本發(fā)明屬于車輛制動過程中車輪滑移率控制技術領域，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計方法。

背景技術：

自20世紀70年代防抱死制動系統(tǒng)(abs)開始在乘用車上應用以來，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構控制等。

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車輛和路面特性進行的大量實驗來獲取門限值，很難適應實際行駛過程中復雜多變的路面狀態(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節(jié)的規(guī)則庫是非常困難的；滑模變結構控制雖然具有較強的魯棒性，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，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計條件：

(1)構建的狀態(tài)方程中狀態(tài)矩陣應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)變量加權矩陣應該具有對稱非負定的性質；

(3)控制量加權矩陣應該滿足其行列式計算值大于0。

若控制器的設計過程中，上述三條設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lqg控制算法來設計用于車輛防抱死系統(tǒng)的lqg滑移率控制器時，所述關于lqg控制算法的三條設計條件均無法滿足。因此，無法基于車輛防抱死系統(tǒng)，通過現有的lqg控制算法來設計車輛lqg滑移率控制器。

技術實現要素：

針對現有的lqg控制算法無法設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計方法。在lqg滑移率控制器的設計過程中，通過在理想制動系統(tǒng)的狀態(tài)方程和制動性能指標中增加無窮小量的方法，在保證控制系統(tǒng)和控制目標基本不變的情況下，使得控制器符合關于lqg控制算法的三條設計條件，并順利設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，通過導管進入abs執(zhí)行機構中；進液閥處于制動器與制動主缸之間實現增壓，出液閥處于制動器和回流泵之間實現降壓，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)行機構中的進液閥處于“開啟”狀態(tài)，制動主缸和制動器之間處于直接導通狀態(tài)，此時，在制動主缸中產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)行機構中的進液閥處于“關閉”狀態(tài)，進而制動主缸和制動器之間的油路關閉，此時制動主缸壓力的增加不會導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)行機構中的進液閥處于“關閉”狀態(tài)，出液閥處于“開啟”狀態(tài)，此時集成在abs執(zhí)行機構中的回流泵將制動液從制動器中抽出，進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；

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

(3)kalman觀測器根據車輪速度傳感器測得的車輪轉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)條件判斷單元依據設定的判斷條件進行判斷，并依據判斷結果對abs執(zhí)行機構輸出控制信號，使得abs執(zhí)行機構在“增壓”、“保壓”和“減壓”三種模式間進行切換控制。

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，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為車輛質量；δ為汽車旋轉質量換算系數；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；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；a為迎風面積；ρ為空氣密度；為汽車的行駛速度；

i為車輪轉動慣量；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、根據理想滑移率來設置理想的制動性能指標

定義車輪滑移率為設定理想滑移率為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改寫成標準形式得到狀態(tài)變量加權矩陣交叉加權矩陣n＝[000]^t和控制變量加權矩陣r＝[0]。

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

步驟d、對制動系統(tǒng)的動力學方程進行改寫增加關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j的設計過程中增加關于制動控制力矩的無窮小量以及關于車輪轉角的無窮小量δθθ²，改進后的制動性能指標為將j1改寫成標準式，可以得到改寫后的狀態(tài)變量加權矩陣為和改寫后的控制變量加權矩陣為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，

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；，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)行機構中實際制動控制力矩進行大小判斷；若判斷結果為時，判斷單元輸出“增壓”信號；若判斷結果為時，判斷單元輸出“保壓”信號；若判斷結果為時，判斷單元輸出“減壓”信號。

本發(fā)明的有益效果是：

通過在制動動力學方程中增加正阻尼項和在制動性能指標增加無窮小量的方法，對理想狀態(tài)矩陣、理想狀態(tài)變量加權矩陣以及理想控制變量加權矩陣進行改寫，在保證控制系統(tǒng)和控制目標基本不變的情況下，使得lqg滑移率控制器的設計符合了關于lqg控制算法的三條設計條件，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)的結構示意圖；

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；

附圖標記說明：1.制動踏板；2.abs執(zhí)行機構；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.進液閥；11.導管；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

下面結合附圖和具體實施方式對發(fā)明作進一步的詳細說明。

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)行機構2、制動器5、車輪6、車輪速度傳感器7、lqg滑移率控制器8、導管11、制動主缸12和制動助力器13；其中abs執(zhí)行機構2主要由回流泵3、制動液儲能器4、出液閥9和進液閥10組成，出液閥9和進液閥10都2位2通閥；制動主缸12內置一個儲油器。

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內置儲油器中的制動液在制動力的作用下，通過導管11進入abs執(zhí)行機構2中；進液閥10處于制動器5與制動主缸12之間實現增壓，出液閥9處于制動器5和回流泵3之間實現降壓，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)行機構2中的進液閥10處于“開啟”狀態(tài)，在制動主缸12和制動器5之間處于直接導通狀態(tài)，此時，在制動主缸12中產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)行機構2中的進液閥10處于“關閉”狀態(tài)，進而制動主缸12和制動器5之間的油路關閉，此時制動主缸12壓力的增加不會導致制動器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)行機構2中的進液閥10處于“關閉”狀態(tài)，出液閥9處于“開啟”狀態(tài)，此時集成在abs執(zhí)行機構2中的回流泵3將制動液從制動器中抽出，進而減小制動器5中的制動壓力。

lqg滑移率控制器8的具體設計步驟如下：

(1)根據圖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為車輛質量；δ為汽車旋轉質量換算系數；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；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；a為迎風面積；ρ為空氣密度；為汽車的行駛速度；

i為車輪轉動慣量；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。

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將理想滑移率設定為0.2，由此設置制動性能指標：

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改寫成標準形式其中q為狀態(tài)變量加權矩陣，n為交叉加權矩陣，r為控制變量加權矩陣，分別滿足：

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

理想的狀態(tài)矩陣a不受控制矩陣b控制，理想的狀態(tài)變量加權矩陣q不具有對稱非負定的性質，理想的控制量加權矩陣r不滿足det(r)﹥0。因此，依據理想的制動系統(tǒng)狀態(tài)方程以及制動性能指標所建立的黎卡提方程無法求解，進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)變量加權矩陣q和理想的控制變量加權矩陣r進行改寫：

首先對式(1)表示的動力學方程進行改寫：增加關于車輛速度正阻尼項和關于車輪角速度的正阻尼項由此重新構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；當關于車輛速度的正阻尼項和關于車輪角速度的正阻尼項取值對于動力學其他項來說無窮小時，可以近似認為改寫后的動力學方程仍然可以較為精確的體現制動系統(tǒng)的動力學特點。

其次，在制動性能指標j中增加一個關于制動控制力矩的無窮小量以及一個關于車輪轉角的無窮小量δθθ²，設計一個改進后的制動性能指標將j1改寫成標準式，可以得到改寫后的狀態(tài)變量加權矩陣為改寫后的控制變量加權矩陣為r1＝[δtb]；q1具有對稱非負定的性質，r1滿足det(r1)﹥0。當和δθθ²取值相比于理想的制動性能指標j無窮小時，改寫后的制動性能指標j1可以等價于理想的制動性能指標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，

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)設計lqg控制器15，求取控制力向量u

控制力向量u的表達式確定為:

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

(6)設計條件判斷單元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)行機構中實際制動控制力矩進行大小判斷；若判斷結果為則條件判斷單元16輸出“增壓”信號；若判斷結果為條件判斷單元16輸出“保壓”信號；若判斷結果為則條件判斷單元16輸出“減壓”信號。