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原文传递面向智能制动的商用车ECPBS自动调压阀制动压力控制方法研究

论文题名：	面向智能制动的商用车ECPBS自动调压阀制动压力控制方法研究
关键词：	商用车;电控气压制动系统;自动调压阀;系统辨识;控制响应
摘要：	商用车电控气压制动系统（ECPBS，ElectronicallyControlledPneumaticBrakeSystem）是以压缩空气为动力，通过置于车轮前的自动调压阀依据电控指令实时动态地控制制动气室的制动压力，在保证商用车安全性的基础上，保障其行驶的稳定性和舒适性；是顺应车辆智能化、驾驶自动化等技术的飞速发展，在继承传统气压制动系统优点、采用电子信息控制的基础上构成的一种新型商用车制动系统；其中，自动调压阀是实现车辆制动、调整车辆行驶状态的核心基础部件。商用车ECPBS自动调压阀制动压力的控制是实现车辆制动的基础，更是保证车辆主动安全、自动驾驶和智能制动的根本；目前急需合适的面向智能制动的控制方法。因此，论文专注于商用车ECPBS自动调压阀制动压力控制方法研究，针对制动压力跟踪控制精度低和非线性特性补偿等问题，开发适宜工程的控制算法，以充实制动控制理论，突破技术壁垒，为开发自主可控的商用车驾驶自动化控制系统提供理论与技术基础。论文主要研究内容与创新性成果如下：　　（1）围绕着不同驾驶自动化层级的商用车ECPBS及自动调压阀结构、原理和特性分析，对商用车ECPBS调压性能及制动压力控制问题展开研究。在研究车辆驾驶自动化技术的基础上，定义商用车智能制动，归集不同驾驶自动化层级下的商用车气压制动系统制动状态与模式，设计适于不同驾驶自动化层级的商用车ECPBS；面向智能制动，通过对比实验分析，改进一种自动调压阀；基于对国内外标准和车辆功能控制系统的研究，提出商用车ECPBS调压性能要求和自动调压阀制动压力的控制问题；以作为论文研究的工程基础。　　（2）基于以上系统特性及控制问题分析，进行了详细的商用车ECPBS自动调压阀制动压力控制用线性变参数（LPV）数学模型研究。首先，建立商用车ECPBS从控制电压输入到制动气室压力输出的各主要组件的数学模型，以及自动调压阀制动压力控制用整体数学模型；针对系统高阶非线性特性，为了利于模型的在线实现，采用适用于时变、非线性系统的线性化方法——加权多速率q-MarkovCover（等价协方差实现）系统辨识方法，提出一种商用车ECPBS自动调压阀制动压力控制非线性模型线性化方法，建立商用车ECPBS自动调压阀制动压力控制用线性变参数数学模型；并对所建立的非线性数学模型、某个目标压力下的线性数学模型和LPV数学模型进行仿真与试验验证。　　（3）为解决商用车ECPBS自动调压阀制动压力控制过程中存在的不可测量状态变量以及目标压力随时间变化的不确定性和随机性等跟踪控制问题，采用卡尔曼滤波方法估计不可测量状态变量，设计插值控制器解决目标压力的不确定性和全参数范围制动压力跟踪问题。基于最优跟踪控制原理，改进无限时域线性二次型跟踪（LQT）控制策略，提出商用车ECPBS自动调压阀制动压力包含LQT控制算法和实现技术在内的动态跟踪控制方法；通过仿真和试验验证控制方法的正确性（稳态误差≤0.05%），分析其应用特性，表明该控制方法可高性能地实现商用车ECPBS自动调压阀制动压力全参数范围瞬态和稳态跟踪控制。　　（4）针对商用车ECPBS自动调压阀制动压力控制的非线性补偿问题，基于所建立的LPV数学模型，采用变增益模型预测控制（GSMPC）方法，以实现商用车ECPBS自动调压阀制动压力的实时、稳定和精确调节。首先，根据控制的实时变化特性，设计插值控制算法，提出商用车ECPBS自动调压阀制动压力包含GSMPC控制算法和实现技术在内的变增益模型预测控制方法。然后通过仿真和试验验证控制方法的正确性（稳态误差≤0.05%），分析其应用特性，表明控制方法可实现商用车ECPBS自动调压阀制动压力在全参数范围内的最优跟踪控制，并具备良好的非线性补偿能力和循环一致性。最后通过试验和仿真比较分析PID、LQT和GSMPC三种控制方法，揭示各种控制方法的特性和适用范畴。　　（5）为了验证商用车ECPBS自动调压阀制动压力控制方法及其在整车制动控制的可用性，基于硬件在环（Hardwareintheloop,HIL）试验原理，提出商用车ECPBS自动调压阀控制HIL试验方法。采用dSPACE实时控制系统，并联合采用IPG/Truckmaker与MATLAB/Simulink实现车辆行驶状态实时模拟，结合气压制动试验系统，构建试验平台；设计试验工况，分析所提出的控制方法在整车环境下的应用特性，验证其正确性，以及在不同工况下对车辆行驶性能的影响。　　本文按照“系统特性及性能指标分析——非线性数学建模——模型线性化——基于模型的控制算法设计——控制算法在线验证”研究路径，通过数值优化、线性变参数建模、状态变量在线估计、插值控制器的设计等理论方法应用研究，有效解决了商用车ECPBS自动调压阀制动压力的动态跟踪和非线性补偿控制问题，将为商用车ECPBS的智能制动和商用车的驾驶自动化提供理论和技术基础，促进车辆气压制动控制技术的发展。
作者：	胡大伟
专业：	机械工程
导师：	李刚炎
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021