基于鲸鱼优化算法的摩托车ABS控制仿真分析.pdf
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1、Design.Research|设计.研究352023.02基于鲸鱼优化算法的摩托车ABS控制仿真分析Qu TaoYang WeipengWang Xin(School of Mechanical and Vehicle Engineering,Chongqing Jiaotong University)Simulation Analysis on Motorcycle ABS Controlbased on Whale Optimization Algorithm屈焘杨威朋王鑫(重庆交通大学机电与车辆工程学院)摘要:针对摩托车制动时车轮抱死引起的侧翻、侧滑问题,提出一种基于鲸鱼优化算法的摩托
2、车防抱死制动PID控制方法。首先对摩托车单轮模型进行了动力学分析,分析了滑移模型、轮胎路面模型和液压制动模型,以及用于ABS控制的PID控制器模型的数学公式。然后,针对PID控制参数难以整定的问题,引入了鲸鱼优化算法对PID参数进行优化整定。最后,以某国产摩托车为例,搭建整车动力学模型及联合仿真模型,将优化PID控制与无ABS和未优化PID控制进行了对比分析。结果表明,优化PID控制在摩托车制动过程中具有良好的控制效果,能防止车轮抱死,提高了制动的安全性。关键词:摩托车防抱死制动系统PID鲸鱼优化算法Abstract:A motorcycle anti-lock braking system(
3、ABS)PID control method based on whale optimization algorithm is proposed to address the issue of side flipping and sliding caused by wheel lock during motorcycle braking.Firstly,the dynamics analysis of the motorcycle single-wheel model is performed,including the analysis of slip model,tire-road mod
4、el,hydraulic braking model,and the mathematical formulas for the PID controller model used in ABS control.Secondly,to address the difficulty of tuning PID control parameters,the whale optimization algorithm is introduced to optimize and tune the PID parameters.Finally,taking a domestic motorcycle as
5、 an example,a whole-vehicle dynamics model and a co-simulation model are constructed,and the optimized PID control is compared and analyzed against no ABS and non-optimized PID control.The results show that the optimized PID control exhibits excellent performance in motorcycle braking,preventing whe
6、el lock and improving braking safety.Key words:MotorcycleAnti-lock braking systemPIDWhale optimization algorithm设计.研究|Design.Research 362023.02防抱死制动系统(ABS)能起到避免车轮抱死,提高制动性能的作用。因此,为提高摩托车的制动稳定性和安全性,有必要采用稳定、高效的 ABS 控制算法1。目前,ABS 控制方法主要包括有逻辑门限控制、PID控制和滑模变控制等。部分控制方法虽有良好的控制性能,但存在结构复杂、计算困难问题,难以实现工程应用。PID 控制具
7、有原理简单、稳定性好、工程应用容易等优点2-3。Aparow4-5等人建立的单轮防抱死制动模型,提出 PID 控制器控制滑移率,并对比了 P、PI、PID 控制器。结果表明,PID 控制虽有较好表现,但响应较慢。PID 控制要取得理想的控制效果,需要对其中参数进行反复调整并确定,所以选择一种优化算法对 PID 控制器参数进行优化整定,以实现更快控制响应,稳定性好的 ABS 控制,就显得十分重要。图1单轮受力情况分析vMgFRNTbFx本文提出一种基于鲸鱼优化算法的摩托车防抱死制动 PID 控制方法,通过与无 ABS 控制和未优化 PID 控制的仿真对比,验证了该方法对 ABS 控制的有效性。1
8、摩托车 ABS 数学模型1.1摩托车单轮制动模型制动性能与车轮受力相关,忽略滚动阻力和空气阻力,对摩托车进行单轮受力分析,见图 1 所示。根据车辆系统动力学原理,可得摩托车运动方程为:(1)车轮运动方程为:(2)车轮纵向力为:(3)车轮垂直载荷为:(4)式中:M1/2 车身质量,单位为 kg;v车速,单位为 m/s;Fx地面制动力,单位为 N;I车轮转动惯量,单位为 kg m2;车轮角速度,单位为 rad/s;R车轮滚动半径,单位为 m;Tb制动力矩,单位为 Nm;地面附着系数;N车轮垂直载荷,单位为 N;g重力加速度,单位为 m/s2Design.Research|设计.研究372023.0
9、2图2ABS系统PID控制图比例系数Kp最优滑移率实际滑移率积分系数Ki微分系数KdABS输出PID 控制原理是将期望值与实际值做差得到误差值,把误差值进行比例Kp、积分Ki、微分Kd运算,再加以线性组合形成控制量,从而对被控系统进行控制,以此使得实际值不断接近于期望值,其控制如下式:(9)在控制时,若要达到对滑移率的最优控制效果,需要不断对 PID 中 3 个参数根据经验进行人为整定,此过程费时且不够精确。因此采用鲸鱼优化算法对 PID 控制器参数进行优化整定。2.2鲸鱼优化算法整定 PID 控制器参数鲸鱼优化算法7-8是一种模拟鲸鱼捕食行为而发展的1.2滑移模型制动时,制动力矩升高使得车轮
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