现代控制理论在汽车中的应用

1、研究生课程考试答题纸石家庄铁道大学培养单位 机械工程学院 学科专业 机械制造及其自动化 课程名称 现代控制理论 任课教师 郑 明 军 考试日期 2011年1月11日 学生姓名 袁 兴 茂 学 号 120101401 研究生学院题号一二三四五六七八九十总分评卷教师签名得分现代控制理论汽车中的应用摘要：简述了现代控制理论的发展过程和主要内容，论述了现代控制理论在汽车制动防抱死系统、悬架系统及自动变速器系统中的应用。关键词：现代控制理论；最优控制；汽车制动防抱死系统；悬架系统；自动变速器控制系统近十多年来，由于计算机的发展和高质量控制的需要，现代控制理论得到了很大发展。它不仅成功地应用于航天、航空、

2、航海等领域，而且在汽车中也得到了广泛的应用。现代控制理论已成为汽车设计中的一种必要的方法。1 现代控制理论的发展过程现代控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的。空间技术的发展迫切要求建立新的控制原理，以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用最少燃料或最短时间准确地发射到预定轨道一类的控制问题。这类控制问题十分复杂，采用经典控制理论难以解决。1958年，苏联科学家庞特里亚金提出了名为极大值原理的综合控制系统的新方法。在这之前,美国学者贝尔曼于1954年创立了动态规划,并在1956年应用于控制过程。他们的研究成果解决了空间技术中出现的复杂控制问题，并开拓了控制理论中最优控制理

3、论这一新的领域。19601961年，美国学者卡尔曼和.布什建立了卡尔曼-布什滤波理论,因而有可能有效地考虑控制问题中所存在的随机噪声的影响，把控制理论的研究范围扩大，包括了更为复杂的控制问题。几乎在同一时期内，贝尔曼、卡尔曼等人把状态空间法系统地引入控制理论中。状态空间法对揭示和认识控制系统的许多重要特性具有关键的作用。其中能控性和能观测性尤为重要，成为控制理论两个最基本的概念。到60年代初，一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼-布什滤波为基础的分析和设计控制系统的新的原理和方法已经确立，这标志着现代控制理论的形成。2 现代控制理论的主要内容现代控制理论所包含的学科内容十分广泛,主要

4、的方面有:线性系统理论、非线性系统理论、最优控制理论、随机控制理论和适应控制理论。 （1）线性系统理论 它是现代控制理论中最为基本和比较成熟的一个分支，着重于研究线性系统中状态的控制和观测问题，其基本的分析和综合方法是状态空间法。（2）非线性系统理论 非线性系统的分析和综合理论尚不完善。研究领域主要还限于系统的运动稳定性、双线性系统的控制和观测问题、非线性反馈问题等。 （3）最优控制理论 最优控制理论是设计最优控制系统的理论基础，主要研究受控系统在指定性能指标实现最优时的控制规律及其综合方法。 （4）随机控制理论 随机控制理论的目标是解决随机控制系统的分析和综合问题。随机控制理论的一个主要组成

5、部分是随机最优控制，这类随机控制问题的求解有赖于动态规划的概念和方法。 （5）适应控制理论 适应控制系统是在模仿生物适应能力的思想基础上建立的一类可自动调整本身特性的控制系统。3 现代控制理论在汽车制动防抱死中的应用汽车防抱制动系统是一个典型的最优控制系统设计问题，下面着重讨论它的状态变量的选择，状态方程的建立和性能指标的确定等与实际系统有关的问题，对于最优控制规律的计算和系统的设计。3.1汽车法宝宝死制动机构原理汽车防抱制动系统(简称ABS)实质上是一种制动力自动调节装置。这种装置使汽车制动系统的结构发生了质的变化，它不仅能充分发挥制动器的制动性能，提高制动减速度和缩短制动距离，而且能有效地

6、提高汽车制动时的方向稳定性，大大改善汽车的行驶安全性。汽车在制动过程中，车轮未抱死前，路面制动力始终等于制动器制动力此时制动器制动力全部转化为路面制动力；车轮抱死后制动力等于路面附着力，不再随制动器制动力的增大而增大。我们知道，路面附着力等于路面对轮胎的法相反作用力与附着系数的乘积。理论和试验研究表明，附着系数与轮胎滑移率S为20左右时，轮胎纵向附着系数达到最大值，在纯滚动时侧向附着系数最大；而在车轮抱死时，侧向附着系数迅速下降到零，纵向附着系数电有所降低。因此，车轮若在汽车制动时完全抱死，不但纵向附着力下降而达不到最佳制动效能，而且还会丧失转向和抵抗侧向力的作用，造成制动时方向不稳定。ABS

7、系统的作用就是能自动调节制动器的制动力，使车轮滑移率保持在20左右以充分利用峰值附着系数，提高汽车的制动效能和制动时的方向稳定性。3.2 汽车防抱死系统的控制方法目前汽车防抱制动系统，常采用以下三种控制方式:逻辑门限值控制方式(或称双位控制)，最优控制及滑动变结构控制。（1）逻辑门限值控制这是一种常见的控制方法，它采用加、减速度门限控制，并附加一些辅助门限，并不涉及具体系统的数学模型。这对控制系统的非线性控制，是一种有效的控制方法，但系统的控制逻辑比较复杂，波动较大。一般多采用以车轮角速度作为比较量的调节系统。在这种系统中，有时也辅以滑移率作为比较量来进行共同控制。车轮的角速度变化(角加速度或

8、角减速度)与制动力矩附着系数和滑动率的变化有强烈的敏感性，在制动过程中，车轮抱死总是出现在相当大的角减速度的时刻，因此预选一个角减速度门限值，当实测的角减速度超过此门限值时，控制器发出指令开始释放制动系压力，使车轮得以加速旋转，再预选一个角加速门限值，当轮的角加速度达到此门限制时，控制器又发出指令，使制动力又开始增大，车轮作减速运动，所以可用一个车轮角速度传感器作为单信号输人，同时在电子控制器中设置合理的加、减角速度门限值，就可实现防抱制动的循环。（2）滑动模态变结构控制滑动模态变结构控制系统是以经典的数学控制理论为基础的一种控制。这种控制能增强系统的不确定性和外部扰动对控制器的抗干扰能力，它

9、具有很强的内在自适应性。滑动变结构控制属于一类特殊的非线性控制系统，其结构根据系统当时的状态偏差及其导数值，在不同的控制区域，以理想开关的方式切换控制量的大小和符号，使系统在滑移曲线很小的邻域内滑移换节曲线滑动的方式。系统由受控对象和一个变结构控制器组成，控制器中含有一个逻辑环节，它操纵控制器结构的变更，进人滑移换节曲线后，就与系统的结构及扰动无关。3.3 现代控制理论在汽车制动防抱系统中的应用逻辑门限值控制方法虽然是一种常用方法但它的控制逻辑比较复杂，波动较大，而且控制系统中的各种门限保压时间都是一些经验数据，没有充分的理论根据，对系统稳定性品质无法评价。针对这些缺点，近年来又发展了用最优控

10、制理论的方法来处理ABs系统中的控制问题最优控制是基于状态空间法的现代控制理论方法。它可以根据车辆一路面系统的数学模型，用状态空间的概念，在时间域内研究ABS系统它是一种基于模型的分析型的控制系统，它根据防抱系统的各项控制要求按最优化原理求得控制系统的最优控制指标。根据汽车在制动过程中单个轮的受力情况，建立相应的数学模型，写出车轮作平面运动的运动微分方程，除需要选取车轮角速度和角加速度为状态变量外，为了产生闭环控制系统，还应把附着系数和滑移率的关系曲线峰值处的车轮速度作为系统的期望值输出，显然它在制动过程中是随时间变化的，再设计跟踪系统，使系统实际输出的是跟踪期望输出值，得到汽车防抱制动系统状

11、态方程的矩阵形式你，用现代控制理论的方法设计汽车防抱制动装置，实质上就是设计一个最优控制系统，使其在防抱的全过程中能预报出一种控制函数，使防抱系统在防抱过程中以最优的方式工作，使预先设定的目标函数达到最小值。为了使液压或气压控制系统消耗的能量最小，并使实际输出与期望输出的误差最小，我们选择具有二次型的目标函数，由最优控制理论求出该系统的最优控制规律:求得反馈控制系数。ABS是一种简单实用的系统，其质量和功能在不断地完善，ABS系统终将成为国际、国内各种车辆所必须安装的设备，因此ABS系统的研究势在必行。在本文所介绍的三种控制方法中，逻辑门限值法的控制逻辑比较复杂，波动较大，但系统的非线性控制很

12、有效;滑动模态变结构法具有很强的内在自适应性，但滑动运动在换节线附近切换时叠加有一个抖动;最优控制法在理论上很成熟，它将车轮的角速度和角加速度作为状态变量对系统进行优化控制.，能达到很好的防抱制动效果。4 现代控制理论在汽车悬架系统控制中的应用随着电子技术、测控技术、机械动力学等学科的快速发展，使汽车悬架系统由传统被动隔振发展到振动主动控制。特别是对最优控制已开始应用于汽车悬架系统的振动控制，使悬架系统振动控制技术在现代控制理论指导下更趋完善。4.1悬架系统的发展根据现代汽车对悬架提出的各种性能要求，悬架的结构形式和振动控制方法随时在更新和完善。悬架的结构形式很多，分类方法也不尽相同。按导向机

13、构的形式，可分为独立悬架和非独立悬架两大类。如果按控制力进行分类，则可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架3种基本类型。（1）被动悬架 汽车绝大多数装有由弹簧和减振器组成的机械式悬架。这种悬架系统的阻尼和刚度参数一般是通过经验设计或优化设计方法来选择。（2）半主动悬架 它由可变特性的弹簧和减振器组成。其基本工作原理是：根据簧上质量相对车轮的速度响应、加速度响应等反馈信号，按照定的控制规律调节可调弹簧的剐度或可调减振器的阻尼力。（3）主动悬架 通过输入外部能量使控制机构给悬架系统施加一定控制力的振动称为主动控制。主动悬架系统通常有两种形式，即由电机驱动的空气式悬架和由电磁阀驱动的油气式悬架4.2最

14、优控制在悬架控制系统中的应用汽车主动悬架的设计目标就是要寻求一个能够为车辆提供良好性能的控制律，能同时满足行驶平顺性和操纵稳定性的要求。主动悬架采用可控元件，根据车辆系统的姿态和外部输入，主动地调整和产生所需要的控制力，使悬架始终处于最佳减振状态。主动悬架由控制系统和执行机构组成。最优控制是通过建立系统的状态方程提出控制目标，再应用控制理论求解所设目标下的最优控制律。应用于悬架控制的最优控制方法主要可分为两种，即传统的线性最优控制和最优预测控制。前者是最成熟与应用最广泛的一种控制理论。最优预见控制方法是利用车辆前轮的扰动信息预估路面的干扰输入，将测量的状态变量反馈给前后控制器实施最优控制。由于

15、这种控制技术可以通过某种方法提前检测到前方路面的状态和变化，将使控制系统有足够的时间采取措施。因此，可大大降低系统的能耗，且改善系统的控制性能。根据预见信息的测量及利用方法不同，可构成不同的预见控制系统，如对四轮全进行预见控制和利用前轮扰动信息对后轮进行预见控制。对四轮全进行预见控制是在车的前部设有特殊的预见传感器，以测试前方路况，然后将信息传给控制器控制器将相应信号送至四个轮中的每一个悬架执行机构，这种系统需要设置特殊的传感器在利用前轮信息对后轮进行预见控制中，在决定后轮的控制指令时，控制器不仅考虑当时后轮传感器得到的各种信息，而且也根据当时的车速和前后轮间的跨距，并考虑前轮各传感器所得到的

16、信息因此，在后轮的执行机构上，实行的是反馈加前向反馈的双作用控制在该系统中无需设置特殊的预见传感器，只需改变控制软件，便可提高后轮的减振效果。因此采用最预测控制可大大降低系统的能耗，且改善系统的控制性能。5 智能控制在汽车自动变速系统中的应用电控机械式自动变速器(Automated MechanicalTransmission即AMT)是采用微机控制技术改造传统手动变速器的典型机电一体化产品.AMT比目前广泛使用的液力自动变速器传动效率高、制造成本低,但控制难度大.以前,对AMT的控制基本上采用常规控制技术,效果不甚理想.近年来,人们一直在寻求新的AMT控制方法.智能控制是近几年发展起来的新兴

17、控制技术.它是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的自动控制,这种控制技术体现了一些仿人智能的行为,如对控制对象参数的学习功能,对控制对象特性变化或环境条件变化的自适应功能,对复杂控制对象和分散的状态传感信息的自组织和协调的功能,模仿人类进行控制决策的模糊推理功能.正是这些功能使智能控制技术特别适用于像AMT这类具有明显的非线性特征、系统参数易变的对象.智能控制因模拟人的不同智能行为功能而分成各种不同的类型.在对被控对象应用智能控制技术时,首先应分析其运动特征,然后再根据需要选择一种符合控制要求的智能控制方法.5.1汽车AMT系统组成原理汽车AMT系统的组成及各部分之间的状态信息

18、流和控制关系如图1示.图1汽车ATM的组成5.2节气门执行器的多模式智能控制方法AMT系统进行自动换档时,需要自动调节发动机节气门开度.对节气门的控制要求为:定位准确;响应速度快;运行平稳,无振动、冲击.节气门执行器一般采用步进电机、直流伺服电机、线性电磁铁等几种类型,而我们研制的AMT系统采用了电液式执行器.这种执行器具有结构简单、成本低廉、驱动力大、耐受环境温度能力强等特点,但由于液压系统存在供油压力波动,油的粘度随油温度变化而变化,控制阀的启闭特性,负载的惯性质量,液压执行机构中的摩擦力等因素影响,时滞现象和不稳定现象较电驱动式执行器严重,要达到上述三条控制要求,采用多模式控制则可以解决此问题。多模式控制是一种最基本的智能控制,其核心思想是将控制过程分成若干状态特征模式不同的阶段,不同阶段采取不同的控制策略.因此,这种控制方法模拟了人对不同情况采取不同处理方法的变策略智能思想.对电液式气节门执行器采用多模式控制方法。电液式节气门的多模式控制器的原理框图如图2示,据此进行软件设计.图2多模式控制器原理框图采用多模式控制的电液式节气门执行器较好地解决了快速响应与平稳性间的矛盾,取得了较高的定位精度,获得了具有令人满意的使用性能。随着计算机的发展和高质量控制的需要，现代控制理论得到了很大发展。其在汽车中的应用也越来越广泛。现代控制理论技术不仅只应用于汽车防抱死控制系统