使用基于模型的設(shè)計開發(fā)側(cè)翻穩(wěn)定性控制系統(tǒng)
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指定了控制器結(jié)構(gòu)之后，下一項任務(wù)就是調(diào)優(yōu)控制器增益，以滿足設(shè)計需求。如果沒有能夠以系統(tǒng)化方式實驗的模型，工程師通常就要依賴從過去的車輛程序中獲得的知識，或者投入大量時間去嘗試，通過道路實驗調(diào)優(yōu) PID 補償器的參數(shù)值?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/模型">模型的設(shè)計使此過程擺脫了硬件的麻煩，而是使用模型來探索設(shè)計空間。通過將這些模型與基于自動優(yōu)化的方法相結(jié)合，工程師即可顯著減少通過原型或仿真開展繁瑣測試的需求，獲得最優(yōu)的控制器增益。
對于這種應(yīng)用，優(yōu)化算法首先將控制器增益設(shè)置為零，要找到保證系統(tǒng)處于設(shè)計限制之內(nèi)的最優(yōu)控制器增益，共需進行大約 100 次迭代，計算時間約為 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(fù)的，而且調(diào)優(yōu)過程中的側(cè)翻不會對車輛導(dǎo)致任何損害，做相同數(shù)量的測試用例所需的時間也將超過 4 小時。在現(xiàn)代 PC 上以數(shù)字方式仿真一次為時 10 秒的 NHTSA fishhook 操控實驗僅需不到 3 秒鐘的時間，并且可以無限制地重復(fù)，而不存在與道路實驗有關(guān)的開銷。
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，保證車輛的車體側(cè)翻角、滑移率和滑移角處于特定的設(shè)計限制之內(nèi)，同時最小化因差動制動引起的速度損失。六項可調(diào)優(yōu)的增益提供了近乎無限種控制器增益組合，詳盡無遺的測試幾乎是不可能實現(xiàn)的。Simulink® Response Optimization 允許以圖形化方式設(shè)置系統(tǒng)需求，限制車體側(cè)翻和車輛滑移，同時最小化 ESC 制動的能量損失。指定性能標準之后，基于優(yōu)化的例程將自動調(diào)整參數(shù)，使車輛能夠在無側(cè)翻的情況下執(zhí)行 fishhook 操控實驗。
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(shè)置其設(shè)計限制，如圖 2 的水平實線所示。我們選擇了以下需求（限制）來滿足設(shè)計目標：
車體側(cè)翻角限制為 +/-11.5 度。
車輛滑移角限制為 +/-11.5 度。
最大滑移率設(shè)置為 +/-37.25 度/秒。
Fishhook 操控實驗結(jié)束時的最低車速設(shè)置為 10 英里/小時。
仿真結(jié)束的時間設(shè)置為 10 秒。
為避免因一組不正確的控制器增益值而導(dǎo)致的車輛側(cè)翻仿真提早結(jié)束，需要指定仿真時間限制。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/197782.htm
圖 2：提供給 Signal Constraint 模塊的信號（左側(cè)）以及優(yōu)化過程中側(cè)翻與滑移率信號的變化（右側(cè)）。黃色區(qū)域代表不允許的信號值范圍。
每項信號限制都定義了信號的分段線性上限和下限。在優(yōu)化過程中，控制器增益將被調(diào)整，仿真在迭代循環(huán)中重復(fù)運行，直至仿真信號滿足指定邊界或優(yōu)化例程無法解決問題。圖 2 顯示出在優(yōu)化算法迭代得到解決方案的過程中側(cè)翻信號和滑移率信號的變化。在解決此類可行性問題時，優(yōu)化算法將計算被限制的信號與各分段線性邊界之間的最大有符號距離。通常情況下，負數(shù)值表示相應(yīng)的限制已滿足。
優(yōu)化算法使用與各邊界之間的有符號距離來更新控制器參數(shù)。在構(gòu)造優(yōu)化問題時，優(yōu)化算法所采用的方式獨立于計算系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)值解法?？梢允褂没谔荻然蚍腔谔荻鹊姆椒?，例如遺傳算法。在本例中，給定控制器的切換特性和后續(xù)的非平滑行為，基于梯度的解法很難得出全局解決方案。因而使用了模式搜索算法。在實踐中，我們建議在多種類型的優(yōu)化方法之間切換，以確保優(yōu)化算法能夠找到全局極值，并排除收斂到成本函數(shù)局部最小值的情況。
控制器驗證與性能驗證
圖 3 以形象的方式展示了優(yōu)化后的 ESC 避免車輛側(cè)翻的性能。紅色的汽車未配備控制器，發(fā)生了側(cè)翻；而藍色汽車配備了經(jīng)過優(yōu)化的控制器。通過這樣的仿真，我們就能論證可避免 SUV 側(cè)翻的控制器設(shè)計，從而極大地減少了道路調(diào)優(yōu)的次數(shù)，避免完全依賴實際車輛測試。
圖 3：在以 50 英里/小時的時速下執(zhí)行 fishhook 操控實驗時，配有 ESC 和未配有 ESC 的 SUV 的可視化行為演示。藍色的 SUV 配備了經(jīng)過優(yōu)化的 ESC，紅色 SUV 未配備 ESC。
后續(xù)步驟和結(jié)束語
在設(shè)計工作中，后續(xù)步驟通常涉及將控制算法從 Simulink 模型轉(zhuǎn)為在底盤控制器上實現(xiàn)的代碼。要在車輛投產(chǎn)之前執(zhí)行設(shè)計驗證，可利用集成化快速原型設(shè)計和半實物（HIL）仿真工具，通過配有測量儀表的原型汽車進行代碼的道路測試。可以使用生產(chǎn)代碼生成工具來實現(xiàn)算法，獲得在原型汽車上實現(xiàn)的代碼，這種方法能夠最小化轉(zhuǎn)化過程中的錯誤，并進一步加速車輛開發(fā)過程。此外，使用此模型，工程師還可在不同的車輛配置下測試控制器，支持快速修改，最大化控制器設(shè)計在多種車輛程序中的重用。
本文強調(diào)了基于模型的設(shè)計在開發(fā)解決側(cè)翻問題的 ESC 算法中的應(yīng)用，此外還展示了一種根據(jù)設(shè)計需求自動調(diào)優(yōu) ESC 的方法。
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