CN109177951A - 一种基于模糊控制的制动防抱死控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模糊控制的制动防抱死控制方法，包括以下步骤：1)车载ECU通过轮速传感器及车速传感器获取轮速、轮减速度、车轮滑移率以及车速；2)系统根据传感器信息和车辆状态判断制动防抱死需求；3)ECU控制电磁阀下电打开，进而控制电机反转或者停止工作使主缸泄压，制动过程结束。与现有技术相比，本发明具有适应滞后性、控制稳定等优点。

Description

一种基于模糊控制的制动防抱死控制方法

技术领域

本发明涉及汽车制动技术，尤其是涉及一种基于模糊控制的集成式电子液压制动系统制动防抱死控制方法。

背景技术

随着汽车工业的高速发展，汽车已成为一种较普及的代步工具。在汽车保有量不断增加的同时，汽车安全事故仍时有发生，甚至有增加的趋势，造成了很大损失，因此汽车安全问题越来越受到关注。随着技术的进步，汽车中的机械系统正在逐渐向机电一体化方向发展，线控技术(X-by-wire)也开始从航空领域向汽车行业推进。随着电子工业的发展，线控技术被越来越多地应用到汽车技术中，先后出现了线控转向系统、线控油门以及线控制动在车辆上的应用。汽车线控制动系统，必将逐渐取代了传统液压制动系统的地位，成为未来制动技术发展的趋势。

从广义上，凡是将制动踏板位移/制动踏板力转化成电信号，并通过此电信号对液压压力进行主动调控的电控液压制动系统都是电子液压制动系统。无论采用何种实现方式，电子液压制动系统的核心在于：在满足传统液压制动系统所有功能的基础上，提高响应速度并实现液压压力的主动精确调节。因为电子液压制动系统可以对液压压力进行调控，所以能通过控制算法实现ABS、ESC、TCS等主动安全控制功能，这也是电子液压制动系统相对于传统液压制动系统的最大优势所在。又由于主动安全功能中，车辆防抱死ABS功能最为基本，并且在控制上涉及四个车轮的制动液压力调整，相较于ESC功能常用的单轮策略或对角策略，对液压控制单元本身的工作调动更加剧烈，因此以实现防抱死功能作为目标，研究液压控制单元结构需求，并设计控制算法进行验证。

在汽车智能化、电气化发展的大趋势下，基于新型电子液压制动系统建压单元工作特性确定匹配的液压控制单元结构、优化控制策略，使系统可以实现主动安全功能，正是车辆制动领域所要迫切研究的内容。所以，需要开发一种基于模糊控制的集成式电子液压制动系统制动防抱死控制方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于模糊控制的制动防抱死控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：、

一种基于模糊控制的制动防抱死控制方法，包括以下步骤：

1)车载ECU通过轮速传感器及车速传感器获取轮速、轮减速度、车轮滑移率以及车速；

2)系统根据传感器信息和车辆状态判断制动防抱死需求，具体包括：

21)若判断为常规制动工况时，则电机控制主缸建压，HCU中各电磁阀保持常开，各轮缸和主缸直接相通，产生相应的制动力矩；

22)若判断为紧急工况，即出现制动防抱死需求时，则通过构建的防抱死模糊控制器，以当前时刻各个车轮的滑移率s及轮减速度作为输入变量，生成各个车轮所需的增减压或保压需求，并将需求与轮缸实际液压力结合通过产生各个车轮为实现最佳附着系数的目标液压力曲线，并采用基于颤振补偿的优化控制方式对主缸和轮缸液的压力进行控制；

3)ECU控制电磁阀下电打开，进而控制电机反转或者停止工作使主缸泄压，制动过程结束。

所述的步骤22)中，防抱死模糊控制器为一二维模糊控制器。

所述的步骤22)中，构建防抱死模糊控制器具体包括以下步骤：

221)确定输入和输出变量的基本论域、模糊集数和隶属度函数：

输入变量车轮的滑移率s的基本论域为[0，1]，轮减速度的基本论域为[-50，50]，输出变量增减压或保压需求Δp的基本论域为[-3,3]；

滑移率s的模糊集为{zero,small,middle,large,super,block}，其中，zero代表滑移率为0；small代表滑移率较小，其名义值为0.12；middle代表滑移率适中，其名义值为0.18；large代表滑移率较大，其名义值为0.35；super代表滑移率很大，其名义值为0.62；block代表滑移率为1，即车轮抱死，滑移率越靠近名义值则认为其越具有对应的特征；

的模糊集为{NB,NS,ZN,ZE,ZP,PS,PB}，NB代表轮加速度为负大，其名义值为为-50m/s²；NS代表轮加速度负中，其名义值为为-20m/s²；ZN代表轮加速度负小，其名义值为为-7m/s²；ZE代表轮加速度为0m/s²；ZP代表轮加速度正小，其名义值为为7m/s²；PS代表轮加速度正中，其名义值为20m/s²；PB代表轮加速度正大，其名义值为50m/s²；

Δp的模糊集为{DecI,DecF,DecS,Hold,DecS,DecF,DecI}，DecI代表快减压，DecF代表较快减压，DecS代表慢减压，Hold代表保压，IncS代表缓增压，IncF 代表较快增压，IncI代表快增压；

隶属度函数为三角隶属度函数；

222)确定模糊控制规则集；

223)确定模糊推理方法和解模糊方法：模糊推理方法为Mamdani合成推理方法，解模糊方法为重心法；

224)通过FIS编辑器设计构建防抱死模糊控制器。

所述的步骤222)中，模糊控制规则集具体为：

所述的步骤22)中，为确保主缸建压范围覆盖各个车轮的目标液压力曲线，设定目标液压曲线的波动范围为最值差的110％。

为防止车辆失稳，限制左右轮制动力之差，具体为：

前轴左右制动力之差不大于前轴负荷的5％，后轴左右制动力之差不大于后轴负荷的8％。

当前后轴的差值产生的转矩同向且超出限值时，高压一侧不再继续增压，并跟随低压的一侧完成相同程度的减压，直至差距缩小在限制范围内。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.一般的模糊控制器采用滑移率误差及其变化作为输入语言变量，但是车轮的滑移率变化较其对应制动器轮缸的液压力变化存在一定滞后，因此，本发明选用二维模糊控制器，对滑移率与车轮的减速度进行控制。

2.本发明细化了防抱死控制的介入与退出，制动系统应在紧急制动一段时间后，出现防抱死需求的时刻开始实行控制，并在低速阶段退出控制；

3.在定频调压策略的基础上，优化系统的需求综合模块，考虑制动过程对整车运动稳定性的影响，并依据四轮需求，提出定频变区间的方案；

附图说明

图1为本发明集成式电子液压制动系统简图，其中，1-电子控制单元(ECU)； 2-踏板；3-位移传感器；4-控制电机；5-蜗轮蜗杆减速机构；6-齿条；7-储液罐；8- 主缸；9-主缸液压力传感器；10、11、12、13-两位单通电磁阀；14、15、16、17- 轮缸液压力传感器；18、19、20、21-制动轮缸。

图2为本发明的控制方法流程图。

图3为本发明的一个仿真效果图，其中，图(3a)为低附路面硬件在环仿真液压力变化情况，图(3b)为低附路面硬件在环仿真车速变化情况，图(3c)为低附路面硬件在环仿真滑移率变化情况。

图4为本发明的另一个仿真效果图，其中，图(4a)为高附路面硬件在环仿真液压力变化情况，图(4b)为高附路面硬件在环仿真车速变化情况，图(4c)为高附路面硬件在环仿真滑移率变化情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图2所示，本发明提供一种基于模糊控制的集成式电子液压制动系统制动防抱死控制方法，包括以下步骤：

(1)ECU 1通过轮速移传感器、车速传感器判断车辆运动状态及制动防抱死控制需求；

(2)系统根据传感器信息和车辆状态判断该制动工况为常规工况还是紧急工况；若判断为常规制动工况，电机控制主缸建压，HCU中各电磁阀保持常开，各轮缸液压力和主缸保持一致，产生合适的制动力矩；

例如，当驾驶员踩下制动踏板2，踏板位移传感器3将踏板位移转化为电信号输入电子控制单元(ECU)1，由ECU计算得出驾驶员所需制动力矩。ECU输出信号传送到控制电机4，电机通电输出旋转运动，经蜗轮蜗杆减速机构5减速后转变为推动主缸推杆的直线运动。

如图1所示，在常规工况下，各轮缸所需液压力一致，10、11、12、13四个轮缸电磁阀不通电，保持常开状态。制动主缸8建压后，高压制动液直接进入18、 19、20、21制动轮缸，产生所需制动力。

(3)若判断为紧急工况，即出现制动防抱死需求，则设计二维模糊控制器根据当前时刻各个车轮的滑移率及轮减速度信息提出当前各个车轮所需的增减压或保压需求；

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。由于模糊控制不依赖数学模型，而是依赖专家的控制经验知识转化而成的“模糊规则”，模糊控制主要是模拟人的思维、推理和判断的一种控制方法, 它将人的经验、常识等用自然语言的形式表达出来。模糊控制系统由知识库、模糊器、模糊推理机和解模糊器组成；

模糊化处理就是将模糊控制器输入量的精确量转换为相应模糊语言变量值的过程，首先对输入变量进行尺度变换，将其由基本论域变化到相应的论域范围，然后将其模糊化，使精确量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示。

知识库包括数据库与规则库两部分：其中数据库主要包括个语言变量的隶属函数，尺度变换因子和模糊空间的分级数等；规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它们反应了控制专家的经验和知识。

模糊推理是模糊控制器的核心组成部分，它模仿人类决策时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，得到模糊控制量。

解模糊是将模糊推理中产生的模糊控制量转化为精确控制量，包含两部分内容：首先将模糊的控制量经解模糊处理变换为表示在论域范围的精确量，然后将表示在论域范围的精确量经尺度变换转换成为实际的控制量。常见的解模糊化方法有最大隶属度值法、面积平均法、重心法和最大隶属度平均值法。

根据上述模糊控制的原理，进行模糊控制器设计的主要因素有输入输出变量的基本论域和论域以及其相应的模糊子集数和模糊集的隶属函数、模糊控制规则集、模糊推理方法和解模糊方法。

设计二维模糊控制器具体为：

1)确定输入输出变量的基本论域、论域、模糊子集数和隶属函数；

一般的模糊控制器采用误差及其变化作为输入语言变量。在本发明中，车轮的滑移率变化较其对应制动器轮缸的液压力变化存在一定滞后，因此单纯的对滑移率进行控制并不能实现理想的控制效果，容易出现轮缸液压力波动过大等问题，所以在此基础上，选用二维模糊控制器，对滑移率与车轮的减速度进行控制。

对于该模糊控制器，两个输入s、v·的基本论域，也就是实际的范围为[0,1]和 [-50,50]，输出Δp的基本论域为[-3,3]。

对上述确定的输入输出定义三个模糊集，分别为s的模糊集{zero,small,middle,large,super,block}，v·的模糊集{NB,NS,ZN,ZE,ZP,PS,PB}，Δp的模糊集{DecI, DecF,DecS,Hold,DecS,DecF,DecI}选择三角形隶属度函数，通过隶属函数曲线的设定，可以确定输入、输出横糊变量隶属度函数值。

2)设计模糊控制规则集

在此基础上，又针对已定义的输入输出模糊集做了细化，设计模糊控制规则；

3)选择模糊推理方法和解模糊方法

采用Mamdani合成推理方法，采用重心法解模糊，把模糊量转换为精确量，重心法虽然计算量比较大，但是得到的模糊控制器性能好。

4)基于MATLAB模糊逻辑工具箱的模糊控制器设计

MATLAB/SIMULINK的模糊逻辑工具箱提供了模糊推理系统(FIS)编辑器，隶属度函数编辑器，规则编辑器，规则观察器和取面观察器五个基本工具箱，可以方便地进行模糊控制器的设计。

首先利用FIS编辑器编辑滑移率s和轮减速度的隶属度函数和语言变量，接着利用规则编辑器描述模糊规则，规则观察器用于观察模糊推理系统行为是否与预期的一致，曲面观察器则显示输入输出之间的关系。

(4)需求综合模块根据步骤(3)中防抱死模糊控制器，四个轮缸分别提出各自在同一时刻的增减压需求，将需求与轮缸实际液压力结合，则可以得到四个轮缸为实现最佳附着系数所提出的目标液压力曲线；

防抱死模糊控制器的设计：

根据上述防抱死模糊控制器，四个轮缸将分别提出各自在同一时刻的增减压需求，将需求与轮缸实际液压力结合，则可以得到四个轮缸为实现最佳附着系数所提出的目标液压力曲线，为综合四个轮缸的液压力目标曲线，实现最大程度跟随目标，实现制动效能最大化，同时保证车辆制动稳定性，需对四个轮缸目标液压力进行综合控制，并给出确定的主缸液压力控制曲线和电磁阀控制信号，以便系统可以实现良好的配合控制。具体来说，综合控制分为以下两个方面，首先是基于前文已归纳的ABS控制要求，限制左右轮制动力之差，其次是通过四轮目标确定主缸及电磁阀的控制信号，保证目标尽可能得到满足。

1)防抱死制动稳定性控制模块

车轮在制动过程中受力为其中，车轮角减速度制动力矩T_b＝p·S_b·r_b，当两侧车轮所受制动力之差ΔF_{x_f}和ΔF_{x_r}增大后，会产生力矩T＝(ΔF_{x_f}+ΔF_{x_r})·B/2，造成车辆失稳。在前文章节2.1中也提到，一般制动中规定，为限制制动跑偏，要求前轴左右制动力之差不大于该轴负荷的5％，后轴为8％。

因此在综合需求模块中需对左右两轮制动力之差进行控制，具体来说，由公式可以看出，ΔF_x与Δp和有关，故在本模块中分别对前后轴左右两车轮间的轮缸液压力差值和轮减速度差值作出限制，一旦前后轴的差值产生的转矩同向且超出限值，则高压的一侧不再继续增压，并跟随低压的一侧完成相同程度的减压，直至差距缩小在限制范围内。

2)定频变幅值的主缸轮缸配合控制

在上述稳定性模块基础上，对四轮的液压力需求进行综合考虑，参考初步探索研究中的定频调压方案，即主缸始终以某固定一频率波动，但根据四轮在同一时刻的目标液压力值，确定该时刻的主缸波动区间，而不是直接按照高附路面或低附路面给定一个主缸波动的范围保持不变，同时，考虑到如果主缸仅以四轮中的两个最值作为上下界限，随着四条目标曲线的变化，很可能始终无法达到极值，即便达到也只是瞬间状态，无法满足对应轮缸的瞬间增压需求，因此适当将目标曲线的波动范围扩大为最值差的110％，即提供一定比例补偿，以确保主缸建压范围可以覆盖四轮目标曲线。

(5)为防止车辆失稳需求综合模块根据ABS控制要求，将左右轮制动力之差限制在一定范围内。同时，需求综合模块通过四轮目标确定主缸及电磁阀的控制信号，保证目标尽可能得到满足；

主缸轮缸液压力控制方法：

为保证系统防抱死控制方法的实现，需要结合已有的集成式EHB系统主缸液压力控制算法和轮缸液压力控制算法实现液压力控制。

目前集成式EHB系统主缸液压力控制，已经有包括基于颤振补偿的优化控制、滑模变结构控制、基于田口方法的PID控制等众多控制算法，其中基于颤振补偿的优化控制由于具有较好的鲁棒性和动态性能，利用高频颤振信号削弱因主缸摩擦带来的连续液压力变化死区。在发明设计的防抱死控制中，要求主缸跟随目标液压力曲线在四轮目标液压力区间内波动，因此利用颤振补偿可以有效保证主缸液压力的动态性能及准确控制。

在轮缸液压力控制方面，已经设计了简单的电磁阀开关控制，其开关信号由实时轮缸液压力增减需求及轮缸和主缸的压力差决定，控制逻辑简单。但在前期台架试验中不难发现，由于主缸液压力变化很快，单一的开关控制容易引起防抱死控制中轮缸液压力超调或减少过快的现象，导致滑移率波动很大，为平衡制动稳定性和效能，防抱死控制中单个轮缸液压力的增压环节要以阶梯式进行，减压环节要求速度快幅值也不能过大，因此在本文设计的防抱死控制中，针对模糊环节获得单轮的增减压幅度需求及主缸轮缸实际压差，对单个电磁阀进行PWM波控制，保证了液压力精确跟随目标需求，理论上可以改善开关控制引起的轮缸液压力超调引起的滑移率控制不稳定的现象。

图3和图4为使用本制动防抱死控制策略得到的制动防抱死试验结果。

图3路面附着系数0.2，初始车速60km/h，无控制时制动距离70.6m,制动时间8.85s；有控制情况下制动距离53m，制动时间6.2s，附着系数91.6％。

图4路面附着系数0.8，初始车速60km/h，无控制时制动距离19.9m,制动时间2.17s；有控制情况下制动距离19.5m，制动时间2.02s，附着系数利用率81.4％。

可见，本发明使滑移率基本控制在最佳滑移率附近，显著缩短了制动时间与制动距离。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于模糊控制的制动防抱死控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)车载ECU通过轮速传感器及车速传感器获取轮速、轮减速度、车轮滑移率以及车速；

2)系统根据传感器信息和车辆状态判断制动防抱死需求，具体包括：

21)若判断为常规制动工况时，则电机控制主缸建压，HCU中各电磁阀保持常开，各轮缸和主缸直接相通，产生相应的制动力矩；

22)若判断为紧急工况，即出现制动防抱死需求时，则通过构建的防抱死模糊控制器，以当前时刻各个车轮的滑移率s及轮减速度作为输入变量，生成各个车轮所需的增减压或保压需求，并将需求与轮缸实际液压力结合通过产生各个车轮为实现最佳附着系数的目标液压力曲线，并采用基于颤振补偿的优化控制方式对主缸和轮缸液的压力进行控制；

3)ECU控制电磁阀下电打开，进而控制电机反转或者停止工作使主缸泄压，制动过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的制动防抱死控制方法，其特征在于，所述的步骤22)中，防抱死模糊控制器为一二维模糊控制器。

3.根据权利要求2所述的一种基于模糊控制的制动防抱死控制方法，其特征在于，所述的步骤22)中，构建防抱死模糊控制器具体包括以下步骤：

221)确定输入和输出变量的基本论域、模糊集数和隶属度函数：

输入变量车轮的滑移率s的基本论域为[0，1]，轮减速度的基本论域为[-50，50]，输出变量增减压或保压需求Δp的基本论域为[-3,3]；

滑移率s的模糊集为{zero,small,middle,large,super,block}，其中，zero代表滑移率为0；small代表滑移率较小，其名义值为0.12；middle代表滑移率适中，其名义值为0.18；large代表滑移率较大，其名义值为0.35；super代表滑移率很大，其名义值为0.62；block代表滑移率为1，即车轮抱死；

的模糊集为{NB,NS,ZN,ZE,ZP,PS,PB}，NB代表轮加速度为负大，其名义值为为-50m/s²；NS代表轮加速度负中，其名义值为为-20m/s²；ZN代表轮加速度负小，其名义值为为-7m/s²；ZE代表轮加速度为0m/s²；ZP代表轮加速度正小，其名义值为为7m/s²；PS代表轮加速度正中，其名义值为20m/s²；PB代表轮加速度正大，其名义值为50m/s²；

Δp的模糊集为{DecI,DecF,DecS,Hold,DecS,DecF,DecI}，DecI代表快减压，DecF代表较快减压，DecS代表慢减压，Hold代表保压，IncS代表缓增压，IncF代表较快增压，IncI代表快增压；

隶属度函数为三角隶属度函数；

222)确定模糊控制规则集；

223)确定模糊推理方法和解模糊方法：模糊推理方法为Mamdani合成推理方法，解模糊方法为重心法；

224)通过FIS编辑器设计构建防抱死模糊控制器。

4.根据权利要求3所述的一种基于模糊控制的制动防抱死控制方法，其特征在于，所述的步骤222)中，模糊控制规则集具体为：

5.根据权利要求3所述的一种基于模糊控制的制动防抱死控制方法，其特征在于，所述的步骤22)中，为确保主缸建压范围覆盖各个车轮的目标液压力曲线，设定目标液压曲线的波动范围为最值差的110％。

6.根据权利要求3所述的一种基于模糊控制的制动防抱死控制方法，其特征在于，为防止车辆失稳，限制左右轮制动力之差，具体为：

前轴左右制动力之差不大于前轴负荷的5％，后轴左右制动力之差不大于后轴负荷的8％。

7.根据权利要求5所述的一种基于模糊控制的制动防抱死控制方法，其特征在于，当前后轴的差值产生的转矩同向且超出限值时，高压一侧不再继续增压，并跟随低压的一侧完成相同程度的减压，直至差距缩小在限制范围内。