Мировой автопарк в 2000 году превысил миллиард и ежегодно увеличивается примерно на 25 млн. единиц. Транспортное средство стало объектом повышенной опасности. Более четырехсот тысяч человек ежегодно становится жертвами дорожно-транспортных происшествий, и в несколько раз большее число людей получают ранения и увечья. В связи с этим актуальной стала проблема повышения безопасности колесно-транспортных средств (КТС), которая во многом связана с разработкой и проектированием высоко эффективных систем стабилизации с антиблокировочной системой (АБС) в контуре регулирования.
Еще на заре автомобилестроения было замечено, что блокировка колес КТС при торможении приводит либо к потере устойчивости (заносу), либо к потере управляемости, а иногда к тому и другому одновременно. Первые патенты на антиблокировочные устройства появились в конце 20-х годов. До конца 40-х годов можно отметить лишь отдельные попытки применения их на опытных транспортных средствах. Основной причиной ограниченного применения антиблокировочных систем была их низкая надежность и качество работы, а также конструктивная сложность.
В начале 60-х годов отмечались попытки внедрения авиационных АБС механического и электромеханического типа.
Однако эти АБС не могли удовлетворить требования гибкого изменения тормозного момента в зависимости от изменения внешних возмущений, действующих на колесо в процессе торможения. Начались интенсивные разработки электронных АБС, способных обеспечить адаптивное регулирование.
В 1969 году фирма Ford установила электронную АБС на свой автомобиль. Аналогичное устройство в 1970 году применено на одном из легковых автомобилей концерна General Motors, а через год — на автомобиле Craysler. Примерно в то же время проведены интенсивные разработки АБС в Европе фирмами Bosch, Teldix (Германия), Bendix (Франция). Позднее в исследования были вовлечены десятки других фирм в Европе, США и Японии.
Благодаря применению АБС колесно-транспортное средство приобрело ряд достоинств: повышение активной безопасности, т. е. повышение тормозной эффективности, улучшение устойчивости и управляемостиувеличение средней скорости движенияпродление срока службы шин.
Система стабилизации с АБС должна обеспечивать: по возможности минимальный тормозной путь в соответствии с регламентированными нормами (ГОСТ, Правила ЕЭК ООН) — устойчивость при торможениисохранение управляемости при торможенииадаптивность к изменяющимся внешним условиям (например, к изменению коэффициента сцепления шины с опорной поверхностью) — плавное торможение без рывковвозможность торможения при выходе из строя АБСминимальный расход рабочего тела (сжатого воздуха) — минимальное потребление электроэнергиипомехоустойчивость по отношению к внешним магнитным полям.
Сложность современной системы стабилизации с АБС обуславливает ее высокую стоимость. Она может составлять 5-г 10% стоимости самого транспортного средства в зависимости от его класса. Экономический аспект является одним из основных определяющих темпы внедрения и качества АБС.
Анализ рынка предприятий, производящих АБС, позволяет выделить следующие основные фирмы-производители.
Фирма Bosch (Германия) первой освоила серийное производство АБС и является крупнейшим в мире их поставщиком. В настоящее время фирма Bosch поставляет на рынок три антиблокировочные системы: ABS 2, ABS 2Е, ABS 3. Система ABS 1 была разработана для специальных автомобилей и в открытую продажу не поступала.
Западногерманская фирма Alfred Teves GmbH (ATE) начала исследовательские работы в области АБС с конца 60-х годов. В настоящее время Teves занимает второе место по выпуску АБС. Фирма Bendix (Франция) была одной из первых европейских фирм, создавших работоспособную электронную АБС. Фирма Lucas-Girling (Великобритания) в начале 80-х годов разработала механическую антиблокировочную систему SCS для мотоциклов. Затем она была модифицирована для использования на легковом автомобиле. Фирма Automotive Product-Lockheed (Великобритания) создала двухканальную встроенную АБС, предназначенную для установки на переднеприводные автомобили с диагональным разделением контуров и динамическими регуляторами тормозных сил. Одной из последних появилась на европейском рынке АБС фирмы Wabco (ФРГ). Фирма Wabco является ведущим производителем систем АБС для грузопассажирского транспорта с пневматической тормозной системой. Kelsey Hayes (дочерняя компания фирмы Fruehauf) является в настоящее время единственным крупным производителем гидравлических АБС в США.
На сегодняшний день в России не выпускается АБС ни для гидравлических, ни для пневматических тормозных систем, хотя с 1984 года согласно Резолюции ООН обязательным является установка АБС на колесно-транспортных средствах грузоподъемностью более 10 тонн. Учитывая качество дорог в России, требуется создание самых совершенных алгоритмов и систем управления движением колесно-транспортного средства. Поэтому методы повышения эффективности тормозных систем с АБС, которые разрабатываются в данной диссертации, предназначены в первую очередь для отечественных колесно-транспортных средств.
Коммерциализация данного направления обеспечения безопасности движения колесно-транспортного средства и, соответственно, ограниченный доступ к информации препятствуют развитию современных подходов и их реализации, поэтому рекламируемые системы часто не удовлетворяют возможностям современных теоретических подходов и последним технологическим достижениям. Все компании, работающие над созданием АБС, не разглашают алгоритмы и способы регулирования движения колесно-транспортных средств, поскольку данная информация является «ноу-хау» компании и юридически защищена.
Но все же ряд известных публикаций дает возможность получить некоторую информацию, из которой следует, что в целом управление формируется по относительному скольжению и ускорению/замедлению колеса.
Рассмотрим основные варианты схемы регулирования колеса, проблему неопределенности, недостатки существующих антиблокировочных систем и основные направления предлагаемых исследований.
На базе данных измерений возможно использование следующих вариантов регулирования колес [1], [2], [3]: индивидуальное регулирование каждого колеса в отдельности (Indidual Regelung) — IRнизкопороговое" регулирование, т. е. регулирование, предусматривающее подачу команд на растормаживание и затормаживание обоих колес оси одновременно по сигналу датчика колеса, находящегося в худших по сцеплению условиях, — «слабого» колеса (Select Low) — SLвысокопороговое" регулирование колес одной оси, когда сигнал подается датчиком «сильного» колеса, т. е. находящегося в лучших по сцеплению условиях (Select High) — SHмодифицированное индивидуальное регулирование — Modifizierte Individual Regelung (MIR) представляет собой компромиссное регулирование между SL и IR. Смысл MIR заключается в том, что в начале регулирование осуществляется по «низкопороговому», а затем постепенно происходит переход к индивидуальному регулированию. MIR целесообразно использовать при торможении на «миксте» (поверхности с различным сцеплением под левым и правым колесами), на повороте и поперечном уклоне.
Индивидуальное регулирование является оптимальным с точки зрения обеспечения наилучшей тормозной эффективности (минимального тормозного пути). Индивидуальное, регулирование дает возможность получить оптимальный тормозной момент на каждом колесе в соответствии с локальными сцепными условиями и, как следствие, минимальный тормозной путь. Однако если колеса оси будут находиться в неодинаковых сцепных условиях, то тормозные силы на них также будут неодинаковыми. В этом случае возникает разворачивающий момент, приводящий к потере устойчивости. Схема с индивидуальным регулированием наиболее сложная и дорогая.
При «низкопороговом» регулировании тормозные возможности колеса, находящегося на поверхности с большим коэффициентом сцепления, недоиспользуются и тормозная эффективность несколько снижается. В то же время создается равенство тормозных сил на обоих колесах, что способствует сохранению курсовой устойчивости транспортного средства.
При «высокопороговом» регулировании тормозная эффективность улучшается, но устойчивость может снизиться. Такое регулирование приводит к тому, что «слабое» колесо циклически блокируется.
При выборе схемы обычно исходят из технической и экономической целесообразности. Принципиально имеется возможность установкой АБС обеспечить как высокую тормозную эффективность, так и достаточную устойчивость.
Однако проблема проектирования АБС должна решаться комплексно с учетом тормозной эффективности, устойчивости, управляемости, сложности, стоимости, надежности АБС и неопределенных свойств поверхности торможения.
В существующих системах стабилизации с АБС на основе рассмотренных принципов регулирования, в основном, реализуются алгоритмы адаптивного регулирования колесами, при этом АБС реализуют данные алгоритмы в форме пропорционально-интегрально-дифференциальных регуляторов (ПИД-регуляторов) и систем с релейными законами регулирования.
Как известно, основой для разработки применяемых и перспективных алгоритмов стабилизации является характеристика зависимости касательной составляющей Р контактной силы колеса от величины нормальной составляющей N и коэффициента сцепления ц: P = iN.
Величина коэффициента сцепления определяется семейством ^(5)-диаграмм, где 5 = У0тн/У ~ относительное скольжение (см. рис. В.1).
Здесь VomH — скорость проскальзывания колеса относительно дороги, V — скорость его оси.
Moi м"2.
Моз.
РS а).
Мм.
Моз г ~ 1 ^^ 1 Ащах t у 1 / 1 / у ^ —¦— ^ 3 -> б).
Рис. В.1. Семейство fi (s)-диаграмм 1 — сухой асфальт, 2 — мокрый бетон, 3 — ледi0j — номинальное значение (/ = 1,3), А,. — неопределенность коэффициента сцепления для однородной поверхности, А^ - неопределенность коэффициента сцепления для поверхности микст.
На величину (1(5) влияет множество факторов: состояние дороги (профиль, свойства опорной поверхности) — погодные условиясостояние шиныскорость продольного движения колесно-транспортного средствауглы увода колес и другие факторы.
Поэтому ^(s)-диаграммы задаются семейством характеристик со значительной неопределенностью, как показано на рис. В.1, и управление колесно-транспортным средством необходимо осуществлять с учетом этой неопределенности. В существующих системах стабилизации с АБС это обстоятельство не учитывается, а используются оценки 11(5) для конкретных поверхностей разных фиксированных типов, что сужает возможности управления для поверхностей, обладающих более сложными неопределенными свойствами, изменяющимися по ходу движения.
Данный вывод сохраняет свое значение и для известной попытки кусочной интерполяции 10.(5)-диаграмм [1].
Можно утверждать, что применяемые в существующих системах стабилизации способы регулирования на основе задания конкретных функций |j.(s) или их оценивания в форме неравенств имеют серьезные недостатки по обеспечению устойчивости и качества торможения.
К основным недостаткам существующих АБС можно отнести:
1. Недостаточное качество торможения, особенно когда колеса транспортного средства находятся на разнородной поверхности (типа «микст»),.
2. Отсутствие ограничения курс0Е0Й неустойчивости на начальном участке торможения, когда скорость колесно-транспортного средства еще достаточно высока и недостаточно достоверна информация об измеряемых параметрах, на поверхности с низким коэффициентом сцепления с последующим усилением тенденции неустойчивости и невозможностью стабилизации.
3. Недостаточная боковая устойчивость (занос, юз).
4. Отсутствие комплексного подхода с обеспечением продольной и поперечной устойчивости, управляемости, ограничения длины тормозного пути и т. д.
Можно сделать вывод, что поиск новых методов регулирования и разработка систем управления движением колесно-транспортного средства является актуальной и до конца не решенной задачей.
Принципиальным фактором при исследовании проблемы стабилизации разгона и торможения колесно-транспортного средства является ее постановка и решение в условиях параметрической неопределенности по значениям (а. для всех колес с заданными границами неопределенности.
Обсудим возможности таких исследований.
В практике разработок и серийного изготовления антиблокировочных систем получил наибольшее распространение циклический способ управления торможением колес с дискретным измерением их угловых скоростей [4]. На рис. В.2 показана схематическая диаграмма функционирования АБС в циклическом режиме.
Рис. В.2. Циклы торможения с антиблокировочной системой регулирования.
Весь путь торможения состоит из нескольких тормозных циклов с периодом Т. Каждый цикл управления качественно разбивается на этап регулирования I и этап измерения П. На этапе I осуществляется активное торможение, на этапе П торможение минимально и по измерению угловых скоростей колес осуществляется оценка изменившейся на этапе I скорости транспортного средства.
Этап регулирования I состоит из трех основных зон:
Зона 1 — начинается момента нажатия водителем педали тормоза. Граница зоны определяется моментом достоверной фиксации факта торможения по достижению пороговых значений скольжения и углового ускорения любого из колес. Эта зона характеризуется резкими переходными процессами в движении колес и малой степенью достоверности измерений угловых скоростей. Все это требует построения в этой зоне робастных регуляторов, обеспечивающих эффективное торможение.
Зона 2 начинается с момента достижения колесом порога по скольжению s*2 = 0,15 или по угловому ускорению со* = 5 м/с2. Эта зона характеризуется достаточно большой степенью достоверности измерений угловых скоростей, а следовательно, относительных скольжений и угловых ускорений (замедлений) колес. Это необходимо учитывать при построении робастно-адаптивного регулятора во 2 зоне для повышения эффективности торможения.
Зона 3 начинается с момента достижения колесом порога по скольжению = 0,35 или по угловому ускорению (c)3 =16 м/с2. Эта зона характеризуется тенденцией колеса к блокировке, поэтому регулятор должен быть построен таким образом, чтобы максимально быстро выйти из этой зоны. Этому требованию отвечает релейный регулятор.
Использование этих трех разных регуляторов формирует систему с переменной структурой управления, то есть регуляторы обратной связи по состоянию меняют свою структуру.
Актуальность. В данной работе эта задача ставится и решается.
Для решения поставленной задачи требуется:
1. Разработать набор математических моделей движения колесно-транспортных средств, используемых для описания процессов, протекающих в различных временных масштабах.
2. Выделить существенные неопределенности задачи.
3. Сформировать схему регулирования переменной структуры, содержащей два последовательных этапа: робастной стабилизации и робастно-адаптивного регулирования колесно-транспортного средства с АБС, позволяющей парировать недостоверность измерений на начальном участке торможения.
4. Реализовать комплексный подход к регулированию с обеспечением продольной и поперечной устойчивости, управляемости транспортного средства, ограничения длины тормозного пути (обеспечения темпа замедления и разгона) и курсовой неустойчивости на начальном участке торможения, качества динамических процессов регулирования и других факторов.
5. Построить алгоритмы АБС.
6. Реализовать полученные алгоритмы в электронном блоке управления АБС, усовершенствовать исполнительные механизмы и информационные подсистемы.
7. Провести компьютерное и натурное испытание разработанных систем управления.
Целью работы является разработка теоретических основ создания антиблокировочных систем робастно-адаптивной стабилизации, заключающаяся в построении алгоритмов оптимизации динамических систем с неопределенными параметрами на основе подходов робастно-адаптивной стабилизации и их применение в проектировании усовершенствованных систем управления движением колесно-транспортного средства.
Методы исследования базируются на теоретической и прикладной механике, разделах теории автоматического регулирования и управления по робастному и адаптивному управлению, оптимизации управления многообъектными многокритериальными системами на основе игровых подходов, на методах расчета и проектирования систем и средств микроконтроллерной техники и др.
Научная новизна данной работы определяется тем, что в ней:
• получена математическая модель движения колесно-транспортного средства, ориентированная на решение задачи управления в условиях существенных неопределенностей;
• на основе методологии разделения движения разработана методика линеаризации исходной модели и построены приближенные модели для частных классов движения;
• получена линейная математическая модель движения колесно-транспортного средства высокого порядка с неопределенными параметрами;
• разработана математическая модель динамики колеса, учитывающая его высокочастотные колебания;
• на основе игровых подходов сформирована математическая модель конфликтно-оптимального взаимодействия колесной машины и поверхности торможения и методика ее исследования на основе решения многокритериальных задач оптимизации управления многообъектной системой;
• сформирован подход по оптимизации АБС в условиях сигнально-параметрической неопределенности и предложен двухэтапный метод робастно-адаптивной стабилизации, порождающий систему переменной структуры управления;
• поставлена и решена задача робастной стабилизации динамических систем с ограниченными неопределенными параметрами на основе функций Ляпунова и разработано алгоритмическое обеспечение метода (первый этап);
• разработан метод и алгоритмическое обеспечение робастно-адаптивного регулирования системы с неопределенностями на основе выбора эталонной модели и контура адаптации (второй этап);
• на этапе робастного регулирования с помощью АБС предложена методика исследования конфликтно-оптимального стабильно-эффективного взаимодействия динамической системы и факторов неопределенности на основе игровых подходов, расширяющих возможности робастного регулирования в форме компромиссной робастности и формирующих субоптимальные стабильно-эффективные свойства регулирования на начальном участке робастного этапа;
• разработана методика получения комбинированных алгоритмов двухэтапного робастно-адаптивного регулирования с АБС с дополнением их процедурами оптимизации управления движением системы после окончания робастно-адаптивного регулирования.
Практическая значимость данной работы заключается в том, что теоретические результаты доведены до практического применения в процессе постановки и решения следующих важных задач повышения эффективности торможения-разгона колесно-транспортных средств с системой регулирования, включающей АБС:
• применение полученных многоэтапных комбинированных робастно-адаптивных методов и алгоритмов стабилизации при разработке системы управления переменной структурыробастно-адаптивных модификаций ПИД-регуляторов колесно-транспортных средств с АБС в контуре регулирования;
• выявление новых качественных особенностей экстремальных свойств поверхности торможения в условиях неопределенности в виде комбинирования бортового и осевого микстов и ответных сложных тормозных реакций системы колес на начальном участке робастного этапа торможения;
• разработка новых технических предложений по контроллерной реализации электронного блока управления АБС, по исполнительному устройству АБС-модулятора и по информационной подсистеме (получение информации о положении, скорости и ускорения колес);
• учет влияния высокочастотных колебаний колеса на качество работы АБС-регулятора;
• проектирование, программно-техническая реализация антиблокировочной системы торможения прототипа перспективных отечественных колесно-транспортных средств — автобуса модели Мерседес 0−3 03.
Результаты работы были использованы на ряде отечественных предприятий и внедрены в автомобильной корпорации DAEWOO (Южная Корея).
Основные теоретические и практические результаты работы докладывались на международных, всесоюзных, республиканских и отраслевых конференциях, симпозиумах, семинарах, в том числе на Всемирном конгрессе ИФАК (Барселона. 2001).
По теме диссертации опубликовано 19 научных работ.
Материал работы представлен в Диссертации.
Диссертация содержит шесть глав, библиографию, введение и заключение.
Выводы по главе.
При проектировании модульной технической структуры системы стабилизации движения автобуса О-ЗОЗ разработаны и реализованы новые технические предложения в следующих задачах фильтрации, наблюдения и логического управления тормозным давлением:
1.1. В модуле фильтрации регулятора-контроллера обоснована и реализована процедура фильтрации и сглаживания угловых скоростей колес соД/) (как параметров и функций времени соответственно) на основе минимальной информации (минимального объема выборки), обеспечивающих приемлемое качество фильтрации, минимальное запаздывание в быстрых процессах стабилизации и возможности дифференцирования при сглаживании, что позволяет обеспечить стабилизацию в реальном режиме времени.
1.2. В модуле вычисления дополнительных сигналов регулятора-контроллера сформированы алгоритмы и программно-технические реализации «экономного» вычисления ускорения (е, у) и скольжения (s^) колес автобуса, а также текущей скорости Vy (t) автобуса и его ускорения av для множества вариантов движения автобуса при разгоне и торможении. Разработаны и реализованы в регуляторе-контроллере структуры комбинированной стабилизации на основе комбинации принципов IR, MIR и робастного регулирования и методов управления по ускорению и скольжению:
2.1. Сформирована связь оценок скорости автобуса с выявленным полным множеством условий торможения.
2.2. Построена комбинация IR и MIR приемов стабилизации в зависимости от диапазонов скоростей автобуса Vv и коэффициентов сцепления ц. с поверхностью торможения.
2.3. Проведен детальный анализ эффективности действия регулятора при реализации IR-регулирования задних колес при восьмифазовом цикле торможения.
2.4. Выявлено преимущество способов робастного и MIR-регулирования передними колесами автобуса при торможении на миксте с учетом зависимости от начальной скорости торможения и разности коэффициентов сцепления на передних колесах.
2.5. Разработана программно-техническая реализация регулятора с MIR-регулированием передних колес с восьмифазовым циклом реализации при торможении на миксте.
Предложены методы идентификации поверхности торможения и их программно-техническая реализация:
3.1. Сформирован и реализован многоэтапный алгоритм получения р., (слабое) на основе оценки ускорения автобуса и угловых скоростей колес.
3.2. Предложена процедура вычисления ц при различных условиях торможения. Разработан метод построения робастного регулятора на первом этапе стабилизации с робастным гарантированным качеством и с робастно-игровым качеством с коррекцией величин коэффициентов регулятора в последнем случае до величин, полученных в главе 4.
Сформирована структура адаптивного регулятора, обеспечивающего компенсацию запаздывания при управлении модуляторами.
Исследовано влияние адаптивного ПИД-регулятора на рациональный выбор длительности импульса ШИМ по числу циклов блокировки колес.
Получены улучшенные версии вычисления скорости автобуса и текущего коэффициента сцепления на основе методов интерполяции.
Заключение
.
В диссертации предлагаются новые варианты методов синтеза систем управления. В значительной степени их развитие стимулировано исследованиями автора по разработке высокоэффективных усовершенствованных систем стабилизации автотранспортной колесной техники с АБС в контуре регулирования движения. Можно выделить следующие основные теоретические и практические результаты, полученные в работе.
1. Разработаны теоретические основы проектирования антиблокировочной системы стабилизации колесно-транспортного средства как системы с неопределенными параметрами: а) предложен многоэтапный метод управления колесно-транспортным средством, приводящий к системе переменной структуры с антиблокировочной системой в контуре регулированияб) для этапов функционирования системы переменной структуры проведена разработка робастно-игрового и робастно-адаптивного алгоритмов стабилизации.
2. Предложены математические модели движения колесно-транспортного средства, ориентированные на решение поставленной задачи управления в реальном времени.
3. Разработаны методики проектирования математического и полунатурного моделирования предложенной системы управления.
4. Проведены ходовые испытания разработанной системы управления колесно-транспортным средством, позволяющие утверждать, что по ряду основных показателей она превосходит характеристики антиблокировочных систем ведущих автомобильных фирм.
Результаты диссертации используются также в учебном процессе на факультете «Информатика и системы управления» МГТУ им. Н. Э. Баумана и в ряде автомеханических вузов РФ.