩擦制动、电磁制动以及电磁与摩擦集成制动3种。过程如下：

将车辆制动初始运动状态参数输入系统进行判断，若车轮角速度ω＞ω_max(最大车轮转速ω_max为320r/min)，且制动强度z＞z_max(最大制动强度z_max为0.8)，则使用电磁与摩擦集成制动；若制动强度z≤z_max，则使用电磁制动。若车轮角速度ω≤ω_max且ω＞ω_min(最小车轮转速ω_min为150r/min)，同时制动强度z＞z_min(最小制动强度z_min为0.1)，则使用联合制动；若制动强度z≤z_min或ω≤ω_min，则使用摩擦制动。制动过程中，对车辆运动状态进行实时监测，并将运动状态参数周期性输入系统，判断系统对模式的使用。

步骤2：电磁与摩擦集成制动系统推广自动机模型的建立。

如图4所示为混杂理论系统模型图。采用一个5元组来表示推广自动机模型。可表示为：

H＝(V,Q,Init,E,Q_f)

其中：V是变量的有限合集；Q是连续状态空间的有限集；Init是初始变量值和初始状态空间；

是离散事件变迁的有限集；Q_f是最终状态空间的集合。

当汽车开始制动时，将车辆制动初始状态和驾驶员的制动意图作为初始变量值和初始状态空间，并对车辆制动开始阶段的各个状态进行分析判断，由推广自动机的定义可知，从某一时间点开始，系统执行切换操作，将驾驶员制动意图以及车辆行驶状态作为初始数据输入到系统，通过步骤1所述的切换规则，进行制动模式的选择与切换，通过制动模式切换来确定连续状态的改变。如图4，q_D＝{q_D1,q_D2,q_D3}分别对应摩擦制动、纯电磁制动以及联合制动。E＝{e₁,e₂,e₃,e₄,e₅,e₆}代表离散事件变迁的条件，即图3的判断条件，包括对车轮角速度ω以及制动强度z的判断，q_C＝{q_C1,q_C2,q_C3}代表的是离散事件触发下的连续状态空间，即对应三种制动模式下的电磁制动控制电流，制动强度以及车轮角速度等连续变化状态。与一般自动机模型不同，推广自动机顶点是连续状态，而不是离散状态。

步骤3：电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换系统优化控制。

通过分段梯度下降法，对最优性能指标(J)进行优化，其方法如下：

Pro1:混杂系统演化规律为：

x(t)＝f_q(x(t),u(t),t)

其中，f_q为Rⁿ×Rⁿ→Rⁿ(Rⁿ每个连续状态所对应的连续状态空间)，u(t)∈Rⁿ为连续控制变量。

制动系统由初始制动状态(q₀,x₀)(q,x分别代表车辆制动模式切换时的离散状态库和连续状态库)切换到末态总代价最小，即：

式中，L(x(t),u(t),t)为系统演化中状态与控制变量的代价函数，M(x_i,x_j)为模态切换代价函数。

Pro2：提出切换系统的分段梯度下降法进行优化，有效给出局部最优解，将(1)式改写为：

Φ(x_i)＝M(x_i,g(x_i))＝M(x_i,x_j)，且Φ(x_i)是关于x_i连续可微的。

Pro3：确定连续状态演化规律，表示为：

x(t)＝A_qx(t)+B_qu(t) (3)

其中，A_q，B_q可控，A_q维数为n*n的矩阵，B_q维数为n*m的矩阵(m≤n)。

Pro4：对于某段连续部分的最优化可表示为：

x_qe,x_qf为系统状态曲线x(t)进入模态q(q∈{1，2，....})和离开模态q对应的点。Q,R分别为对称正定阵。

本实施例依据江苏大学汽车安全重点实验室摩擦与电磁集成制动系统试验平台进行试验完成本专利所提及的电磁与摩擦集成制动方法。选取在高附、低附路面进行直线制动两种工况进行平台实验，测试结果如图5至图10所示，表明基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法是可行的和实用的。

本发明实现过程

本发明先确定电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换控制策略，代入通过先进的车载传感器获得相关数据，确定车辆制动工况，然后通过驾驶员预期制动强度以及车轮转速判断车辆采用何种制动模式，并进行相应的制动力矩分配。通过结合混杂理论相关知识，确定采用以推广自动机模型为基础，用符号表示系统方法，用图形的方式来描述混杂制动系统模型。通过将驾驶员制动意图及车辆制动状态参数作为系统输入，确定集成制动系统的制动模式切换控制。通过对集成制动系统最优性能指标的优化处理，确定制动模式切换系统局部最优解。

综上，本发明的一种基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法，该方法采用下列步骤：先确定电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换控制策略，代入通过先进的车载传感器获得相关数据，确定车辆制动工况，然后通过驾驶员预期制动强度以及车轮转速判断车辆采用何种制动模式。通过结合混杂理论相关知识，确定采用以推广自动机模型为基础的混杂制动系统模型。通过将驾驶员制动意图及车辆制动状态参数作为系统输入，确定集成制动系统的制动模式切换控制。通过对集成制动系统最优性能指标的优化处理，确定制动模式切换系统局部最优解。采用本发明所提出的基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法，能够有效减少车辆制动距离和制动时间，提高制动效能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换控制规则的确定，通过对车速的判断，将汽车的制动情况分为低速制动和高速制动；步骤2：电磁与摩擦集成制动系统推广自动机模型的建立；步骤3：采用分段梯度下降法对电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换系统进行优化控制；

所述步骤2的具体过程为，采用一个5元组来表示推广自动机模型，可表示为：

H＝(V,Q,Init,E,Q_f)

其中：V是变量的有限合集；Q是连续状态空间的有限集；Init是初始变量值和初始状态空间；

是离散事件变迁的有限集；Q_f是最终状态空间的集合；

当汽车开始制动时，将车辆制动初始状态和驾驶员的制动意图作为初始变量值和初始状态空间，并对车辆制动开始阶段的各个状态进行分析判断，由推广自动机的定义可知，从某一时间点开始，系统执行切换操作，将驾驶员制动意图以及车辆行驶状态作为初始数据输入到系统，通过步骤1中电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换控制规则，进行制动模式的选择与切换，通过制动模式切换来确定连续状态的改变。

2.根据权利要求1所述的一种基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法，其特征在于:所述步骤1电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换控制规则的确定，考虑驾驶员制动需求以及制动时的车辆状态，将汽车的制动工况分为普通制动和紧急制动。

3.根据权利要求2所述的一种基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法，其特征在于:还包括根据车轮转速与制动强度大小，确定电磁与摩擦集成系统的制动模式，制动模式分为摩擦制动、电磁制动以及电磁与摩擦集成制动3种，在低速普通制动情况时，使用摩擦制动；在高速普通制动时，使用电磁制动；在低速紧急制动以及高速紧急制动情况下，使用电磁与摩擦集成制动。

4.根据权利要求3所述的一种基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法，其特征在于:所述制动模式的具体过程为：将车辆制动初始运动状态参数输入系统进行判断，若车轮角速度ω＞ω_max，最大车轮转速为ω_max，且制动强度z＞z_max，最大制动强度为z_max，则使用电磁与摩擦集成制动；若制动强度z≤z_max，则使用电磁制动；若车轮角速度ω≤ω_max且ω＞ω_min，最小车轮转速为ω_min，同时制动强度z＞z_min，最小制动强度为z_min，则使用电磁与摩擦集成制动；若制动强度z≤z_min或ω≤ω_min，则使用摩擦制动，制动过程中，对车辆运动状态进行实时监测，并将运动状态参数周期性输入系统，判断系统对模式的使用。

5.根据权利要求4所述的一种基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法，其特征在于:最大车轮转速ω_max为320r/min,最大制动强度z_max为0.8。

6.根据权利要求4所述的一种基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法，其特征在于:最小车轮转速ω_min为150r/min，最小制动强度z_min为0.1。

7.根据权利要求1所述的一种基于混杂理论的电磁与摩擦集成制动方法，其特征在于:所述步骤3中所述分段梯度下降法的具体过程如下：

Pro1:混杂系统演化规律为：

x(t)＝f_q(x(t),u(t),t)

其中，f_q为Rⁿ×Rⁿ→Rⁿ，Rⁿ每个连续状态所对应的连续状态空间，u(t)∈Rⁿ为连续控制变量；

制动系统由初始制动状态(q₀,x₀)，q₀,x₀分别代表车辆制动模式切换时的离散状态库和连续状态库，切换到末态总代价最小，即：

式中，L(x(t),u(t),t)为系统演化中状态与控制变量的代价函数，M(x_i,x_j)为模态切换代价函数；

Pro2：提出切换系统的分段梯度下降法进行优化，有效给出局部最优解，将(1)式改写为：

Φ(x_i)＝M(x_i,g(x_i))＝M(x_i,x_j)，且Φ(x_i)是关于x_i连续可微的；

Pro3：确定连续状态演化规律，表示为：

x(t)＝A_qx(t)+B_qu(t) (3)

其中，A_q，B_q可控，A_q维数为n*n的矩阵，B_q维数为n*m的矩阵(m≤n)；

Pro4：对于某段连续部分的最优化可表示为：

x_qe,x_qf为系统状态曲线x(t)进入模态q(q∈{1，2，....})和离开模态q对应的点，Q,R分别为对称正定阵。

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