本發(fā)明屬于車輛制動過程中車輪滑移率控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于車輛防抱死系統(tǒng)的lqg滑移率控制器及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

自20世紀(jì)70年代防抱死制動系統(tǒng)(abs)開始在乘用車上應(yīng)用以來，abs在提升車輛安全性能的方面發(fā)揮著無可替代的作用，隨著人們對汽車制動安全性能要求的不斷提高，針對傳統(tǒng)abs的控制策略的研究也日漸成熟。目前，車輛abs的滑移率控制方法主要有邏輯門限制控制、模糊邏輯控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制等。

但是，上述的控制方法用于車輛防抱死制動系統(tǒng)來控制車輪滑移率都有其局限性，比如：邏輯門限制控制主要依賴根據(jù)車輛和路面特性進(jìn)行的大量實驗來獲取門限值，很難適應(yīng)實際行駛過程中復(fù)雜多變的路面狀態(tài)；模糊邏輯控制方法的效果要優(yōu)于邏輯門限值控制，但是建立不同的路面調(diào)節(jié)的規(guī)則庫是非常困難的；滑模變結(jié)構(gòu)控制雖然具有較強(qiáng)的魯棒性，但是車輛滑移率在控制過程中無法時刻保證最佳。因此，車輛abs急需尋找一種設(shè)計過程簡單，滑移率控制效果優(yōu)越的控制方法。

lqg控制算法可以有效的避免復(fù)雜的計算和實驗過程，在名義工況下通過建立性能評價指標(biāo)，可使得被控系統(tǒng)獲得最優(yōu)性能。但是lqg控制算法在實施過程中具有局限性，即需要滿足一定的設(shè)計條件：

(1)構(gòu)建的狀態(tài)方程中狀態(tài)矩陣應(yīng)該受到控制矩陣的控制；若狀態(tài)矩陣中任何一行沒有對應(yīng)控制量，則需要保證受控系統(tǒng)為最小相位系統(tǒng)；

(2)狀態(tài)變量加權(quán)矩陣應(yīng)該具有對稱非負(fù)定的性質(zhì)；

(3)控制量加權(quán)矩陣應(yīng)該滿足其行列式計算值大于0。

若控制器的設(shè)計過程中，上述三條設(shè)計條件中有任意一條或者多條不滿足，則無法計算出控制系統(tǒng)中的控制向量；

根據(jù)lqg控制算法來設(shè)計用于車輛防抱死系統(tǒng)的lqg滑移率控制器時，所述關(guān)于lqg控制算法的三條設(shè)計條件均無法滿足。因此，無法基于車輛防抱死系統(tǒng)，通過現(xiàn)有的lqg控制算法來設(shè)計車輛lqg滑移率控制器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有的lqg控制算法無法設(shè)計出用于車輛防抱死系統(tǒng)的滑移率控制器問題，本發(fā)明提供了一種用于車輛防抱死系統(tǒng)的lqg滑移率控制器及其設(shè)計方法。在lqg滑移率控制器的設(shè)計過程中，通過在理想制動系統(tǒng)的狀態(tài)方程和制動性能指標(biāo)中增加無窮小量的方法，在保證控制系統(tǒng)和控制目標(biāo)基本不變的情況下，使得控制器符合關(guān)于lqg控制算法的三條設(shè)計條件，并順利設(shè)計出一種用于車輛防抱死系統(tǒng)的lqg滑移率控制器。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述的一種用于車輛防抱死系統(tǒng)的lqg滑移率控制器的技術(shù)方案是：

所述lqg滑移率控制器包括kalman觀測器、lqg控制器、條件判斷單元，且kalman觀測器、lqg控制器、條件判斷單元依次連接；

所述kalman觀測器信號連接車輪速度傳感器，條件判斷單元信號連接進(jìn)液閥、出液閥。

制動踏板連接制動助力器的制動力輸入端，制動力經(jīng)過制動助力器放大后作用于制動主缸，制動主缸儲油器中的制動液在制動力的作用下，通過導(dǎo)管進(jìn)入abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)中；進(jìn)液閥處于制動器與制動主缸之間實現(xiàn)增壓，出液閥處于制動器和回流泵之間實現(xiàn)降壓，回流泵的另一端連通制動主缸，在回流泵和出液閥之間的導(dǎo)管外接一個制動液儲能器；制動器和車輪速度傳感器安裝在車輪上；lqg滑移率控制器分別信號連接進(jìn)液閥、出液閥和車輪速度傳感器；lqg滑移率控制器由kalman觀測器、lqg控制器和條件判斷單元三部分組成，車輪速度傳感器測得的車輪速度信號作為lqg滑移率控制器的輸入，指令“增壓”、“保壓”或者“減壓”作為lqg滑移率控制器的輸出信號；若lqg滑移率控制器輸出“增壓”信號時，則lqg執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的進(jìn)液閥處于“開啟”狀態(tài)，制動主缸和制動器之間處于直接導(dǎo)通狀態(tài)，此時，在制動主缸中產(chǎn)生的壓力可以直接傳遞到制動器上；若lqg滑移率控制器輸出“保壓”信號時，則abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的進(jìn)液閥處于“關(guān)閉”狀態(tài)，進(jìn)而制動主缸和制動器之間的油路關(guān)閉，此時制動主缸壓力的增加不會導(dǎo)致制動器中壓力的增加；若lqg滑移率控制器輸出“減壓”信號時，則abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的進(jìn)液閥處于“關(guān)閉”狀態(tài)，出液閥處于“開啟”狀態(tài)，此時集成在abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的回流泵將制動液從制動器中抽出，進(jìn)而減小制動器中的制動壓力。

所述用于車輛防抱死系統(tǒng)的lqg滑移率控制器的設(shè)計方法，包括如下步驟：

(1)建立制動系統(tǒng)的狀態(tài)方程和制動性能指標(biāo)；

(2)對理想的狀態(tài)方程和制動性能指標(biāo)進(jìn)行改寫，得到改寫后的狀態(tài)矩陣a1、改寫后的狀態(tài)變量加權(quán)矩陣q1和改寫后的控制變量加權(quán)矩陣r1；

(3)kalman觀測器根據(jù)車輪速度傳感器測得的車輪轉(zhuǎn)速信號觀測得到制動系統(tǒng)的狀態(tài)向量；

(4)由lqg控制器計算得到相應(yīng)的理想制動控制力矩，并輸入條件判斷單元；

(5)條件判斷單元依據(jù)設(shè)定的判斷條件進(jìn)行判斷，并依據(jù)判斷結(jié)果對abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制信號，使得abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)在“增壓”、“保壓”和“減壓”三種模式間進(jìn)行切換控制。

所述步驟(1)中，建立制動系統(tǒng)的狀態(tài)方程和制動性能指標(biāo)，具體包括如下步驟：

步驟a、建立車輪制動的受力方程式，即

其中，m為車輛質(zhì)量；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；為汽車加速度；

fxb為作用在車輪上的地面切向反作用力；滿足fxb＝fzμ(λ)；其中，μ(λ)表示地面與輪胎的附著系數(shù)；fz為作用在車輪上的地面法向反作用力，與車輛單輪制動模型作用在地面上的法向作用力w大小相等，方向相反，滿足fz＝w＝mg；

fw為空氣阻力，滿足其中，cd為空氣阻力系數(shù)；a為迎風(fēng)面積；ρ為空氣密度；為汽車的行駛速度；

i為車輪轉(zhuǎn)動慣量；r為車輪有效半徑；表示車輪角加速度；tb為制動控制力矩。

步驟b、建立制動系統(tǒng)的狀態(tài)方程

其中，

u＝[tb]，

步驟c、根據(jù)理想滑移率來設(shè)置理想的制動性能指標(biāo)

定義車輪滑移率為設(shè)定理想滑移率為0.2，式中t為車輛運行的總時間；t為時間變化；

將理想的制動性能指標(biāo)改寫成標(biāo)準(zhǔn)形式得到狀態(tài)變量加權(quán)矩陣交叉加權(quán)矩陣n＝[000]^t和控制變量加權(quán)矩陣r＝[0]。

所述步驟(2)中，對理想的狀態(tài)方程和制動性能指標(biāo)進(jìn)行改寫，得到改寫后的狀態(tài)矩陣a1、改寫后的狀態(tài)變量加權(quán)矩陣q1和改寫后的控制變量加權(quán)矩陣r1；具體包括如下步驟：

步驟d、對制動系統(tǒng)的動力學(xué)方程進(jìn)行改寫增加關(guān)于車輛速度的正阻尼項和車輪角速度的正阻尼項由此重新構(gòu)建單輪車輛制動系統(tǒng)的狀態(tài)方程滿足：得到改寫后的狀態(tài)矩陣a1；其中改寫后的狀態(tài)矩陣為

步驟e、在制動性能指標(biāo)j的設(shè)計過程中增加關(guān)于制動控制力矩的無窮小量以及關(guān)于車輪轉(zhuǎn)角的無窮小量δθθ²，改進(jìn)后的制動性能指標(biāo)為將j1改寫成標(biāo)準(zhǔn)式，可以得到改寫后的狀態(tài)變量加權(quán)矩陣為和改寫后的控制變量加權(quán)矩陣為r1＝[δtb]。

所述步驟(3)中，kalman觀測器以車輪速度傳感器測得的車輪速度信號為輸入，以制動系統(tǒng)狀態(tài)向量x的觀測值為輸出，kalman觀測器的觀測方程設(shè)置為

其中，表示狀態(tài)向量x的觀測值，c＝[001],d＝[0]，

l為控制系數(shù)，

pk是黎卡提方程的唯一解，其中qk＝e{ωω^t}，rk＝e{ξξ^t}，nk＝e{ωξ^t}；ω表示制動系統(tǒng)的外界干擾；ξ為測量噪聲。

所述步驟(4)中，lqg控制器的輸入是制動系統(tǒng)狀態(tài)向量的觀測值理想制動控制力矩u＝[tb]為輸出，以為計算率來執(zhí)行求解計算；k為切換系數(shù)；，滿足k＝-r1(sb+n)^t；s是黎卡提方程的唯一解

所述步驟(5)中，條件判斷單元將理想制動控制力矩tb與abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)中實際制動控制力矩進(jìn)行大小判斷；若判斷結(jié)果為時，判斷單元輸出“增壓”信號；若判斷結(jié)果為時，判斷單元輸出“保壓”信號；若判斷結(jié)果為時，判斷單元輸出“減壓”信號。

本發(fā)明的有益效果是：

通過在制動動力學(xué)方程中增加正阻尼項和在制動性能指標(biāo)增加無窮小量的方法，對理想狀態(tài)矩陣、理想狀態(tài)變量加權(quán)矩陣以及理想控制變量加權(quán)矩陣進(jìn)行改寫，在保證控制系統(tǒng)和控制目標(biāo)基本不變的情況下，使得lqg滑移率控制器的設(shè)計符合了關(guān)于lqg控制算法的三條設(shè)計條件，使得車輛防抱死系統(tǒng)取得了良好的滑移率控制效果。

附圖說明

圖1是車輛單輪防抱死制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是lqg滑移率控制器的控制原理圖；

圖3是車輛單輪輪制動受力圖；

附圖標(biāo)記說明：1.制動踏板；2.abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)；3.回流泵；4.制動液儲能器；5.制動器；6.車輪；7.車輪速度傳感器；8.lqg滑移率控制器；9.出液閥；10.進(jìn)液閥；11.導(dǎo)管；12.制動主缸；13.制動助力器；14.kalman觀測器；15.lqg控制器；16.條件判斷單元。

具體實施方法

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示：本發(fā)明所運用于的車輛防抱死系統(tǒng)主要包括制動踏板1、abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)2、制動器5、車輪6、車輪速度傳感器7、lqg滑移率控制器8、導(dǎo)管11、制動主缸12和制動助力器13；其中abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)2主要由回流泵3、制動液儲能器4、出液閥9和進(jìn)液閥10組成，出液閥9和進(jìn)液閥10都2位2通閥；制動主缸12內(nèi)置一個儲油器。

所述車輛防抱死系統(tǒng)中制動踏板1連接制動助力器13的制動力輸入端，制動力經(jīng)過制動助力器13后放大并作用于制動主缸12，制動主缸12內(nèi)置儲油器中的制動液在制動力的作用下，通過導(dǎo)管11進(jìn)入abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)2中；進(jìn)液閥10處于制動器5與制動主缸12之間實現(xiàn)增壓，出液閥9處于制動器5和回流泵3之間實現(xiàn)降壓，回流泵3的另一端連通制動主缸12，在回流泵3和出液閥9之間的導(dǎo)管外接一個制動液儲能器4；制動器5和車輪速度傳感器7安裝在車輪6上；lqg滑移率控制器8分別信號連接進(jìn)液閥10、出液閥9和車輪速度傳感器7。

如圖2所示，lqg滑移率控制器8由kalman觀測器14、lqg控制器15和條件判斷單元16組成，車輪速度傳感器7測得的車輪速度信號作為lqg滑移率控制器8的輸入，指令“增壓”、“保壓”或者“減壓”作為lqg滑移率控制器8的輸出信號；若lqg滑移率控制器8輸出“增壓”信號時，abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)2中的進(jìn)液閥10處于“開啟”狀態(tài)，在制動主缸12和制動器5之間處于直接導(dǎo)通狀態(tài)，此時，在制動主缸12中產(chǎn)生的壓力可以直接傳遞到制動器5上；若lqg滑移率控制器8輸出“保壓”信號時，abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)2中的進(jìn)液閥10處于“關(guān)閉”狀態(tài)，進(jìn)而制動主缸12和制動器5之間的油路關(guān)閉，此時制動主缸12壓力的增加不會導(dǎo)致制動器5中壓力的增加；若lqg滑移率控制器8輸出“減壓”信號時，abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)2中的進(jìn)液閥10處于“關(guān)閉”狀態(tài)，出液閥9處于“開啟”狀態(tài)，此時集成在abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)2中的回流泵3將制動液從制動器中抽出，進(jìn)而減小制動器5中的制動壓力。

lqg滑移率控制器8的具體設(shè)計步驟如下：

(1)根據(jù)圖3所示的車輪制動受力情況，建立車輪制動的受力方程式，即：

式中：m為車輛質(zhì)量；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；為汽車加速度；

fxb為作用在車輪上的地面切向反作用力，滿足fxb＝fzμ(λ)；μ(λ)表示地面與輪胎的附著系數(shù)；fz為作用在車輪上的地面法向反作用力，與車輛單輪制動模型作用在地面上的法向作用力w大小相等，方向相反，滿足fz＝w＝mg；

fw為空氣阻力，滿足cd為空氣阻力系數(shù)；a為迎風(fēng)面積；ρ為空氣密度；為汽車的行駛速度；

i為車輪轉(zhuǎn)動慣量；r為車輪有效半徑；表示車輪角加速度；tb為制動控制力矩。(2)建立理想的狀態(tài)方程和制動性能指標(biāo)。

描述單輪車輛制動系統(tǒng)的狀態(tài)方程滿足：

其中

車輪滑移率計算公式為lqg滑移率控制器8將理想滑移率設(shè)定為0.2，由此設(shè)置制動性能指標(biāo)：

式中t為車輛運行的總時間；t為時間。

將理想的制動性能指標(biāo)改寫成標(biāo)準(zhǔn)形式其中q為狀態(tài)變量加權(quán)矩陣，n為交叉加權(quán)矩陣，r為控制變量加權(quán)矩陣，分別滿足：

(3)對理想的狀態(tài)矩陣a，理想的狀態(tài)變量加權(quán)矩陣q和理想的控制變量加權(quán)矩陣r進(jìn)行改寫。

理想的狀態(tài)矩陣a不受控制矩陣b控制，理想的狀態(tài)變量加權(quán)矩陣q不具有對稱非負(fù)定的性質(zhì)，理想的控制量加權(quán)矩陣r不滿足det(r)﹥0。因此，依據(jù)理想的制動系統(tǒng)狀態(tài)方程以及制動性能指標(biāo)所建立的黎卡提方程無法求解，進(jìn)而理想的制動控制力矩也將無法求解。

因此，需要對理想的狀態(tài)矩陣a，理想的狀態(tài)變量加權(quán)矩陣q和理想的控制變量加權(quán)矩陣r進(jìn)行改寫：

首先對式(1)表示的動力學(xué)方程進(jìn)行改寫：增加關(guān)于車輛速度正阻尼項和關(guān)于車輪角速度的正阻尼項由此重新構(gòu)建單輪車輛制動系統(tǒng)的狀態(tài)方程滿足其中改寫后的狀態(tài)矩陣為此時a1受到控制矩陣b的控制；當(dāng)關(guān)于車輛速度的正阻尼項和關(guān)于車輪角速度的正阻尼項取值對于動力學(xué)其他項來說無窮小時，可以近似認(rèn)為改寫后的動力學(xué)方程仍然可以較為精確的體現(xiàn)制動系統(tǒng)的動力學(xué)特點。

其次，在制動性能指標(biāo)j中增加一個關(guān)于制動控制力矩的無窮小量以及一個關(guān)于車輪轉(zhuǎn)角的無窮小量δθθ²，設(shè)計一個改進(jìn)后的制動性能指標(biāo)將j1改寫成標(biāo)準(zhǔn)式，可以得到改寫后的狀態(tài)變量加權(quán)矩陣為改寫后的控制變量加權(quán)矩陣為r1＝[δtb]；q1具有對稱非負(fù)定的性質(zhì)，r1滿足det(r1)﹥0。當(dāng)和δθθ²取值相比于理想的制動性能指標(biāo)j無窮小時，改寫后的制動性能指標(biāo)j1可以等價于理想的制動性能指標(biāo)j；

(4)建立kalman觀測器14

車輪速度傳感器7測得的車輪速度信號作為kalman觀測器14的輸入，狀態(tài)向量x觀測值作為kalman觀測器14的輸出信號；kalman觀測器方程設(shè)為：

其中，表示狀態(tài)向量x的觀測值，c＝[001],d＝[0]，

l為控制系數(shù)，

pk是黎卡提方程的唯一解，其中qk＝e{ωω^t}，rk＝e{ξξ^t}，nk＝e{ωξ^t}；ω表示制動系統(tǒng)的外界干擾；ξ為測量噪聲；

(5)設(shè)計lqg控制器15，求取控制力向量u

控制力向量u的表達(dá)式確定為:

其中，k是切換系數(shù)，滿足k＝-r1(sb+n)^t；s是黎卡提方程的唯一解；

(6)設(shè)計條件判斷單元16

理想的制動控制力矩tb作為條件判斷單元16的輸入信號，條件判斷單元16將理想的制動控制力矩tb與abs執(zhí)行機(jī)構(gòu)中實際制動控制力矩進(jìn)行大小判斷；若判斷結(jié)果為則條件判斷單元16輸出“增壓”信號；若判斷結(jié)果為條件判斷單元16輸出“保壓”信號；若判斷結(jié)果為則條件判斷單元16輸出“減壓”信號。