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一种用于运动摩托车制动的自适应位置压力控制。
摘要:介绍了一种电液制动系统的控制方法。制动器由电动机、机械传动、液压泵和连接制动卡钳的管道组成。模拟了泵活塞位置与压力的高度非线性、时变关系，表明了闭环性能的退化。提出了一种用于处理上述非线性的混合位置-压力开关控制器。介绍了一种位置-压力映射估计算法;这使我们可以使闭环系统在温度变化和刹车片磨损方面保持强劲。
关键词:致动器 控制算法 控制系统设计 自适应控制系统 物理建模
介绍和动机
制动装置是车辆进行的最关键、最重要的情况之一，因为它与安全问题密切相关。此外，制动在运动/赛车比赛中起着基础性的作用。毫不奇怪，在电子车辆动态控制的众多应用中，防抱死制动系统(ABS)是最早开发的系统之一(1954年首次出现了第一辆汽车ABS)。
四轮汽车领域中有丰富的控制策略，旨在改善车辆减速。最根本的问题是防止车轮过滑，或者更糟的是，车轮锁会导致刹车失灵和操纵性能。一些最有趣的例子可以在[4,16,9,1]中找到。
从控制设计的角度来看，摩托车和汽车之间有着巨大的差别。首先，这是由于经济和文化的原因;与四轮汽车相比，小型摩托车市场更容易理解前者。后者与摩托车被认为是一种休闲汽车的事实有关，在很长一段时间里，电子设备通常被视为对驾驶娱乐的限制。现有的科学文献指出了另一个重要的因素，即摩托车动力学的复杂性。事实上，除了控制轮滑的关键问题外，摩托车制动控制系统还需要解决其他问题。第一个是单轨车辆的横向不稳定性，需要制定精确的策略:例如，在[18,8,7]中，研究了一种曲线安全的防抱死制动系统，以防止在弯曲的制动过程中，车辆横向不稳定。摩托车动力的另一个重要方面是车辆重心(COG)位置与一个适度的轴距结合，使负载转移现象突出(与四轮车辆相比)，显著降低后轮的制动能力。在[17,11,15]，特别是[3]中，后轮刹车的作用，通常被忽略，在摩托车最优制动的操纵定义中得到了强调。由于这个原因，在[5]一种预定的后轮滑动调节中，已经开发了车辆的负载转移。
另一个限制摩托车电子制动控制传播的重要问题是缺乏控制制动压力的综合技术。摩托车的应用要求很高，因为重量和包装限制比四轮汽车更严重。最近，在[6]一种创新的制动控制体系结构中，专门用于单轨车辆的应用，已被提出并应用于摩托车的后轮。该技术遵循智能执行机构的理念;即自动跟踪参考资料的执行机构。特别地，这个执行器是基于液压解耦驱动制动指令和制动动作本身的概念，尽管开发了传统的摩托车刹车液压结构。图1显示了该系统的图示。整个制动过程由ECU控制;驱动制动请求由控制单元获取和处理，控制单元根据具体的控制规律生成制动执行器的指令。控制动作是从可用的测量开始计算的，即从主缸的压力和它的位置。
这种驱动器的可用性使制动扭矩的平滑调节。因此，它可以用于开发车辆控制策略，如赛车或车辆稳定性控制。有了这些目标，重要的是要强调控制问题的临界性:压力响应必须足够快，并且在每种情况下的鲁棒性都是至关重要的。更准确地说，需要至少10赫兹的闭环带宽。此外，任何压力过冲都必须避免，事实上，它会导致车辆减速。这可能不是问题，当摩托车是直的，但是，由于驱动器安装在运动摩托车的前轮上，它可能导致在曲线下降。
例如，图2显示了良好的制动调制(平均减速约0.1 m/s2)。在制动过程中，一个糟糕的调优控制器会导致超压(上图)。超调会导致纵向加速度的负峰值。由于这是一种典型的刹车，当驾驶员试图控制车辆时，这种行为是不可接受的。
执行器由于其组成部分，显示了非线性行为。在[6]中提出了一种控制律，但在没有考虑上述非线性的情况下，就已经完成了调节器的设计。相反，在本文中，我们提出了一种基于位置和压力控制器之间切换的控制架构，该控制器考虑到固有系统的非线性。值得注意的是，人们可能会想到利用经典的级联架构来应用于这样的系统:一个压力控制器，它会生成一个位置引用，用来提供位置控制器。这种情况下的问题是，增加超过10hz的位置循环带宽是非常困难的。级联体系结构要求内部循环(在本例中为位置循环)与外部循环(压力控制)解耦。从业员建议在闭环带宽中至少有10倍的差异。由于传感和执行的限制，这种要求不能由位置控制器满足。为此，提出了位置压力切换控制方法。此外，系统响应受温度变化和制动衬垫磨损的影响较大，因此可以认为是时变系统。为此，将自适应算法加入到控制律中，使系统具有良好的耐磨性和时变条件。在实际电路和实验数据的基础上，对所提出的控制算法进行了测试。
首先，描述了系统结构和实验设置(第2节)，然后在第3节中，从管理每个组件的物理方程出发，推导出一个数学模型。模型分析是第4节提出的控制策略的出发点，提出了一种混合位置压力控制器。特别地，设计了一个位置和一个压力控制器，并导出了适当的开关规则。该控制律的主要思想是在制动的第一部分使用位置控制器，然后切换到压力控制。在第5节中提出了一种自适应算法，提高了闭环系统在温度变化和制动衬垫磨损方面的鲁棒性。在第6节中，对控制器进行了实验验证。特别地，控制器的响应是在两个不同的典型制动中进行评估的。最后的考虑在第7节中公开。
2．系统描述和实验设置
本文所采用的硬件致动器结构是一种用金属丝(BBW)首先在[6]中提出的电液制动器。运动摩托车配有这个驱动器非常特别，它连接到前制动卡钳。整个系统的示意图肖像描绘在图1:致动器由一个ECU,直流电机,变速箱和滚珠螺杆能够将电机旋转运动转化为线性位移,用于移动主缸活塞,在液压制动产生的压力。ECU有一个微处理器，控制逻辑被实现。它的配置是为了有两个不同的例程:慢速(低于 200hz)和快速(高于 1 kHz)。ECU控制应用于电机的电压(v)。
图二：摩托车减速的例子是由于压力过大造成的。
图一：BBW系统的示意图。
现有的系统措施如下:
电机电流(i);
发动机旋转(theta;)。它是由一个增量式的全效应编码器来测量的，它可以在主缸活塞(x)的线性位移中转换，这要感谢变速箱比率(g)。编码器的分辨率是16脉冲每转，对应的，在主缸位置，到0.125 mm;主缸压力(p)。
主气缸内回弹弹簧的存在保证活塞在零压力要求(无动作)的情况下返回其静止位置;这是一个技术限制，不能被移除或减少。制动油藏起着基本的作用:当没有制动时，主气缸必须收缩足够的空间来打开刹车油气藏的孔:这样，由于刹车垫磨损导致的温度和管道体积的变化，流体在储层的补偿变化。
从现在开始，我们假设存在一个内部电流控制回路(带宽为100 Hz);由于电流与电机产生的力矩成正比，所以最后一个变量可以看作是系统的实际输入。图3描述了被考虑系统的功能块方案。它受一个重要摩擦力的影响(由等效的扭矩t摩擦力表示);为了消除它的影响——至少静态库仑摩擦-一个抖动信号被利用。正如[12-14]中所讨论的那样，由于摩擦力取决于制动压力，所以在压力下会安排抖动幅度。图4显示了当前静态地图——压力,有或没有抖动信号,当一个缓慢的当前应用斜坡。当使用抖动,可以看出滞后和坚持可以减少和滑移现象。
图三：BBW系统等效块方案
图四：在减小静摩擦效应(滞后、粘滞和滑移)方面的抖动效应
3．系统建模和识别
在本节中，我们讨论了整个液压系统的建模。根据[10,6,2]，整个系统的完整模型由以下方程描述:
(1)
合并后可得
(2)
该模型描述了系统的开环行为，考虑到其所有元素的动态。是电机的角速度。第二个方程占电力动态的直流电机作为RL电路(模拟)与反电动势和电压由ECU速度。第三代表了直流电机的转矩平衡方程(等效转动惯量约组成的惯性变速箱和主缸):电机扭矩T平衡与压力成正比的力和摩擦(视为等效力矩,多亏了系数和)。第四个和第五个方程描述主缸压力之间的联系和刹车片的压力与主缸活塞的运动:体积V(关于x函数的线性位移或角位移theta;的函数),液体的压缩性(空气 油),系数已知管道内的流体的层流和电动机的运动介绍来计算这个链接。最后一个方程计算了体积模量[2]，它的值取决于压力和流体中空气的量(R)，也就是关于如何进行制动出血。
在一个更以控制为导向的视角下，可以采取以下措施:
- 内部电流回路的存在，使得电力系统和系统的机械部分之间的解耦。
- 额定工作体积可以被认为是常数，因为活塞位置变化的变化可以忽略不计;由于这一简化，第一个方程的通量可以被忽略，而主圆筒的位置也从系统的方程中消失了。
- 有一个高频动态(asymp;100hz，见[6])，描述了主缸压力与垫层压力之间的关系;由于期望的压力闭环带宽(asymp;10hz)远远超过这个频率值，这种动态可以被忽略。
由于之前的简化，模型变成了一个更简单的二阶系统:
(3)
第二个方程(3)表示主缸内压力与活塞位置(或运动角位置)之间的关系。
实验主缸位置-压力关系图如图5所示，在某一位置上，保持为零，然后随着主缸的位置增加。这是由执行机构的物理配置引起的。在更详细的情况下，系统可以被看作是一个有三种不同配置的交换系统(见图5):
图六：温度效应(放大第三系统配置)在位置压力图
图五：在制动衬垫的影响中，在位置压力图中突出显示了三种不同的系统配置
1.高达1.4 mm的机械部分与液压部分没有连接，因此任何马达运动都不会产生制动压力。
2.从1.4毫米到2.7毫米的机械部分连接到液压部分，但主缸在制动油藏孔之前。由于这个原因，当主气缸向前移动时，没有(或至少很小)的压力增加。
3.从2.7毫米的主气缸超过了刹车油孔;因此，液压部分是一个封闭的系统，当主缸压缩流体时，压力增加。注意，在这部分中，位置压力关系不是线性的，这是由压力引起的体积模量变化引起的。
前两种系统配置(最高为2.7 mm)建立了所谓的“死区”，即主缸活塞的任何运动都不会产生任何增加的压力。第三个配置是所谓的操作区，在这个区域内，系统在其名义使用期间将工作。请注意，没有理由将系统引入机械死区(在1.4 mm之前)。这一选择保证在制动请求完成时，在等待制动请求时，将空间缩小到可以覆盖的空间。
为了捕获系统动力学，采用了黑箱识别方法。本文提出的控制结构采用两种不同的控制器:位置控制器和压力控制器。因此，将确定两种不同的输入输出模型:电流对压力和电流的位置。关于目前的压力模型识别问题，该系统已经得到了一个多频正弦电流(也称为扫描)从1赫兹到30赫兹，振幅越来越大。为了说明体积模量变化的影响，在几个工作条件下进行了识别。当前和压力测量是用来计算实验系统传递函数根据以下表达式[19]:
工作点和代表工作点的确定当前频谱k。
在图7中，描述了当前压力识别的结果，在这里可以看到传递函数如何随着工作点的变化而变化。
图八：确定当前位置转移函数
图七：实验目前的压力转移函数
目前的位置传递函数识别方法与刚提出的路径相似，唯一的实质区别在于位置分辨率不高。为此，为了使系统在一个平衡点上运动，我们并没有连续地对系统进行馈送，但在频域中已经逐点进行了识别。在死亡区和手术区(p 10 bar)进行了目前的位置转移功能识别。请注意，在这里提出的控制架构(第4部分)中，位置控制将主要在死区工作，因此该区域的识别是基本的。在执行区进行识别，以检查固定结构控制器是否能在两种配置中提供令人满意的性能。图8中所示的实验点如图8所示，在图8中也显示了近似实验点的传递函数。注意，识别的传递函数在5 Hz之前是不同的，这意味着要使用一个固定的结构控制器来保证一个大于5赫兹的闭环带宽。
由于温度效应、制动衬垫磨损以及系统中存在的高摩擦力，模型受到不确定性的严重影响。图5显示了制动垫磨损时位置与压力变化之间的关系。这并不奇怪，由于磨损，液压部分的fl uid的体积V增加，因此，从(3)的第二个方程可以看出，_ pmc减少。基本上，使用磨损的刹车片，给定一个主缸的位置，压力比用新的刹车片获得的压力要低。温度也影响了位置-压力关系。在图6中，位置和压力点之间的比较可以在系统冷(即第一次制动)和系统到达系统温度时(即在一定数量的制动后)进行评估。
4. 控制律设计
在本节中，提出了一个控制器。首先，讨论了一个压力控制器的鲁棒性，并对一个简单的PID调节器与前置补偿器进行了调优，在操作区域的系统变化方面证明了它的鲁棒性。然后，通过对该控制器的性能改进，利用该位置测度。该原理依赖于两个不同的控制装置之间的切换。在制动器开始时，当系统在死区移动时，由于压力是无法控制的，所以使用位置控制器;然后，一旦系统接近所需的工作点，压力控制器就会被激活，以精确跟踪压力目标。
4.1.压力控制
压力控制器是根据图7所示的识别结果设计的。系统动力学大约为10赫兹-这是理想的闭环带宽-显示了一个强大的在工作点上的证据。由于这个原因，采用了以下策略:一个PID控制器已经调优，考虑到操作区内的一个标称系统，大约10个大气压。由于低压工作点降低了相位，增加了铅补偿器。图9显示了所提议的控制器在响应小步骤参考变化时的性能。可以观察到压力在大约60毫秒后如何到达参考点，并且有一个可容许的超调。这不仅发生在控制器已经调优(高压)的工作点
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