現(xiàn)代控制理論在汽車中的應(yīng)用

1、研究生課程考試答題紙石家莊鐵道大學(xué)培養(yǎng)單位 機(jī)械工程學(xué)院 學(xué)科專業(yè) 機(jī)械制造及其自動化 課程名稱 現(xiàn)代控制理論 任課教師 鄭 明 軍 考試日期 2011年1月11日 學(xué)生姓名 袁 興 茂 學(xué) 號 120101401 研究生學(xué)院題號一二三四五六七八九十總分評卷教師簽名得分現(xiàn)代控制理論汽車中的應(yīng)用摘要：簡述了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展過程和主要內(nèi)容，論述了現(xiàn)代控制理論在汽車制動防抱死系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)及自動變速器系統(tǒng)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：現(xiàn)代控制理論；最優(yōu)控制；汽車制動防抱死系統(tǒng)；懸架系統(tǒng)；自動變速器控制系統(tǒng)近十多年來，由于計算機(jī)的發(fā)展和高質(zhì)量控制的需要，現(xiàn)代控制理論得到了很大發(fā)展。它不僅成功地應(yīng)用于航天、航空、

2、航海等領(lǐng)域，而且在汽車中也得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)代控制理論已成為汽車設(shè)計中的一種必要的方法。1 現(xiàn)代控制理論的發(fā)展過程現(xiàn)代控制理論是在20世紀(jì)50年代中期迅速興起的空間技術(shù)的推動下發(fā)展起來的?？臻g技術(shù)的發(fā)展迫切要求建立新的控制原理，以解決諸如把宇宙火箭和人造衛(wèi)星用最少燃料或最短時間準(zhǔn)確地發(fā)射到預(yù)定軌道一類的控制問題。這類控制問題十分復(fù)雜，采用經(jīng)典控制理論難以解決。1958年，蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金提出了名為極大值原理的綜合控制系統(tǒng)的新方法。在這之前,美國學(xué)者貝爾曼于1954年創(chuàng)立了動態(tài)規(guī)劃,并在1956年應(yīng)用于控制過程。他們的研究成果解決了空間技術(shù)中出現(xiàn)的復(fù)雜控制問題，并開拓了控制理論中最優(yōu)控制理

3、論這一新的領(lǐng)域。19601961年，美國學(xué)者卡爾曼和.布什建立了卡爾曼-布什濾波理論,因而有可能有效地考慮控制問題中所存在的隨機(jī)噪聲的影響，把控制理論的研究范圍擴(kuò)大，包括了更為復(fù)雜的控制問題。幾乎在同一時期內(nèi)，貝爾曼、卡爾曼等人把狀態(tài)空間法系統(tǒng)地引入控制理論中。狀態(tài)空間法對揭示和認(rèn)識控制系統(tǒng)的許多重要特性具有關(guān)鍵的作用。其中能控性和能觀測性尤為重要，成為控制理論兩個最基本的概念。到60年代初，一套以狀態(tài)空間法、極大值原理、動態(tài)規(guī)劃、卡爾曼-布什濾波為基礎(chǔ)的分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的新的原理和方法已經(jīng)確立，這標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的形成。2 現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容現(xiàn)代控制理論所包含的學(xué)科內(nèi)容十分廣泛,主要

4、的方面有:線性系統(tǒng)理論、非線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、隨機(jī)控制理論和適應(yīng)控制理論。 （1）線性系統(tǒng)理論 它是現(xiàn)代控制理論中最為基本和比較成熟的一個分支，著重于研究線性系統(tǒng)中狀態(tài)的控制和觀測問題，其基本的分析和綜合方法是狀態(tài)空間法。（2）非線性系統(tǒng)理論 非線性系統(tǒng)的分析和綜合理論尚不完善。研究領(lǐng)域主要還限于系統(tǒng)的運(yùn)動穩(wěn)定性、雙線性系統(tǒng)的控制和觀測問題、非線性反饋問題等。 （3）最優(yōu)控制理論 最優(yōu)控制理論是設(shè)計最優(yōu)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，主要研究受控系統(tǒng)在指定性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)時的控制規(guī)律及其綜合方法。 （4）隨機(jī)控制理論 隨機(jī)控制理論的目標(biāo)是解決隨機(jī)控制系統(tǒng)的分析和綜合問題。隨機(jī)控制理論的一個主要組成

5、部分是隨機(jī)最優(yōu)控制，這類隨機(jī)控制問題的求解有賴于動態(tài)規(guī)劃的概念和方法。 （5）適應(yīng)控制理論 適應(yīng)控制系統(tǒng)是在模仿生物適應(yīng)能力的思想基礎(chǔ)上建立的一類可自動調(diào)整本身特性的控制系統(tǒng)。3 現(xiàn)代控制理論在汽車制動防抱死中的應(yīng)用汽車防抱制動系統(tǒng)是一個典型的最優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計問題，下面著重討論它的狀態(tài)變量的選擇，狀態(tài)方程的建立和性能指標(biāo)的確定等與實(shí)際系統(tǒng)有關(guān)的問題，對于最優(yōu)控制規(guī)律的計算和系統(tǒng)的設(shè)計。3.1汽車法寶寶死制動機(jī)構(gòu)原理汽車防抱制動系統(tǒng)(簡稱ABS)實(shí)質(zhì)上是一種制動力自動調(diào)節(jié)裝置。這種裝置使汽車制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)的變化，它不僅能充分發(fā)揮制動器的制動性能，提高制動減速度和縮短制動距離，而且能有效地

6、提高汽車制動時的方向穩(wěn)定性，大大改善汽車的行駛安全性。汽車在制動過程中，車輪未抱死前，路面制動力始終等于制動器制動力此時制動器制動力全部轉(zhuǎn)化為路面制動力；車輪抱死后制動力等于路面附著力，不再隨制動器制動力的增大而增大。我們知道，路面附著力等于路面對輪胎的法相反作用力與附著系數(shù)的乘積。理論和試驗研究表明，附著系數(shù)與輪胎滑移率S為20左右時，輪胎縱向附著系數(shù)達(dá)到最大值，在純滾動時側(cè)向附著系數(shù)最大；而在車輪抱死時，側(cè)向附著系數(shù)迅速下降到零，縱向附著系數(shù)電有所降低。因此，車輪若在汽車制動時完全抱死，不但縱向附著力下降而達(dá)不到最佳制動效能，而且還會喪失轉(zhuǎn)向和抵抗側(cè)向力的作用，造成制動時方向不穩(wěn)定。ABS

7、系統(tǒng)的作用就是能自動調(diào)節(jié)制動器的制動力，使車輪滑移率保持在20左右以充分利用峰值附著系數(shù)，提高汽車的制動效能和制動時的方向穩(wěn)定性。3.2 汽車防抱死系統(tǒng)的控制方法目前汽車防抱制動系統(tǒng)，常采用以下三種控制方式:邏輯門限值控制方式(或稱雙位控制)，最優(yōu)控制及滑動變結(jié)構(gòu)控制。（1）邏輯門限值控制這是一種常見的控制方法，它采用加、減速度門限控制，并附加一些輔助門限，并不涉及具體系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。這對控制系統(tǒng)的非線性控制，是一種有效的控制方法，但系統(tǒng)的控制邏輯比較復(fù)雜，波動較大。一般多采用以車輪角速度作為比較量的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，有時也輔以滑移率作為比較量來進(jìn)行共同控制。車輪的角速度變化(角加速度或

8、角減速度)與制動力矩附著系數(shù)和滑動率的變化有強(qiáng)烈的敏感性，在制動過程中，車輪抱死總是出現(xiàn)在相當(dāng)大的角減速度的時刻，因此預(yù)選一個角減速度門限值，當(dāng)實(shí)測的角減速度超過此門限值時，控制器發(fā)出指令開始釋放制動系壓力，使車輪得以加速旋轉(zhuǎn)，再預(yù)選一個角加速門限值，當(dāng)輪的角加速度達(dá)到此門限制時，控制器又發(fā)出指令，使制動力又開始增大，車輪作減速運(yùn)動，所以可用一個車輪角速度傳感器作為單信號輸人，同時在電子控制器中設(shè)置合理的加、減角速度門限值，就可實(shí)現(xiàn)防抱制動的循環(huán)。（2）滑動模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制滑動模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是以經(jīng)典的數(shù)學(xué)控制理論為基礎(chǔ)的一種控制。這種控制能增強(qiáng)系統(tǒng)的不確定性和外部擾動對控制器的抗干擾能力，它

9、具有很強(qiáng)的內(nèi)在自適應(yīng)性?；瑒幼兘Y(jié)構(gòu)控制屬于一類特殊的非線性控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時的狀態(tài)偏差及其導(dǎo)數(shù)值，在不同的控制區(qū)域，以理想開關(guān)的方式切換控制量的大小和符號，使系統(tǒng)在滑移曲線很小的鄰域內(nèi)滑移換節(jié)曲線滑動的方式。系統(tǒng)由受控對象和一個變結(jié)構(gòu)控制器組成，控制器中含有一個邏輯環(huán)節(jié)，它操縱控制器結(jié)構(gòu)的變更，進(jìn)人滑移換節(jié)曲線后，就與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及擾動無關(guān)。3.3 現(xiàn)代控制理論在汽車制動防抱系統(tǒng)中的應(yīng)用邏輯門限值控制方法雖然是一種常用方法但它的控制邏輯比較復(fù)雜，波動較大，而且控制系統(tǒng)中的各種門限保壓時間都是一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)，沒有充分的理論根據(jù)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性品質(zhì)無法評價。針對這些缺點(diǎn)，近年來又發(fā)展了用最優(yōu)控

10、制理論的方法來處理ABs系統(tǒng)中的控制問題最優(yōu)控制是基于狀態(tài)空間法的現(xiàn)代控制理論方法。它可以根據(jù)車輛一路面系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用狀態(tài)空間的概念，在時間域內(nèi)研究ABS系統(tǒng)它是一種基于模型的分析型的控制系統(tǒng)，它根據(jù)防抱系統(tǒng)的各項控制要求按最優(yōu)化原理求得控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制指標(biāo)。根據(jù)汽車在制動過程中單個輪的受力情況，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，寫出車輪作平面運(yùn)動的運(yùn)動微分方程，除需要選取車輪角速度和角加速度為狀態(tài)變量外，為了產(chǎn)生閉環(huán)控制系統(tǒng)，還應(yīng)把附著系數(shù)和滑移率的關(guān)系曲線峰值處的車輪速度作為系統(tǒng)的期望值輸出，顯然它在制動過程中是隨時間變化的，再設(shè)計跟蹤系統(tǒng)，使系統(tǒng)實(shí)際輸出的是跟蹤期望輸出值，得到汽車防抱制動系統(tǒng)狀

11、態(tài)方程的矩陣形式你，用現(xiàn)代控制理論的方法設(shè)計汽車防抱制動裝置，實(shí)質(zhì)上就是設(shè)計一個最優(yōu)控制系統(tǒng)，使其在防抱的全過程中能預(yù)報出一種控制函數(shù)，使防抱系統(tǒng)在防抱過程中以最優(yōu)的方式工作，使預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值。為了使液壓或氣壓控制系統(tǒng)消耗的能量最小，并使實(shí)際輸出與期望輸出的誤差最小，我們選擇具有二次型的目標(biāo)函數(shù)，由最優(yōu)控制理論求出該系統(tǒng)的最優(yōu)控制規(guī)律:求得反饋控制系數(shù)。ABS是一種簡單實(shí)用的系統(tǒng)，其質(zhì)量和功能在不斷地完善，ABS系統(tǒng)終將成為國際、國內(nèi)各種車輛所必須安裝的設(shè)備，因此ABS系統(tǒng)的研究勢在必行。在本文所介紹的三種控制方法中，邏輯門限值法的控制邏輯比較復(fù)雜，波動較大，但系統(tǒng)的非線性控制很

12、有效;滑動模態(tài)變結(jié)構(gòu)法具有很強(qiáng)的內(nèi)在自適應(yīng)性，但滑動運(yùn)動在換節(jié)線附近切換時疊加有一個抖動;最優(yōu)控制法在理論上很成熟，它將車輪的角速度和角加速度作為狀態(tài)變量對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制.，能達(dá)到很好的防抱制動效果。4 現(xiàn)代控制理論在汽車懸架系統(tǒng)控制中的應(yīng)用隨著電子技術(shù)、測控技術(shù)、機(jī)械動力學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，使汽車懸架系統(tǒng)由傳統(tǒng)被動隔振發(fā)展到振動主動控制。特別是對最優(yōu)控制已開始應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)的振動控制，使懸架系統(tǒng)振動控制技術(shù)在現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下更趨完善。4.1懸架系統(tǒng)的發(fā)展根據(jù)現(xiàn)代汽車對懸架提出的各種性能要求，懸架的結(jié)構(gòu)形式和振動控制方法隨時在更新和完善。懸架的結(jié)構(gòu)形式很多，分類方法也不盡相同。按導(dǎo)向機(jī)

13、構(gòu)的形式，可分為獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架兩大類。如果按控制力進(jìn)行分類，則可分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架3種基本類型。（1）被動懸架 汽車絕大多數(shù)裝有由彈簧和減振器組成的機(jī)械式懸架。這種懸架系統(tǒng)的阻尼和剛度參數(shù)一般是通過經(jīng)驗設(shè)計或優(yōu)化設(shè)計方法來選擇。（2）半主動懸架 它由可變特性的彈簧和減振器組成。其基本工作原理是：根據(jù)簧上質(zhì)量相對車輪的速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)等反饋信號，按照定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)可調(diào)彈簧的剮度或可調(diào)減振器的阻尼力。（3）主動懸架 通過輸入外部能量使控制機(jī)構(gòu)給懸架系統(tǒng)施加一定控制力的振動稱為主動控制。主動懸架系統(tǒng)通常有兩種形式，即由電機(jī)驅(qū)動的空氣式懸架和由電磁閥驅(qū)動的油氣式懸架4.2最

14、優(yōu)控制在懸架控制系統(tǒng)中的應(yīng)用汽車主動懸架的設(shè)計目標(biāo)就是要尋求一個能夠為車輛提供良好性能的控制律，能同時滿足行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的要求。主動懸架采用可控元件，根據(jù)車輛系統(tǒng)的姿態(tài)和外部輸入，主動地調(diào)整和產(chǎn)生所需要的控制力，使懸架始終處于最佳減振狀態(tài)。主動懸架由控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。最優(yōu)控制是通過建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程提出控制目標(biāo)，再應(yīng)用控制理論求解所設(shè)目標(biāo)下的最優(yōu)控制律。應(yīng)用于懸架控制的最優(yōu)控制方法主要可分為兩種，即傳統(tǒng)的線性最優(yōu)控制和最優(yōu)預(yù)測控制。前者是最成熟與應(yīng)用最廣泛的一種控制理論。最優(yōu)預(yù)見控制方法是利用車輛前輪的擾動信息預(yù)估路面的干擾輸入，將測量的狀態(tài)變量反饋給前后控制器實(shí)施最優(yōu)控制。由于

15、這種控制技術(shù)可以通過某種方法提前檢測到前方路面的狀態(tài)和變化，將使控制系統(tǒng)有足夠的時間采取措施。因此，可大大降低系統(tǒng)的能耗，且改善系統(tǒng)的控制性能。根據(jù)預(yù)見信息的測量及利用方法不同，可構(gòu)成不同的預(yù)見控制系統(tǒng)，如對四輪全進(jìn)行預(yù)見控制和利用前輪擾動信息對后輪進(jìn)行預(yù)見控制。對四輪全進(jìn)行預(yù)見控制是在車的前部設(shè)有特殊的預(yù)見傳感器，以測試前方路況，然后將信息傳給控制器控制器將相應(yīng)信號送至四個輪中的每一個懸架執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這種系統(tǒng)需要設(shè)置特殊的傳感器在利用前輪信息對后輪進(jìn)行預(yù)見控制中，在決定后輪的控制指令時，控制器不僅考慮當(dāng)時后輪傳感器得到的各種信息，而且也根據(jù)當(dāng)時的車速和前后輪間的跨距，并考慮前輪各傳感器所得到的

16、信息因此，在后輪的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，實(shí)行的是反饋加前向反饋的雙作用控制在該系統(tǒng)中無需設(shè)置特殊的預(yù)見傳感器，只需改變控制軟件，便可提高后輪的減振效果。因此采用最預(yù)測控制可大大降低系統(tǒng)的能耗，且改善系統(tǒng)的控制性能。5 智能控制在汽車自動變速系統(tǒng)中的應(yīng)用電控機(jī)械式自動變速器(Automated MechanicalTransmission即AMT)是采用微機(jī)控制技術(shù)改造傳統(tǒng)手動變速器的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品.AMT比目前廣泛使用的液力自動變速器傳動效率高、制造成本低,但控制難度大.以前,對AMT的控制基本上采用常規(guī)控制技術(shù),效果不甚理想.近年來,人們一直在尋求新的AMT控制方法.智能控制是近幾年發(fā)展起來的新興

17、控制技術(shù).它是一類無需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制,這種控制技術(shù)體現(xiàn)了一些仿人智能的行為,如對控制對象參數(shù)的學(xué)習(xí)功能,對控制對象特性變化或環(huán)境條件變化的自適應(yīng)功能,對復(fù)雜控制對象和分散的狀態(tài)傳感信息的自組織和協(xié)調(diào)的功能,模仿人類進(jìn)行控制決策的模糊推理功能.正是這些功能使智能控制技術(shù)特別適用于像AMT這類具有明顯的非線性特征、系統(tǒng)參數(shù)易變的對象.智能控制因模擬人的不同智能行為功能而分成各種不同的類型.在對被控對象應(yīng)用智能控制技術(shù)時,首先應(yīng)分析其運(yùn)動特征,然后再根據(jù)需要選擇一種符合控制要求的智能控制方法.5.1汽車AMT系統(tǒng)組成原理汽車AMT系統(tǒng)的組成及各部分之間的狀態(tài)信息

18、流和控制關(guān)系如圖1示.圖1汽車ATM的組成5.2節(jié)氣門執(zhí)行器的多模式智能控制方法AMT系統(tǒng)進(jìn)行自動換檔時,需要自動調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度.對節(jié)氣門的控制要求為:定位準(zhǔn)確;響應(yīng)速度快;運(yùn)行平穩(wěn),無振動、沖擊.節(jié)氣門執(zhí)行器一般采用步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、線性電磁鐵等幾種類型,而我們研制的AMT系統(tǒng)采用了電液式執(zhí)行器.這種執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、驅(qū)動力大、耐受環(huán)境溫度能力強(qiáng)等特點(diǎn),但由于液壓系統(tǒng)存在供油壓力波動,油的粘度隨油溫度變化而變化,控制閥的啟閉特性,負(fù)載的慣性質(zhì)量,液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的摩擦力等因素影響,時滯現(xiàn)象和不穩(wěn)定現(xiàn)象較電驅(qū)動式執(zhí)行器嚴(yán)重,要達(dá)到上述三條控制要求,采用多模式控制則可以解決此問題。多模式控制是一種最基本的智能控制,其核心思想是將控制過程分成若干狀態(tài)特征模式不同的階段,不同階段采取不同的控制策略.因此,這種控制方法模擬了人對不同情況采取不同處理方法的變策略智能思想.對電液式氣節(jié)門執(zhí)行器采用多模式控制方法。電液式節(jié)氣門的多模式控制器的原理框圖如圖2示,據(jù)此進(jìn)行軟件設(shè)計.圖2多模式控制器原理框圖采用多模式控制的電液式節(jié)氣門執(zhí)行器較好地解決了快速響應(yīng)與平穩(wěn)性間的矛盾,取得了較高的定位精度,獲得了具有令人滿意的使用性能。隨著計算機(jī)的發(fā)展和高質(zhì)量控制的需要，現(xiàn)代控制理論得到了很大發(fā)展。其在汽車中的應(yīng)用也越來越廣泛?，F(xiàn)代控制理論技術(shù)不僅只應(yīng)用于汽車防抱死控制系統(tǒng)