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)

　　本文中所實現(xiàn)的 ESC 避免了駕駛員的操作導(dǎo)致的不安全車體側(cè)傾和側(cè)滑動作。它能對車輪應(yīng)用差動制動，從而調(diào)整車體側(cè)傾和側(cè)滑率，同時最小化由控制器自動應(yīng)用的電子制動所導(dǎo)致的車輛速度降低。 我們實現(xiàn)的 ESC 在三種控制模式之間切換。根據(jù)車輛進(jìn)入車輪滑移狀態(tài)的三種可能誘因激活控制模式：失去牽引力、側(cè)傾過度、側(cè)滑過度。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(jù)已測量和預(yù)計的參數(shù)調(diào)整駕駛員對車輪施加的制動壓力。Simulink? 中實現(xiàn)的控制器設(shè)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，我們可以查看車輪轉(zhuǎn)速、制動壓力、車體側(cè)傾、側(cè)滑率和滑移率。某些車輛狀態(tài)是通過可用傳感器數(shù)據(jù)預(yù)測的，就像在實際車輛控制器中一樣，而其他一些狀態(tài)是通過已測量和預(yù)計參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系預(yù)測的。車輛速度是通過未制動車輪的車輪平均轉(zhuǎn)速預(yù)測得出的。使用低通濾波器來模擬在已測量的車輪轉(zhuǎn)速下車輛慣性的效果，避免在向四個車輪應(yīng)用制動壓力時，車速測量值出現(xiàn)不確定值。

　　如果不使用造價高昂的傳感器，車體滑移率將是一個難以直接測量的參數(shù)。我們實現(xiàn)的 ESC 將通過已測量的側(cè)滑率來預(yù)測車體滑移率。車體側(cè)傾角是通過將橫向加速度與車體側(cè)傾角相關(guān)聯(lián)的傳遞函數(shù)預(yù)測的。在車體側(cè)傾角處于指定設(shè)計限制內(nèi)時，這個傳遞函數(shù)是有效的。通過確保優(yōu)化算法將在預(yù)測的車體側(cè)傾角超出設(shè)計限制時對控制器施以嚴(yán)格作用，即可展示出，我們并不需要能準(zhǔn)確預(yù)測超出設(shè)計范圍的車體側(cè)傾角的預(yù)估算法。因而，我們可以顯著簡化普通車輛操作條件下的車體側(cè)傾角預(yù)估算法。

　　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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)：

　　· 車體側(cè)翻角限制為 +/-11.5 度。