CN119916696A - 一种基于高阶全驱系统的emb夹紧力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，包括以下步骤：S1、获取目标夹紧力值；S2、建立面向转角控制的三阶EMB系统简化动力学模型S3、通过夹紧力分离处理，将其由面向转角控制的模型转化为面向夹紧力控制的高阶全驱模型；S4、设计基于高阶全驱控制方法的控制器，基于高阶全驱控制方法进行电子机械制动系统控制器的设计，其控制律可以以简单的显式的方式合成，获得具有任意指定极点位置的期望线性闭环系统，并且只需要调节一个参数，极大的简化了调优任务。本发明提供的基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法具有有效克服了电子机械制动系统中存在的非线性刚度和摩擦负载扰动的效果。

Description

一种基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法

技术领域

本发明涉及汽车制造技术领域，尤其涉及一种基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法。

背景技术

电子机械制动系统完全取消了液压系统,是一种电控纯机械制动系统,其具有结构紧凑、响应迅速、控制精确、兼容性强等突出优势,被认为是未来汽车制动系统的最佳解决方案。在准确获得制动命令的情况下,如何在外部干扰下精确快速地控制各个车轮的夹紧力和高效设计任意极点位置期望闭环系统的控制器是目前电子机械制动系统的研究重点和难点。

在对电子机械制动控制方法的研究中，大多采用传统的三闭环控制、滑模控制、线性自抗扰控制、神经网络控制等，然而以上控制方法中有的调节参数复杂，有的采用状态空间模型，而状态空间模型强调状态向量，适合状态求解和估计，对于控制输入的求解没有提供足够便利。此外,电子机械制动系统中存在的非线性刚度和摩擦负载扰动等问题,严重阻碍了其高精度控制效果的实现,因此迫切需要调节参数简单且控制精准的控制方法来实现夹紧力对目标值快速准确的跟随。

发明内容

针对上述问题，现提供一种基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，旨在解决现有技术中存在的问题。

具体技术方案如下：

一种基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，包括以下步骤：

S1、获取目标夹紧力值；

S2、建立面向转角控制的三阶EMB系统简化动力学模型；

S3、通过夹紧力分离处理，将其由面向转角控制的模型转化为面向夹紧力控制的高阶全驱模型；

S4、设计基于高阶全驱控制方法的控制器，获取初级复合控制律；

S5、设计LESO扩张状态观测器，对系统内的未建模动态和外界干扰变量进行估计，得到集总扰动，利用集总扰动对所述初级复合控制律进行修正，得到修正复合控制律；

S6、将所述修正复合控制律输入实际EMB系统，即可控制驱动器输出所述目标夹紧力值。

上述的基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，还具有这样的特征，面向转角控制的EMB系统简化动力学模型包括机械子系统模型和电气子系统模型，其中机械子系统模型为：；

电气子系统模型为：；式中，和分别为电机轴的位置和速度；为转动惯量；为粘性摩擦系数；为包含夹紧力、外界扰动变量和非线性摩擦力的负载力矩；为电机极对数；为磁通量；和分别为d-q轴定子电流；和分别为对应的定子电压；为定子电阻；和分别为d-q轴定子电感，为电机输出转矩。

将电气子系统模型使用一阶惯性系统模型代替；；式中，为电机伺服驱动器的控制输入；为到的传递函数；和分别为等效增益和时间常数，等效增益和时间常数采用MATLAB系统辨识工具箱获取；上述面向转角控制的EMB系统简化动力学模型的状态空间方程为：。

上述的基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，还具有这样的特征，将所述EMB系统模型进行以下变换：夹紧力与电机角度之间的经典关系常表示为三次多项式形式：；根据上述关系将夹紧力做以下分离处理：；式中，为夹紧力；为夹紧力中线性部分；为夹紧力中非线性部分；为夹紧力线性比例系数；为EMB制动间隙对应电机转角；结合上述面向转角控制的EMB系统模型的状态空间方程，可获得面向夹紧力控制的EMB系统简化动力学模型的状态空间方程：；将EMB系统模型进行对应变换后，使其转化为面向夹紧力控制的高阶全驱模型：；式中，一阶导系数；二阶导系数；控制输入的非零系数；包含系统内未建模动态和外界干扰变量的集总扰动。

上述的基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，还具有这样的特征，基于高阶全驱控制方法，EMB高阶全驱模型的复合控制律由前馈补偿控制器和反馈闭环控制器构成：；前馈补偿控制器为：；反馈闭环控制器为：；其中，表示夹紧力跟踪误差。

上述的基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，还具有这样的特征，将反馈闭环控制器设计为带有动态补偿器的反馈闭环控制器，带有一阶动态补偿器的反馈闭环控制器为：；其中，表示由夹紧力误差及其导数构成的向量组，表示为；表示阶数为1的动态补偿器的状态向量（可设计为更高阶数）；都表示参数矩阵。

上述的基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，还具有这样的特征，设计LESO扩张状态观测器的过程如下，EMB系统动力学状态空间模型可表示为：；其中；，，为，，的估计值；集中扰动可以估算系统内未建模动态和外界干扰变量的集总扰动。

该状态空间模型可扩展为如下模型：；其中，；进而线性扩展状态观测器为：。

上述的基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，还具有这样的特征，利用所述扩展状态观测器估算集总扰动，对前馈补偿控制器进行修正，前馈补偿控制器修正为：；带有一阶动态补偿器的反馈闭环控制器修正为：；其中，；；。

综上所述，该方案的有益效果是：

本发明提供的基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法中，基于高阶全驱控制方法进行电子机械制动系统控制器的设计，其控制律可以以简单的显式的方式合成，获得具有任意指定极点位置的期望线性闭环系统，并且只需要确定一个参数，极大的简化了调优任务。本发明提供的基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法具有有效克服电子机械制动系统中存在的非线性刚度和摩擦负载扰动的效果。

附图说明

图1为夹紧力与电机角度之间的经典关系示意图；

图2为基于LESO且带有一阶动态补偿器的高阶全驱控制器框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

图1为夹紧力与电机角度之间的经典关系示意图，图2为基于LESO且带有一阶动态补偿器的高阶全驱控制器框图，如图1和图2所示，本实施例提供的基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法：包括以下步骤：

S1、获取目标夹紧力值；

S2、建立面向转角控制的三阶EMB系统简化动力学模型；

S3、通过夹紧力分离处理，将其由面向转角控制的模型转化为面向夹紧力控制的高阶全驱模型；

S4、设计基于高阶全驱控制方法的控制器，获取初级复合控制律；

S5、设计LESO扩张状态观测器，对系统内的未建模动态和外界干扰变量进行估计，得到集总扰动，利用集总扰动对所述初级复合控制律进行修正，得到修正复合控制律；

S6、将所述修正复合控制律输入实际EMB系统，即可控制驱动器输出所述目标夹紧力值。

在上述实施例中，面向转角控制的EMB系统简化动力学模型包括机械子系统模型和电气子系统模型，其中机械子系统模型为：（1）；电气子系统模型为：（4）；式中，和分别为电机轴的位置和速度；为转动惯量；为粘性摩擦系数；为包含夹紧力、外界扰动变量和非线性摩擦力的负载力矩；为电机极对数；为磁通量；和分别为d-q轴定子电流；和分别为对应的定子电压；为定子电阻；和分别为d-q轴定子电感，为电机输出转矩。

将电气子系统模型使用一阶惯性系统模型代替；（5）；式中，为电机伺服驱动器的控制输入；为到的传递函数；和分别为等效增益和时间常数，等效增益和时间常数采用MATLAB系统辨识工具箱获取；上述面向转角控制的EMB系统简化动力学模型的状态空间方程为：。

在上述实施例中，将所述EMB系统模型进行以下变换：夹紧力与电机角度之间的经典关系常表示为三次多项式形式：（2）；根据上述关系将夹紧力做以下分离处理：；式中，为夹紧力；为夹紧力中线性部分；为夹紧力中非线性部分；为夹紧力线性比例系数；为EMB制动间隙对应电机转角；结合上述面向转角控制的EMB系统模型的状态空间方程，可获得面向夹紧力控制的EMB系统简化动力学模型的状态空间方程：；将EMB系统模型进行对应变换后，使其转化为面向夹紧力控制的高阶全驱模型：（6）；式中，一阶导系数；二阶导系数；控制输入的非零系数；包含系统内未建模动态和外界干扰变量的集总扰动。

在上述实施例中，基于高阶全驱控制方法，EMB高阶全驱模型的复合控制律由前馈补偿控制器和反馈闭环控制器构成：（7）；前馈补偿控制器为：（8）；反馈闭环控制器为：（9）；其中，表示夹紧力跟踪误差。

需要说明的是，为了实现夹紧力快速精确的稳定跟踪，在高阶全驱控制方法下，设计了一种复合控制律从而获得理想的夹紧力误差跟踪动力学，并且采用动态补偿器为控制性能的改善提供了额外的自由度；为了夹紧力的稳定跟踪，设计了LESO，用于在线夹紧力状态估计和补偿夹紧力非线性部分、包含非线性摩擦力的负载力矩以及外来扰动等。

还需要说明的是，将以上控制律与高阶全驱模型联立得到：（10）；闭环系统(10)的极点位置可以通过选择来任意分配，将(10)的特征多项式设计为： （11）；控制增益可以显式地得到为： （12）；令，可以得到：（13）；其中代表从到的传递函数。

从上述公式可以清楚地看出，是一个低通滤波器，其滤波器带宽由定义。为的滤波值，满足。收敛于0便表明收敛于0。

至此，得到从到的传递函数。

在上述实施例中，设计LESO扩张状态观测器的过程如下，EMB系统动力学状态空间模型可表示为：；其中；，，为，，的估计值；集中扰动可以估算系统内未建模动态和外界干扰变量的集总扰动。

该状态空间模型可扩展为如下模型：；其中，；进而线性扩展状态观测器为：。

在上述实施例中，利用所述扩展状态观测器估算集总扰动，对前馈补偿控制器进行修正，

前馈补偿控制器修正为：；反馈闭环控制器修正为：；其中，；；。

在上述实施例中，将反馈闭环控制器设计为带有动态补偿器的反馈闭环控制器：（14）；其中表示由夹紧力误差及其导数构成的向量组，表示为；表示阶数为1的动态补偿器的状态向量（可设计为更高阶数）；都表示参数矩阵。

在(8)和(9)的复合控制律(7)下，系统(6)具有如下闭环动力学系统: （15）；其中；闭环动力学系统(15)所对应的高阶全驱模型为：（16）；其中（17）；设模型(16)的期望特征多项式为：（18）；得到的显示解如下：（19）；从到的传递函数表示如下：（20）；那么，当并且时，基于(14)和(8)得到的复合控制律(7)和(18)式给出的闭环特征多项式，可以保证系统(6)达到一致最终稳定有界。而且，的动力学满足（21）；证明：从到的传递函数式(13)和从到的传递函数式(20)可得：（22）；当时，可得（23）；在[0,t]上积分得（24）；证明完成。

还需要说明的是，LESO设计如下：EMB系统动力学状态空间模型可表示为：（26）；其中；为的估计值；集中扰动可以估算包含非线性摩擦的负载力矩、夹紧力的非线性部分和外来扰动等。

该状态空间模型可扩展为如下模型：（27）；其中；进而线性扩展状态观测器可设计为：（28）；通过极点配置法，可以得到观测器系数如下： （29）；其中为线性扩张状态观测器的带宽参数。

当集中扰动的导数有界时，存在有限时间和常数，使得（30）；其中c是正整数。

当越大，的边界越小。利用估计的状态分别估算夹紧力的一阶导，二阶导和集中扰动，可以大大减轻闭环控制器的负担，从而获得更高的控制精度。

至此，LESO设计完成。

基于LESO且带有一阶动态补偿器的高阶全驱控制器修正为：前馈补偿控制器修正为 （31）；带有一阶动态补偿器的反馈闭环控制器修正为 （32）；其中；；；至此，基于LESO且带有一阶动态补偿器的高阶全驱控制器设计完成，控制器整体控制结构如图2所示；

基于LESO且带有一阶动态补偿器的高阶全驱控制器稳定性分析。

当集中扰动的导数在EMB中是有界，复合控制律(7)由式(31)和(32)构成且控制器增益和观测器增益由式(25)和(29)获得的情况下，可以保证系统(6)的一致最终稳定有界性。此外，的动力学满足（33）证明：当时，在由式(31)和(32)构成的复合控制律(7)下的系统(6)具有如下闭环系统动力学： （34）其中。

类比式(15)可得到式(34)对应的高阶全驱模型为：（35）由式(13)和式(19)，式(35)的拉普拉斯形式为：（36）当且时，可得（37）

在(30)的基础上，[,t]上积分得（38）证明完成；至此，基于LESO且带有一阶动态补偿器的高阶全驱控制器稳定性分析完成。

工作原理，利用高阶全驱模型获取复合控制律，由于复合控制律由前馈补偿控制器和反馈闭环控制器构成，故利用扩张状态观测器对前馈补偿控制器和反馈闭环控制器进行修正，得到修正后的复合控制律，修正后的复合控制律输入实际EMB系统，即可控制驱动器输出对应的夹紧力，在一定大小的阶跃干扰下，也能快速恢复目标夹紧力值。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、获取目标夹紧力值；

S2、建立面向转角控制的三阶EMB系统简化动力学模型；

S3、通过夹紧力分离处理，将其由面向转角控制的模型转化为面向夹紧力控制的高阶全驱模型；

S4、设计基于高阶全驱控制方法的控制器，获取初级复合控制律；

S5、设计LESO扩张状态观测器，对系统内的未建模动态和外界干扰变量进行估计，得到集总扰动，利用集总扰动对所述初级复合控制律进行修正，得到修正复合控制律；

S6、将所述修正复合控制律输入实际EMB系统，即可控制驱动器输出所述目标夹紧力值。

2.根据权利要求1所述的一种基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，其特征在于：面向转角控制的EMB系统简化动力学模型包括机械子系统模型和电气子系统模型，其中机械子系统模型为：

；

电气子系统模型为：；式中，和分别为电机轴的位置和速度；为转动惯量；为粘性摩擦系数；为包含夹紧力、外界扰动变量和非线性摩擦力的负载力矩；为电机极对数；为磁通量；和分别为轴定子电流；和分别为对应的定子电压；为定子电阻；和分别为轴定子电感，为电机输出转矩；

将电气子系统模型使用一阶惯性系统模型代替；；式中，为电机伺服驱动器的控制输入；为到的传递函数；和分别为等效增益和时间常数，等效增益和时间常数采用MATLAB系统辨识工具箱获取；

上述面向转角控制的EMB系统简化动力学模型的状态空间方程为：。

3.根据权利要求2所述的一种基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，其特征在于：将EMB系统模型进行以下变换：

夹紧力与电机角度之间的经典关系常表示为三次多项式形式：；

根据上述关系将夹紧力做以下分离处理：；式中，为夹紧力；为夹紧力中线性部分；为夹紧力中非线性部分；为夹紧力线性比例系数；为EMB制动间隙对应电机转角；

结合上述面向转角控制的EMB系统模型的状态空间方程，可获得面向夹紧力控制的EMB系统简化动力学模型的状态空间方程：

；将EMB系统模型进行对应变换后，使其转化为面向夹紧力控制的高阶全驱模型：

；式中，一阶导系数；二阶导系数；控制输入的非零系数；包含系统内未建模动态和外界干扰变量的集总扰动。

4.根据权利要求3所述的一种基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，其特征在于：基于高阶全驱控制方法，EMB高阶全驱模型的复合控制律由前馈补偿控制器和反馈闭环控制器构成：；前馈补偿控制器为：；

反馈闭环控制器为：；其中，表示夹紧力跟踪误差。

5.根据权利要求4所述的一种基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，其特征在于：将反馈闭环控制器设计为带有动态补偿器的反馈闭环控制器：

带有一阶动态补偿器的反馈闭环控制器为；

；其中，表示由夹紧力误差及其导数构成的向量组，表示为；表示阶数为1的动态补偿器的状态向量；都表示参数矩阵。

6.根据权利要求5所述的一种基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，其特征在于：设计LESO扩张状态观测器的过程如下，

EMB系统动力学状态空间模型可表示为：

；

其中；，，为，，的估计值；集中扰动可以估算系统内未建模动态和外界干扰变量的集总扰动；

该状态空间模型可扩展为如下模型：

；

其中，；

进而线性扩展状态观测器为：

。

7.根据权利要求6所述的一种基于高阶全驱系统的EMB夹紧力控制方法，其特征在于：利用所述扩展状态观测器估算集总扰动，对前馈补偿控制器进行修正，

前馈补偿控制器修正为：

；

带有一阶动态补偿器的反馈闭环控制器修正为：

；

其中，；；。