使用基于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)側(cè)翻穩(wěn)定性控制系統(tǒng)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
指定了控制器結(jié)構(gòu)之后，下一項(xiàng)任務(wù)就是調(diào)優(yōu)控制器增益，以滿足設(shè)計(jì)需求。如果沒有能夠以系統(tǒng)化方式實(shí)驗(yàn)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(shí)間去嘗試，通過道路實(shí)驗(yàn)調(diào)優(yōu) PID 補(bǔ)償器的參數(shù)值?；?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/模型">模型的設(shè)計(jì)使此過程擺脫了硬件的麻煩，而是使用模型來探索設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算時(shí)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(shí)間也將超過 4 小時(shí)。在現(xiàn)代 PC 上以數(shù)字方式仿真一次為時(shí) 10 秒的 NHTSA fishhook 操控實(shí)驗(yàn)僅需不到 3 秒鐘的時(shí)間，并且可以無限制地重復(fù)，而不存在與道路實(shí)驗(yàn)有關(guān)的開銷。
在此模型中，我們要為 ESC 中的 PID 補(bǔ)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(jì)限制之內(nèi)，同時(shí)最小化因差動制動引起的速度損失。六項(xiàng)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)。
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(jì)限制，如圖 2 的水平實(shí)線所示。我們選擇了以下需求（限制）來滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)：
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(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的最低車速設(shè)置為 10 英里/小時(shí)。
仿真結(jié)束的時(shí)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(shí)間限制。本文引用地址：http://butianyuan.cn/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(xiàng)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(yùn)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(shí)，優(yōu)化算法將計(jì)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(fù)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(shí)，優(yōu)化算法所采用的方式獨(dú)立于計(jì)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(shí)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(yàn)證與性能驗(yàn)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(lán)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(jì)，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(shí)際車輛測試。
圖 3：在以 50 英里/小時(shí)的時(shí)速下執(zhí)行 fishhook 操控實(shí)驗(yàn)時(shí)，配有 ESC 和未配有 ESC 的 SUV 的可視化行為演示。藍(lán)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(jì)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(shí)現(xiàn)的代碼。要在車輛投產(chǎn)之前執(zhí)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，可利用集成化快速原型設(shè)計(jì)和半實(shí)物（HIL）仿真工具，通過配有測量儀表的原型汽車進(jìn)行代碼的道路測試?？梢允褂蒙a(chǎn)代碼生成工具來實(shí)現(xiàn)算法，獲得在原型汽車上實(shí)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(jìn)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(jì)在多種車輛程序中的重用。
本文強(qiáng)調(diào)了基于模型的設(shè)計(jì)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(jì)需求自動調(diào)優(yōu) ESC 的方法。
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