使用基于模型的設計 開(kāi)發(fā)側翻穩定性控制系統

　　本文中所實(shí)現的 ESC 避免了駕駛員的操作導致的不安全車(chē)體側傾和側滑動(dòng)作。它能對車(chē)輪應用差動(dòng)制動(dòng)，從而調整車(chē)體側傾和側滑率，同時(shí)最小化由控制器自動(dòng)應用的電子制動(dòng)所導致的車(chē)輛速度降低。 我們實(shí)現的 ESC 在三種控制模式之間切換。根據車(chē)輛進(jìn)入車(chē)輪滑移狀態(tài)的三種可能誘因激活控制模式：失去牽引力、側傾過(guò)度、側滑過(guò)度。模式切換邏輯控制一組比例-積分-微分（PID）補償器，它們將根據已測量和預計的參數調整駕駛員對車(chē)輪施加的制動(dòng)壓力。Simulink? 中實(shí)現的控制器設計具有六項 PID 增益，可為優(yōu)化 ESC 性能而進(jìn)行更改。

　　在此模型中，我們可以查看車(chē)輪轉速、制動(dòng)壓力、車(chē)體側傾、側滑率和滑移率。某些車(chē)輛狀態(tài)是通過(guò)可用傳感器數據預測的，就像在實(shí)際車(chē)輛控制器中一樣，而其他一些狀態(tài)是通過(guò)已測量和預計參數之間的數學(xué)關(guān)系預測的。車(chē)輛速度是通過(guò)未制動(dòng)車(chē)輪的車(chē)輪平均轉速預測得出的。使用低通濾波器來(lái)模擬在已測量的車(chē)輪轉速下車(chē)輛慣性的效果，避免在向四個(gè)車(chē)輪應用制動(dòng)壓力時(shí)，車(chē)速測量值出現不確定值。

　　如果不使用造價(jià)高昂的傳感器，車(chē)體滑移率將是一個(gè)難以直接測量的參數。我們實(shí)現的 ESC 將通過(guò)已測量的側滑率來(lái)預測車(chē)體滑移率。車(chē)體側傾角是通過(guò)將橫向加速度與車(chē)體側傾角相關(guān)聯(lián)的傳遞函數預測的。在車(chē)體側傾角處于指定設計限制內時(shí)，這個(gè)傳遞函數是有效的。通過(guò)確保優(yōu)化算法將在預測的車(chē)體側傾角超出設計限制時(shí)對控制器施以嚴格作用，即可展示出，我們并不需要能準確預測超出設計范圍的車(chē)體側傾角的預估算法。因而，我們可以顯著(zhù)簡(jiǎn)化普通車(chē)輛操作條件下的車(chē)體側傾角預估算法。

　　指定了控制器結構之后，下一項任務(wù)就是調優(yōu)控制器增益，以滿(mǎn)足設計需求。如果沒(méi)有能夠以系統化方式實(shí)驗的模型，工程師通常就要依賴(lài)從過(guò)去的車(chē)輛程序中獲得的知識，或者投入大量時(shí)間去嘗試，通過(guò)道路實(shí)驗調優(yōu) PID 補償器的參數值?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/模型">模型的設計使此過(guò)程擺脫了硬件的麻煩，而是使用模型來(lái)探索設計空間。通過(guò)將這些模型與基于自動(dòng)優(yōu)化的方法相結合，工程師即可顯著(zhù)減少通過(guò)原型或仿真開(kāi)展繁瑣測試的需求，獲得最優(yōu)的控制器增益。

　　對于這種應用，優(yōu)化算法首先將控制器增益設置為零，要找到保證系統處于設計限制之內的最優(yōu)控制器增益，共需進(jìn)行大約 100 次迭代，計算時(shí)間約為 4 分鐘。迭代式試錯法則需要密集的人工測試，即便測試是完全可重復的，而且調優(yōu)過(guò)程中的側翻不會(huì )對車(chē)輛導致任何損害，做相同數量的測試用例所需的時(shí)間也將超過(guò) 4 小時(shí)。在現代 PC 上以數字方式仿真一次為時(shí) 10 秒的 NHTSA fishhook 操控實(shí)驗僅需不到 3 秒鐘的時(shí)間，并且可以無(wú)限制地重復，而不存在與道路實(shí)驗有關(guān)的開(kāi)銷(xiāo)。

　　在此模型中，我們要為 ESC 中的 PID 補償器尋找最優(yōu)控制器增益，保證車(chē)輛的車(chē)體側翻角、滑移率和滑移角處于特定的設計限制之內，同時(shí)最小化因差動(dòng)制動(dòng)引起的速度損失。六項可調優(yōu)的增益提供了近乎無(wú)限種控制器增益組合，詳盡無(wú)遺的測試幾乎是不可能實(shí)現的。Simulink? Response Optimization? 允許以圖形化方式設置系統需求，限制車(chē)體側翻和車(chē)輛滑移，同時(shí)最小化 ESC 制動(dòng)的能量損失。指定性能標準之后，基于優(yōu)化的例程將自動(dòng)調整參數，使車(chē)輛能夠在無(wú)側翻的情況下執行 fishhook 操控實(shí)驗。

　　我們將需要限制的信號提供給 Signal Constraint 模塊，并以圖形化方式設置其設計限制，如圖 2 的水平實(shí)線(xiàn)所示。我們選擇了以下需求（限制）來(lái)滿(mǎn)足設計目標：

　　· 車(chē)體側翻角限制為 +/-11.5 度。