四轮转向汽车的模型跟踪模糊控制.pdf

引言 随着科学技术的发展 汽车的行驶安全性 舒适 性日渐受到重视 而四轮转向技术是一种有效提高车 辆的操纵稳定性的技术 四轮转向车辆通过控制后轮 的转角 实现对侧向及横摆运动的控制 改善了车辆 低速时的灵活性和高速时的操纵稳定性 传统上的质 心侧偏角控制 由于横摆角速度增益减小 导致过多 的不足转向 降低驾驶时的舒适性 本文为实现对质心侧偏角和横摆角速度的联合控 制 建立三自由度非线性四轮转向汽车模型 并利用 模糊PID控制器建立对理想模型的跟踪控制 实现汽 车质心侧偏角和横摆角速度值对理想值有很好的跟 踪 从而有效提高汽车的操纵稳定性 三自由度四轮转向动力学模型 模型包含车辆的侧向 横摆和侧倾三方面的运 动 建立三自由度四轮转向模型 1 如下 mu r mshp Ff Fr 1 2 r msgh k c 3 式中 m 整车质量 ms 簧载质量 h 侧倾力臂 a b 质心至前后轴距离 Ix 簧载质量绕X轴的转动惯量 Iz 整车绕Z轴的转动惯量 惯性积 kf 前轴的侧偏刚度 kr 后轴的侧偏刚度 k 前 后悬架侧倾角刚度之和 c 前 后悬架侧倾角阻尼之和 p 车身侧倾角速度 r 横摆角速度 u 车身纵向速度 质心处侧偏角 根据轮胎的非线性侧偏特性 引入轮胎侧偏力 模型 Ff kf br u f Rf 4 Fr kr br u r Rr 5 式中 f 汽车前轮转角 r 后轮转角 Rf 前轮侧倾转偏系数 Rr 后轮侧倾转偏系数 四轮转向汽车的模型跟踪模糊 PID 控制 于金波 韩振南 摘要 利用非线性三自由度汽车模型 在matlab simulink模块中建立模糊PID控制器 对理想横摆角速度和质心侧偏角进行 跟踪 来改善汽车的操纵稳定性 联合质心侧偏角和横摆角速度的模糊控制 分别与单一的质心侧偏角模糊控制 横摆角速度 控制模糊控制进行时域仿真对比 仿真结果表明 联合模糊PID控制大大减小了质心侧偏角振荡峰值 同时横摆角速度增益 对理想值很好的跟踪 有效改善四轮转向汽车的质心侧偏角和横摆角速度的响应特性 提高了车辆的安全性 平稳性 关键词 四轮转向 模糊控制 PID 模型跟踪 中图分类号 U463 4 文献标识码 A文章编号 2095 5553 2013 04 0188 05 于金波 韩振南 四轮转向汽车的模型跟踪模糊PID控制 J 中国农机化学报 2013 34 4 188 192 Yu Jinbo Han Zhennan Fuzzy PID control for 4WS vehicle based on model tracking technology J Journal of Chinese Agricul鄄 tural Mechanization 2013 34 4 188 192 收稿日期 2012年9月11日 修回日期 2012年10月10日 基金项目 山西省基础研究项目 2012011012 1 山西省高等学校留学回国人员科研资助项目 2011 12 第一作者 于金波 男 1988年生 山东日照人 硕士研究生 研究方向为车辆的四轮转向控制策略 E mail 510335397 通讯作者 韩振南 男 1958年生 山西太原人 博士 教授 研究方向为车辆传动系统动态特性研究 E mail zhennan han DOI 10 3969 j issn 2095 5553 2013 04 046 太原理工大学 山西太原 030024 中国农机化学报 Journal of Chinese Agricultural Mechanization 第34卷第 期 年 月 4 July 参考车型参数如表1 2 理想跟踪模型 四轮转向车辆应该保证无侧滑 即质心侧偏角的理 想值为零 四轮转向车辆的横摆角速度增益 应保证和 前轮转向汽车保持一致 使驾驶员的驾驶感觉不会发生 较大的改变 二自由度的前轮转向车辆模型的横摆角速 度增益 作为理想跟踪模型 其运动微分方程为 mu r kf kr 1 u akf bkr r kf f 6 Izr akf bkr 1 u a2kf b2kr akf f 7 由运动微分方程可以求得理想横摆角速度 3 如下式 d 1 rd d krd rd f 8 式中 d 车辆期望的横摆角速度 krd 比例系数 即为二自由度前轮转向车辆 横摆角速度增益 rd 一阶惯性环节时间常数 f 前轮转角 模糊PID控制系统的建立 1模糊PID控制器的设计 模糊控制的最大特征是 它能将专家的控制经验 和知识表示成语言变量描述的规则 然后用这些规则 来控制系统 因此 模糊控制适用于复杂的非线性系 统的控制 模糊PID控制由模糊控制器和PID控制器 组成 它用模糊逻辑来整定PID算法中的参数 自适 应模糊PID控制器如图1 2模糊PID控制器的参数选择 本文采用的模糊控制器以系统误差E和误差变化 EC作为输入变量 kp ki kd作为输出变量 设 置质心侧偏角与横摆角速度误差的论域E范 围均为 3 3 两者的误差变化率EC的范围为 3 3 输出变量 kp ki kd的范围为 1 1 因此 定义模糊控制器的误差E 误差变化率EC 以及输出变量 kp ki kd的基本论域和模糊集的基 本论域为 质心侧偏角误差为 0 1 0 1 质心侧偏角 误差变化率为 0 01 0 01 横摆角速度误差为 0 5 0 5 横摆角速度误差变化率为 0 1 0 1 选择高斯函数作为输入隶属函数 高斯函数的灵 敏度较高 计算较简单 性能也较好 选择三角函数 作为输出隶属函数 质心侧偏角误差 误差率 横摆 角速度误差 误差率以及输出变量 kp ki kd的 变量等级均选为7级 它们的模糊集均为 NB NM NS ZO PS PM PB 3模糊PID控制器规则的建立 模糊PID控制是找出PID三个参数与E EC之 间的模糊关系 在运行中不断检测E和EC 根据模 糊控制原理来对三个参数进行在线修改 以满足不同 E和EC时对控制参数的不同要求 而使被控对象具 有良好的动 静态性能 kp ki kd对系统的稳定性 响应速度 超调量 和稳态精度方面的作用如下 1 比例系数kp的作用是加快系统的响应速度 提高系统的调节精度 kp越大 系统的响应速度越 表1车型参数 Tab 1Vehicle parameters 参数数值参数数值 m1 067 kgkf 55 000 N rad ms900 kgkr 45 000 N rad Ix1 500kg m2k65 690 N rad Iz1 500 kg m2c2 100N m s rad Ixz0 kg m2h0 55m a1mRf0 07 b1 5mRr0 05 图1自适应模糊控制器结构 Fig 1The adaptive fuzzy controller structure 图2输入变量E EC隶属度函数 Fig 2The membership functions of input variables E EC 图3输出变量 kp ki kd隶属度函数 Fig 3The membership functions of input variables kp ki kd NBNMNSZOPSPMPB 1 0 5 0 3 2 10123 NBNMNSZOPSPMPB 1 1 5 0 1 0 8 0 6 0 4 0 200 20 40 60 81 于金波 等 四轮转向汽车的模型跟踪模糊PID控制第3期 189 快 系统的调节精度越高 但易产生超调 甚至会导 致系统不稳定 kp取值过小 则会降低调节精度 使 响应速度缓慢 从而延长调节时间 使系统静态 动 态特性变坏 2 积分作用系数k 的作用是消除系统的稳态误 差 k 越大 系统的稳态误差消除越快 但 k 值过 大 在响应过程的初期会产生积分饱和现象 从而导 致响应过程的较大超调 若k 过小 将使系统静态误 差难以消除 影响系统的调节精度 3 微分作用系数k 的作用是改善系统的动态特 性 其作用主要是在影响过程中抑制偏差向任何方向 的变化 对偏差变化进行提前预报 但k 过大 会 使影响过程提前制动 从而延长调节时间 而且会降 低系统的抗干扰性能 根据设计人员的技术知识和实际操作经验 kp ki kd的模糊规则表见表2 5 在MATLAB中的Fuzzy Logic Tool box模块中建 立模型 模糊PID控制系统最后模型如图4所示 表2 kp ki kd的模糊规则表 Tab 2Fuzzy rule table of kp ki kd NBNMNSZOPSPMPB kp ki kd kp ki kd kp ki kd kp ki kd kp ki kd kp ki kd kp ki kd NBPBNBPSPBNBNSPMNMNBPMNMNBPSNSNBZOZONMZOZOPS NMPBNBPSPBNBNSPMNMNBPSNSNMPSNSNBZOZONSNSZOZO NSPMNBZOPMNMNSPMNSNMPSNSNMZOZONSNSPSNSNSPSZO ZOPMNMZOPMNMNSPSNSNSZOZONSNSPSNSNMPMNSNMPMZO PSPSNMZOPSNSZOZOZOZONSPSZONSPSZONMPMZONMPBZO PMPSZOPBZOZONSNSPSPSNMPSPSNMPMPSNMPBPSNBPBPB PBZOZOPBZOZOPMNMPSPMNMPMPMNMPMPSNBPBPSNBPBPB 图4模糊PID控制器 Fig 4Fuzzy PID controller 中国农机化学报201 年 仿真试验与对比 控制策略选择质心侧偏角与横摆角速度跟踪 控制 使质心侧偏角的值尽量为零 横摆角速度 增益接近理想前轮转向模型 在MATLAB中Fuzzy Logic Tool box模块中建立的仿真结构框图如图5 所示 选择角阶跃和单移线仿真试验进行比较 设车 速为100km h 前轮转角为15 仿真结果见图6 图9 1k ke Derivative Gain1 Gain5 du dt In1 Zero Order Hold 模糊控制器 PID控制器 D I P E U Out1 1 190 图5仿真结构框图 Fig 5The simulation structure diagram 图6单移线试验质心侧偏角仿真对比曲线 Fig 6The side slip angle of single lane change test 图 单移线试验横摆角速度仿真对比曲线 Fig 7The yaw rate of single lane change test 图8角阶跃试验质心侧偏角仿真对比曲线 Fig 8The side slip angle of step steer test 图9角阶跃试验横摆角速度仿真对比曲线 Fig 9The yaw rate of step steer test Step Product Product1 Scope4 Scope Scope3 Scope1 Scope2 simout simout2 simout3 To Workspace To Workspace3 To Workspace2 To Workspace1 simout1 Gain1 Gain2 Gain7Memory x1 Ax Bu y Cx Du C K In1 In2 In3 Out1 Out2 Out3 In1 Out1 In1 Out1 1 1 横摆角速度模糊PID控制器 三自由度非线性车辆模型 质心侧偏角模糊PID控制器 理想模型 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 1 0 2 0 3 0 40 12345678 时间 s 质心侧偏角 rad 质心侧偏角模糊PID控制 横摆角速度模糊PID控制 联合模糊PID控制 前轮转向 前馈控制 质心侧偏角模糊PID控制 横摆角速度模糊PID控制 联合模糊PID控制 前轮转向 前馈控制 理想模型 012345678 时间 s 2 1 5 1 0 5 0 0 5 1 1 5 2 横摆角速度 rad s 质心侧偏角模糊PID控制 横摆角速度模糊PID控制 联合模糊PID控制 前轮转向 前馈控制 0 0 05 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 0 45 012345678 时间 s 质心侧偏角 rad 质心侧偏角模糊PID控制 横摆角速度模糊PID控制 联合模糊PID控制 前轮转向 前馈控制 理想模型 2 5 2 1 5 1 0 5 0 012345678 横摆角速度 rad s 时间 s 于金波 等 四轮转向汽车的模型跟踪模糊PID控制第3期 仿真试验结果分析 单移线试验图6 图7表 明 四轮转向模糊控制车辆的质心侧偏角峰值远远 小于前轮转向车辆 汽车行驶抗侧滑性能 舒适性 明显提高 横摆角速度模糊PID控制和联合模糊 PID控制 可以较好对理想模型的横摆角速度跟踪 与理想转向模型转弯时驾驶感觉相差较小 操纵性 更强 角阶跃试验图8 图9表明 前轮转向车辆的质 心侧偏角超调量大 反应时间长 四轮转向汽车大大 的降低了质心侧偏角超调量 改善了操纵稳定性 质 心侧偏角模糊PID控制使质心侧偏角稳定值为零 但 横摆角速度值对理想模型的跟踪不好 横摆角速度模 糊PID控制可以很好的对理想模型进行跟踪 但质心 侧偏角增益值较大 质心侧偏角和横摆角速度联合模 糊PID控制使质心侧偏角降低到前轮转向的25 同 时横摆角速度值对理想模型较好的跟踪 大大改善汽 车的行驶稳定性 结论 质心侧偏角和横摆角速度联合模糊PID跟踪控 191 Journal of Inner Mongolia Agricultural University Natural Sci鄄 ence Edition 2011 31 2 202 204 6 黄锡恺 郑文纬 机械原理 M 北京 高等教育出版社 1990 94 95 7 GB T13981 92 GB T10760 2 2003风力机械标准汇编 S The design and research on controlling in the brake system of 300W wind turbine Han Baosheng Han Qiaoli Guo Yong Li Jia Inner Mongolia Agriculture University Hohhot 010018 China Abstract To ensure small wind turbines can be safely and effectively protected in operational conditions while suffering strong wind 300W wind turbine was studied and designed with a automatically brake control system without manually operation It aid reference to large power wind turbine with refer to automatically brake protection The mechanical brake control equipment in the system ensures the reliability and reduces the consumption of power It brakes with singularity position and releases brake with offsetting spring by using crank and rocker mechanism with electromagnet as drive assembly By means of compare with other braking systems this system only consumes little power to complete the task in the process of short lived braking or releasing the brake Keywords small wind turbines brake system mechanical control Fuzzy PID control for 4WS vehicle based on model tracking technology Yu Jinbo Han Zhennan Taiyuan University of Technology Taiyuan 030024 China Abstract Based on three degrees of freedom nonlinear four wheel steering vehicle dynamic model tracking the ideal value of side slip angle of the vehicle and yaw velocity of the vehicle a fuzzy PID controller was established to improve the stability of the four wheel steering vehicle Unit鄄 ed fuzzy controller tracking the side slip angle of the vehicle and yaw velocity of the vehicle compared with fuzzy controller tracking the side slip angle of the vehicle or yaw velocity of the vehicle Simulation results show that United fuzzy controller can effective reduce the value of side slip angle of the vehicle and track the ideal value of yaw velocity of the vehicle which can improve the safety and stability of the vehicle Keywords Four wheel steering fuzzy control PID Model following 上接第183页 中国农机化学报201 年 制 大大减小质心侧偏角峰值 横摆角速度的值对理 想值有很好的跟踪 有效改善四轮转向汽车的质心侧 偏角和横摆角速度的响应特性 在一定程度上减轻了 驾驶员负担 提高了车辆的安全性 平稳性 参考文献 1 林棻 赵又群 等 基于Simulink的四轮转向汽车神经网络控制 策略仿真 J 江苏大学学报 自然科学版 2008 29 5 390 393 Lin Fen Zhao Youqun et al Neural network control strategy simulation of four wheel steering vehicle based on Simulink J Journal of Jiangsu univ