基于模糊PID控制的汽车稳定性仿真分析_图文

1、第32卷第4期 西南大学学报(自然科学版 2010年4月Vol 32 No 4Journal of Southw est U niv ersity(N atural Science EditionApr 2010文章编号:1673 9868(201004 0137 05基于模糊PID控制的汽车稳定性仿真分析欧 健1, 康小鹏1,2, 邓国红1, 伍 奎31 重庆理工大学重庆汽车学院,重庆400050;2 四川航天职业技术学院汽车工程系,成都610100;3 重庆科技学院机械与动力工程学院,重庆401331摘要:ESP(Electr onic Stability P rog r am是现代汽车主

2、动安全领域研究的热点,也是汽车底盘控制研究的重点.汽车ESP系统是复杂的非线性系统,难以建立精确的数学模型.模糊控制器可以有效避免传统P ID控制理论的缺陷,但是其动态性能较差,稳定性不足.该文在总结两种控制器优劣的基础上,对模糊控制器进行改进,设计了模糊PID控制器.在极限工况下对控制器的有效性进行了仿真验证,并将两种控制器的控制结果进行了对比.结果表明:模糊PID控制器对提高控制器稳定性有明显效果.关 键 词:电子稳定程序;直接横摆力矩控制;控制策略;仿真分析中图分类号:U461 1文献标识码:AESP是近年来发展十分迅速的汽车主动安全系统,它能够利用实时的对单一车轮施加制动控制来产生附加

3、横摆力矩,从而对汽车在极限工况行驶时所产生的不稳定横摆力矩进行补偿控制.控制器的设计是ESP研究过程中的关键问题之一,车辆动力学控制是一个复杂的系统,大多数的方法是采用基于数学模型的状态控制或最优控制.这种控制系统要求测量及估计辨识的参数较多,计算量较大,鲁棒性不强,并且车辆的运动条件及参数在汽车运行时处于时刻变化之中,很难寻求到一种最优的控制策略.如何能找到一种结合控制理论与经验策略的具有较强鲁棒性的控制方法对于提高ESP控制效果有重大意义.因此,本文基于传统PID控制理论,结合模糊控制中的经验策略设计了模糊PID控制器,对控制效果进行仿真分析,并将其不同工况下的仿真结果与传统模糊控制进行了

4、对比.1 车辆稳定性控制原理当汽车处于高速紧急转弯、转弯制动等极限工况时,车轮侧向力极易达到饱和状态而使汽车运动状态发生变化,尤其是当地面附着系数很低,车轮侧向力饱和达到附着极限时,维持汽车按照预定轨迹运行的横摆力矩随之变化,此时,单纯依靠驾驶员对转向盘的操纵已经不能使汽车回到预定行驶轨迹上,汽车处于一种不稳定的状态.因此,有必要利用一种人力之外的动力学控制系统进行辅助控制,用以调整汽车的这种不稳定性,使汽车按预定轨迹进行行驶.目前实际运用的方法是,利用单一车轮独立制动所获得的附加横摆力矩对汽车进行直接横摆力矩控制(DYC Direct Yaw moment Co ntrol以改善汽车的侧向稳

5、定性1.对于一个DYC系统,我们可以控制的主要是两个方面的问题:稳定性和轨迹保持.而在汽车的*收稿日期:2009 05 26基金项目:重庆市科委重大科技资助项目(CST C 2007AA6009;重庆市自然科学基金资助项目(CST C.2008BB6338.作者简介:欧 健(1969 ,男,重庆沙坪坝人,副教授,博士,硕士生导师,主要从事车辆动力学研究.状态参数上,是由汽车的横摆角速度和质心侧偏角这两个状态量来反映的,并且这两者在某些情况下是相互耦合的.将轨迹保持问题和汽车稳定性问题综合在一起,可以发现汽车行驶轨迹可能出现3种情况,即汽车行驶轨迹保持在理想的轨迹上;另两种为实际轨迹半径比理想轨

6、迹半径大或者小,可表示为+R ,-R.在这3种轨迹情况下的质心侧偏角也可能出现3种情况,即质心侧偏角分别为- 、0、+ ,如图1所示2 .图1 轨迹说明图2 PID 控制与模糊控制特点分析PID 控制是利用控制变量的偏差信号作为控制器的输入,对偏差信号进行比例、微分、积分的运算后对被控系统进行控制的控制方法.由于其算法简单、可靠性好等特点,目前已广泛应用于工业生产的各个领域.模糊控制是现代智能控制理论的代表,它以模糊数学为理论基础,对于过于复杂或难以精确描述的系统有很好的控制效果.2 1 PID 控制在建立模拟控制系统时,由于前文所述优点,最常选用的就是PID 控制方法.尤其在可以对被控系统进

7、行精确建模的时候,其稳定性更好.在汽车稳定性控制研究中,作为应用最为广泛的控制方法之一的PID 控制方法同样被大量应用.用于直接横摆力矩控制的PID 控制系统原理框图如图2所示3 .图2 用于DYC 的PID 控制系统原理框图PID 控制参数的整定是控制器设计的关键步骤之一,常用Zieg ler Nichols(齐格勒 尼柯尔斯整定法则或者手工整定方法进行参数整定,但是无论是哪种整定方法都无法有效地找到最优的控制点,在许多时候还依赖于设计者的经验.2 2 模糊控制模糊控制是近些年来逐渐发展起来的一种先进智能控制方法,它以模糊集、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础对被控系统进行控制.模糊推理系统

8、(FIS,Fuzzy Inference System 的基本结构由4个部分组成:知识库、推理机制、模糊化输入接口与去模糊化输出接口.知识库又包含模糊规则库和数据库.规则库(rule base中的模糊规则定义相关领域的专家知识和经验,而数据库则对模糊规则中用到的隶属函数进行定义.模糊规则的形式一般为if A is a then B is b,其中A 与B 都是语言变量(linguistic varia ble,而a 和b 则是由隶属函数映射到的语言值(linguistic values.用于DYC 的模糊控制系统原理框图如图3所示4.模糊控制是一种基于规则的控制,它直接采用语言型控制规则,以现

9、场操作人员的实际工作经验或相关的知识,在控制系统设计中不需要建立精确的被控对象数学模型,因此,其设计过程所受限制条件少,结构简单,适应性强.虽然模糊控制有它自身的优势,动态性能较好,但是稳定性较差,并且很难使两者同时达到理想要求.138西南大学学报(自然科学版 投稿网址http:/x bg jxt sw u cn 第32卷 图3 用于DYC 的模糊控制系统原理框图3 模糊PID 控制器设计在分析PID 控制及模糊控制的优劣之后,本节对两种控制方法进行综合,根据模糊 线性复合控制器的设计思想,应用模糊控制对PID 控制中的控制参数进行整定,联合两者共同进行控制器的设计.联合模糊PID 控制系统结

10、构如图4所示,通过传感器得到的横摆角速度与理想横摆角速度的偏差,作为PID 控制器的输入变量之一;质心侧偏角与理想质心侧偏角的偏差,作为模糊控制器的输入变量.模糊控制器的输出变量K 作为PID 控制器的另一输入变量,参与PID 控制器运算,最后由PID 控制器输出控制横摆力矩,PID 控制器采用增量式PI 控制5 .图4 模糊PID 控制系统结构图模糊控制隶属函数如图5图7所示.控制规则如表1所示6 .图5 误差E 的隶属函数图6 误差变化率EC 的隶属函数图7 控制量U 的隶属函数表1 控制规则表EEC N B N M N S Z PS PM PB N BPB PB P B P B P B

11、P B PB N MPB PB PM PM PM P B PB NSPB PM PM PM PM PM PB ZPM PM PS Z PS PM PM P SPB PM PM PM PM PM PB PMPB PB PM PM PM P B PB PB PB PB P B P B P B P B PB 139第4期 欧 健,等:基于模糊PID 控制的汽车稳定性仿真分析4 仿真研究在Sim ulink 下建立控制器模型及整车模型,对某轿车进行极限工况下的仿真分析以验证控制器的有效性,并将模糊PID 控制器与模糊控制器的控制效果进行对比,整车模型主要参数如表2所示.表2 整车模型主要参数整车质量/

12、kg横摆转动惯量/(kg m -2质心至前/后轴距离/m 轮距/质心高度/m 前/后轮总侧偏刚度/(N rad -1115528001 040/1 5001 52/0 552-45240/-63240所建立的控制器模型如图8图10所示.仿真工况: 车速72km /h,前轮转角2!,路面附着系数0 4;车速30km /h,前轮转角6!,路面附着系数0 1.图8 联合模糊控制器子模块 图9 模糊控制器子模块图10 PID 控制器子模块仿真结果如图11图12所示.从仿真结果可以看出,模糊控制在外部条件变化时的稳定性明显不足,在工况1仿真时,两种控制器均表现出较好的控制效果;在工况2仿真时,模糊控制器

13、丧失了控制效果,而模糊PID 控制器仍然具有非常好的控制效果 .图11 工况1横摆角速度响应 图12 工况2横摆角速度响应5 结 论ESP 是一种有效的主动安全系统.本文通过对控制理论的对比分析,利用PID 控制及模糊控制制定了合适的控制策略,并以横摆角速度作为主要控制变量,质心侧偏角作为辅助控制变量,设计出了模糊PID 控制器.在极限工况下对控制器的有效性进行了仿真验证,结果表明模糊PID 控制稳态性较好,可以明显提高系统的鲁棒性与智能性,从而可以对ESP 系统进行更为有效的控制.140西南大学学报(自然科学版 投稿网址http:/x bg jxt sw u cn 第32卷参考文献:1程 军

14、.车辆动力学控制的模拟J.汽车工程,1999,21(4:199 205.2 陈秀丽.汽车直接横摆力矩及其四轮转向集成控制算法研究D.长春:吉林大学汽车工程学院,2006.3 张 静,马俊丽,岳 境,等.M atlab 在控制系统中的应用M .北京:电子工业出版社,2007.4 李士勇,夏承光.模糊控制和智能控制理论与应用M .哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1991.5 朱晓宏.车辆自动驾驶纵向运动模糊神经控制研究D.武汉:武汉理工大学,2003.6 刘 巍.驱动工况汽车稳定性控制算法研究D.长春:吉林大学汽车工程学院,2004.Simulation of Vehicle Stability B

15、ased on Fuzzy PID ControlOU Jian 1, K A N G Xiao peng 1,2, DEN G G uo hong 1, WU K ui31 Chong qing Automobile Co lleg e ,Chong qing Institute of Unive rsity ,Cho ngqing 400050,China ;2 Ve h icle Manufacturing Departme n t ,Sichuan Aerospace Coll e ge of Vo ca tional Techn olog y ,Ch eng du 610100,Ch

16、 ina ;3 Machinery Academy ,Chong qing Unive rsity o f Scie nce a nd Techno log y ,Chong qing 401331,China Abstract:ESP (Electro nic Stability Prog ramis the hot spot of research in the active safety field now adays and in autom obile chassis co ntro ls research.As ESP sy stem is a com plicated nonli

17、nearity system,it is dif ficult to build an accurate mathem atic mo del for it.While the fuzzy contro ller can effectively avo id the de fects of the traditional PID control theo ry,its dy namic perform ance is po or and its stability is insufficient.In the present study,the advantages and disadvantages o f the tw o kinds of controller w ere summed up,the fuzzy contr oller w as improved,and a Fuzzy PID contro ller w as developed.In a simulant test,the validity of the controllers w as ex amined under extreme w o rkin