基于现代控制理论对智能汽车的研究

基于现代控制理论对智能汽车的研究

董江林李世林孙莉雅钱小东

重庆邮电大学自动化学院重庆400000

摘要：随着科技的不断发展，现代控制理论也得到了极大发展。现代控制理论在日常生活扮演着极为重要的角色。本文主要介绍了现代控制理论的发展简史，从汽车驾驶的安全性、乘坐的舒适性进行综合考量，阐述了现代控制理论在汽车中防抱制动系统（ABS系统）、悬架系统等的应用，从最优控制到现在的模糊控制、神经网络控制以及集成控制，并结合相关内容针对现代控制理论在未来汽车领域中的应用提出了展望。

关键词：现代控制理论，防抱制动系统，悬架系统

1现代控制理论的发展历程

1.1研究背景

现代控制理论于20世纪60年代初形成并得以迅速发展。由于当时的航空航天和导弹技术快速发展，使得控制领域面临着许多难以解决的复杂问题，而采用传统的经典控制理论无法满足人类发展的需求，在此背景下，现代控制理论应运而生，在现代数学和数字计算机的双重推动下，现代控制理论得到飞速发展。

1.2现代控制理论发展简史

1959年，美籍数学家卡尔曼等人提出了卡尔曼滤波器，摆脱了维纳理论的限制。60年代初，控制领域在经典控制理论的基础上另辟蹊径，形成了以动态规划、极大值原理、状态空间法、卡尔曼滤波为基础的现代控制理论。紧接着以状态空间的频率设计方法为特征的鲁棒控制[1]、神经网络控制以及关于凸分析、离散时间、系统辨识系统等的发展也大大丰富了现代控制理论内容。

2现代控制理论在汽车领域中应用

随着车辆技术的进步，制动的可靠性表现得越来越重要。在汽车刚问世时，现代控制理论还处于萌芽状态，汽车还没有制动系统这种说法，仅存在简陋的螺旋弹簧悬架，丝毫没有安全性和舒适性可言。其后出现鼓式刹车器、盘式制动器，虽然在以前的技术上有了提升，但由于受到当时材料制造水平的限制，在制动力稳定性和散热性能两方面的影响为制动安全性带来了极大隐患。为保证汽车和驾驶员安全的一系列系统应际而生，防抱制动系统、悬架就是其中的典型代表。

汽车防抱制动系统，简称ABS系统，本质上是一种汽车制动力的自动调节装置，从根本上减少了交通安全事故的发生[2]。

目前，ABS系统一般有三种控制方式：逻辑门限控制方式、最优控制方式和滑动变结构控制方式。

逻辑门限控制方法是最常用的方式，但是它的控制逻辑太过复杂，波动较大，大大降低了实用性，为解决这种方法的缺陷，最优控制理论也逐步应用于车辆制动领域的防抱制动系统，在汽车领域有着众多优势。主要是根据车辆—地面系统，要因地制宜建立符合当下环境的的数学模型，并且结合状态空间的理论概念，进而在时域内研究ABS系统。

在设计ABS系统的时候，必须对其控制规律进行计算。以下针对防抱制动系统举例说明：

令某汽车ABS系统的状态方程：

由上述结论可知得到模拟的车轮速度响应和制动器的油压变化曲线，然后就能将其应用在实际的ABS系统。

随着日益增长的物质文化需要，在安全可保障的情况下，人们对汽车的舒适和便利性的要求变得得更加严格，而悬架就是影响乘坐舒适性的重要部件。

主动悬架主要是由一些可控元件组成的，它能够根据车辆系统的实际状态和外部的输入情况，自动地调整和产生需求的控制力，使得车辆悬架一直处于最好的减震状态。主动悬架主要是由控制系统和执行系统两部分组成，并且控制系统更是研究主动悬架的重点所在，控制系统的好坏，将直接影响到悬架的减震性能和传力性能。

目前，在汽车主动悬架系统上使用最多的是最优控制，常用的最优控制方式一般是线性最优控制、最优控制以及最优预见控制等。其中线性最优控制一般只适用于系统比较理想的模型上，例如，将线性二次型调节器控制理论和线性二次高斯型控制理论配合使用以实现主动悬架最优控制，同时由于对模型的要求上的严格导致了此方法的限制也是最大的，难以普及[3]；对于最优控制方法，通常是在干扰输出的基础上设计控制器以得到最小值，它的主要作用是使汽车悬架振动控制具有更强的自适应能力，从而能够降低不确定因素如环境、天气等对汽车的影响，提高系统稳定性能。

既然有确定的系统，那么一定存在不确定性的系统，然而传统的最优控制却并不能解决这个问题，因此自适应控制就是在这种情况下设计产生的。这些年来，应用于汽车悬架振动控制的最多的两种自适应方法就是自校正控制和模型参考自适应控控制[3]。

现代控制理论在汽车主动悬架的应用大致有最优控制、自适应控制、网络神经控制、模糊控制等，但是，对于悬架系统的研究主要还是集中在集成控制上。集成控制就是一种通过考虑汽车各个子系统的控制对汽车其他系统性能产生的影响，从而协调各个子系统，最终使得整个汽车的性能达到最优化的一种控制方式，其未来发展可期、潜力无穷。

3.总结与展望

随着高科技需求日益增长的不断推动，在未来的几年里必然迎来新的发展高潮。当今社会不断朝着自动化、现代化、智能化发展，现代控制理论在各个领域中都扮演着不可或缺的角色。目前市场上已经有不少厂商在轿车上安装了ABS系统来保障驾驶员在行驶过程中的安全性与舒适性。相信以最优控制为基础的预测控制也将用于汽车领域，以预测数据和实时的控制输入，以及历史的信息，综合几者信息，更好的实现对汽车进行控制。同时云服务也要加入现代控制算法来，在云平台上建立更简单的模型和算法实现车辆的更好出行，也必将为万物互联与网联汽车发展的提供了有力的工具。

4.参考文献

[1]刘豹,唐万生.现代控制理论[M].第3版.北京:机械工业出版社，2006.7.：2-4.

[2]张慧平,戴波,杨薇.现代控制理论在过程工业中的应用和发展[J].北京石油化工学院学报,2006(03):56-61.

[3]应艳杰,方敏,陈无畏,张增年.现代控制理论在汽车悬架控制中的应用[J].农机化研究,2007(10):224-227.