CN112606809B - 一种抗扰动的车辆主动制动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗扰动的车辆主动制动控制系统及方法，属于车辆制动控制领域。该控制方法将目标制动压力及输出推杆位移作为输入，建立制动系统数学模型，利用扩张状态观测器估算系统扰动及未知状态变量，通过反步法获得伺服电机的参考电压；该电压经PWM调制后驱动伺服电机及传动机构在制动主缸建立压力，实现对目标制动压力的准确跟踪；通过稳定性分析确定扩张状态观测器带宽的取值范围，保证制动压力跟踪误差收敛的快速性。本发明提出的抗扰动主动制动控制方法，抗扰动能力强，跟踪精度高、速度快，可有效增加制动系统的可靠性，提升驾乘体验。

Description

一种抗扰动的车辆主动制动控制系统及方法

技术领域

本发明属于车辆制动控制领域，具体涉及一种抗扰动的车辆主动制动控制系统及方法

背景技术

主动制动是指车辆无需驾驶员操作，通过分析外部信息，控制制动装置对部分或全部车轮实现制动，广泛应用于自适应巡航控制(ACC，Adaptive Cruise Control)、自动紧急制动(AEB，Autonomous Emergency Braking)、先进驾驶员辅助系统(ADAS，AdvancedDriver-assistance Systems)和自动驾驶中。主动制动可凭借电控制动系统实现：传动机构将伺服电机的电磁转矩转化为制动主缸的压力。现应用于主动制动系统的控制方法如滑模控制、定量反馈控制、几何控制等虽然可以解决内在的系统非线性，但未能很好地处理负载波动以及参数变化等未知扰动。这些系统中实际存在的扰动会导致系统动态响应迟滞、制动压力跟踪误差增大甚至发散，严重影响制动可靠性以及驾乘体验。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种抗扰动的车辆主动制动控制系统及方法，可以保证制动系统在有未知扰动的情况下仍然能达到预定的制动力动态跟踪性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的其中一个目的在于提供一种抗扰动的车辆主动制动控制系统，包括：

伺服电机及传动机构，用于执行控制器指令，输出位移量x_ser，推动制动主缸活塞在制动主缸内建立压力；

制动主缸P-V特性转换模块，用于将伺服电机及传动机构的输出位移量x_ser转换为输出压力F_p，并反馈至压力控制单元；

压力控制单元，用于根据目标制动压力F_{p_ref}与制动主缸输出压力F_p，得到传动机构的目标位移量x_{ser_d}，所述的目标位移量由前馈项分量和PI控制器输出的反馈项分量叠加得到；所述的前馈项分量根据目标制动压力F_{p_ref}及制动主缸P-V特性得到；所述的PI控制器用于消除目标制动压力F_{p_ref}与制动主缸输出压力F_p的静态误差，得到反馈项分量；

非线性控制单元，包括扩张状态观测器和反步控制模块两部分；所述的扩张状态观测器用于估计系统扰动以及未知的状态变量，得到状态估计量

反步控制模块用于根据扩张状态观测器的状态估计量

以及传动机构的目标位移x_{ser_d}，获取伺服电机电压给定值u_ref；

限幅器，用于根据实际工况对非线性控制单元的输出电压进行限幅；

带宽计算单元，用于计算非线性控制单元中的扩张状态观测器的带宽值ω₀的取值范围；

PWM换流器，用于调制参考电压输入，触发换流器开关管动作，驱动伺服电机及传动机构；

压力控制单元接收目标制动压力F_{p_ref}与制动主缸输出压力F_p后，输出目标位移x_{ser_d}至非线性控制单元中的反步控制模块；反步控制模块同时接收扩张状态观测器输出的状态估计量

然后输出伺服电机电压给定值u_ref至限幅器，经限幅后作为参考电压输出至PWM换流器；PWM换流器驱动伺服电机及传动机构输出位移量x_ser并反馈至扩张状态观测器，所述扩张状态观测器同时接收带宽计算单元输出的带宽值ω₀，得到状态估计量

与此同时，制动主缸P-V特性转换模块接收伺服电机及传动机构的输出位移量x_ser，然后输出F_p至压力控制单元形成闭环。

作为本发明的优选，所述的状态变量表示为

其中

表示x_ser的导数，k_i为传动系数，k_t为转矩系数，m_E为制动系统等效质量，i为伺服电机的电枢电流，q(t)为扰动项。

作为本发明的优选，所述的扰动项包括制动系统方程中的伺服电机电压方程中参数的变化量、电机交直轴耦合项、以及逆变器死区非线性。

作为本发明的优选，所述非线性控制单元中的反步控制模块的控制输出如下：

其中，x_{i_des},i＝1,2,3为虚拟控制量，x_{ser_d}为传动机构的目标位移量，

为扩张状态观测器的状态估算量，k_i,i＝1,2,3为系统稳定性调节常数，f₁(·)和f₂(·)为制动系统方程表达式，

为x_{1_des}的一次导数，

为x_{1_des}的二次导数，

为

的一次导数。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述控制系统的抗扰动的车辆主动制动控制方法，包括以下步骤：

(1)根据车辆制动需求获取制动主缸的目标制动压力F_{p_ref}；利用制动主缸P-V特性关系F_{p_ref}＝F_p(x_{ser_d})得到伺服电机及传动机构目标位移量的前馈项分量；将前馈项分量与PI控制器输出的反馈项分量叠加得到x_{ser_d}；

(2)基于制动系统方程设计抗扰动非线性控制单元，得到伺服电机电压给定值：首先采用扩张状态观测器估计系统扰动以及未知的状态变量，得到状态估计量

将目标位移x_{ser_d}输入至非线性控制单元中的反步控制模块，反步控制模块同时接收扩张状态观测器输出的状态估计量

输出伺服电机电压给定值u_ref；

(3)将步骤(2)中的伺服电机电压给定值u_ref输入至限幅器，经过限幅之后作为参考电压输出至PWM换流器，经过PWM调制后通过换流器驱动伺服电机输出制动转矩，从而推动输出推杆在制动主缸跟踪目标压力。

进一步的，所述步骤(2)中的抗扰动非线性控制单元利用扩张状态观测器的状态估计量，通过反步法得到伺服电机电压给定值；所述的扩张状态观测器如下：

式中，A为制动系统的系统矩阵，Φ(x)为状态变量间的函数关系，

为反馈矩阵，ω₀表示带宽，x₁表示x_ser。

进一步的，所述带宽ω₀的取值约束包括：

第一条件：

第二条件：

第三条件：

其中，|z_s|为伺服电机与传动机构的输出位移量与目标位移量的稳态跟踪误差；P,B_i,i＝2,3分别为正定矩阵与向量；g,c_i,i＝1,2,3均为与制动系统模型相关的常数；u_max为限幅器限值的绝对值；λ_min(Λ)表示闭环系统矩阵Λ的最小特征值，·表示取模。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益效果：

(1)本发明提供的抗扰动的车辆主动制动控制系统通过非线性控制单元，在状态变量中引入了扰动项，在模型中加入了有界的未知扰动，通过扩张状态观测器获得状态估计量，再通过反步控制进一步得到伺服电机电压给定值，能够处理负载波动以及参数变化等未知扰动。采用本发明的控制方法可以保证未知的如负载刚度、油温变化、粘滞阻尼等扰动存在时，车辆制动系统的制动主缸仍能实现良好的压力跟踪性能和精度，具有实现简单，鲁棒性强的特点。该方法可以有效提升车辆主动制动功能的可靠性，改善驾乘体验。

(2)本发明采用宽带计算单元分析扩张状态观测器及闭环系统的稳定性来得到带宽值，并给出了带宽值的取值约束条件，在该条件下，制动系统的状态误差能够在有限时间内将一直减小直至收敛，实现了输出推杆位移量对目标量的准确跟踪。

附图说明

图1为电控制动系统的结构示意图；

图2为本发明提供的抗扰动主动制动控制方法示意图；

图3为本发明中非线性控制单元的结构框图；

附图标记：

1-伺服电机(直流电机或永磁同步电机)；2-齿轮；3-丝杆螺母；4-输出推杆；5-制动主缸。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，电控制动系统利用丝杆螺母等传动机构将伺服电机的输出转矩转化为水平方向的推力，带动输出推杆推动制动主缸活塞产生制动压力。其中输出推杆与丝杆为刚性连接，其位移量x_ser可由伺服电机角度传感器测得。

建立该制动系统方程：

其中：m_E为制动系统等效质量，k_i为传动系数，k_t为转矩系数，k_e为反电势系数，F_p(x_ser)为拟合制动主缸P-V特性曲线得到的模型；L，R分别为伺服电机电枢的电感和电阻；F_L(t)，D(t)代表有界的未知扰动，如参数的变化量、负载刚度、油温变化、粘滞阻尼、电机交直轴耦合项、以及逆变器死区非线性等扰动。本实施例中的上述模型参数均选用标称值，并将参数标称值与实际值的偏差归算至扰动项中。

定义状态变量

进一步将该系统方程表示为：

其中

如图2所示，本发明车辆主动制动的抗扰动控制系统，包括：

伺服电机及传动机构，用于执行控制器指令，输出位移量x_ser，推动制动主缸活塞在制动主缸内建立压力；

制动主缸P-V特性转换模块，用于将伺服电机及传动机构的输出位移量x_ser转换为输出压力F_p，并反馈至压力控制单元；

压力控制单元，用于根据目标制动压力F_{p_ref}与制动主缸输出压力F_p，得到传动机构的目标位移量x_{ser_d}，所述的目标位移量由前馈项分量和PI控制器输出的反馈项分量叠加得到；所述的前馈项分量根据目标制动压力F_{p_ref}及制动主缸P-V特性得到；所述的PI控制器用于消除目标制动压力F_{p_ref}与制动主缸输出压力F_p的静态误差，得到反馈项分量；

非线性控制单元，包括扩张状态观测器和反步控制模块两部分；所述的扩张状态观测器用于估计系统扰动以及未知的状态变量，得到状态估计量

反步控制模块用于根据扩张状态观测器的状态估计量

以及传动机构的目标位移x_{ser_d}，获取伺服电机电压给定值u_ref；

限幅器，用于根据实际工况对非线性控制单元的输出电压进行限幅；

带宽计算单元，用于计算非线性控制单元中的扩张状态观测器的带宽值ω₀的取值范围；

PWM换流器，用于调制参考电压输入，触发换流器开关管动作，驱动伺服电机及传动机构；

压力控制单元接收目标制动压力F_{p_ref}与制动主缸输出压力F_p后，输出目标位移x_{ser_d}至非线性控制单元中的反步控制模块；反步控制模块同时接收扩张状态观测器输出的状态估计量

然后输出伺服电机电压给定值u_ref至限幅器，经限幅后作为参考电压输出至PWM换流器；PWM换流器驱动伺服电机及传动机构输出位移量x_ser并反馈至扩张状态观测器，所述扩张状态观测器同时接收带宽计算单元输出的带宽值ω₀，得到状态估计量

与此同时，制动主缸P-V特性转换模块接收伺服电机及传动机构的输出位移量x_ser，然后输出F_p至压力控制单元形成闭环。

在本发明的一项具体实施中，采用图2所述的车辆主动制动的抗扰动控制系统实现主动制动的过程，包括：

(1)根据车辆制动需求获取制动主缸的制动压力参考值F_{p_ref}；利用拟合的P-V特性关系F_{p_ref}＝F_p(x_{ser_d})求解输出推杆目标位移x_{ser_d}的前馈项分量；叠加前馈分量与PI控制器输出的反馈项分量得到x_{ser_d}；

(2)基于上述电控制动系统模型设计抗扰动非线性控制单元获得伺服电机的电压给定u_ref；

具体地，如图3所示，本发明的抗扰动非线性控制单元可分为两部分，扩张状态观测器及非线性控制器。由扩张状态观测器估算未知扰动以及不可测量的状态变量；利用估算的状态量与输出推杆目标位移x_{ser_d}通过反步法设计非线性控制器；通过分析系统稳定性确定扩张状态观测器带宽ω₀取值的三个条件约束。下面分别进行详细论述：

将扰动q(t)定义为x₄，其对时间的导数表示为h(t)，并将状态变量x扩张为[x₁,x₂,x₃,x₄]^T，则原系统方程可改写为：

其中，

Φ(x)＝[0,f₁(x₁),f₂(x₂,x₃),0]^T，B＝[0,0,g,0]^T，扰动项Δ(t)＝[0,d(t),0,h(t)]^T

定义

表示状态x_i的估计值，

表示状态变量实际值和估计值的偏差

则扩张状态观测器的表达式为：

其中，

ω₀为扩张状态观测器带宽。下面通过分析证明由观测器估算的状态偏差可以收敛至一个较小的区间，并且从分析中确定扩张状态观测器带宽ω₀取值的第一、二约束。

由扩张状态观测器表达式可以得到系统状态偏差：

定义

则偏差方程可以表示为：

其中

B₂＝[0,1,0,0]^T，B₃＝[0,0,1,0]^T，B₄＝[0,0,0,1]^T。矩阵A_η为赫维兹矩阵，因此存在正定矩阵P满足：

A_ηP+PA_η＝-2I

此外，f₁(x₁)与f₂(x₂,x₃)满足Lipschitz条件，则有：

定义李亚普诺夫函数

则当制动系统中不存在扰动时有：

由上式可确定扩张状态观测器带宽ω₀需满足的第一条件，即：

当扩张状态观测器带宽ω₀的取值满足上述第一条件时，没有扰动的制动系统状态偏差渐进稳定。

进一步地，未知扰动d(t)由控制输入u来抑制，忽略电流环中的扰动q(t)，则：

由于扰动d(t)有界且控制输入u在实际应用中被饱和环节限幅，则有：

|d(t)|≤d_max，|u|≤u_max

当满足||PB₃||gu_max-ω₀||PB₂||d_max＞0时，控制输入u可以有效抑制扰动d(t)。以此确定扩张状态观测器带宽ω₀需要满足的第二条件。

仅考虑电流环扰动项h(t)时：

求解上式可得：

令

由于扰动有界，假设|h(τ)|≤h_max，则对于i＝1，2，3，4，有：

为确定上式有界，详细分析上述不等式中的组成：首先

由于矩阵A_η为赫维兹矩阵，因此存在有限时间T₀使得

借此求得

通过以上分析可以得到：

令

可得

结合

可知状态偏差范围为：

由上式可以看出状态变量的估计偏差有界且随带宽ω₀的增大而减小，因此选取合理的ω₀，应在满足约束的情况下尽量选择较大的带宽取值。

设x_{i_des},i＝1,2,3为虚拟控制量，z_i,i＝1,2,3表示状态变量与虚拟控制量间的误差，即z_i＝x_i-x_{i_des}，则可以得到控制率如下：

其中k₁，k₂，k₃为取值为正的常数。据上述控制量，可求得状态误差模型系统方程：

为了验证制动系统的稳定性，选取李亚普诺夫函数

其对时间求导可得：

将上述不等式中常数表示为：

进一步化简该式可得：

其中

设λ_min(Λ)为矩阵Λ的最小特征值，则有：

求解上式可得：

当t>t₀+T₁时(T₁为有限时刻)，李亚普诺夫函数有界，表明制动系统在此控制率u作用下稳定。

接下来分析

在制动系统状态误差收敛至稳态误差前均小于0应满足的条件。假设制动系统稳态时的状态误差为|z|_s，则当|z(t)|＞|z|_s时应有

当ω₀取值足够大时，可以认为

则可得：

结合扩张状态观测器ω₀的第二条件

可以得到ω₀取值需要满足的第三条件：

综上，当扩张状态观测器的带宽ω₀满足第一、二、三条件后，制动系统的状态误差在有限时间内将一直减小直至收敛至|z|_s。此时z₁＝x_ser-x_{ser_d}≤|z_1s|，即实现了输出推杆位移量对目标量的准确跟踪。

(3)步骤(2)中的u_ref经过PWM调整后通过换流器驱动伺服电机输出制动转矩。需要补充的是，本发明中的伺服电机可以为直流电机或者永磁同步电机。因为步骤(1)中建立的制动系统状态方程可以理解为直流电机电压方程或永磁同步电机q轴电压方程。其中将永磁同步电机q轴电压方程中与d轴电流的耦合项认为扰动项，通过扩张状态观测器解耦。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述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，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抗扰动的车辆主动制动控制系统，其特征在于，包括：

伺服电机及传动机构，用于执行控制器指令，输出位移量x_ser，推动制动主缸活塞在制动主缸内建立压力；

制动主缸P-V特性转换模块，用于将伺服电机及传动机构的输出位移量x_ser转换为输出压力F_p，并反馈至压力控制单元；

压力控制单元，用于根据目标制动压力F_{p_ref}与制动主缸输出压力F_p，得到传动机构的目标位移量x_{ser_d}，所述的目标位移量由前馈项分量和PI控制器输出的反馈项分量叠加得到；所述的前馈项分量根据目标制动压力F_{p_ref}及制动主缸P-V特性得到；所述的PI控制器用于消除目标制动压力F_{p_ref}与制动主缸输出压力F_p的静态误差，得到反馈项分量；

非线性控制单元，包括扩张状态观测器和反步控制模块两部分；所述的扩张状态观测器用于估计系统扰动以及未知的状态变量，得到状态估计量

反步控制模块用于根据扩张状态观测器的状态估计量

以及传动机构的目标位移量x_{ser_d}，获取伺服电机电压给定值u_ref；

限幅器，用于根据实际工况对非线性控制单元的输出电压进行限幅；

带宽计算单元，用于计算非线性控制单元中的扩张状态观测器的带宽值ω₀的取值范围；

PWM换流器，用于调制参考电压输入，触发换流器开关管动作，驱动伺服电机及传动机构；

压力控制单元接收目标制动压力F_{p_ref}与制动主缸输出压力F_p后，输出目标位移量x_{ser_d}至非线性控制单元中的反步控制模块；反步控制模块同时接收扩张状态观测器输出的状态估计量

然后输出伺服电机电压给定值u_ref至限幅器，经限幅后作为参考电压输出至PWM换流器；PWM换流器驱动伺服电机及传动机构输出位移量x_ser并反馈至扩张状态观测器，所述扩张状态观测器同时接收带宽计算单元输出的带宽值ω₀，得到状态估计量

与此同时，制动主缸P-V特性转换模块接收伺服电机及传动机构的输出位移量x_ser，然后输出F_p至压力控制单元形成闭环。

2.如权利要求1所述的一种抗扰动的车辆主动制动控制系统，其特征在于，所述的状态变量表示为

其中

表示x_ser的导数，k_i为传动系数，k_t为转矩系数，m_E为制动系统等效质量，i为伺服电机的电枢电流，q(t)为扰动项。

3.如权利要求2所述的一种抗扰动的车辆主动制动控制系统，其特征在于，所述的扰动项包括制动系统方程中的伺服电机电压方程中参数的变化量、电机交直轴耦合项、以及逆变器死区非线性。

4.如权利要求1所述的一种抗扰动的车辆主动制动控制系统，其特征在于，所述非线性控制单元中的反步控制模块的控制输出如下：

其中，x_{i_des},i＝1,2,3为虚拟控制量，x_{ser_d}为传动机构的目标位移量，

为扩张状态观测器的状态估算量，k_i,i＝1,2,3为系统稳定性调节常数，f₁(·)和f₂(·)为制动系统方程表达式，

为x_{1_des}的一次导数，

为x_{1_des}的二次导数，

为

的一次导数。

5.一种如权利要求1所述控制系统的抗扰动的车辆主动制动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据车辆制动需求获取制动主缸的目标制动压力F_{p_ref}；利用制动主缸P-V特性关系F_{p_ref}＝F_p(x_{ser_d})得到伺服电机及传动机构目标位移量的前馈项分量；将前馈项分量与PI控制器输出的反馈项分量叠加得到x_{ser_d}；

(2)基于制动系统方程设计抗扰动非线性控制单元，得到伺服电机电压给定值：首先采用扩张状态观测器估计系统扰动以及未知的状态变量，得到状态估计量

将目标位移量x_{ser_d}输入至非线性控制单元中的反步控制模块，反步控制模块同时接收扩张状态观测器输出的状态估计量

输出伺服电机电压给定值u_ref；

(3)将步骤(2)中的伺服电机电压给定值u_ref输入至限幅器，经过限幅之后作为参考电压输出至PWM换流器，经过PWM调制后通过换流器驱动伺服电机输出制动转矩，从而推动输出推杆在制动主缸跟踪目标压力。

6.根据权利要求5所述的抗扰动的车辆主动制动控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中的抗扰动非线性控制单元利用扩张状态观测器的状态估计量，通过反步法得到伺服电机电压给定值；所述的扩张状态观测器如下：

式中，A为制动系统的系统矩阵，Φ(x)为状态变量间的函数关系，

为反馈矩阵，ω₀表示带宽，x₁表示x_ser。

7.根据权利要求6所述的抗扰动的车辆主动制动控制方法，其特征在于，所述带宽ω₀的取值约束包括：

第一条件：

第二条件：||PB₃||gu_max-ω₀||PB₂||d_max＞0；

第三条件：

其中，|z_s|为伺服电机与传动机构的输出位移量与目标位移量的稳态跟踪误差；P,B_i,i＝2,3分别为正定矩阵与向量；g,c_i,i＝1,2,3均为与制动系统模型相关的常数；u_max为限幅器限值的绝对值；λ_min(Λ)表示闭环系统矩阵Λ的最小特征值，||·||表示取模。

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