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自动化技术与应用2016年第35卷第1期工业控制与应用INDUSTRYCONTROLANDAPPLICATIONS自适应模糊PID控制在汽车ABS系统中的应用吴玲,闻凯董敏,王恒南京航空航天大学金城学院自动化系,江苏南京211156摘要论文以单轮车辆模型为研究对象,在MATLABSIMULINK的环境下建立了整车数学模型、双线性轮胎模型、液压制动系统模型和滑移率计算模型,设计了自适应模糊PID控制器,对所建立的汽车ABS数学模型进行仿真研究,得出仿真曲线。结果表明,建立的ABS数学模型可靠,设计的自适应模糊PID控制算法能够实时地对参数进行调节,其制动性能优于传统PID控制器,有效缩短制动距离并改善制动时的方向稳定性,具有实际的应用价值。关键词ABS;防抱死制动系统;模糊PID控制;滑移率MATLAB仿真中图分类号U46352文献标识码A文章编号1003724120160卜002607APPLICATIONOFADAPTIVEFUZZYPIDCONTROLONTHEANTILOCKBRAKINGSYSTEMOFAUTOMOBILESWULING,WENKAI,DONGMIN,WANGHENGCOLLEGEOFJINCHENG,NANJINGUNIVERSITYOFAERONAUTICSASTRONAUTICS,NANJING211156CHINAABSTRACTTHESINGLEWHEELVEHICLEMODELISADOPTEDASARESEARCHOBJECTINTHEPAPERMATHEMATICALMODELSFORANENTIRECAR,ABILINEARTIREMODEL,AHYDRAULICBRAKEMODELANDASLIPRATIOCALCULATIONMODELAREESTABLISHEDINTHEMATLABSIMULINKENVIRONMENTANDADAPTIVEFUZZYPIDCONTROLLERISDESIGNEDTHEESTABLISHEDABSMATHEMATICALMODELISSIMULATEDANDRESEARCHEDANDTHESIMULATIONCURVESAREOBTAINEDTHERESULTSSHOWTHATESTABLISHEDMODELSARERELIABLEANDTHEDESIGNEDADAPTIVEFUZZYPIDCONTROLISABLETOADJUSTTHEPARAMETERSINREALTIMETHEBRAKINGPERFORMANCEISSUPERIORTOTHETRADITIONALPIDCONTROLLERITCANSHORTENBRAKINGDISTANCEANDIMPROVETHEDIRECTIONSTABILITYEFFECTIVELY,ITHASAPRACTICALAPPLICATIONVALUEKEYWORDSABS;ANTILOCKBRAKINGSYSTEM;FUZZYPIDCONTROL;SLIPRATE;MATLABEMULATION1引言汽车防抱死制动系统,简称ABS,是提高汽车主动安全性的一个重要装置,它使车轮与地面的摩擦力达到最大,同时又可以防止后轮侧滑和保持前轮具有一定的转向能力,以使汽车达到最佳的制动效果,在很大程度上避免了事故的发生,保证了汽车行驶安全。而ABS控制器是ABS装置的核心,现有的控制算法有逻辑门限值控制、PID控制、滑膜变结构控制、神经网络控制和模糊控制II,2,30笔者分析了各控制算法的优缺点,考基金项目江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目资助201413655005Y。收稿日期20150108虑到车辆状况多变及轮胎非线性等因素提出了一种自适应模糊PID控制算法应用于汽车ABS系统,它不仅具有智能控制器的不依赖与控制对象的精确模型,且具有较好的鲁棒性和灵活性的特点,同时具有PID控制器的稳定性好且控制精度高的特点。另外,在参数变换中考虑了误差变化率,可以避免由于误差变化率过大引起的PID控制超调,且在模糊控制器中加入了输入调整因子以改善系统的响应特性。2汽车ABS系统的数学模型汽车防抱死制动系统的数学模型主要由车辆动力学模型、轮胎模型、制动系统模型、滑移率模型组成。工业控制与应用INDUSTRYCONTROLANDAPPLICATIONS自动化技术与应用2016年第35卷第L期21车辆动力学模型汽车车辆动力学模型可以采用牛顿力学建立各个刚体的运动学方程,由于应用的目的不同,各种模型的繁简程度也不相同。目前,常用的车辆模型主要有单轮车辆模型、双轮车辆模型以及四轮车辆模型。为突出研究问题的本质,本论文采取经典的单轮车辆模型。并假设车轮载荷为常数,忽略迎风阻力和车轮滚动阻力。由图L受力分析可得车辆动力学方程LVL_F一;一只,7,JF图1车辆受力分析图车辆运动方程一FI车轮运动方程西职一2车辆纵向摩擦力FIJN3式中;M为14车辆的质量1【G,V为车辆行驶速度MS,F为纵向摩擦力N,I为车轮的转动惯量KGM,为车轮角速度RADS,R为车轮行驶半径M,T为制动器制动力矩NM,为纵向附着系数,N为地面支持力N。根据式1、2、3建立相应的SIMULINK仿真模型,输入为制动力矩和纵向附着系数,输出为车辆速度、车轮转速及制动距离,仿真模型如图2所示。22轮胎模型轮胎模型是指制动过程中轮胎附着力和其它各种参数之间的函数关系式,通常用轮胎附着系数与各种参数的函数关系式来表示。而影响附着系数的因素很多,如前所述除滑移率外,道路的材料、路面的状况与轮胎的结构、胎面花纹、材料以及汽车运动速度等都是影响因素。但在实际应用中,很难得出上述多种变量对附着系数影响的关系式,而较为实际与合理的办法则是只考虑对附着系数影响较大的因素,建立附着系数的计算表达式。本文采取应用比较广泛的双线性模型,如图3所示。馨系数IA滑移率,图3纵向附着系数一滑移率双线性曲线由图3,可推导出双线性轮胎模型的数学表达式如下二生一二丝L一1一XRL二二_J1,R干RRLI、,1LSATIU阳“TI10NWRIRSJINADDILCIADD1RJL,、。,RJ。;RVRRRSATURATION1MG1MINTEGRATORLADD2R1LFT“L图2车辆动力学仿真模型自动化技术与应用2016年第35卷第L期工业控制与应用INDUSTRYCONTROLANDAPPLICATIONS建立双线性轮胎模型的仿真模型如图4所示图4双线性轮胎模型23制动系统模型制动系统包括传动机构和制动器两部分。传动机构主要是指液压传动系统,其建模主要是考虑制动力调节器的制动压力如何随电磁阀电流变化的关系,为简化系统,忽略了电磁阀弹簧的非线性因素及压力传送的延迟,将液压传动系统简化为一个电磁阀和一个积分环节。传递函数可表示为GUU1十15制动器模型指制动器力矩与制动系气液压力之间的关系模型。为了方便研究控制算法,本文在进行仿真时假设制动器为理想元件,忽略了由滞后性带来的影响。因此,制动器方程为TBKP。P6式中,T为制动器制动力矩NM;为制动器制动系数NMKPA;P为制动器气液压力KPA。由式5、6建立的制动系统仿真模型如图5所示。图5制动系统仿真模型24滑移率计算模型图6滑移率计算模型汽车制动时,如果汽车运动速度V大于车轮的线速度时,轮胎和路面之间将产生相对滑移,此时滑移的程度常用滑移率表示,其计算公式劫为VCOR1007V由式7建立的滑移率的仿真模型如图6所示。3自适应模糊PID控制器的设计31PID控制器模型PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。控制器框图如图7所示。图7PID控制器框图PID控制器根据系统的偏差,通过将比例P、积分I和微分D线性组合构成控制量,以控制被控对象。其控制率为一】8式中,K为比例系数;T为积分时间常数;T。为微分时间常数。仿真模型如图8所示。广。JIIINTEGRATOR图8PID控制器模型32自适应模糊PID控制器的控制原理图9自适应模糊PID控制器框图工业控制与应用INDUSTRYCONTROLANDAPPLICATIONS自动化技术与应用2016年第35卷第1期无ABS系统的仿真结果B传统PID控制器系统的仿真结果C模糊PID控制器系统的仿真结果图14仿真结果表5仿真车辆参数表6不同控制器下的仿真数据比较。14汽车质量M车轮半径R车轮转动惯量388XGO2891O初始速度V重力加速度G制动因素2OMS98MS2142仿真结果分析本文对无ABS的系统和分别采用传统PID控制和自适应模糊PID控制器的ABS系统进行了仿真分析,设置仿真时间为50S,当汽车行驶速度减小为零时,仿真停

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