控制系统性能评估及在汽车制动控制系统上的应用.pdf

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1、上海交通大学硕士学位论文控制系统性能评估及在汽车制动控制系统上的应用姓名：张旭昶申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：胡立生;达世亮20041001上海交通大学工程硕士学位论文 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名张旭昶 日期 2 0 0 4 年 1 2 月 1 8 日 上海交通大学工程硕士学位论文 上

2、海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名张旭昶 指导教师签名胡立生 日期 2 0 0 4 年 1 2 月 1 8 日 日期 2 0 0 4 年 1 2 月 1 8 日 上海交通大学工程硕士学位论文 1 控制系统性能评估 及在汽车制动控制系统上的应用 摘

3、要 控制系统的控制性能将直接影响到工业系统的运行性能和安全性以及它的寿命和能耗等从而影响工业企业的综合竞争力因此如何确保控制系统正常运行一直是工业界和学术界所关心的重要问题 由于工业系统中存在各种不确定的扰动作用在生产过程中系统会发生各种变化从而引起控制性能的变化据统计全球工业系统中控制系统良好率只有 1 2-3 4%目前工业界已经普遍认识到控制系统同其他工业系统一样也需要进行日常的维护控制系统的维护依赖于对其控制性能评估与诊断即利用系统的实测数据对控制系统的性能进行在线或离线的评估与诊断 目前世界上已经出现了各个用于实时评估控制系统性能的应用软件但目前这些产品的应用基本上集中于单回路控制系统

4、或耦合较小的多回路控制系统 论文以汽车作为应用背景针对汽车制动控制系统 A B S(E B D),研究电子控制系统的性能评估及其在控制系统匹配试验中的应用本文做以下几个方面的工作 上海交通大学工程硕士学位论文 2 1.研究了非线性控制系统的控制性能基准问题 汽车动力学系统是一个包含像发动机轮胎等非线性特性的典型非线性对象依据非线性动力学模型建立了一种基于模型的 A B S控制性能基准 2.提出了一种基于设计的性能评估基准 基于上述理论基准结合电子控制系统的匹配试验提出了一种基于设计的性能评估基准若实际控制性能偏离设计基准则表明控制性能的下降 3.提出了控制性能评估的定量方法 在研究性能评估基准

5、的基础上应用统计理论提出了一种实时性能监视的方法通过刻划实际控制系统性能与基准性能差别的统计特性借助于统计假设检验建立了性能评估的定量分析方法 4.在典型汽车 A B S系统控制性能仿真的基础上研究了控制性能评估方法在汽车控制系统的匹配试验中的应用问题 关键词 控制性能评估故障诊断非线性局部逼近,汽车控制 上海交通大学工程硕士学位论文 3 P e r f o r m a n c e A s s e s s m e n t o f C o n t r o l S y s t e m a n d A p p l i c a t i o n t o A u t o m o t i v e B r a

6、 k i n g S y s t e m s Abstract The performance of control system will directly affect the operation performance,security,lifetime and power consuming of the industrial process,so as to affect the overall competent of the industry enterprise.So that,keeping the process operating normally has always

7、been regarded as one of the most important issue by both academia and industry.Because of the uncertain disturbances that exist in the industrial process,all kinds of changes may occur during the manufacturing process,accordingly it results in the degeneration of the performance.According to the sta

8、tistics data,globally only 12-34%of the industrial process is good.Nowadays,industry has wildly recognized that,as other industrial process the control system also needs routine maintenance.This kind of maintenance depends on the performance monitoring and assessment.It is to monitor and 上海交通大学工程硕士学

9、位论文 4 assess the performance of the control system on line or off line,basing on the routine data.Various software applied to real-time assessment of control system performance have been developed already,however most of these software focus on single-loop control system or low-coupling multi-loop c

10、ontrol system.Focused on automotive application,regarding the automotive braking control system(ABS&EBD)this thesis goes deeply into the performance assessment of electrical control system and the application to the matching test of control system.Following items were studied and deduced in this the

11、sis,1.Benchmark of the performance assessment of the non-linear system.Automotive dynamics system is a typical non-linear object which includes engine,tires,etc.According to the dynamic model of non-linear system,a benchmark of ABS control performance was established basing on the model.2.Benchmark

12、for performance assessment based on designing.Based on above academic benchmark and integrated with the matching test of electrical control system,a new benchmark was introduced.While the actual performance departures from the designing benchmark,the control 上海交通大学工程硕士学位论文 5 performance is degraded

13、3.Presented a method for real-time performance monitoring based on statistics theory.A measurable performance assessment method was developed,by specifying the statistical characteristics of the actual control and benchmark control 4.Emulate the performance of a typical automotive ABS system.And als

14、o the application problems related to the matching test of automotive control system was studied and deduced.KEY WORDS control performance assessment,failure diagnosis,non-linear,local approach,automotive control 上海交通大学工程硕士学位论文 8 第一章 绪论 第一节 控制系统性能评估的国内外工业应用现状 控制系统的控制性能直接影响到工业装置与过程的运行性能 运行安全性和产品质量以及装

15、置的寿命能耗等从而影响工业企业的综合竞争力因此如何确保控制系统正常运行一直是工业界和学术界所关心的重要问题 由于工业系统中存在各种不确定的扰动作用在生产过程中装置会发生各种变化从而引起控制性能的变化据统计全球工业系统中控制系统良好率只有1 2%-3 4%1 目前工业界已经普遍认识到控制系统同其他的设备与装置一样也需要进行日常的维护控制系统的维护依赖于对其控制性能评估与诊断即利用过程的实测数据对控制系统的性能进行在线或离线的评估与诊断 目前世界上已经出现了各个用于实时评估控制系统性能的应用软件 如M a t r i k o n公司的 P r o c e s s D o c C o n t r o

16、 l A r t s 公司的 P e r f o r m a n c e A s s e s s m e n t T o o l k i tH o n e y w e l l公司的 L o o p S c o u t和 A s p e n公司的 A s p e n W a t c h 但目前这些产品的应用基本上集中于单回路控制系统或耦合较小的多回路控制系统 对于控制性能监视的研究可以追溯到 1 9 7 0 年代 在最近的 1 0 年里它又重新引起了学术界以及工业界的极大兴趣 对于控制回路性能评估的第一个系统性的工作是由 H A R R I S和他的合作者完成的他们建立了用实测的数据来评估单输入

17、单输出S I S O 控制系统性能的理论基础控制性能评估包含三个方面基准B e n c h m a r k 的确定实际控制系统性能的评价以及实际控制系统的诊断 一基准的确定 所谓确定基准就是找一个与控制器无关的量以它作为基准来评估现有控制系统性能的好坏在这些工作中最小方差M i n i m u m V a r i a n c e 控制常被作为一种基准控制通过比较被控对象输出的方差与最小的理论方差即 B e n c h m a r k性能来评估控制器的性能目前这已被推广到多变量系统以及时变系统的控制性能评估 上海交通大学工程硕士学位论文 9 当然控制器设计的目标取决于他们的应用最小方差只是控制器

18、设计中所考虑的一个标准在文 2 3 4 5 中作者提出了以稳定时间和上升时间等为基准的评估方法这些基准可能更为实用但难以考虑控制的约束条件 在文 6 中,作者提出将 L Q性能指标作为基准即在一定控制方差下将最小的输出方差作为基准通过比较输出的实际方差与基准方差的差别来评估控制性能对线性系统而言这个基准是最一般的而其它基准只是其特例L Q性能基准在文 3 7 中得到了进一步的发展 在文 3 中作者提出了一个历史基准 其理论的 L Q 控制性能是根据控制系统工作良好时的历史数据计算得到但这个方法明显失去了 L Q 指标的最优性文 7 认为控制性能指标是由白噪音激励下的线性系统输出控制性能由性能指

19、标的急剧变化来表示文 8 考虑了用假设检验来判断控制性能是否变坏的问题 二控制系统性能的评价 实际工业系统中各种被控系统总会发生各种变化还存在各种扰动的作用因此实际控制系统的性能总是与基准控制性能存在一定的差别这个差别是一个随机量其依赖于基准性能的选取通常是用理论的基准控制性能与实际控制性能之比来刻划实际控制性能的好坏若实际控制系统采用基准控制则这个比值的理论值应为 1 当理论的性能基准和实际性能的比小于 1 时我们就认为控制系统性能退化控制系统需要被重新调整比值接近 1 表示控制系统运作良好 然而这是一种性能评估的定性方法在实际应用过程中使用者很难确定控制系统性能下降的程度是多少同时研究表明

20、由于控制系统的复杂性评估结果与测试数据的选择有关 三实际控制系统的诊断 已经检测到控制系统性能下降的情况下 一个重要的问题是如何找到性能下降的原因对于单回路或弱耦合多回路控制系统通过相关分析与谱分析可找到引起控制性能下降的原因 9 但由于目前广泛采用的控制性能评估方法只利用理论控制性能与实际估计性能之比这个单一随机量来评价控制系统的性能这个随机量其实是一个综合量其掩盖了许多反映引起控制性能下降的原因丢失了许多可用作为诊断的信息从而使得其它复杂控制系统的控制性能诊断变得很困难 上海交通大学工程硕士学位论文 10 第二节 控制器性能对汽车安全的重要意义 一电子控制系统和自诊断技术在汽车上的应用日益

21、广泛 1 0,1 1,1 2 最早的汽车电控系统是 1 9 6 8年德国博世公司研制成功的电子控制燃油喷射系统E F I E l e c t r o n i c F u e l I n j e c t i o n这种系统当时被应用在德国大众汽车公司生产的轿车上这种燃油喷射系统被称之为博世 K 型B O S C H KK 型系统通常被称之为机械喷射系统怠速和加速等工作是靠节气门处扰流板带动连杆机构来控制的这种方式后来被改进成 K E 型为奔驰 1 2 4 1 2 6 底盘的车型和奥迪 8 0 9 0 及部分宝马车所采用 在 1 9 7 4 年德国博世公司与大众公司又联合推出了博世 D 型B O

22、S C H D 喷射系统在这个系统里基本实现了全电子控制它是靠进气歧管压力传感器来提供进气压力信号靠霍尔传感器提供转速信号给控制单元E C UE C U通过计算机向喷油嘴提供可变的脉冲时间从而控制不同工况下的喷油量这种方式的喷射系统改进后被奥迪奔驰沃尔沃大众宝马等车系采用 1 9 7 5年美国凯迪拉克公司在部分车型上开始采用一种喷射系统这种喷射系统被称之为博世 L 型这种喷油系统不同于 D 型之处在于L 型是靠空气流量计来向电脑 E C U提供空气流量信号的空气流量计可直接产生压降信号不需换算同时由车速传感器提供发动机转速信号电脑整理计算这些信号后向喷油嘴提供可变脉冲时间控制喷油量 到了八十年

23、代欧美日三大轿车生产基地所生产的轿车基本上都采用了燃油喷射系统同时都有自己独特的控制方式但这时所有的电喷车生产厂都开始考虑节气门负荷率水温进气温度对发动机性能的影响开始利用节气门位置传感器水温传感器进气温度传感器等系列传感器信号来修正电脑计算的喷油脉冲时间 使发动机在任何工况下都能获得较为理想的空气 燃油混合物 空燃比 1 4.71有了这样的燃油喷射系统和空气流量系统a i r f l o w s y s t e m使汽车的经济性和动力性得到了保障 上海交通大学工程硕士学位论文 11 在这个基础上各汽车生产厂家开始在汽车上采用自动变速箱控制系统T C U防抱死制动系统A B S安全气囊电控系统

24、S R S巡航控制系统C C制动防侧滑系统A S R 及空气悬挂系统A I R S U S P E N S I O N S Y S T E M甚至将空调音响等附属设施也用计算机进行集成控制 特别是 7 0年代后电子技术领域的集成电路大规模集成电路和超大规模集成电路的发展为汽车提供了速度快捷功能强大性能可靠成本低廉的汽车电子控制系统汽车电子控制系统极大地提高了汽车的动力性经济性安全性舒适性这些汽车电子技术在汽车工业上的广泛应用能够很好地解决全球范围的汽车尾气排放环保问题和能源危机问题因此广泛和深入采用电子技术不仅是汽车制造厂本身为了提高产品的性能和竞争力的迫切需要也是各国政府和社会支持和倡导甚至

25、是强制推行的结果 然而由于汽车控制的电子化又带来了新的问题一方面汽车电控系统日趋复杂给汽车维修工作带来了越来越多的困难对汽车维修技术人员的要求越来越高另一方面电子控制系统的安全容错处理汽车不能因为电子控制系统自身的突发故障导致汽车失控和不能运行针对这种情况汽车电控技术设计人员在进行汽车电子控制系统设计的同时增加了故障自诊断功能模块它能够在汽车运行过程中不断监测电子控制系统各组成部分的工作情况如有异常根据特定的算法判断出具体的故障并以代码形式存储下来同时起动相应故障运行模块功能使有故障的汽车能够被驾驶到修理厂进行维修维修人员可以利用汽车故障自诊断功能调出故障码快速对故障进行定位和修复因此从安全性

26、和维修便利的角度来看汽车电控系统都应配备故障自诊断功能自 1 9 7 9 年美国通用汽车公司率先在其汽车电控系统中采用故障自诊断功能后世界上的各大汽车厂商纷纷效仿在各自生产的电控汽车上都配备了故障自诊断功能故障自诊断功能已经成为了新车出厂和修理厂故障检测不可缺少的重要手段经过几十年的发展故障自诊断模块不仅能够解决汽车电控系统的安全性和存储记忆汽车故障还能够实时提供汽车各种运行参数 上海交通大学工程硕士学位论文 12 二故障自诊断的基本原理及组成 1 3 当今的汽车控制系统非常复杂为此大多数汽车控制系统都有自诊断能力当进入一种自测模式以后计算机能够评定整个控制系统的运行包括它本身如果发现故障它们

27、或者被标识成硬故障按需要或者被标识成间断性故障每种类型的故障或错误都指定一个保存在计算机存储器里的数字故障代码 硬故障指的是自测时在系统某个地方发现的故障另一方面周期性故障表明有故障发生例如接触不良造成周期性的断路或短路但这个故障自测时并不出现永久性 R A M 允许周期性故障存储起来直到特定数量的点火开关断开/闭合循环次数如果这段期间内故障不再出现它就会从计算机存储器里被删除掉 有许多种不同方法来确定计算机产生的故障代码 大多数生产厂家有用来监控和测试它们车辆的电子元件的诊断仪器售后服务公司也生产能够读取和记录经过计算机的输入和输出信号的检测工具另一种读取故障代码的方法是使用模拟电压表还有一

28、些车辆通过仪表板灯闪烁代码或直接显示在 C R T 屏幕上 在进行自诊断或读取故障代码之前 作一次外观检查 以确定故障不是由于磨损连接松动真空软管松开而造成的检查空气滤清器节气门或喷油系统不要忘记P C V 系统以及真空软管确定蒸发碳罐没有浸满查看线路配线接头充电和交流电机系统并且检查接头有无腐蚀的痕迹现代的电路中的低压信号不能容许由于接头腐蚀而引起电阻增加 下面将从自诊断的原理与故障运行故障代码的读取与清除方法O B D-I I 诊断系统的介绍等几个方面介绍利用自诊断功能进行电控汽车故障诊断的方法 一自诊断的原理与故障运行 汽车正常运行时 电子控制单元 E C U 的输入输出信号的电压值都有

29、一定的变化范围当某一信号的电压值超出了这一范围并且这一现象在一段时间内不会消失E C U 便判断为这一部分出现故障E C U 把这一故障以代码的形式存入内部随机存储器R A M同时点亮故障检查灯如C H E C K E N G I N E S R S A B S 等指示灯这就是故障自诊断的基本原理当某电路产生了故障后其信号就不能作为发动机的控制参数而使用 上海交通大学工程硕士学位论文 13 为了维持发动机的运转E C U 便从其程序存储器R O M 中调出某一固定值作为发动机的应急参数保证发动机可以继续运转当 E C U 中的微机系统出现故障时E C U 自动启用后备控制回路对发动机进行简单控

30、制使汽车可以开回家或是到附近的汽修厂进行修理这样的功能就是故障运行又称跛行模式另一方面当 E C U 检测到某一执行器出现故障时为了安全起见采取一些安全措施这种功能叫做故障保险 E C U 故障诊断是针对系统中的传感器微机系统和执行器而进行的当传感器和微机发生故障时往往采取故障运行方式而当执行器发生故障时往往采取故障保险措施 二传感器的故障自诊断与故障运行 由于传感器本身就是产生电信号的因此对传感器的故障诊断不需要专门的线路而只需要在软件中编制传感器输入信号识别程序即可实现对传感器的故障诊断水温传感器的正常输入电压值为 0.3-4.7 V 对应的发动机冷却水温度为-3 0-1 2 0所以当 E

31、 C U 检测到的电压信号超出此范围量如果是偶尔一次E C U的诊断程序不认为是故障但如果不正常信号持续一段时间则诊断程序即判定冷却水温传感器或其电路存在故障E C U 将此情况以代码此代码为设计时已经约定好的代表水温传感器信号异常故障的数字码的形式存入随机存储器中同时通过检查发动机警告灯C H E C K E N G I N E通知驾驶员和维修人员发动机电控系统中出现故障当 E C U 发现水温传感器不正常后便采用一个事先设定的常数来作为水温信号的代用值使系统工作于运行状态 三微机系统的故障自诊断与后备回路 微机系统如果发生故障控制程序就不可能正常运行微机处于异常工作状态这样便会使汽车因发动

32、机控制系统故障而无法行驶为了保证汽车在微机出现故障时仍能继续运行在控制系统工程中设计有后备回路备用集成电路系统当E C U 中微机发生故障时E C U 自动调用后备回路完成控制任务进入简易控制运行状态用固定的控制信号使车辆继续行驶由于该系统只具备维持发动机运转的简单功能而不能代替微机的全部工作所以此后备回路的工作又称为跛行模式上海交通大学工程硕士学位论文 14 采用备用系统工作时故障指示灯亮微机工作是否正常是由被称为监视回路的电路进行监视的图 1-1 给出了一个典型的 A B S 系统结构图监视电路中安装有独立于微机系统之外的计数器微机正常运行时由微机的运行程序对计数器定时进行清零处理这样监视

33、电路中计数器的数值是永远不会出现溢出现象的当微机系统出现不正常运行现象时微机不能对这个计数器进行定时清零致使此监视计数器发生溢出现象监视计数器溢出时输出的电平由低电平变为高电平此输出一般为计数器的进位标志当计数器达到其最大值时再增加一个计数脉冲计数器便出现溢出此时计数器的溢出端的电平将由低电平变为高电平同时将计数器清零计数器输出电平的这一变化将直接触发备用回路备用回路只按照起动信号和怠速触点闭合状态以恒定的喷油持续时间和点火提前角对喷油器和点火器进行控制 图 1-1 A B S系统结构图 P ic.1-1 A B S S t r u c t u r e 上海交通大学工程硕士学位论文 15 四执

34、行器的故障诊断和故障保险 汽车电子控制系统 1 4 中执行器是决定发动机运行和汽车行驶安全的主要器件当执行器发生故障时往往会对汽车的行驶造成一定的影响因此对于执行器故障的处理方法通常是当确认为执行器故障时由 E C U 根据故障的严重程度采取相应的安全措施的实施在控制系统中又专门设计了故障保险系统 由于 E C U 对执行器进行的是控制操作控制信号是输出信号因此要想对各执行器的工作情况进行诊断一般要增设故障诊断电路即 E C U 向执行器发出一个控制信号执行器要有一条专用回路来向 E C U 反馈其执行情况发动机电子控制系统中对执行器进行故障诊断的典型部件是点火器正常情况下当 E C U 对点

35、火器进行控制时点火器每进行一次点火便由点火器内的点火确认电路将点火执行情况以电信号的形式反馈给 E C U 当点火线路或点火器出现故障时E C U 发出点火控制命令后得不到反馈信号此时 E C U 便认为点火器已经不能正常工作由于发动机工作时如果点火系统发生故障便会使未燃烧的混合气进入排气装置和排气管道排气净化装置中的催化剂温度就会大大超过允许值同时未燃烧的混合气在排气管内集聚过多还会引起排气系统的爆炸为此采用故障保险系统当 E C U 接收不到点火确认信号后立即切断燃油喷射系统电源停止燃油的喷射 第三节 汽车控制研究的局限性与本文研究内容 纵观近十年来汽车技术的重大成就大都是在应用控制系统上

36、进行的突破控制系统已成为汽车工业发展的重要动力源泉目前我国汽车工业面临入世的巨大冲击能否在未来的世界汽车业竞争中能否掌握主动权关键取决于能否在控制系统上占领制高点 但是从上面所介绍的控制系统和自诊断技术在汽车上的应用现状来看 首先无论 A B S A S R E S P 还是 E B D 其核心技术都被德美日等传统的汽车强国所掌握尽管近几年来我国的汽车工业飞速发展越来越多的汽车零部件已经上海交通大学工程硕士学位论文 16 能够做到国产化但是这些汽车控制与故障诊断模块却还是不得不依赖进口甚至有时候我们只不过需要对这些汽车控制模块根据中国的路况和法规作一些调整但是却也不得不要求 B O S C H

37、 D E L P H I 等这些掌握核心技术的公司来完成 其次尽管目前的汽车电子控制系统都包含了故障诊断模块但故障诊断模块主要检测的是电子控制单元传感器与执行机构的硬件故障汽车电子控制系统经整车厂匹配装入汽车后正如其它工业控制系统一样随着汽车的使用电子控制系统的性能将发生不同程度的下降 首先是由于汽车电子控制系统的工作环境恶劣 存在各种电磁干扰 机械振动等其次是由于汽车各运动零部件在使用过程中还会发生各种变化发动机动力性能下降传动机构效率下降等再次就是使用者的使用与维护水平参差不齐等等 所有这一切都将导致控制系统参数与目前汽车的状态不一致 即控制系统与被控对象不相匹配从而导致控制性能的下降这可

38、以被称作为电子控制系统的软故障在这种情况下虽然控制系统的设计与应用目的是为了提高行驶性能和保障行驶安全但是控制系统性能的下降将导致汽车性能达不到预期的效果从而对汽车的安全性造成更大的危害 因此 迫切需要有一种手段对汽车控制系统的性能进行评估通过对采集的数据进行分析从而能够得知控制器的性能是否变差了控制器性能变差的程度是否仍然可以接受能够保障足够的安全性以及这种控制器性能变差的原因是什么是否可以通过对参数重新调整来加以改善它一旦检测到控制器性能变坏的情况能够及时报警提醒驾驶者将车辆送到维修单位对控制器进行检查或者对控制器参数进行必要的调整 本文以工业 A B S E B D 系统为例在深入分析

39、A B S E B D 控制系统控制特点的基础上结合本单位汽车控制系统的匹配工作进行了以下几个方面的研究与应用工作 1.研究了非线性控制系统控制性能基准问题 汽车动力学系统是一个包含像发动机轮胎等非线性特性的典型非线性对象依据非线性动力学模型建立了一种基于模型的 A B S 控制性能基准 上海交通大学工程硕士学位论文 17 2.提出了一种基于设计的性能评估基准 基于上述理论基础综合电子控制系统的匹配试验实践 提出了一种基于设计的性能评估基准即将匹配试验后的控制性能作为控制系统使用过程中的性能标准若实际控制性能偏离设计标准则表明控制性能的下降 3.提出了控制性能评估的定量方法 在研究性能评估基准

40、的基础上应用统计理论提出了一种实时性能监视的方法通过刻划实际控制系统性能与基准性能差别的统计特性借助于统计假设检验建立了性能评估的定量分析方法 4.针对典型汽车 A B S 系统控制性能仿真的基础上研究了控制性能评估方法在汽车控制系统的匹配试验中的应用问题 论文的其余部分是这样组织的 在第二章介绍了控制系统性能评估的基本原理与方法第三章介绍了汽车制动系统A B S E B D 的原理和控制目标第四章提出了一种基于模型的非线性控制系统性能基准与基于设计的性能基础在第五章中介绍 A B S系统的仿真性能评估及其在控制系统匹配试验中的应用在第六章中给出本文结论 第四节 小结 本章介绍了国内外对于控制

41、系统性能评估的应用现状以及汽车控制器性能对于汽车安全的重要意义针对目前国内对于汽车控制研究的局限性提出了本文的研究课题 上海交通大学工程硕士学位论文 18 第二章 控制系统性能评估的基本原理方法 在这一章里 我们将以单变量系统为例介绍简单控制系统性能评估的基本原理及方法其主要内容参考文章 1 第一节 介绍 一个典型的工业控制系统包括数以千计的控制回路 通常由使用仪器的技术人员对这些回路进行维护和服务但是这并不是经常能够做到的对于控制工程师来说有一种有效的工具来监视和评估控制回路的性能是非常重要的文 1 5 提出了一种只依靠实测的闭环操作数据就能对控制回路性能进行评估的有效技术以最小方差控制作为

42、评估现有控制回路性能的基准 其控制目标就是使得控制方差最小 文章 1 5 指出对于一个时滞为 d 的系统输出方差的一个分量是反馈控制不变量它可以从实测数据中估计得出那就是最小方差部分为了分离这个常分量就需要用滑动平均来描述闭环输出数据ty +=+)1(1)1(1110dtddtddtdtttafafafafafy te 式中ta 是一个白噪声序列te 是独立于反馈控制的控制输出的最小方差部分 1 5 这个最小方差部分能够通过对闭环操作实测数据的时序分析得到它是输出方差在理论上可以达到的最小值能够被作为基准指标来评估控制回路的性能用最小方差作为基准并不意味着我们必须在实际过程中去使用这样一种控制

43、器这个基准控制在实践中可能或者不可能实现这取决于过程的可逆性和过程的其它物理约束然而作为一种基准它提供了诸如与最小方差控制相比现有控制器性能有多好以及控制器有多少进一步提高的潜力等等有用的信息如果与对应的最小方差控制相上海交通大学工程硕士学位论文 19 比现有的控制器表现出好的性能指标那么对这个控制律进行再调整或者重新设计是徒劳无益的在这种情况下如果想要进一步降低过程的方差也许就需要采用前馈控制或者对过程本身重新进行工程设计另一方面如果控制器表现出比较差的性能指标就有必要对控制系统进行诸如系统辨识和重新设计 第二节 反馈控制器的不变量 考虑 S I S O 过程的调整控制问题 tdtaQTqN

44、y1+=2.1 式中d 是时间延迟T是与时滞无关的过程传递函数N 是干扰传递函数ta 是均值为 0 的白噪声序列Q是控制器传递函数控制系统结构如下图 2-1 所示 由 D i o p h a n t i n e 等式可将N 分解为 dddRqqfqffN+=11110 F 图 2-1 反馈控制下的 S I S O过程示意图 P ic.2-1 S I S O p r o c e s s u n d e r f e e d b a c k c o n t r o l 上海交通大学工程硕士学位论文 20 式中)1,1(=difi是常系数R 是正则有理传递函数这样式2.1 可改写成 tddtaQTqR

45、qFy1+=tddaqQTqQTFRF+=1 dttLaFa+=2.2 式中QTqQTFRLd1+=是正则传递函数因为110+=dtdttafafFa在式 2.2 右侧的两项是统计独立的 1 6 即)()()(dtttLaVarFaVaryVar+=因此)()(ttFaVaryVar 当0=L时上述等式成立也就是若 0=QTFR 则可以得到最小方差控制律 FTRQ=因为 F独立于控制器传递函数 Q 在最小方差控制下的过程输出tFa 项是反馈控制器不变量因此如果一个稳定的过程输出ty 是根据无限滑动平均模型来建模的那么第d 项建立了对最小方差项tFa 的一个估计 第三节 S I S O 过程的性

46、能评估算法 设一个稳定的闭环过程可描写为一个无限阶的滑动平均过程 上海交通大学工程硕士学位论文 21 tddddtaqfqfqfqffy)()1(122110 +=2.3 将式 2.3 对应地乘以11,+dtttaaa然后计算数学期望 20)0(attyafayEr=211)1(attyafayEr=222)2(attyafayEr=?211)1(addttyafayEdr+=2.4 因此最小方差或者说输出方差的不变部分就是 2212221202)(admvffff+=?222222222)1()2()1()0(aayaayaayaayadrrrr+=?22222/)1()2()1()0(ay

47、ayayayadrrrr+=?2.5 将控制器性能指标定义为 22/)(ymvd 2.6 显然满足不等式1)(0d将 2.5 式代入 2.6 得到 222222/)1()2()1()0()(ayyayayayadrrrrd+=?)1()2()1()0(2222+=dyayayaya?TZZ 式中 Z 是ty 和ta 之间对于下标从 0 到 d-1 的互相关系数矢量可以表示为)1(,),1(),0(dZyayaya?相应的性能指标采样值可以被写成 TyayayayaZZdd)1()2()1()0()(2222+=?上海交通大学工程硕士学位论文 22 式中=MtMtatMtkttyaaMyMayM

48、k11221111)(尽管ta 未知 它可以用估计的更新序列ta 来代替估计的ta 可以通过将过程输出方差通过时间序列分析预白化 1 7,1 8,1 9 来得到具体如图 2-2 所示 图 2-2 F C O R算法示意图 P ic.2-2 F C O R a lg o r it h m 第四节 工业例子 考虑下面的 S I S O 过程 2 0 上海交通大学工程硕士学位论文 23 tttaqquy11212.01+=2.7 采用一个简单的控制器ttKyu=则其闭环控制响应为 221111)8.0/1(8.08.0+=ttttaKqqKqKaay 2.8 注意前两项是独立于 K 的代表了最小方差

49、控制下的过程输出 第五节 小结 本章介绍了 S I S O 系统控制性能评估的基本原理与方法为进一步将评估理论拓展到汽车控制系统性能评估中提供了理论基础 上海交通大学工程硕士学位论文 24 第三章 汽车制动控制系统 第一节 防抱死制动系统A B S 的基本原理 一 制动系统的组成 2 1,2 2,2 3,2 4,2 5 以一般普通乘用车的助力制动系统为例它主要由以下部件组成图 3-1 图 3-1 制动系统的组成 P ic.3-1 T h e S t r u c t u r e o f B r a k e S y s t e ms a)制动踏板,b)真空制动助力器,c)串列式主缸,d)制动液壶,

50、e)制动盘 前,f)制动力检测装置,g)制动盘后 整个制动过程都是由制动主缸发起并且控制的 二 基本概念?轮胎力 2 6,2 7 轮胎力是使车辆向着所期望的方向移动和改变车辆方向的唯一手段轮胎力由下面三种独立的成分组成图 3-2 纵向力xF由车辆运动产生 a g f e c b d 上海交通大学工程硕士学位论文 25 侧向力yF由转向产生 正压力zF由车辆的重力产生 图 3-2 轮胎力 P ic.3-2 T y r e F o r c e?摩擦力 摩擦力fF 和正压力zF 成比例 zfFF=因子 是路面附着系数它描述了轮胎/路面之间结合面的不同特性路面附着系数被用作一个指标来衡量可以应用的制动