TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Zwei-Freiheitsgrade-Struktur zur robusten Radschlupfregelung für Antiblockiersysteme

Vogt, Patrick (2022):
Zwei-Freiheitsgrade-Struktur zur robusten Radschlupfregelung für Antiblockiersysteme. (Publisher's Version)
Darmstadt, Neopubli GmbH, ISBN 987-3-754113-43-1,
DOI: 10.26083/tuprints-00020880,
[Book]

Abstract

Die Regelung des gebremsten Rades eines gummibereiften Fahrzeugs stellt seit vier Jahrzehnten Generationen von Ingenieuren vor schwierige Herausforderungen und es wurden bereits zahlreiche Ansätze dazu erdacht und implementiert. Eine wesentliche Herausforderung der Regelstrecke ist die mit der Fahrzeuggeschwindigkeit skalierte Dynamik, wenn der Radschlupf als relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Fahrzeug und Radaufstandspunkt geregelt werden soll, sowie die hohe Nichtlinearität der Reifenkraftschlusskennlinie in Abhängigkeit des Schlupfes. In der tatsächlichen Implementierung kommt darüber hinaus noch der Abtastcharakter der Regelung auf einem digitalen Mikrocontroller hinzu, der im Rahmen dieser Arbeit systematisch in den Entwurf mit einbezogen werden soll. Dazu wird zuerst ein physikalisches Modell des Fahrzeugs einschließlich der Bremsenaktorik aufgestellt und dieses anschließend mittels Strukturmaßen untersucht sowie Schlüsse für die notwendige Reglerstruktur aus dieser Untersuchung abgeleitet. In dieser Arbeit wird ein modellbasierter Ansatz zur Regelung des Radschlupfes vorgeschlagen, der aus einer Zwei-Freiheitsgrade-Struktur mit nichtlinearer modellbasierter Vorsteuerung und einer robust entworfenen Rückführung mittels Gain-Scheduling besteht. Für die Vorsteuerung wird ein Ansatz über die exakte Eingangs-/Ausgangslinearisierung gewählt, mit dem sich das nichtlineare System bezogen auf das Ein-/Ausgangsverhalten wie ein lineares System regeln lässt. Für die Rückführung wird ein Gain-Scheduling über die Schedulingparameter Fahrzeuggeschwindigkeit und Radschlupf durchgeführt, um den durch die hohe Parameterunsicherheit in der Reifenkennline und die reziproke Abhängigkeit der Systemdynamik von der Geschwindigkeit variablen Parameterbereich in kleinere Unsicherheitsbereiche zu unterteilen, für die anschließend ein linearer Regler mit fester Struktur über die Methode der robusten Polbereichsvorgabe entworfen wird. Basierend auf diesem Schlupfregler wird in einem zweiten Schritt ein Algorithmus verwendet, der in der Lage ist, das Maximum der Reibwertkennlinie einzuregeln, um den verfügbaren Kraftschluss bestmöglich auszunutzen, das sog. Extremum Seeking. Der gesamte Reglerentwurf erfolgt dabei rein zeitdiskret, um die charakteristischen Effekte der Diskretisierung bei einer digitalen Regelung behandeln zu können. Die vorgeschlagene Reglerstruktur wird dabei in Simulationen für unterschiedliche Reibwerte der modellbasierten Vorsteuerung und der realen Strecke untersucht und dabei gezeigt, dass die Regelung mit Extremwertsuche auch in der Lage ist, das Maximum zu finden, wenn die Reibwertkurve ihr Maximum verändert.

Item Type: Book
Erschienen: 2022
Creators: Vogt, Patrick
Status: Publisher's Version
Title: Zwei-Freiheitsgrade-Struktur zur robusten Radschlupfregelung für Antiblockiersysteme
Language: German
Abstract:

Die Regelung des gebremsten Rades eines gummibereiften Fahrzeugs stellt seit vier Jahrzehnten Generationen von Ingenieuren vor schwierige Herausforderungen und es wurden bereits zahlreiche Ansätze dazu erdacht und implementiert. Eine wesentliche Herausforderung der Regelstrecke ist die mit der Fahrzeuggeschwindigkeit skalierte Dynamik, wenn der Radschlupf als relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Fahrzeug und Radaufstandspunkt geregelt werden soll, sowie die hohe Nichtlinearität der Reifenkraftschlusskennlinie in Abhängigkeit des Schlupfes. In der tatsächlichen Implementierung kommt darüber hinaus noch der Abtastcharakter der Regelung auf einem digitalen Mikrocontroller hinzu, der im Rahmen dieser Arbeit systematisch in den Entwurf mit einbezogen werden soll. Dazu wird zuerst ein physikalisches Modell des Fahrzeugs einschließlich der Bremsenaktorik aufgestellt und dieses anschließend mittels Strukturmaßen untersucht sowie Schlüsse für die notwendige Reglerstruktur aus dieser Untersuchung abgeleitet. In dieser Arbeit wird ein modellbasierter Ansatz zur Regelung des Radschlupfes vorgeschlagen, der aus einer Zwei-Freiheitsgrade-Struktur mit nichtlinearer modellbasierter Vorsteuerung und einer robust entworfenen Rückführung mittels Gain-Scheduling besteht. Für die Vorsteuerung wird ein Ansatz über die exakte Eingangs-/Ausgangslinearisierung gewählt, mit dem sich das nichtlineare System bezogen auf das Ein-/Ausgangsverhalten wie ein lineares System regeln lässt. Für die Rückführung wird ein Gain-Scheduling über die Schedulingparameter Fahrzeuggeschwindigkeit und Radschlupf durchgeführt, um den durch die hohe Parameterunsicherheit in der Reifenkennline und die reziproke Abhängigkeit der Systemdynamik von der Geschwindigkeit variablen Parameterbereich in kleinere Unsicherheitsbereiche zu unterteilen, für die anschließend ein linearer Regler mit fester Struktur über die Methode der robusten Polbereichsvorgabe entworfen wird. Basierend auf diesem Schlupfregler wird in einem zweiten Schritt ein Algorithmus verwendet, der in der Lage ist, das Maximum der Reibwertkennlinie einzuregeln, um den verfügbaren Kraftschluss bestmöglich auszunutzen, das sog. Extremum Seeking. Der gesamte Reglerentwurf erfolgt dabei rein zeitdiskret, um die charakteristischen Effekte der Diskretisierung bei einer digitalen Regelung behandeln zu können. Die vorgeschlagene Reglerstruktur wird dabei in Simulationen für unterschiedliche Reibwerte der modellbasierten Vorsteuerung und der realen Strecke untersucht und dabei gezeigt, dass die Regelung mit Extremwertsuche auch in der Lage ist, das Maximum zu finden, wenn die Reibwertkurve ihr Maximum verändert.

Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Neopubli GmbH
ISBN: 987-3-754113-43-1
Collation: XVI, 152 Seiten
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik > Control Systems and Mechatronics
Date Deposited: 09 Mar 2022 13:26
DOI: 10.26083/tuprints-00020880
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/20880
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-208802
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

The control of the braked wheel of a vehicle has posed a difficult challenge for generations of engineers for four decades and numerous approaches have been conceived and implemented. A major challenge of the controlled system is the scaling of the dynamics with the vehicle speed, if the wheel slip as a relative speed difference between the vehicle and the wheel contact point is to be controlled, as well as the high nonlinearity of the tire friction curve as a function of the slip. In addition to that the sampling character of the control loop comes into play in the actual implementation on a digital microcontroller, which shall be systematically included in the design process within the scope of this thesis. For this purpose, a physical model of the vehicle including the brake actuators is first set up and then examined by means of structural measures. Conclusions for the necessary controller structure are derived from this examination. In this thesis, a model-based approach for the control of the wheel slip is proposed, which consists of a two degree of freedom structure with nonlinear model-based feedforward control and a robustly designed feedback control using gain scheduling. For the feedforward control, an approach via exact feedback linearization is chosen, which allows to control the nonlinear system like a linear system with respect to the input/output behaviour. For feedback, gain scheduling is performed using the scheduling parameters vehicle speed and wheel slip in order to subdivide the variable parameter range into smaller uncertainty ranges due to the high parameter uncertainty in the tire characteristic and the reciprocal dependence of the system dynamics on the vehicle speed. A linear controller with a fixed structure is then designed for these uncertainty ranges using the method of robust pole region assignment. Based on this slip controller, an algorithm is used, which is able to search for the maximum of the friction characteristic in order to use the available frictional value in the best possible way, the so called extremum seeking. The entire controller design is purely time-discrete in order to be able to deal with the characteristic effects of discretization in digital control. The proposed controller structure is examined in simulations for different friction coefficients of the model-based feedforward control and the real system. It is shown that the control with extremum seeking is also able to find the maximum when the friction characteristic changes its maximum.

UNSPECIFIED
Export:
Suche nach Titel in: TUfind oder in Google
Send an inquiry Send an inquiry

Options (only for editors)
Show editorial Details Show editorial Details