模糊控制技術在汽車ABS系統上的應用研究

吳俊

武漢商學院 湖北 武漢 430000

引言

車輛在路面行駛，其安全性可分為主動安全和被動安全兩種類別。主動安全是車輛安全系統提前工作從而最大程度避免事故發生的能力。被動安全是車輛不可避免發生事故情況下，最大程度避免車內成員發生傷害的能力。除了通過一定的法律法規保證汽車行駛的秩序，減少交通事故之外，在車輛上也必須具備相關的控制部件（防抱死制動系統、輔助約束系統）確保車輛行駛過程中的安全性。隨著汽車數量的急劇增長，對車輛安全尤其是主動安全的要求也越來越高，不僅加強了交通秩序的管制，而且對汽車這個現代交通工具自身的安全性也提出了新的要求。目前車輛上安裝涉及行駛安全系統的種類越來越多，控制效果也越來越滿足實際行車需求，比如，ABS系統、ESP系統。這些系統可以有效避免事故的發生或減輕事故發生所帶給車內乘員傷亡的概率。

1 汽車ABS系統控制方式

汽車ABS系統能夠有效保證車輛制動時不會因為制動力太大從而使得輪胎相對地面發生抱死的情況，系統根據相應的傳感器獲取輪胎轉動狀況，通過調整車輪制動力來保證車輪相對于路面不會發生較大程度地滑移，從而在保證制動穩定性條件下盡可能較少制動距離。

ABS的控制方式雖然較多，但都是通過調節制動力，充分利用路面附著性能，更加有效地控制車輛制動。控制參數選取是否得當，不僅關系到ABS的控制邏輯和性能，而且還關系到ABS的結構和成本。

（1）車輪滑移率控制方式

車輛的最佳滑移率是指滑移率處于20%附近的滑移率，此時輪胎能夠獲得最佳的縱、側向附著系數，車輛的穩定性最好。通常理想狀況下，我們希望車輪行駛狀態可以與滑移率曲線重合，但由于汽車行駛過程中，工況一直處于變化的狀態，且這些工況的變化并無具體的規律可循，因此 ABS的傳統控制方法并不會處于一個最佳狀態。

（2）邏輯門限值控制方式

ABS發展至今，采用最多的控制方式是邏輯門限值控制方式。車輛通過采用加、減速度門限作為控制門檻值，將參考滑移率值設置為輔助信息。車輛如果單獨采用門限值作為控制門檻，則容易出現控制超調現象。因此，將兩種信息綜合處理，可以有效提高控制精度。目前，大部分廠家所采用的控制策略是用車輪速度，通過設定的車輛制動減速度值算出參考車速，再求出參考滑移率。這樣，設定的車輛制動減速度值是否合適，將直接影響控制系統品質的優劣。使用邏輯門限值的ABS系統，其各類車輛之間兼容性不好，。對不同配置的車輛，其控制參數值不一樣。此外。系統工作所需的部分數據無法通過理論模型計算得出，只能依靠大量實驗獲得經驗數據，從而缺乏理論根據。

（3）最優控制方式

由于邏輯門限控制方式存在不可避免的缺點，一種基于最優化控制方式的ABS系統慢慢發展開來。它可以根據車輛-地面系統的數學模型，用狀態空間的概念，在時域內研究ABS。這是一種基于模型的控制，是一種分析型的系統。該方法根據ABS的各項控制要求，按最優化原理，得到控制系統的最優化控制指標。但控制系統的效果基本取決于于車輛-地面系統數學模型的精度，而數學模型與實際工況有一定的誤差，加上車輛行駛中的各種參數變化的影響，使得系統控制效果不良。

（4）滑模變結構控制方式

基于上述兩種控制方式的不足之處，行業內又提出了滑模動態變結構控制系統。它以經典的數字控制理論為基礎，系統穩定性強。滑模動態變結構控制屬于一類特殊的非線性控制系統，其結構根據系統當時的狀態、偏差及其導數值在不同的控制區域，以理想開關的方式切換控制量的大小和符號。系統由受控對象和一個變結構控制器組成。其控制目標是使實際制動時，車輛滑移率盡可能滿足最佳滑移率曲線。目前，能夠滿足要求的車速傳感器，由于其成本太高而不可能采用，加之實現該控制方式的伺服機構仍比較復雜，另外需要滿足該控制方式的伺服部件工作原理復雜，因此ABS系統中較少采用此類控制方式。

（5）模糊控制方式

模糊控制具有不依賴對象的數學模型，便于利用人的經驗知識，在汽車的ABS中正開始應用。模糊控制原理圖如圖1所示。系統采用雙輸入信號、單信號輸出結構，以滑移率誤差e及滑移率變化ec作為輸入量，經模糊計算得到的輸出量u作為制動輪缸壓力控制信號，確定ABS壓力調節器的壓力調節值。滑移率誤差e為期望滑移率λ0和實測的滑移率λ之差，滑移率誤差變化率ec為e的一階導數。通過計算機仿真研究和在試驗臺上的試驗研究結果表明，模糊控制技術在汽車ABS上的應用改善了其性能，使汽車的制動性能變得更好；基于模糊控制技術的汽車ABS的預測性增強，制動更加平穩，顯示出汽車ABS模糊控制系統具有進一步研究和開發價值，應用前景良好。

2 ABS控制原理

（1）ABS理論基礎

汽車行駛在路面上，地面能夠提供的附著力是輪胎與路面之間的摩擦力。因此，車輛的載荷和路面能夠提供的附著系數決定了汽車所能受到附著力的大小，其關系為

其中 Fμ-輪胎與路面間的附著力

FN-輪胎與路面間的垂直載荷

μ-輪胎與路面間的附著系數

由式（1-1）可知，最大程度減少制動距離，增加制動減速度就需盡可能提高輪胎與路面之間的附著系數μ。因為附著系數μ隨著路況的變化處于不斷變化中，其值與車輛滑移率有關。滑移率定義為：

其中 -汽車行駛的瞬時速度

ω-車輪角速度

R-車輪滾動半徑

（2）ABS基本組成

ABS系統在常規制動裝置的基礎上，增設輪速傳感器、電控單元（集成液壓調節單元）和ABS報警燈。輪速傳感器用以實時計算車輪轉速。電控單元以此信號為基礎進行計算。經電控單元計算汽車參考車速、車輛加速度（減速度），并對計算結果與設定的基準值比較，發出控制指令信號，控制液壓調節單元從而調節制動壓力。此外，電控單元還具有對整個ABS工作狀況進行自檢和安全監視警告功能。

（3）ABS分類

ABS控制通道通常是指制動壓力調節器通往制動器的獨立控制的液壓通過。按控制通道數量的不同，ABS可分為單通道、雙通道、三通道及四通道式，目前應用最為廣泛為四通道式ABS系統。

3 模糊控制策略

（1）模糊理論

美國計算機與控制論專家L.A.Zadeh教授于1965年率先提出了模糊集概念，創造了研究模糊性或不確定性問題的理論方法。模糊理論與技術一個突出的優點就是對復雜事物和系統可以進行模糊度量、模糊識別、模糊推理、模糊控制與模糊決策。模糊控制理論是一種非常有應用價值的理論，其優點主要有：

1）對于難以建立相應數學模型的復雜問題，利用模糊語言控制策略能夠使得問題簡化，控制更加高效。

2）模糊控制方法簡單、形象，研究難度不大。

3）系統控制效果好于傳統PID控制，參數適應性強。

（2）模糊控制器設計

模糊控制系統關鍵是模糊控制器的設計。模糊控制器一般包括作為輸入部分的模糊化接口，作為相應控制規則存貯的知識庫（數據庫、規則庫）、模糊推理機和作為輸出部分的解模糊接口等三大部分，如圖2所示。其中，輸入部分是將確定的輸入量轉化成對應的系統處理矢量；知識庫用以存貯系統控制需要應用到的各類子集和系統控制規則；推理機將由輸入部分輸入信息根據知識庫有關規則進行推理并將推理結果發送至輸出部分；解模糊控制接口則將推理機處理結果轉換成相應的精準量最終輸出。

圖2 模糊控制器組成圖

1）輸入、輸出變量確定

ABS系統控制的最終目的是將當前車輪滑移率控制于最佳滑移率范圍內，故可將期望滑移率（最佳滑移率）作為輸入目標，輸出變量作為制動器輪缸壓力增量。根據附著系數與滑移率的關系曲線圖，最佳滑移率取值15%-25%，車輪的實際滑移率為0-100%，所以系統控制誤差的取值范圍可為-85%-25%，考慮到誤差范圍應盡可能縮小，故最終誤差取值范圍為-20%-20%。

2）模糊規則設計

模糊化過程中，可選用三角函數作為隸屬度函數，將誤e及輸出變量u分為7個子集，根據輸入、輸出變量關系，建立模糊控制規則表，如表1所示。模糊推理方法選用Mamdani最小推理法，解模糊化采用二等分法。

（3）系統仿真

根據相應模糊控制器設計，可將ABS系統模型導入MATLAB/Simulink軟件中，結合創建的模糊控制器，對ABS系統進行模型仿真，從而得出前后輪滑移率、車輛制動距離及前后輪制動壓力隨時間變化曲線，從而得到保證制動穩定性基礎上獲得最大制動距離的仿真結果，驗證模糊控制技術在汽車ABS系統上的應用可以達到比較理想的控制效果。

表1 ABS模糊控制規則

4 結語

模糊控制作為一種智能控制方法，具有不依賴數學模型，魯棒性能好的優點，越來越成為解決當今復雜問題的一種技術手段。通過模糊控制規則的建立以及模糊控制器的設計，以期達到ABS系統工作過程中更優的控制效果。通過導入MATLAB軟件，可以驗證具有模糊控制的ABS系統在不同附著系數的路面上都具有更好的制動效果，從而提高了ABS系統工作效率，具有極為廣泛地應用前景。