WO2015101679A1 - Controlador reseteado de deslizamiento de ruedas para sistemas de frenado - Google Patents

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WO2015101679A1
WO2015101679A1 PCT/ES2014/000173 ES2014000173W WO2015101679A1 WO 2015101679 A1 WO2015101679 A1 WO 2015101679A1 ES 2014000173 W ES2014000173 W ES 2014000173W WO 2015101679 A1 WO2015101679 A1 WO 2015101679A1
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reset
slip
braking systems
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PCT/ES2014/000173
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María Emma DELGADO ROMERO
Miguel Ramón DÍAZ-CACHO MEDINA
Antonio BARREIRO BLAS
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Universidad De Vigo
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T8/00—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force
    • B60T8/17—Using electrical or electronic regulation means to control braking
    • B60T8/176—Brake regulation specially adapted to prevent excessive wheel slip during vehicle deceleration, e.g. ABS
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60T8/00—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force
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    • B60T8/176—Brake regulation specially adapted to prevent excessive wheel slip during vehicle deceleration, e.g. ABS
    • B60T8/1761—Brake regulation specially adapted to prevent excessive wheel slip during vehicle deceleration, e.g. ABS responsive to wheel or brake dynamics, e.g. wheel slip, wheel acceleration or rate of change of brake fluid pressure
    • B60T8/17616—Microprocessor-based systems
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential

Definitions

  • the present invention falls within the field of control systems, more specifically in the field of controllers of motor-driven vehicle braking systems, in particular it describes a resetting wheel slide controller for braking systems.
  • ABS Antilock Braking System
  • hydraulic actuators hydraulic valves
  • This system has as main objective to avoid blocking the wheels in case of emergency braking, and thus, maintain the ability to handle the direction of the vehicle in addition to reducing the braking distance, since the maximum friction between the tire and the Road is reached with the wheel in rotation, not locked.
  • the control strategy in this case is based on measures of the angular speed of the wheels, and indirectly regulates the sliding by controlling its acceleration / deceleration.
  • state-of-the-art braking systems incorporate electromechanical technology, which, unlike conventional systems, allows independent braking forces to be continuously generated and varied for all four wheels.
  • electromechanical actuators the driver's action on the brake pedal is converted into electrical signals that are transmitted via microcontrollers to the brake actuators. Therefore, there is no hydraulic connection between the pedal and the actuators, and allows a continuous and more precise adjustment in the braking force.
  • ABS braking system antilock braking systems
  • traction control traction control
  • stability control of the vehicle VSC vehicle stability control
  • electronic stability protocol ESP electronic stability protocol
  • active safety systems advanced driver assistance systems
  • reset controllers were originally raised in isolated works that did not have much impact, carried out by Clegg (Clegg integrator) in the 50s and Horowitz (first order reset element or FORE) in the 70s. They are characterized by having non-linear elements that can provide improvements in efficiency and speed of correction in the output signal. They base their operation on zeroing or resetting the controller's output, or the output of one of the controller's elements, in the instants of time in which the input signal to the controller is zero.
  • the first is based on the zero crossing of the tracking error signal.
  • the second is based on verification of conditions (belonging to a conical sector) by said error signal.
  • the third is based on applying reset using purely temporary criteria (at specified times). There is some similarity between the first two approaches, which are more faithful to Horowitz's original ideas and seek to overcome performance limitations.
  • F ⁇ ( ⁇ ), Tb (t)
  • d ⁇ (t) / dt the variation of the slippage per unit of time.
  • the problem is that the dependency ratio given by the function F is highly nonlinear and subject to uncertainty. This is due to the fact that the pneumatic-ground grip has two regions of differentiated behaviors: for smaller landslides, greater slippage has greater grip strength, which is a beneficial and stabilizing effect.
  • this invention provides a resetting wheel slide controller that allows an improvement in the performance of the system: a minor and less oscillating transient, robustness against temporary delays in the control action, against changes in the road conditions, against uncertainties and against changes in the setpoint value, even in values close to the maximum friction.
  • This improvement mainly translates into a decrease in braking distance, and a more accurate estimate of the tire-to-ground friction coefficient.
  • the invention provides, a method for the design of a reset wheel slip controller and a maximum friction estimator that characterizes each type or conditions of the firm. It is an analytical method based on a simplified vehicle model that incorporates pneumatic-road interaction or friction curves and also technological limitations such as uncertainty in the model, saturation in the actuator and delay in communications.
  • the definition of a basic control structure that incorporates the reset slip controller and the different blocks that make up the model and the estimator allows, according to procedures known in the state of the art, to select the parameters of the reset slip controller and the estimator of maximum friction.
  • the reset controller of sliding of each of the wheels will be executed in a central electronic control unit, which with measurements of the sensors or estimates of certain magnitudes involved, will calculate the performance (the braking torque) for each of the wheels and it will transmit it through the network by means of some communication protocol to the four local electronic brake control units.
  • the slip estimator module For its operation it interacts with different modules that provide the input signals and other modules to which the controller sends the corrective action to regulate the slip. From the high-level supervisor module requires the optimum slip setpoint signal * .
  • the slip estimator module requires a second input signal ⁇ of the current wheel slip, estimated in the slip estimator module, from measurements of ⁇ the angular velocity of the wheel of the sensor information module and the signal v calculated in the speed estimator module. Finally, from the speed estimator module it may require a third input signal v which is a vehicle speed estimate calculated from the sensory information module.
  • the corrective action calculated with the controller will be transmitted via communications channel to the local actuator module.
  • the reset slip controller implements a feedback control action on the wheel slip, in which basically a certain desired optimal slip setpoint signal is established which is compared with the current wheel slip, and is calculated by a compensator reset, a corrective action based on this difference, so that its integral term will be set to zero or a non-zero percentage of the previous value (reset action), totally or partially, in the moments of time in which the difference is zero (or in the moments of time adopted by means of anticipatory strategies), and will adjust the current slip at each moment until it approaches the desired value.
  • the reset condition that is, when the reset event is triggered
  • the third one is based on activating the reset based on purely temporary criteria, that is, in moments of time t preset in advance, for example, every 0.1 seconds.
  • 0 is replaced by a small band or margin around 0.
  • e (t) 0 they are based on the modified event -5 ⁇ e (t) ⁇ + 6, where ⁇ is a value small.
  • the reset action that is, what action is applied on the controller variables in general or, more specifically, on the integral of the error
  • the reset action consists of completely setting said integral variable to 0, it is that is, reset it to 0.
  • a non-zero percentage for example to 20% of the previous value
  • a reset controller is that it is based on a conventional controller that incorporates some form of reset events, which give rise to some form of reset actions.
  • it comprises a reset compensator, a multiplier, a comparator and a reset percentage decision module.
  • an error signal e which results from the product made, through the multiplier, of the vehicle speed signal v, with the signal e .
  • the reset percentage decision module that is included in the reset slip controller, according to the invention, may establish the scope of the reset action (total or partial) over the integral term and a fine tuning of the signal p r which is the percentage of reset to apply, taking into account factors such as the current setpoint and speed. It presents improvements on the option of choosing a constant value of p r especially in the case of a change in the setpoint in braking directed by a supervisor module.
  • the output signal of the reset compensator will be the control signal u, whose integral term will be set to zero or a non-zero percentage of the previous value (reset action), totally or partially, in the instants of time in which the signal of Entrance to the compensator e is zero (or in the moments adopted by means of anticipatory strategies).
  • the reset compensator will adjust the system so that the current slip value is close to the setpoint value at any time, applying the correction signal.
  • the reset compensator proposed in the preferred embodiment according to the invention is the PI + CI compensator according to the state of the art, which combines the advantages of a standard compensator such as the proportional-integral (Pl) with the complementary action of a Clegg integrator (Cl).
  • K p and / are the proportional and integral gains.
  • the factor p reS et, with 0 ⁇ p reS et ⁇ 1 represents the part of the integral term on which the reset action is applied, and is used to achieve a partial reset of the integral term.
  • p r 1, it means that a total reset has been made, so the compensator acts as a P + CI.
  • the reset compensator may incorporate a derivative term as well as conventional compensators (PID), in this case being the control action or a function of the error signal e: of (t)
  • u (t) K p e (t) + ( ⁇ -) ⁇ ⁇ ⁇ ) ⁇ + Prae , K,. J e (r) dr +
  • Modeling of the pneumatic-firm interaction or friction curves, of the simplified dynamics of the vehicle, of the delay in communications, of the saturation of the actuators, of the estimator of maximum pneumatic-firm friction.
  • the design in a preferred embodiment of the invention, is addressed with the so-called 1 ⁇ 2 vehicle model, which consists of a single wheel attached to a longitudinally moving mass.
  • a reaction force is generated by friction between the surface of the tire and the road surface.
  • the reaction force of the tire generates a torque that results in a rotation movement of the wheel.
  • a braking torque applied to the wheel will act causing a negative angular acceleration.
  • the pneumatic-ground longitudinal friction force is modeled from the simplified expression with constant Pacejka coefficients for longitudinal movement.
  • Simplification based on longitudinal movement is appropriate because, according to the state of the art, if the regulated longitudinal sliding is maintained in the linear and stable zone close to the value at which the maximum longitudinal friction is obtained, a reasonable compromise is achieved between high longitudinal and lateral friction for all firm conditions.
  • an estimator based on recursive least squares with forgetfulness factor is chosen, which takes the input data of the 1 ⁇ 2 model.
  • the basic reset control structure of sliding proposed in a preferred embodiment of the invention is the serial configuration. It comprises an estimator block of ⁇ »(maximum pneumatic-firm friction), a 3 ⁇ 4 model, a delay element, a saturation element and a reset slip controller.
  • the choice of the optimum slip setpoint signal is essential for the achievement of the control and estimation objectives. This should be established in the stable linear zone, close to the maximum friction value.
  • the calculation of the parameters of the reset slip controller can be performed according to the procedures described in the state of the art.
  • Fig. 1 It is a scheme of implementation and signal flow, according to the invention.
  • Fig. 2. It is a schematic representation of a reset slider controller, according to the invention.
  • Fig. 3. It is a schematic representation of a PI + CI reset compensator, according to the state of the art.
  • Fig. 4. It is a schematic representation of a basic slip control reset structure, according to the invention.
  • Fig. 5 It is a graphic representation of typical friction curves, according to the state of the art.
  • Fig. 6 It is a graphic representation in a first situation of the response against time before a fixed optimum sliding setpoint in the limit of the stable linear zone (a) and a sliding setpoint equal to ⁇ ⁇ »(maximum of friction) (b); of the control signal against the set time the optimum slip setpoint in the limit of the stable linear zone (c) and a slip setpoint equal to X H ( ⁇ ).
  • Fig. 7. It is a graphic representation in a second situation of the response of two systems against time before a slip setpoint signal (a), of the estimation of the maximum friction ⁇ ⁇ that characterizes the type of firm versus time (b), of the speed of two systems against time before a sliding setpoint signal in the braking system (c), of the control signal against time (d); one of the systems being formed by the 1 ⁇ 4 model and two Pl compensators and the other being formed by the 1 ⁇ 2 model and a controller reset according to Fig. 2.
  • Fig. 9 It is a graphical representation of the response of two systems against time before a variable slip setpoint signal, one of the systems being formed by the 1 ⁇ 4 model and two compensators Pl and the other being formed by the% and a controller reset according to Fig. 2.
  • the key idea in control in vehicular dynamics is integration: different levels in a hierarchical structure with different functionalities that interact to improve the driving characteristics of the vehicle.
  • One of the subsystems would be the braking system, of which the sliding controller is part.
  • the sliding controller of each of the wheels would be executed in a central electronic control unit, which would communicate with the sensors and with the four electronic control units of the four actuators or brakes by means of some communication protocol.
  • the signal flow and implementation scheme 10 represents the modules or elements involved in the implementation of a reset slider controller 12 object of the present invention. It comprises a local actuator 11, a high level supervisor module 13, a slip estimator 14, a vehicle speed estimator 15 and sensory information 16. At the input of the controller 12 three signals are received. An optimum slip setpoint signal £ x , which can be predefined and constant, or can be commanded from a high-level supervisor module 13. A signal v which is an estimate of the vehicle speed calculated in the speed estimator module 15 from sensory measurements that come from the sensory information module 16.
  • a current slip signal ⁇ of the wheel estimated in the slip estimator module 14 from measurements of the sensory information module 16 of ⁇ the speed angle of the wheel and the signal v calculated in the speed estimator module 15.
  • the control signal u is obtained in the central unit as output from the controller.
  • the signal T b (tT) is received the limited delayed performance transmitted via the communications channel to the brakes.
  • a schematic representation of a reset slide controller 12 can be seen. It comprises a reset compensator 20, a multiplier 21, a comparator 22 and a reset percentage calculation module 23.
  • Two signals are received at the input of the reset compensator 20: an error signal e, which results from the product made, by means of the multiplier 21, of the speed signal v of the vehicle, with the e> slip error signal, which comes from the comparator 22, where the subtraction of the optimum slip setpoint £ x and the current wheel slip l x is performed ; and a second signal p r which is the percentage of reset, while one, optimal to be applied in the reset compensator 20, obtained in the calculation module of the reset percentage 23 from the setpoint signal X x slip current optimum and the velocity v at the initial instant.
  • the output signal of the reset compensator 20 will be the control signal u, whose integral term will be set to zero or a non-zero percentage of the previous value (reset action), totally or partially, in the instants of time in which the signal of entry to the compensator e is zero (or in the moments of time adopted through anticipatory strategies).
  • the reset compensator 20 will adjust the system so that the current slip value is close to the setpoint value at any time, applying the correction signal.
  • the reset percentage calculation module 23 may establish a fine tuning of the signal r r which is the reset percentage to be applied, thus allowing application with p r variable. Factors such as the current setpoint and speed are taken into account. It presents improvements on the option of choosing a constant value of p r especially in the case of a change in the setpoint in braking directed by a supervisor module. In the examples presented, it is done using a data table.
  • the reset compensator 20 proposed in the preferred embodiment according to the invention is the PI + CI compensator according to the state of the art (patent ES 2 323 833 Al), whose schematic representation is presented in Fig. 3. It comprises a proportional element 30 corresponding to a proportional gain K p , and integral compensation means 31 to 35, said integral compensation means being arranged in parallel with the proportional element 30.
  • the integral compensation means 31 to 35 comprise an integrator of Clegg 31 (Cl) and an integral element 33, which is arranged in parallel with the Clegg integrator 31 (Cl); a block 32 that multiplies the Clegg integrator 31 (Cl) by the reset percentage p r , as much as one, of the Clegg integrator; a block 34 that multiplies the integral element 33 by the parameter 1- p r , while one, of the integral element 33; and a block 26 corresponding to the integral gain K ⁇ .
  • the signals entering the reset compensator 20 are the error signal e and the signal p r which is the reset percentage, while the output signal is the control action u. When the value of the error signal e is zero, the value of the output of the integral compensation means 31 to 35 is different from zero, whereby a partial reset action of the integral compensation means is performed.
  • r the effective radius of the wheel
  • m 1 ⁇ 2 of the vehicle's mass
  • Tb the braking torque (also referenced as limited performance, due to technological limitation of saturation in the dynamics of the actuators)
  • f x the longitudinal friction force pneumatic-ground:
  • ⁇ ⁇ is the maximum friction value between the tire and the conditions of the road.
  • ⁇ ( ⁇ ) function based on the Pacejka model for longitudinal movement is obtained from the simplified expression with constant coefficients according to the state of the art:
  • Simplification based on longitudinal movement is appropriate because, according to the state of the art, if the regulated longitudinal sliding is kept close to the left to the sliding value ( ⁇ X H) at which the maximum longitudinal friction ⁇ »is obtained, it achieves a reasonable compromise between high longitudinal and lateral friction for all conditions of the firm.
  • a basic sliding control structure 40 whose scheme is presented in Fig. 4. It comprises an estimator of // «(maximum pneumatic-firm friction) 41, a 1 ⁇ 4 42 model, a delay element 43 , a saturation element 44 and a reset slider controller 12.
  • an optimum slip setpoint signal * At the input of the reset slip controller 12, three signals are received: an optimum slip setpoint signal * , a v signal that is the current vehicle speed calculated according to the 1 ⁇ 2 42 model and a current ⁇ slip signal calculated according to the model 1 ⁇ 2 42.
  • a control u signal is received, which comes from the reset slider controller 12.
  • a limited acting signal 7, (t) is received, which comes from the saturation element 44.
  • T b (tT) of limited delayed action is received, which comes from the delay element 43.
  • the estimator of // »41 At the input of the estimator of // »41 are the signal ⁇ (current value of the non-linear friction curve) and the current slip value, which come from the 3 ⁇ 4 42 model; The output of the estimator of // »41 will give us the estimate of the maximum friction ⁇ ⁇ that characterizes the type of firm.
  • 0 (t) is the vector of parameters estimated at time t
  • (t) the measures observed at time t
  • (t) is a prediction of the measures y (t) based on the observations made up to the moment (t-1) and in the current model at that moment.
  • the gain K determines how the current prediction error, and (t) - and (t), affects the update of the parametric estimate.
  • Forgetting / typical factor values are typically chosen in the range 0.97-0.995.
  • it consists in attenuating the effect of previous measures exponentially, so that an observation made ⁇ previous sampling periods incorporates a weight that is f of the weight of the most recent observation.
  • the objectives of the control system are: decrease of the braking distance in different conditions of the road keeping as far as possible adequate driving characteristics of the vehicle, and that is robust to technological limitations such as noise measurement in the sensors, saturation of the actuators and delay in communications.
  • FIG. 6 It can be seen in Fig. 6 how the choice of the slip setpoint affects both the tracking of the setpoint signal and the control action.
  • the figure represents a braking situation on a dry road with a reset controller slipping according to the invention.
  • a braking situation is presented on a firm with different adhesion conditions (dry asphalt, gravel, wet asphalt).
  • a fixed optimum slip setpoint is imposed on the limit of the stable linear zone.
  • the control is carried out with a constant reset percentage.
  • the first figure represents the response of the systems to the setpoint input applied.
  • the second shows the results of the estimation of the maximum friction that characterizes each type of firm.
  • the third shows the decrease in speed, and the fourth, the control action in both cases.
  • a braking situation is presented on a firm with different adhesion conditions (wet asphalt, snow).
  • Inaccuracies in the 1 ⁇ 2 42 model are contemplated, adding noise in the non-linear friction curves ( ⁇ ( ⁇ , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ )) considering ⁇ ( ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ) ⁇
  • a fixed optimum slip setpoint is imposed above the boundary of the linear zone and within the stable zone. The control is carried out with a constant reset percentage.
  • the four subfigures correspond to those explained for the previous situation.
  • a braking situation is presented on a dry land. Inaccuracies in the 1 ⁇ 2 42 model are contemplated, as in the previous case.
  • a variable optimum slip setpoint is imposed: two values in the stable zone (to the left of the peak value), but not in the linear zone.
  • the control is carried out with a variable reset percentage set according to the different setpoints and the speed at the start of braking.

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Abstract

La presente invención se refiere a un controlador reseteado de deslizamiento para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local que proporciona una señal (u), a partir de; una señal que es elaborada por un módulo supervisor y una señal que es elaborada por un módulo estimador de deslizamiento, y donde un módulo estimador de deslizamiento elabora una señal a partir de una señal que es proporcionada por un módulo de información sensorial y una señal que es elaborada por un módulo de estimación de velocidad, a partir de medidas sensoriales proporcionadas por un módulo de información sensorial. La invención se refiere también a un método para el diseño de un controlador resetado de deslizamiento para sistemas de frenado de vehículos

Description

Controlador reseteado de deslizamiento de ruedas para sistemas de frenado
Sector de la técnica
La presente invención se inscribe en el campo de los sistemas de control, más concretamente en el de los controladores de sistemas de frenado de vehículos a tracción motor, en particular describe un controlador reseteado de deslizamiento de ruedas para sistemas de frenado.
Antecedentes de la invención - Estado de la técnica
La mayoría de los sistemas de frenado disponibles en el mercado son los sistemas ABS (Antilock Braking System) convencionales, con actuadores hidráulicos (válvulas hidráulicas). Este sistema tiene como objetivo principal evitar el bloqueo de las ruedas en caso de frenado de emergencia, y así, mantener la capacidad de manejar la dirección del vehículo además de disminuir la distancia de frenado, ya que el máximo de fricción entre el neumático y la carretera se alcanza con la rueda en rotación, no bloqueada. La estrategia de control en este caso se basa en medidas de la velocidad angular de las ruedas, y regula de forma indirecta el deslizamiento controlando su aceleración/deceleración.
Para mejorar la flexibilidad, precisión y funcionalidad, los sistemas de frenado de última generación incorporan tecnología electromecánica, que a diferencia de los sistemas convencionales, permite generar y variar de forma continua fuerzas de frenado independientes para las cuatro ruedas. Con los actuadores electromecánicos, la acción del conductor en el pedal de freno se convierte en señales eléctricas que se transmiten vía microcontroladores a los actuadores de freno. Por tanto, no hay conexión hidráulica entre el pedal y los actuadores, y permite un ajuste continuo y más preciso en la fuerza de frenado. Además, permiten el control directo del deslizamiento en cada rueda mejorando las prestaciones del sistema de frenado y las características de conducción del vehículo, incidiendo en distintos módulos de control de alto nivel tales como el sistema de frenado ABS (antilock braking systems), el control de tracción TC (traction control), el control de estabilidad del vehículo VSC ( vehicle stability control), el protocolo de estabilidad electrónica ESP (electronic stability protocol), sistemas de seguridad activos y sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS).
Es en este contexto en el que se inician los trabajos relacionados con los controladores de deslizamiento de alto rendimiento cuyo objetivo es mantener, de forma suave e independiente, un cierto grado de deslizamiento en cada rueda para maximizar la adherencia entre el neumático y el firme en distintas condiciones, evitando simultáneamente su bloqueo.
Investigaciones recientes en este campo estudian el diseño de controladores de deslizamiento basadas en control adaptativo, ganancia variable, modos deslizantes, control borroso y compensadores múltiples con acciones proporcional, integral y derivativa (PID's múltiples), entre otras. En general, utilizan varios compensadores para conseguir los objetivos impuestos, lo que dificulta el diseño y la versatilidad. Los distintos compensadores entran en funcionamiento según la velocidad, según el rango de valores del deslizamiento o según las condiciones del firme. Además, se expone la necesidad de reajustes y mejoras, debido fundamentalmente a las sobreoscilaciones que se presentan en el transitorio con el consiguiente aumento en el tiempo en el que la salida del sistema alcanza el valor de referencia, que se traduce en una mayor distancia de frenado, una actuación brusca, e incluso en situaciones extremas, una pérdida de control del vehículo en situaciones cambiantes del firme o retardo en las comunicaciones entre sensores, controladores y actuadores.
El concepto de controladores reseteados fue planteado originalmente en trabajos aislados que no tuvieron mucha repercusión, realizados por Clegg (integrador de Clegg) en los años 50 y por Horowitz (elemento reseteado de primer orden o FORE) en los años 70. Se caracterizan por tener elementos no-lineales que pueden aportar mejoras en cuanto a eficacia y rapidez de corrección en la señal de salida. Basan su funcionamiento en la puesta a cero o reset de la salida del controlador, o de la salida de uno de los elementos del controlador, en los instantes de tiempo en los que la señal de entrada al controlador es cero.
En estos trabajos pioneros ya se destacaba el potencial interés de los controladores reseteados como medios para superar limitaciones fundamentales que afectan a numerosas aplicaciones de control automático. No obstante, debido a la falta de desarrollo de las técnicas de estabilidad no lineal que garantizasen la robustez de aquellas propuestas, las ideas fueron abandonadas por varias décadas.
Recientemente, asociado al auge actual de las técnicas de control híbrido, el control basado en reseteo ha recibido un nuevo impulso, apoyado por una metodología ya madura para análisis, diseño y validación de tales controladores. Una propuesta de especial interés práctico es la del compensador PI+CI, que combina las ventajas de un compensador estándar como es el proporcional-integral (Pl) con la acción complementaria de un integrador de Clegg (Cl).
Hay tres enfoques principales en el diseño de compensadores reseteados. El primero es el basado en el cruce por cero de la señal de error de seguimiento. El segundo es el basado en verificación de condiciones (pertenencia a un sector cónico) por parte de dicha señal de error. El tercero se basa en aplicar reseteo usando criterios puramente temporales (en instantes especificados). Hay cierta similitud entre los dos primeros enfoques, que son más fieles a las ideas originales de Horowitz y buscan una superación de limitaciones del rendimiento.
Dentro de los compensadores basados en cruce por cero de la señal de error de seguimiento, hay distintas estrategias que buscan optimizar las prestaciones. Para mejorar el estacionario, se puede proponer que, en lugar de resetear el estado del compensador al valor 0, se resetee a un porcentaje no nulo (por ejemplo al 20% del valor anterior). Para mejorar el transitorio y la rapidez de reacción se pueden adoptar estrategias anticipativas, es decir, aplicadas antes de que el error cruce por cero (mediante una banda o margen, o mediante anticipación temporal).
Descripción de la invención
A partir de lo descrito anteriormente, es un objetivo de la presente invención proporcionar un controlador de deslizamiento de ruedas, versátil y de diseño simple, que simultáneamente presente unas prestaciones mejoradas, es decir, que disminuya la distancia de frenado en distintas condiciones del firme manteniendo en la medida de lo posible unas características adecuadas de conducción del vehículo, y que sea robusto ante las limitaciones tecnológicas tales como ruido de medida en los sensores, saturación de los actuadores y retardo en las comunicaciones.
Este objetivo se consigue de acuerdo con la reivindicación 1, con un controlador reseteado de deslizamiento que permite superar los trade-offs u objetivos comprometidos: con los controladores convencionales si se quiere una respuesta de frenado rápida, el sistema resulta frágil y sensible a incertidumbres; y si se quiere un sistema robusto, ello exige acciones de frenado más lentas. La propuesta que se plantea consigue, simultáneamente y en la medida de lo posible, mejorar tanto la rapidez de frenado como la robustez frente a condiciones imprevistas. Además, para simplificar el diseño, la invención proporciona un método para el diseño de un controlador reseteado de deslizamiento de rueda y de un estimador del máximo de fricción que caracteriza a cada tipo o condiciones del firme.
Otras áreas de aplicabilidad de la presente invención resultarán evidentes a partir de la descripción detallada proporcionada en lo sucesivo. Se debe entender que la descripción detallada y los ejemplos específicos, aunque indican la realización preferida de la invención, se proporcionan con fines de ilustración solamente y no están destinados a limitar el alcance de la invención.
Las investigaciones recientes en el campo de control de deslizamiento de ruedas revelan que se trata de un problema de gran dificultad y sometido a limitaciones muy restrictivas, cuya solución eficiente podrá verse favorecida por la aplicación de controladores reseteados.
En concreto y de forma más precisa, el problema de control del deslizamiento (λ), entre neumático y suelo, de una rueda, puede modelarse, en escalas de tiempo rápidas, como una ecuación diferencial de primer orden, controlada o regulada por la actuación o par de frenado (7b). Es decir, se tiene una ecuación diferencial: dλ(t) /dt = F( λ(ΐ), Tb(t) ) donde dλ(t) /dt es la variación del deslizamiento por unidad de tiempo. El problema es que la relación de dependencia dada por la función F es altamente no lineal y sometida a incertidumbre. Ello es debido a que el agarre neumático-suelo tiene dos regiones de comportamientos diferenciados: para pequeños deslizamientos, a mayor deslizamiento se tiene mayor fuerza de agarre, lo cual es un efecto beneficioso y estabilizante. Pero, superado cierto umbral, a mayor deslizamiento se debilita la fuerza de agarre. Esto es un fenómeno de pérdida de adherencia que tiene consecuencias catastróficas, y que afecta directamente a la elección de la señal de consigna de deslizamiento óptimo que debe imponerse en el controlador. Los métodos convencionales establecen esta consigna en el valor de deslizamiento donde se obtiene fricción máxima. Además de la fragilidad desde el aspecto de control, esta estrategia se traduce en acciones correctoras bruscas, que dan lugar a vibraciones y unas características no adecuadas de conducción del vehículo. El problema así planteado ya resulta complejo, pero la situación se agrava todavía más si por algún motivo cambian las características del suelo. El paso, aunque sea momentáneo, por un suelo no adherente, con aceite o hielo, puede provocar que el punto de trabajo se desplace a la zona de agarre debilitado, con riesgo de pérdida de control del vehículo. Por todo ello, resulta de vital importancia, además de la elección de la señal de consigna antes comentada, estimar el máximo de fricción que caracteriza a cada tipo o condiciones del firme e incorporar dicha información en el lazo de control.
Otro aspecto relevante y complejo de la dinámica del deslizamiento es su escalado con relación a la inversa de la velocidad del vehículo, que produce una dependencia entre la velocidad y el ancho de banda del sistema: a mayor velocidad, menor ancho de banda.
También debe tenerse en cuenta que existe un intervalo de tiempo desde que el controlador calcula la acción correctora en la unidad central de control electrónico, y ésta se transmite por el canal de comunicaciones a cada unidad local de frenado en la rueda. Aparece así en el lazo de control un elemento desestabilizante de retardo. A su vez, la dinámica propia de los actuadores incorpora no linealidades, entre las que cabe destacar la saturación, que limita en la práctica el valor de la acción correctora establecida por el controlador.
Para resolver el problema técnico planteado, esta invención proporciona un controlador reseteado de deslizamiento de ruedas que permite una mejora en las prestaciones del sistema: un transitorio menor y menos oscilante, robustez frente a retardos temporales en la acción de control, frente a cambios en las condiciones de la carretera, frente a incertidumbres y frente a cambios en el valor de consigna, incluso en valores próximos al máximo de fricción. Esta mejora se traduce principalmente en una disminución de la distancia de frenado, y una estimación más precisa del coeficiente de fricción neumático-suelo.
De acuerdo con otro aspecto, simplicidad y versatilidad, la invención proporciona, un método para el diseño de un controlador reseteado de deslizamiento de rueda y de un estimador del máximo de fricción que caracteriza a cada tipo o condiciones del firme. Es un método analítico basado en un modelo simplificado del vehículo que incorpora la interacción neumático- carretera o curvas de fricción y también las limitaciones tecnológicas tales como incertidumbre en el modelo, la saturación en el actuador y el retardo en las comunicaciones. La definición de una estructura básica de control que incorpora el controlador reseteado de deslizamiento y los distintos bloques que componen el modelo y el estimador, permite seleccionar, según procedimientos conocidos en el estado de la técnica, los parámetros del controlador reseteado de deslizamiento y del estimador del máximo de fricción.
El controlador reseteado de deslizamiento de cada una de las ruedas se ejecutará en una unidad central de control electrónico, que con medidas de los sensores o estimaciones de ciertas magnitudes implicadas, calculará la actuación (el par de frenado) para cada una de las ruedas y lo transmitirá a través de la red mediante algún protocolo de comunicación a las cuatro unidades locales de control electrónico de freno.
Para su funcionamiento interactúa con distintos módulos que le proporcionan las señales de entrada y otros módulos a los que el controlador envía la acción correctora para regular el deslizamiento. Del módulo supervisor de alto nivel requiere la señal de consigna de deslizamiento óptimo ¿* . Del módulo estimador de deslizamiento requiere una segunda señal de entrada χ de deslizamiento actual de la rueda, estimado en el módulo estimador de deslizamiento, a partir de medidas de ω la velocidad angular de la rueda del módulo de información sensorial y la señal v calculada en el módulo estimador de velocidad. Por último, del módulo estimador de velocidad puede requerir una tercera señal de entrada v que es una estimación de la velocidad del vehículo calculada a partir del módulo de información sensorial. La acción correctora calculada con el controlador se transmitirá vía canal de comunicaciones al módulo actuador local.
El controlador de deslizamiento reseteado implementa una acción de control realimentado sobre el deslizamiento de la rueda, en el que básicamente, se establece una determinada señal de consigna de deslizamiento óptimo deseado que se compara con el deslizamiento actual de la rueda, y se calcula mediante un compensador reseteado, una acción correctora en función de esta diferencia, de forma que su término integral se pondrá a cero o a un porcentaje no nulo del valor anterior (acción reset), total o parcialmente, en los instantes de tiempo en los que la diferencia es cero (o en los instantes de tiempo adoptados mediante estrategias anticipativas), e irá ajustando en cada momento el deslizamiento actual hasta aproximarse al valor deseado.
Dentro de los controladores basados en reseteo, existen diversas variantes que se pueden clasificar en función de, primero, la condición de reseteo, es decir, cuándo se aplica el reseteo o reinicio y, segundo, cómo se materializa dicha acción de reseteo.
Con respecto a la condición de reseteo, es decir, cuándo se dispara el evento de reseteo, existen tres planteamientos principales. El primero es el basado en el cruce por cero de la señal de error de seguimiento, es decir, el evento de reseteo se activa justo cuando e(t)=0. El segundo es el basado en verificación de otras condiciones más generales (pertenencia a un sector cónico) por parte de dicha señal de error, condiciones que toman la forma siguiente F(e(t), de(t)/dt)=0, donde F(x,y) con x=e(t), y=de/dt es una forma cuadrática, por ejemplo F(x,y)=xA2 - yA2. El tercero se basa en activar el reseteo en base a criterios puramente temporales, es decir, en instantes de tiempo t prefijados de antemano, por ejemplo, cada 0,1 segundos. Hay cierta similitud entre los dos primeros enfoques, que son más fieles a las ideas originales de Horowitz y buscan una superación de limitaciones del rendimiento. En otras variantes se sustituye el 0 por una pequeña banda o margen alrededor del 0. Por ejemplo, en vez de e(t)=0 se basan en el evento modificado -5<e(t)<+6, siendo δ un valor pequeño.
Con respecto a la acción de reseteo, es decir, qué acción se aplica sobre las variables del controlador en general o, más en concreto, sobre la integral del error, normalmente la acción de reseteo consiste en poner completamente a 0 dicha variable integral, es decir, reiniciarla a 0. No obstante, para mejorar la precisión estacionaria de los reguladores se puede proponer que, en lugar de resetear la integral del error al valor 0, se resetee a un porcentaje no nulo (por ejemplo al 20% del valor anterior). Por ejemplo, si cuando se activa la condición de reseteo (porque e(t)=0) en ese momento la integral del error vale i(t)=1000, y si se usa un porcentaje de reseteo del 20%, entonces la acción de reseteo consiste en cambiar bruscamente el valor de i(t) desde i(t)=1000 al nuevo valor i(t)=200.
Las variantes posibles de la condición de reseteo y de la acción de reseteo no se limitan a las citadas en los dos párrafos anteriores. Lo que caracteriza a un controlador reseteado es que está basado en un controlador convencional al que se incorpora alguna forma de eventos de reseteo, que dan lugar a alguna forma de acciones de reseteo. En una realización preferida de la invención comprende un compensador reseteado, un multiplicador, un comparador y un módulo de decisión del porcentaje de reset. A la entrada del compensador reseteado se reciben dos señales: una señal de error e, que resulta del producto realizado, mediante el multiplicador, de la señal v de velocidad del vehículo, con la señal e. de error de deslizamiento, que proviene del comparador, donde se realiza la substracción de la señal de consigna £x de deslizamiento óptimo y el deslizamiento χχ actual de la rueda; y una segunda señal pr que es el porcentaje de reset, en tanto por uno, óptimo que se aplicará en el compensador reseteado, obtenido en el módulo de decisión del porcentaje de reset a partir de la señal de consigna * de deslizamiento óptimo actual y la velocidad v en el instante inicial.
En esta realización preferida de la invención se elige como una de las señales de entrada al compensador reseteado la señal de error e = v*ex, para simplificar el número de compensadores necesarios debido a la dependencia del deslizamiento con la velocidad. Permitirá con un único compensador reseteado, asegurar ganancias altas a altas velocidades y presentar un buen comportamiento para distintas velocidades con un número mínimo de parámetros de diseño.
El módulo de decisión del porcentaje de reset que se incluye en el controlador reseteado de deslizamiento, de acuerdo con la invención, podrá establecer el alcance de la acción de reseteo (total o parcial) sobre el término integral y una sintonía fina de la señal pr que es el porcentaje de reset a aplicar, teniendo en cuenta factores como la consigna actual y la velocidad. Presenta mejoras sobre la opción de elegir un valor constante de pr especialmente en el caso de un cambio de consigna en la frenada dirigido por un módulo supervisor.
La señal de salida del compensador reseteado, será la señal de control u, cuyo término integral se pondrá a cero o a un porcentaje no nulo del valor anterior (acción reset), total o parcialmente, en los instantes de tiempo en los que la señal de entrada al compensador e es cero (o en los instantes de tiempo adoptados mediante estrategias anticipativas). Mediante esta configuración de conexión, el compensador reseteado ajustará el sistema para que en cada momento el valor actual de deslizamiento se aproxime al valor de consigna, aplicando la señal u de corrección.
El compensador reseteado que se propone en la realización preferida de acuerdo con la invención, es el compensador PI+CI según el estado de la técnica, que combina las ventajas de un compensador estándar como es el proporcional-integral (Pl) con la acción complementaria de un integrador de Clegg (Cl). La descripción matemática de la acción de control u es una función de la señal de error e: u(t) = Kve{t) + (1 - Pracl )K, ¡e(T)dT +
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Donde Kp and / son las ganancias proporcional e integral. El factor preSet, con 0 < preSet < 1, representa la parte del término integral sobre la que se aplica la acción de reseteo, y se utiliza para conseguir un reseteado parcial del término integral. En el caso de pr = 0, significa que no se ha hecho reset, y por tanto el compensador sería uno convencional P+l, y con pr = 1, significa que se ha hecho un reseteo total, por lo que el compensador actúa como un P+CI.
Aunque en una realización preferida de la invención, se han escogido los términos proporcional e integral con reseteado total o parcial, el compensador reseteado puede incorporar un término derivativo al igual que los compensadores convencionales (PID), siendo en este caso la acción de control u una función de la señal de error e: de(t)
u(t) = Kpe(t) + (\ - )κ ε{τ)άτ + Prae, K, . J e(r )dr +
dt
En otro aspecto de la invención se describe un método para el diseño simultáneo de un controlador reseteado de deslizamiento de rueda y de un estimador del máximo de fricción que comprende los pasos siguientes:
1. Modelado: de la interacción neumático-firme o curvas de fricción, de la dinámica simplicada del vehículo, del retardo en las comunicaciones, de la saturación de los actuadores, del estimador de máxima fricción neumático-firme.
2. Definición de una estructura básica de control reseteado de deslizamiento: configuración en el lazo de control del controlador reseteado de deslizamiento y de los bloques básicos modelados en el paso anterior, y el flujo de señales entre ellos.
3. Establecimiento de los objetivos de control: minimizar la distancia de frenado, evitar el bloqueo de las ruedas manteniendo unas características adecuadas de conducción del vehículo y robustez frente a limitaciones tecnológicas (ruido de medida de los sensores, saturación de los actuadores, retardos en las comunicaciones) y cambios en las condiciones del firme. Elección de la señal de consigna de deslizamiento óptimo.
4. Cálculo de parámetros: del controlador reseteado de deslizamiento, y del estimador.
De esta forma el diseño, en una realización preferida de la invención, se aborda con el llamado modelo de vehículo ½, que consta de una sola rueda unida a una masa en movimiento longitudinal. A medida que la rueda se mueve, impulsada por la inercia de la masa en la dirección de la velocidad, se genera una fuerza de reacción por la fricción entre la superficie del neumático y la superficie de la carretera. La fuerza de reacción del neumático genera un par que resulta en un movimiento de rotación de la rueda. En estas condiciones, un par de frenado aplicado a la rueda actuará causando una aceleración angular negativa. La fuerza de fricción longitudinal neumático-suelo se modela a partir de la expresión simplificada con coeficientes constantes de Pacejka para movimiento longitudinal. Es adecuada la simplificación basada en movimiento longitudinal porque, según el estado de la técnica, si el deslizamiento longitudinal regulado se mantiene en la zona lineal y estable próximo al valor en el que se obtiene la fricción longitudinal máxima, se alcanza un compromiso razonable entre alta fricción longitudinal y lateral para todas las condiciones del firme.
En cuanto al estimador del máximo de fricción que caracteriza el tipo de firme, en una realización preferida de la invención, se elige un estimador basado en mínimos cuadrados recursivos con factor de olvido, que toma los datos de entrada del modelo ½ . La estructura básica de control reseteado de deslizamiento que se propone en una realización preferida de la invención, es la configuración en serie. Comprende un bloque estimador de μ» (máxima fricción neumático-firme), un modelo ¾ , un elemento de retardo, un elemento de saturación y un controlador reseteado de deslizamiento.
Para la consecución de los objetivos de control y estimación es clave la elección de la señal de consigna de deslizamiento óptimo. Ésta debe establecerse en la zona lineal estable, próxima al valor de máxima fricción.
Una vez concluidos los tres primeros pasos del método, el cálculo de los parámetros del controlador reseteado de deslizamiento (ganancia proporcional, ganancia integral, ganancia derivativa, factor de reset) y los parámetros del estimador (longitud del filtro, factor de olvido, valor inicial de la varianza de la estimación) se puede realizar según los procedimientos descritos en el estado de la técnica.
Breve descripción de los dibujos
Para una mejor comprensión de lo expuesto se acompaña unos dibujos en los cuales, esquemáticamente y sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización.
En los dibujos,
Fig. 1. Es un esquema de implementación y flujo de señales, de acuerdo con la invención.
Fig. 2. Es una representación esquemática de un controlador reseteado de deslizamiento, de acuerdo con la invención.
Fig. 3. Es una representación esquemática de un compensador reseteado PI+CI, de acuerdo con el estado de la técnica.
Fig. 4. Es una representación esquemática de una estructura básica de control reseteado de deslizamiento, de acuerdo con la invención.
Fig. 5. Es una representación gráfica de curvas típicas de fricción, según el estado de la técnica.
Fig. 6 Es una representación gráfica en una primera situación de la respuesta frente al tiempo ante una consigna de deslizamiento óptimo fija en el límite de la zona lineal estable (a) y una consigna de deslizamiento igual a λχ» (se obtiene máxima de fricción) (b); de la señal de control frente al tiempo fijada la consigna de deslizamiento óptimo en el límite de la zona lineal estable (c) y una consigna de deslizamiento igual a XH (Ú).
Fig. 7. Es una representación gráfica en una segunda situación de la respuesta de dos sistemas frente al tiempo ante una señal de consigna de deslizamiento (a), de la estimación del máximo de fricción βΗ que caracteriza el tipo de firme frente al tiempo (b), de la velocidad de dos sistemas frente al tiempo ante una señal de consigna de deslizamiento en el sistema de frenado (c), de la señal de control frente al tiempo (d); estando formado uno de los sistemas por el modelo ¼ y dos compensadores Pl y estando formado el otro por el modelo ½ y un controlador reseteado de acuerdo con la Fig. 2. Fig. 8. Es una representación gráfica en una tercera situación de la respuesta de dos sistemas frente al tiempo ante una señal de consigna de deslizamiento (a), de la estimación del máximo de fricción fiH que caracteriza el tipo de firme frente al tiempo (b), de la velocidad de dos sistemas frente al tiempo ante una señal de consigna de deslizamiento en el sistema de frenado (c), de la señal de control frente al tiempo (d); estando formado uno de los sistemas por el modelo ¼ y dos compensadores Pl y estando formado el otro por el modelo ¼ y un controlador reseteado de acuerdo con la Fig. 2.
Fig. 9. Es una representación gráfica de la respuesta de dos sistemas frente al tiempo ante una señal de consigna de deslizamiento variable, estando formado uno de los sistemas por el modelo ¼ y dos compensadores Pl y estando formado el otro por el modelo % y un controlador reseteado de acuerdo con la Fig. 2.
Descripción de una realización preferida de la invención
A continuación se realizará la descripción de un controlador reseteado de deslizamiento, de acuerdo con la invención.
La idea clave en control en la dinámica vehicular es la integración: diferentes niveles en una estructura jerárquica con diferentes funcionalidades que interactúan para mejorar las características de conducción del vehículo. Uno de los subsistemas sería el de frenado, del que forma parte el controlador de deslizamiento. El controlador de deslizamiento de cada una de las ruedas se ejecutaría en una unidad central de control electrónico, que se comunicaría con los sensores y con las cuatro unidades de control electrónico de los cuatro actuadores o frenos mediante algún protocolo de comunicación.
Como se puede ver en la Fig. 1, el esquema de implementación y flujo de señales 10 representa los módulos o elementos involucrados en la implementación de un controlador reseteado de deslizamiento 12 objeto de la presente invención. Comprende un actuador local 11, un módulo supervisor de alto nivel 13, un estimador de deslizamiento 14, un estimador de la velocidad del vehículo 15 e información sensorial 16. A la entrada del controlador 12 se reciben tres señales. Una señal de consigna de deslizamiento óptimo £x , que puede ser predefinida y constante, o bien puede ser comandada desde un módulo supervisor de alto nivel 13. Una señal v que es una estimación de la velocidad del vehículo calculada en el módulo estimador de velocidad 15 a partir de medidas sensoriales que provienen del módulo de información sensorial 16. Y por último, una señal ^ de deslizamiento actual de la rueda estimado en el módulo estimador de deslizamiento 14 a partir de medidas del módulo de información sensorial 16 de ω la velocidad angular de la rueda y la señal v calculada en el módulo estimador de velocidad 15. Como salida del controlador se obtiene la señal de control u calculada en la unidad central. A la entrada del actuador local 11, se recibe la señal Tb(t-T) la actuación retardada limitada transmitida vía el canal de comunicaciones a los frenos.
En la Fig. 2, se puede ver una representación esquemática de un controlador reseteado de deslizamiento 12, de acuerdo con la invención. Comprende un compensador reseteado 20, un multiplicador 21, un comparador 22 y un módulo de cálculo del porcentaje de reset 23. A la entrada del compensador reseteado 20 se reciben dos señales: una señal de error e, que resulta del producto realizado, mediante el multiplicador 21, de la señal v de velocidad del vehículo, con la señal e> de error de deslizamiento, que proviene del comparador 22, donde se realiza la substracción de la señal de consigna £x de deslizamiento óptimo y el deslizamiento lx actual de la rueda; y una segunda señal pr que es el porcentaje de reset, en tanto por uno, óptimo que se aplicará en el compensador reseteado 20, obtenido en el módulo de cálculo del porcentaje de reset 23 a partir de la señal de consigna Xx de deslizamiento óptimo actual y la velocidad v en el instante inicial. La señal de salida del compensador reseteado 20, será la señal de control u, cuyo término integral se pondrá a cero o a un porcentaje no nulo del valor anterior (acción reset), total o parcialmente, en los instantes de tiempo en los que la señal de entrada al compensador e es cero (o en los instantes de tiempo adoptados mediante estrategias anticipativas). Mediante esta configuración de conexión, el compensador reseteado 20 ajustará el sistema para que en cada momento el valor actual de deslizamiento se aproxime al valor de consigna, aplicando la señal u de corrección.
El módulo de cálculo del porcentaje de reset 23 que se incluye en el controlador reseteado de deslizamiento 12, de acuerdo con la invención, podrá establecer una sintonía fina de la señal pr que es el porcentaje de reset a aplicar, permitiendo así la aplicación con pr variable. Se tienen en cuenta factores como la consigna actual y la velocidad. Presenta mejoras sobre la opción de elegir un valor constante de pr especialmente en el caso de un cambio de consigna en la frenada dirigido por un módulo supervisor. En los ejemplos que se presentan, se realiza mediante una tabla de datos.
El compensador reseteado 20 que se propone en la realización preferida de acuerdo con la invención, es el compensador PI+CI según el estado de la técnica (patente ES 2 323 833 Al), cuya representación esquemática se presenta en la Fig. 3. Comprende un elemento proporcional 30 que corresponde a una ganancia proporcional Kp, y unos medios de compensación integral 31 a 35, estando dispuestos dichos medios de compensación integral en paralelo con el elemento proporcional 30. Los medios de compensación integral 31 a 35 comprenden un integrador de Clegg 31 (Cl) y un elemento integral 33, que está dispuesto en paralelo con el integrador de Clegg 31 (Cl); un bloque 32 que multiplica el integrador de Clegg 31 (Cl) por el porcentaje de reset pr, en tanto por uno, del integrador de Clegg; un bloque 34 que multiplica el elemento integral 33 por el parámetro 1- pr , en tanto por uno, del elemento integral 33; y un bloque 26 que corresponde a la ganancia integral K¡. Las señales que entran al compensador reseteado 20 son la señal de error e y la señal pr que es el porcentaje de reset, mientras que la señal de salida es la acción de control u. Cuando el valor de la señal de error e es cero, el valor de la salida de los medios de compensación integral 31 a 35 es diferente de cero, por lo que se realiza una acción de reseteado parcial de los medios de compensación integral.
Es un compensador que tiene un comportamiento idéntico a un Pl en los instantes en los que no se realiza reset, mientras que en los instantes de reset no se pone a cero todo el término integral, sino solamente la parte correspondiente al integrador de Clegg 31, por lo que se mantienen las propiedades asintóticas del compensador.
Para el diseño del controlador reseteado de deslizamiento 12 objeto de la presente invención y del estimador del máximo de fricción, se propone un método que comprende los pasos siguientes: 1. Modelado:
Se establece el llamado modelo ½ según el estado de la técnica, que consta de una sola rueda unida a una masa en movimiento longitudinal. Siendo la velocidad longitudinal de desplazamiento del vehículo v [m/s] (también referenciada como velocidad del vehículo) y la velocidad angular ω [rad/seg] de la rueda, las ecuaciones son:
mv = -fx, Jco = rfx - Tb donde r es el radio efectivo de la rueda, m es ½ de la masa del vehículo, Tb es el par de frenado (también referenciada como actuación limitada, debido a la limitación tecnológica de saturación en la dinámica de los actuadores) y fx la fuerza de fricción longitudinal neumático- suelo: v
con fz la carga normal, μ función normalizada de fricción no lineal, λχ el deslizamiento longitudinal (ta mbién referenciado como deslizamiento actual), μΗ es el valor de máxima fricción entre el neumático y las condiciones del firme. El valor λχ - 0 describe el movimiento libre (co = v/r) y λχ = 1 se produce cuando la rueda se bloquea (co = 0).
La función μ(·) basada en el modelo de Pacejka para movimiento longitudinal se obtiene a partir de la expresión simplificada con coeficientes constantes según el estado de la técnica:
fx = d( H ) sin {C■ arctg[B■ λχ - E(B■ λχ - arctg(B■ ÁX ))]} = /7μ(λχ , μΗ )
Donde Β, C, D(/ H), E son factores que dependen del tipo de neumático, de la velocidad, de la carga y de las características del suelo. En la Fig. 5 se presenta una familia de curvas de fricción normalizadas típicas, para distintas condiciones del firme caracterizadas por sus valores de máxima fricción μ».
Es adecuada la simplificación basada en movimiento longitudinal porque, según el estado de la técnica, si el deslizamiento longitudinal regulado se mantiene próximo por la izquierda al valor de deslizamiento (ÁXH ) en el que se obtiene la fricción longitudinal máxima μ», se alcanza un compromiso razonable entre alta fricción longitudinal y lateral para todas las condiciones del firme.
El modelo simplificado sobre el que se propone el diseño, se resume finalmente en las ecuaciones siguientes, donde se consideran los valores constantes a=r/J, β=(ίζ r2)/J . Se incorpora también el retardo en las comunicaciones T que representa el intervalo de tiempo desde que el controlador calcula la acción correctora en la unidad central de control electrónico, y ésta se transmite por el canal de comunicaciones a cada unidad local de frenado en la rueda. v = -— , λχ = - {- β - μ + α Τ, {ί - Τ))
m v Este modelo incorpora las principales dificultades de control que aparecen en el sistema de frenado. Con relación a la interacción neumático-firme, localmente, linealizando μ en puntos operativos, se obtienen sistemas de primer orden con retardo, estables o inestables, dependiendo de si la pendiente es positiva (a la izquierda del valor de pico μ») o negativa (a la derecha del valor de pico μπ). En segundo lugar, el ancho de banda de los modelos lineales depende de la velocidad: a mayor velocidad, menor ancho de banda. Por último, el deslizamiento está escalado por la inversa de la velocidad.
2. Definición de una estructura básica de control reseteado de deslizamiento 40, cuyo esquema se presenta en la Fig. 4. Comprende un estimador de //« (máxima fricción neumático- firme) 41, un modelo ¼ 42, un elemento de retardo 43, un elemento de saturación 44 y un controlador reseteado de deslizamiento 12.
A la entrada del controlador reseteado de deslizamiento 12 se reciben tres señales: una señal de consigna de deslizamiento óptimo * , una señal v que es la velocidad del vehículo actual calculada según el modelo ½ 42 y una señal ^ de deslizamiento actual calculada según el modelo ½ 42. A la entrada del elemento de saturación 44 se recibe una señal u de control, que proviene del controlador reseteado de deslizamiento 12. A la entrada del elemento de retardo 43 se recibe una señal 7¿,(t) de actuación limitada, que proviene del elemento de saturación 44. A la entrada del modelo ½ 42 se recibe una señal Tb(t-T) de actuación retardada limitada, que proviene del elemento de retardo 43 . A la entrada del estimador de //» 41 se encuentran la señal μ (valor actual de la curva de fricción no lineal) y el valor actual de deslizamiento, que provienen del modelo ¾ 42; la salida del estimador de //» 41 nos dará la estimación del máximo de fricción μΗ que caracteriza el tipo de firme.
En cuanto al estimador de μ» 41 que nos dará la estimación del máximo de fricción fiH que caracteriza el tipo de firme, es un estimador conocido en el estado de la técnica basado en mínimos cuadrados recursivos con factor de olvido. Se supone por simplicidad que se conocen el deslizamiento actual xx y el valor μ (valor actual de la curva de fricción no lineal según un determinado firme), que se obtienen del modelo ½ 42. Utiliza la propiedad de que la familia de curvas de la Fig. 5 para distintas condiciones del firme presentan una zona lineal, a la izquierda de los valores de pico, con pendientes m¡■ , donde se cumple que μ.(λχ ) = ηιι - λχ , y el máximo de fricción μΗ que representa la adherencia del suelo puede estimarse de la aproximación μΗ ~
Las ecuaciones del estimador de mínimos cuadrados recursivos con factor de olvido / en su expresión general conocida en el estado de la técnica, para la estimación de un vector de parámetros #en el instante t se resumen en: é(t) = é(t - l) + K(t){y(t)- )
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K( = W(0
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Donde 0(t) es el vector de parámetros estimados en el instante t, y(t) las medidas observadas en el instante t, y(t) es una predicción de las medidas y(t) basada en las observaciones realizadas hasta el instante (t-1) y en el modelo actual en ese instante. La ganancia K determina de qué forma el error de predicción actual, y(t)— y(t), afecta a la actualización de la estimación paramétrica. Se elige típicamente valores del factor de olvido / típicos en el rango 0.97-0.995. Conceptualmente consiste en atenuar el efecto de medidas anteriores exponencialmente, de forma que una observación realizada τ períodos de muestreo anteriores incorpore un peso que es f del peso de la observación más reciente.
3. Establecimiento de los objetivos de control:
Como objetivos del sistema de control se encuentran: disminución de la distancia de frenado en distintas condiciones del firme manteniendo en la medida de lo posible unas características adecuadas de conducción del vehículo, y que sea robusto ante las limitaciones tecnológicas tales como ruido de medida en los sensores, saturación de los actuadores y retardo en las comunicaciones.
Debido a las características comentadas anteriormente relacionadas con las curvas de fricción, un factor clave para la consecución de los objetivos de control y estimación es la elección de la señal de consigna * de deslizamiento óptimo en el sistema de control. Ésta debe establecerse próxima al límite de la zona lineal estable, que se encuentra a la izquierda del valor de máxima fricción (ver Fig. 5).
Puede verse en la Fig.6 cómo afecta la elección de la consigna de deslizamiento tanto al seguimiento de la señal de consigna como a la acción de control. La figura representa una situación de frenada sobre un firme seco con un controlador reseteado de deslizamiento según la invención. Establecer la señal de consigna óptima como el valor del deslizamiento donde se obtiene el máximo de fricción como en los métodos convencionales, conlleva a un mal seguimiento de la señal (muchas oscilaciones) que empeora las prestaciones del sistema de control y a una actuación brusca no deseable.
Realizada una adecuada selección en el valor de la consigna de deslizamiento, la utilización de un controlador reseteado de deslizamiento, caracterizado por tener elementos no-lineales que aportan mejoras en cuanto a eficacia y rapidez de corrección en la señal de salida, permite una mejora en las prestaciones del sistema y robustez.
4. Cálculo de parámetros: Una vez establecidos los tres primeros pasos del método, el cálculo analítico de los parámetros del controlador reseteado de deslizamiento (en una realización preferida de la invención: ganancia proporcional, ganancia integral, factor de reset) y los parámetros del estimador (longitud del filtro, factor de olvido, valor inicial de la varianza de la estimación) se puede realizar según los procedimientos conocidos en el estado de la técnica.
Para exponer las ventajas del controlador propuesto frente a los convencionales, se realizarán simulaciones de dos sistemas de control con el mismo modelo ¼ 42 y en las mismas condiciones de valor de consigna, firme, velocidad, saturación y retardo. Los sistemas difieren en el controlador de deslizamiento. En un caso se corresponde a un controlador convencional formado por dos compensadores Pl con distintas ganancias proporcionales e integrales, que actúan en función de si el valor de deslizamiento actual es inferior o superior a un determinado umbral, diseñado según el estado de la técnica, y en el segundo, el controlador basado en un compensador PI+CI de acuerdo con la Fig. 2, según la presente invención.
En la Fig. 7 se presenta una situación de frenada sobre un firme con distintas condiciones de adherencia (asfalto seco, grava, asfalto húmedo). Se impone una consigna de deslizamiento óptimo fija en el límite de la zona lineal estable. El control se realiza con un porcentaje de reset constante. La primera figura representa la respuesta de los sistemas ante la entrada de consigna aplicada. La segunda muestra los resultados de la estimación del máximo de fricción que caracteriza cada tipo de firme. La tercera muestra la disminución de la velocidad, y la cuarta, la acción de control en ambos casos.
En la Fig. 8 se presenta una situación de frenada sobre un firme con distintas condiciones de adherencia (asfalto húmedo, nieve). Se contemplan imprecisiones en el modelo ½ 42, añadiendo ruido en las curvas de fricción no lineal ( μ( χ,μΗ ± Δ ) ) considerando β(μΗ ± Δμ ) · Se impone una consigna de deslizamiento óptimo fija por encima del límite de la zona lineal y dentro de la zona estable. El control se realiza con un porcentaje de reset constante. Las cuatro subfiguras se corresponden con las explicadas para la situación anterior.
En la Fig. 9 se presenta una situación de frenada sobre un firme seco. Se contempla imprecisiones en el modelo ½ 42, al igual que en el caso anterior. Se impone una consigna de deslizamiento óptimo variable: dos valores en zona estable (a la izquierda del valor de pico), pero no en la zona lineal. El control se realiza con un porcentaje de reset variable establecido según las distintas consignas y la velocidad en el inicio de la frenada.
Como se observa en las distintas simulaciones, la aplicación de controladores reseteados frente a los convencionales permite una mejora en las prestaciones del sistema de control de deslizamiento: un transitorio menor y menos oscilante, robustez frente a retardos temporales en la acción de control, frente a cambios en las condiciones de la carretera, frente a incertidumbres en el modelo y frente a cambios en el valor de consigna, incluso en valores próximos al máximo de fricción. Esta mejora se traduce principalmente en una disminución de la distancia de frenado, que además de una posible reducción en el número de parámetros de diseño del controlador, permite también una mejor estimación del coeficiente de fricción neumático-carretera. A pesar de que se ha descrito y representado una realización concreta de la presente invención, es evidente que el experto en la materia podrá introducir variantes y modificaciones, o sustituir los detalles por otros técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11), caracterizado por proporcionar una señal (u), a partir de; una señal ( * ) que es elaborada por un módulo supervisor (13) y una señal ( * ) que es elaborada por un módulo estimador de deslizamiento (14), y donde un módulo estimador de deslizamiento (14) elabora una señal (λχ ) a partir de una señal (ω) que es proporcionada por un módulo de información sensorial (16) y una señal (v) que es elaborada por un módulo de estimación de velocidad (15), a partir de medidas sensoriales proporcionadas por un módulo de información sensorial (16).
2. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (ll)según reivindicación 1, caracterizado por proporcionar una señal (u), a partir de; una señal ( * ) que es elaborada por un módulo supervisor (13), una señal (Λ* ) que es elaborada por un módulo estimador de deslizamiento (14), y además una señal ( v) que es elaborada por un módulo de estimación de velocidad (15).
3. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11), según reivindicación 1, caracterizado por comprender un compensador reseteado (20), un comparador (22) y un módulo de decisión del porcentaje de reset (23), en donde a la entrada del compensador de reseteado (20) se reciben; la señal ( ^ ) de error de deslizamiento, que proviene del comparador (22), donde se realiza la substracción de la señal de consigna (Λ* ) de deslizamiento óptimo y el deslizamiento ( * ) actual de la rueda; y una segunda señal (pr) que es el porcentaje de reset, en tanto por uno, que se aplica en el compensador reseteado (20), obtenido en el módulo de decisión del porcentaje de reset (23) a partir de la señal de consigna ( * ) de deslizamiento óptimo actual.
4. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11), según reivindicación 2, caracterizado por comprender un compensador reseteado (20), un multiplicador (21), un comparador (22) y un módulo de decisión del porcentaje de reset (23), en donde a la entrada del compensador de reseteado (20) se reciben; una señal de error (e), que resulta del producto realizado, mediante el multiplicador (21), de la señal (v) de velocidad del vehículo, con la señal [ e> ) de error de deslizamiento, que proviene del comparador (22), donde se realiza la substracción de la señal de consigna { * ) de deslizamiento óptimo y el deslizamiento ( ' ) actual de la rueda; y una segunda señal (pr) que es el porcentaje de reset, en tanto por uno, que se aplica en el compensador reseteado (20), obtenido en el módulo de decisión del porcentaje de reset (23) a partir de la señal de consigna ( * ) de deslizamiento óptimo actual y la velocidad (v) en el instante inicial.
5. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11) según reivindicaciones 1-4, caracterizado por comprender un compensador reseteado (20) de tipo Pl (proporcional integral) + Cl (integrador de Clegg).
6. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11), según reivindicaciones 1-4, caracterizado por comprender un compensador reseteado (20) de tipo P(proporcional) + Cl (integrador de Clegg).
7. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11), según reivindicaciones 1-4, caracterizado por comprender un compensador reseteado (20) con un porcentaje de reset pr variable.
8. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11), según reivindicaciones 1-7, caracterizado por comprender un compensador reseteado (20) que incorpora además un término derivativo.
9. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11), según reivindicaciones 1-8 caracterizado por el hecho de que su término integral se pondrá a cero o a un porcentaje no nulo del valor anterior.
10. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11), según reivindicaciones 1-9, caracterizado por el hecho de que la condición de reseteo está basada en el cruce por cero de la señal de entrada (
¾ ) ó (e) .
11. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11), según reivindicaciones 1-9, caracterizado por el hecho de que la condición de reseteo está basada en el cruce por una banda en torno a cero (
-6<e(t)<+6, siendo δ un valor pequeño) de la señal de entrada [ e' ) ó (e).
12. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11), según reivindicaciones 1-9, caracterizado por el hecho de que la condición de reseteo está basada en pertenencia a un sector cónico de la señal de entrada ( e' ) ó (e).
13. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11), según reivindicaciones 1-9, caracterizado por el hecho de que la condición de reseteo está basada en criterios estrictamente temporales.
14. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11), según reivindicaciones 1-13, caracterizado por el hecho que el término integral de la señal (u) es cero.
15. Controlador reseteado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u) que es transmitida a través de la red de comunicaciones a un actuador local (11), según reivindicaciones 1-13, caracterizado por el hecho que el término integral de la señal (u) es un porcentaje no nulo del valor anterior del término integral.
16. Método para el diseño de un controlador resetado de deslizamiento de al menos una rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u), que comprende las siguientes etapas;
1) . modelado
2) . definición de una estructura básica de control
3) establecimiento de los objetivos de control
4) . cálculo de parámetros: del controlador reseteado de deslizamiento.
17. Método para el diseño de un controlador resetado de deslizamiento de al menos rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u), según reivindicación 16, caracterizado por el hecho que en la etapa 1) el modelado se elabora a partir de; un modelo dinámico que calcula el deslizamiento a partir del par de frenado y un modelo de interacción neumático-firme.
18. Método para el diseño de un controlador resetado de deslizamiento de al menos rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u), según reivindicación 17, caracterizado por el hecho que en la etapa 1) comprende además un elemento de retardo
19. Método para el diseño de un controlador resetado de deslizamiento de al menos rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u), según reivindicaciones 17-18, caracterizado por el hecho que en la etapa 1) comprende además un elemento de saturación
20. Método para el diseño de un controlador resetado de deslizamiento de al menos rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u), según reivindicaciones 16-17, caracterizado por el hecho que en la etapa 1) el modelo de la interacción neumático- firme comprende un modelo de curvas de fricción indicativas de las características del firme.
21. Método para el diseño de un controlador reseteado de deslizamiento de al menos rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u), según reivindicación 20, caracterizado por el hecho que en la etapa 1) la fuerza de fricción neumático-suelo se modela a partir de la expresión con coeficientes constantes de Pacejka.
22. Método para el diseño de un controlador reseteado de deslizamiento de al menos rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u), según reivindicación 21, caracterizado por el hecho que en la etapa 1) la fuerza de fricción neumático-suelo se modela para movimiento longitudinal según la fórmula.
fx = D( H ) sin{C■ arctg[B■ λχ - Fie■ λχ - arctg{B■ λχ ))]} = /ζμ(λχ, μΗ )
23. Método para el diseño de un controlador resetado de deslizamiento de al menos rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u), según reivindicaciones 16-22, caracterizado por el hecho que en la etapa 1) el modelo dinámico es el modelo de vehículo ¼.
24. Método para el diseño de un controlador resetado de deslizamiento de al menos rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u), según reivindicaciones 16-23, caracterizado por el hecho que en la etapa 1) el modelo dinámico es el modelo de vehículo ¼ para movimiento longitudinal según ecuaciones. m λχ = -(- β - μ + α Τ,χ( - Τ))
v
donde m es ½ de la masa del vehículo, Tb es el par de frenado, f„ la fuerza de fricción longitudinal neumático-suelo, , v la velocidad longitudinal de desplazamiento del vehículo, f¡ es la carga normal, μ es la función normalizada de fricción no lineal, T es el retardo, λ„ es el deslizamiento longitudinal, y se consideran los valores constantes a=r/J, β=(ί2 r2)/J .
25. Método para el diseño de un controlador resetado de deslizamiento de al menos rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u), según reivindicaciones 16-24, caracterizado por el hecho que en la etapa 2) la configuración de la estructura de control es en cascada que comprende un controlador de reseteo de deslizamiento (12) , un elemento de saturación (44), un elemento de retardo (43) y un modelo ¼ (42), en donde el elemento de saturación (44) recibe una señal (u) de control, que proviene del controlador reseteado de deslizamiento (12), a la entrada del elemento de retardo (43) se recibe una señal Tb(t) de actuación limitada, que proviene del elemento de saturación (44), a la entrada del modelo ½ (42) se recibe una señal Tb(t-T) de actuación retardada limitada, que proviene del elemento de retardo (43), en donde además la señal (u) es elaborada por el controlador (12) a partir de la señal de consigna de deslizamiento ( * ), y donde el deslizamiento actual ( x ) y la velocidad ( v) son actualizadas por el módulo de modelo ¾.
26. Método para el diseño de un controlador resetado de deslizamiento de al menos rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u), según reivindicaciones 16-25, caracterizado por el hecho que en la etapa 3) los objetivos de control comprenden; condiciones antibloqueo, sobreoscilación, tiempo de establecimiento, robustez, elección de la consigna de deslizamiento.
27. Método para el diseño de un controlador resetado de deslizamiento de al menos rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u), según reivindicaciones 16-26, caracterizado por comprender además un módulo estimador de máxima fricción μΗ, que calcula la salida a partir la señal μ (valor actual de la curva de fricción no lineal) y el valor actual de deslizamiento, que provienen del modelo ½ (42); la salida del estimador de μΗ (41) nos dará la estimación del máximo de fricción fiH que caracteriza el tipo de firme.
28. Método para el diseño de un controlador resetado de deslizamiento de al menos rueda para sistemas de frenado de vehículos que proporciona una señal (u), según reivindicación 27, caracterizado por el hecho de utilizar un estimador basado en mínimos cuadrados recursivos.
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