автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка системы управления движением автомобиля с использованием нечеткой логики



МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ АВТОМОБИЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Специальность: 05.13.06 - "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами"

На правах рукописи

4841425

Малявин Александр Анатольевич

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011 г.

2 4 ШР 2011

4841425

Работа выполнена в Московском Государственном Индустриальном Университете (ГОУ МГИУ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Алексеев Кир Борисович

доктор технических наук Катанаев Николай Трофимович кандидат технических наук Савостин Петр Иванович

Ведущая организация: ООО «Даниан»

Защита состоится «24» марта 2011 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного Совета Д.212.129.03 при ГОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет» по адресу: 115280, Москва, ул. Автозаводская, д. 16, ауд. 1605.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан «Х^» 20^" г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Кузнецов А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Основным требованием, предъявляемым к автотранспортным средствам, является обеспечение безопасности дорожного движения. Выполнение этого требования, в условиях непрерывного роста скоростей и интенсивности транспортных потоков, представляет собой государственную социально-экономическую проблему. Трудности ее решения обусловлены сложной взаимосвязью трех составляющих человеко-машинной системы водитель-автомобиль-дорога в едином динамическом процессе управляемого движения автомобиля. Преодолению этих трудностей уделялось и уделяется большое внимание, однако предпринятые в этом направлении меры не позволяют говорить о решении проблемы безопасности. Об этом свидетельствует удручающая статистика дорожно-транспортных происшествий и их социально-экономических последствий. Так, в 2007 год в дорожно-транспортных происшествиях (ДТП) погибло более 30 тыс. человек, наряду с этими невосполнимыми потерями, экономика России понесла значительный ущерб, который составил около 500 миллиардов рублей.

Многочисленные исследования показывают, что основной причиной ДТП является человеческий фактор. Таким образом, зависимость процесса управления движением автомобиля от психофизиологического состояния водителя создает трудности в решении данной проблемы. Устранение этой зависимости следует искать на пути автоматизации управления движением автомобиля с сохранением за водителем приоритетного права принятия решений.

По данным Национального Управления Безопасности Дорожного Движения США, внедрение средств автоматизации позволяет значительно сократить количество ДТП. В частности оборудование автомобиля системой управления курсовой устойчивостью (Electronic stability control) позволяет уменьшить общее количество ДТП, с участием этого автомобиля, на 8%. Оборудование же всех автомобилей США системой адаптивного круиз-контроля позволит уменьшить число жертв ДТП на 59,6%.

Приведенные факты дают основание полагать, что создание замкнутой автоматизированной человеко-машинной системы управления движением автомобиля позволит значительно повысить безопасность дорожного движения. Рассмотрение этой задачи и составляет предмет данной работы. При этом автор сосредотачивает внимание не только на синтезе нечеткого управления движением автомобиля, но и реализации его аппаратными средствами.

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является повышение безопасности дорожного движения, что достигается путем синтеза автоматизированной системы управления движением автомобиля. При таком подходе к решению этой проблемы основные функции по управлению движением возлагаются на автоматическую систему, оставляя за водителем приоритетное право принятия решений в случае возникновения непредвиденных ситуаций. В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие задачи:

1. выбор математических моделей двигателя внутреннего сгорания и автомобиля, на основе которых выполняется исследование процессов управления;

2. обоснование способа управления скоростью коленчатого вала двигателя;

3. синтез алгоритма управления скоростью вращения коленчатого вала на основе нечеткой логики;

4. анализ качественных показателей, полученных при управлении с использованием нечеткого регулятора, и сравнение с показателями, полученными для системы управления с ПИД-регулятором;

5. синтез управления движением автомобиля по криволинейной траектории на дороге с нанесенной разметкой;

6. сравнение результатов, полученных для нечеткого и предикторного управления движением автомобиля, как известного аналога, используемого для решения подобных задач;

7. разработка системы управления дистанцией до впередиидущего автомобиля;

8. разработка методики аппаратной реализации синтезированных нечетких регуляторов.

Методы исследований

В процессе исследований использовались методы теории булевой алгебры, нечеткой логики, математической статистики, теории автоматического управления, математического моделирования.

Научная новизна

Состоит в такой организации процесса вождения, при которой основные функции по управлению движением автомобиля возлагаются на автоматическую систему. Ручное управление используется водителем в случае необходимости. При этой организации процесса управления нагрузка на водителя оказывает меньшее влияние на процесс вождения, сохраняя за ним приоритетное право на принятие окончательных решений.

При работе над этой автоматической системой были получены следующие научные результаты:

1. синтезированы нечеткие системы управления движением автомобиля, и скоростью вращения коленчатого вала двигателя;

2. разработана инженерная методика реализации нечеткого управления аппаратными средствами;

3. получено решение задачи управления дистанцией до впередиидущего автомобиля на основе нечеткой логики;

4. показаны преимущества использования нечеткой логики для решения задач управления движением автомобиля;

5. выполнено обоснование применения генетических алгоритмов для синтеза нечеткой системы управления движением автомобиля.

Личный вклад автора

Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:

1. синтез системы управления двигателем на основе нечеткой логики, позволивший получить лучшие качественные показатели при сравнении с системой, построенной на основе ПИД-регулятора;

2. разработана структура регулятора системы управления движением, продемонстрировавшей приемлемые качественные показатели при отработке отклонения движения от заданной траектории;

3. проведен сравнительный анализ разработанной системы управления на основе нечеткой лотки с предикторным управлением и установлено близкое совпадение полученных результатов при прочих равных условиях;

4. определены направления синтеза системы управления движением автомобиля аппаратными средствами на основе разработанного программного решения, что может быть использовано для повышения надежности путем построения резервного контура управления;

5. решена задача управления дистанцией между движущимися автомобилями в транспортном потоке.

Практическая ценность полученных результатов

Разработанные алгоритмы управления скоростью коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания и движения автомобиля показали в сравнении с алгоритмами известных способов решения данных задач ряд преимуществ.

Так алгоритм нечеткого управления скоростью коленчатого вала отличается в сравнении с ПИД-регулированием меньшей максимальной ошибкой при отработке возмущений связанных с изменением нагрузки.

Алгоритмы нечеткого управления движением автомобиля показали стабильность характеристик переходного процесса в широком диапазоне скоростей движения автомобиля. При этом качество переходного процесса, не уступая предикторному управлению, не требует дополнительной подстройки параметров. Нельзя не отметить, что сам алгоритм может быть реализован аппаратными средствами, что способствует повышению безопасности движения, увеличивая надежность за счет решения проблемы отказов программного обеспечения.

Достоверность этих результатов была подтверждена синтезом управления на основе нечеткой логики нелинейным техническим объектом (космический аппарат) математическая модель которого, в отличие от модели ДВС, допускает точное аналитическое решение. Сравнение нечеткого управления и аналитического решения показало высокую степень совпадения.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были вынесены на обсуждение:

1. на заседаниях аттестационной комиссии ежегодной аттестации аспирантов кафедры "Автоматика информатика и системы управления" ГОУ МГИУ;

2. на пятой юбилейной Всероссийской конференции "Дистанционное зондирование земли из космоса";

3. на восьмой международной конференции ЮНЕСКО "Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения";

4. преподавателями кафедры "Автомобили и двигатели" ГОУ МГИУ;

5. часть результатов, полученных в рамках проведенного диссертационного исследования, была внедрена в ЗАО "Болид-сервис".

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 научных трудов из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура диссертации и содержание работы

Работа состоит из введения и шести глав и приложения.

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цели и задачи диссертационного исследования.

Показано что вождение автомобиля является сложной задачей, тем не менее, допускающей выделение трех уровней иерархии управления: тактического, оперативного и стратегического (Рис. 1).

Рис. 1. Декомпозиция задачи вождения автомобиля.

Каждый уровень призван решать свои специфические задачи. Тактический уровень отвечает за соблюдение безопасной дистанции, управление скоростью и траекторией движения автомобиля. Каждая из указанных задач может быть разбита на более простые, иерархически связанные подзадачи. На самом низком уровне иерархии находятся: управление скоростью ДВС, управление торможением и рулевое управление. Средний уровень иерархи позволяет решать задачи управления скоростью и направлением движения автомобиля. Высший уровень иерархии решает задачи управления боковым смешением автомобиля относительно заданной траектории движения и управления дистанцией до впередиидущего автомобиля. На вход тактического уровня управления поступает информация об ограничениях скорости движения,

безопасной дистанции до впередиидущего автомобиля и желаемой траектории движения.

Оперативный уровень решает задачи связанные с безопасным следованием заданному маршруту движения. Он ответственен за принятие решения об обгоне впередиидущего автомобиля, осуществляет анализ дорожной ситуации, принимает решение о смене полосы, изменении скорости движения и безопасной дистанции до впередиидущего автомобиля.

Стратегический уровень осуществляет прокладку оптимального маршрута движения при заданных желаемых ограничениях времени пути и затратах топлива, с учетом загруженности различных улиц и основных магистралей городской дорожной сети, заданных ограничений скорости и пр.

При этом водитель имеет возможность в любой момент вмешаться в процесс управления, отключив часть или все контуры автоматического управления и взяв на себя управляющие функции.

В диссертационной работе особое внимание обращено на решение задач тактического уровня (управление скоростью ДВС, управление дистанцией до впередиидущего автомобиля, управление направлением движения и боковым смещением относительно заданной траектории движения). Задачи оперативного и стратегического уровней управления являются трудно-формализуемыми и в рамках диссертационной работы были отнесены к области деятельности человека.

В первой главе рассматриваются основные методы, используемые для построения систем управления сложными техническими объектами, а также произведен краткий обзор различных средств автоматизации и систем управления, нашедших свое применение в современном автомобиле.

Во второй главе приведена математическая модель двигателя внутреннего сгорания. Из этой модели следует, что двигатель представляет собой сложный объект, в основе функционирования которого лежит множество различных по своей природе явлений - химических, газо- и термодинамических, механических. Каждый из указанных процессов описывается линейными и нелинейными дифференциальным уравнениями.

Ар, ^ к,-\(<!0, Л V, [ Л

+ 1Ж.<0б.

'«ЧЛ1 к _хР, л

к, (¡V,

0)

¿со Л

где р, - давление в /-м цилиндре двигателя; к, - постоянная адиабаты рабочего тела; V, - текущий объем цилиндра двигателя; 0 - суммарное количество теплоты, подведенное к рабочему телу; А„(,.)( - энтальпия топливовоздушной смеси, поступающей через ; -й впускной канал вместе с потоком ; А, - энтальпия отработавших газов, выходящих из цилиндра двигателя через /-й выпускной канал вместе с потоком ; л, , пг -

количество впускных и выпускных каналов на один цилиндр; т' — масса

рабочего тела, находящегося в цилиндре двигателя; , ; ж», ти - массовые доли и массы свежего заряда и продуктов сгорания в цилиндре двигателя

соответственно; — цикловой расход топлива; а - коэффициент избытка воздуха; - масса воздуха, необходимая для полного сгорания топлива; х, -доля выгоревшего топлива; а - скорость вращения коленчатого вала двигателя; Гр - площадь днища поршня; р'{<р), - коэффициент приведения скорости вращения вала двигателя к скорости перемещения поршня; рш - давление в картере двигателя; рш - условное давление механических потерь в двигателе; Мг - момент нагрузки, приложенный к коленчатому валу двигателя; Д -радиус кривошипа; - частная производная кинетической энергии кривошипно-шатунного механизма по обобщенной координате <р ; -суммарная масса деталей, участвующих во вращательном движении, приведенная к коленчатому валу двигателя; 1к - момент инерции коленчатого вала двигателя; <р - угол положения коленчатого вала двигателя.

Где первое уравнение описывает изменение давления в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания, изменяющееся при сгорании свежего заряда и в процессах тепло- и газообмена. Второе уравнение описывает изменение массы свежего заряда и отработавших газов в процессе газообмена. Третье и четвертое - изменение соотношения свежего заряда и отработавших газов в цилиндрах двигателя. Пятое и шестое описывают кинематику и динамику механической части двигателя внутреннего сгорания.

Процессы газообмена во впускном коллекторе двигателя описываются аналогичной системой дифференциальных уравнений.

dgn ^ 1 (dmn dm А dt тД dt 8n dt J где pk - давление во впускном коллекторе; kt - постоянная адиабаты газовой смеси во впускном коллекторе; h„ — энтальпия воздуха и отработавших газов (при обратном забросе) поступающие во впускной коллектор двигателя

dt ' tf '

(2)

вместе с потоком воздуха G,, проходящего через дроссельную заслонку; hk -энтальпия газовой смеси, покидающей впускной коллектор через впускные органы газораспределительной системы двигателя вместе с потоком GkV) , каждого / -го впускного клапана; N - общее количество впускных клапанов двигателя; mt - масса газовой смеси, находящейся во впускном коллекторе;

> г - массовые доли воздуха и продуктов сгорания, находящихся во впускном коллекторе, соответственно; ти, тп - масса воздуха и. продуктов сгорания, находящихся во впускном коллекторе, соответственно.

Первые два уравнения описывают изменение давления и массы смеси свежего заряда и отработавших газов во впускном коллекторе в процессах газообмена с внешней средой и цилиндрами двигателя.

Последние два уравнению описывают соотношение количества свежего заряда и отработавших газов.

Данная математическая модель является нелинейной (в силу нелинейности газодинамических процессов, горения и теплопереноса), а также содержит неизвестные параметры (момент нагрузки, суммарное количество теплоты, подведенное к рабочему телу и пр.).

В третьей главе рассматривается построение системы управления скоростью вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.

Вследствие указанных причин, приведенная выше математическая модель не может быть использована для синтеза системы управления методами линейной теории автоматического управления, робастного и адаптивного управления базирующимися на анализе объекта управления в пространстве состояний. Однако это обстоятельство не является препятствием для использования нечеткой логики, позволяющей также задействовать в процессе синтеза управления опыт человека-оператора. В этом случае приведенная математическая модель используется для проверки результатов такого синтеза методом математического моделирования. Параметры математической модели использованной для моделирования соответствовали двигателю ЗИЛ 130.

Результатом выполнения работы в рамках данной главы явился синтез двух систем управления скоростью коленчатого вала ДВС с ПИД и нечетким регулятором соответственно. Эти системы имеют идентичные характеристики (перерегулирования, время регулирования) переходного процесса в одном -выбранном режиме работы двигателя (разгон от оборотов холостого хода 86 с'1 (821 об/мин) до 250 с"1 (2387 об/мин)). Результаты сравнения обоих систем управления в режиме стабилизации при воздействии возмущающего момента возрастающего линейно приведены на Рис. 2,3 ив Табл. 1.

и

Рис. 2. Переходной процесс работы двигателя с ПИД-регулятором при разных скоростях возрастания нагрузки (1, 2, 4, б, 9, 10, ¡2 и 14 Н-м/с).

Рис. 3. Переходной процесс работы двигателя с нечетким регулятором при разных скоростях возрастания нагрузки (1, 2, 4, б, 8, 9,10, 12 и 14 (Н-м)/с).

Таблица 1. Максимальная ошибка регулирования для нечеткого и ПИДрегуляторов в

ПИД-регулятор Нечеткий регулятор

М {(Н-м)/с] Лй> [с"1] Дю [с"']

1 1,3 1,1

2 2,5 1,9

4 4,8 3,1

6 7,2 4

8 9,7 6

10 12,4 7Д

12 14,7 7,8

14 17,6 9,1

Из Табл. 1 следует, что при небольшой скорости изменения возмущающего момента характер переходного процесса (время регулирования и максимальная ошибка) для ПИД и нечеткого регуляторов отличается незначительно. Возрастание скорости изменения момента приводит к проявлению существенного преимущества нечеткого регулятора, заключающегося в меньшей максимальной ошибке, зафиксированной за время моделирования.

Интерес представляет случай, когда возмущающий момент нагрузки изменяется мгновенно. Такие возмущения возможны при набросе нагрузки на вал двигателя. Поэтому на втором этапе сравнение производилось в условиях ступенчато изменяющегося возмущающего момента нагрузки. Результаты моделирования приведены шРис. 4,5 к Табл. 2.

Рис. 4. Переходной процесс работы Рис. 5. Переходной процесс работы

двигателя под управлением ПИД-регулятора двигателя под управлением нечеткого при разном моменте нагрузки (5, 10, 20, 30, регулятора при разном моменте нагрузки (5, 40, 50 и 60 Ем). 10,20, 30, 40, 50и60 Нм).

Таблица 2. Время регулирования и максимальная ошибка для нечеткого и ПИД регуляторов в режиме стабилизации при различном моменте нагрузки

М [Я-*]

Время реагирования Г [с]

ПИД-регулятор

Максимальная ошибка А со [с"1]

Нечеткий регулятор

Время

регулирования Т [с]

Максимальная ошибка Аа [с'1]

10 20 30 40 50 60

3,7 4,6

5.5

6.6 7,1 7,5

3.2

6.3

12.5

18.6 24,7 30,7 36,7

3,2

3.8

4.1 4,4

4.2

4.9 5,4

2,6 5,1 10 14,4 18,6

23.3

28.4

Из Табл. 2 следует, что при малом возмущающем моменте характер переходного (время регулирования и максимальная ошибка) процесса для нечеткого и ПИД регуляторов отличается незначительно. При возрастании момента начинают отчетливо проявляться преимущества нечеткого управления, заключающиеся в меньшей максимальной ошибке и меньшем времени регулирования при отработке возмущений.

Проведенное сравнение свидетельствует о преимуществах нечеткого управления при обеспечении наиболее важных показателей качества. Однако, управление, реализованное простыми аппаратными средствами с использованием ПИД-регулятора, может быть использовано для построения резервного контура управления, работающего параллельно нечеткому.

В четвертой главе приведен пример синтеза системы управления траекторией движения автомобиля.

В качестве объекта управления была рассмотрена двухколесная математическая модель криволинейного движения автомобиля.

Рис. 6. Двухколесная модель автомобиля

где тг — масса автомобиля, кг; V, — скорость движения центра масс автомобиля относительно оси х, м/с; 5ПН - коэффициент приведения массы автомобиля к валу двигателя; МЛ - крутящий момент двигателя, Нм; -передаточный коэффициент трансмиссии; тц - КПД трансмиссии; гк - радиус качения колеса, м; £ — ускорение свободного падения, м/с2; К, — сила сопротивления качению, Н; - сила аэродинамического сопротивления воздуха, Н; - сила сопротивления криволинейному движению, Н; -скорость движения центра масс относительно оси у, м/с; куъ1 - коэффициент сопротивления боковому уводу переднего моста; к^ - коэффициент сопротивления боковому уводу заднего моста; /, - расстояние от центра масс до переднего моста, м; /2 - расстояние от центра масс до заднего моста, м; в>г -скорость вращения автомобиля относительно оси г , с"1; 0 - угол поворота передних колес; Jг - момент инерции автомобиля относительно оси г, кг-м2.

В качестве закона управления моментом на валу двигателя для подержания заданной скорости использовался закон, синтезированный с помощью метода обратной динамики:

где р - постоянная, определяющая скорость схождения алгоритма управления к оптимальному, при котором реакция на ступенчатое управляющее воздействие будет описываться экспоненциальной функцией вида V, (() = V* (1 - е~х'), где V* — желаемая скорость движения автомобиля; X — величина обратная постоянной времени переходного процесса изменения

МЛ = |р(4»° - ю(о)- <й(о)л +М1

-о

(4)

скорости, с"1; М° - начальная величина движущего момента, Н*м.

Поставленная задача была решена с использованием двух методов — предикторного управления (управления с предсказанием) и нечеткого управления.

Напомним, что сущность метода предикторного управления заключается в построении функционала качества прогнозирующего поведение объекта управления в зависимости от используемого управления на заданном интервале времени и нахождении управления из условия минимизации этого функционала относительно управляющего воздействия.

о

где уд(0 - желаемое положение автомобиля относительно дороги; у(г) -прогнозируемое положение автомобиля относительно дороги; - интервал времени прогнозирования.

При этом для прогнозирования положения автомобиля используется упрощенная линейная математическая модель с постоянными коэффициентами. Недостаток такого представления модели обусловлен необходимостью решения задачи идентификации этих коэффициентов.

Результаты математического моделирования работы предикторной и нечеткой системы управления, настроенной с использованием генетического алгоритма, приведены на Рис. 7, 8 и в Табл. 3,4.

—'"и

№ Щ к щ

г } *"*

го

Рис. 7. Изменение ошибки положения автомобиля при испытаниях предикторной системы управления на скоростях 100 км/ч, 80 км/ч и 60 км/ч.

0.8 0,7 0,6 0,5

0,3 0,2 0,1 о -0,1

-

—

' Г

1

........ —

20 Т п

30 35 40

Рис. 8. Изменение ошибки положения автомобиля при испытаниях нечеткой системы управления на скоростях 100 км/ч, 80 км/ч и 60 км/ч.

Скорость движения, км/ч Гр Л^а! Дистанция обзора, м Средняя квадратичная ошибка Максимальная ошибка на всем интервале, м Максимальная установившаяся ошибка, м

60 1,48 148 24.67 0,02848 0,629 0,134

80 1,71 171 38 0,02842 0,7 0,083

100 1,95 195 54,17 0,02442 0,766 0,021

Таблица 4. Результаты моделирования работы нечеткой системы управления.

Скорость, Максимальная Максимальная

км/ч ошибка на всем установившаяся

интервале, м ошибка, м

60 0,853 0,028

80 0,758 0,022

100 0,722 0,016

Сравнение предикторной и нечеткой систем управления, при отработке синусоидального входного воздействия с амплитудой 1 м и скоростью 1 с'1, для скоростей движения 60 и 80 км/ч и 100 км/ч, показало: меньшую установившуюся ошибку при нечетком управлении, а также относительное постоянство этой ошибки при изменении скорости движения.

В соответствии со строительными нормами СНиП 2.05.02-85 ширина полосы движения не может быть меньше 3 м, при этом ширина автомобиля ограничивается допустимой величиной 2,5 м. ГОСТ 23457-86 разрешает в ряде случаев уменьшение ширины полосы движения до 2,75 м, при условии ограничений допускающих движение только легкового транспорта. Таким образом, установившаяся ошибка при работе нечеткой системы управления находится в пределах допустимой погрешности.

В пятой главе рассматривается вопрос построения нечеткой системы управления дистанцией до впередиидущего автомобиля, позволяющей автоматизировать решение указанной проблемы.

В настоящее время на зарубежных автомобилях получила применение так называемая система круиз-контроля. Эта система решает задачу поддержания скорости заданной водителем. Таким образом, практический интерес состоит в возможности использования такой системы для управления дистанцией до впередиидущего автомобиля.

Упомянутая выше система управления скоростью движения автомобиля играет при этом роль "привода", отрабатывающего задающее входное воздействие, в роли которого выступает желаемая скорость движения, формируемая контурами синхронизации скорости движения и управления дистанцией в зависимости от скорости и расстояния до впередиидущего автомобиля.

Поскольку основную протяженность дорожных сетей занимают участки прямолинейного движения, а дистанция между движущимися автомобилями обычно не превышает десятков метров, при решении задачи управления дистанцией автомобиль можно рассматривать в качестве материальной точки подверженной воздействию движущей силы Р и силы сопротивления Ра:

= (6)

ш

где та — масса автомобиля;

Я - перемещение автомобиля;

Г - движущая сила, действующая на автомобиль;

Г, - сила сопротивления качению передних и задних колес автомобиля.

При этом сила сопротивления качению передних и задних колес зависит как от загруженности автомобиля (его массы), так и от скорости движения:

^^Л.Н/Д (7)

где g - ускорение свободного падения, м/с2;

Ь — длина автомобиля от переднего до заднего моста, м; /., - коэффициент сопротивления качению переднего моста; /а1 - коэффициент сопротивления качению заднего моста; /, - расстояние от центра масс автомобиля до переднего моста, м; /2 - расстояние от центра масс автомобиля до заднего моста /2 =£-/,, М.

Л=/о(1 + (0.0216у,)2), (8)

где /0 - коэффициент сопротивления качению при движении автомобиля с малой скоростью; V, - скорость движения колес 1-го моста автомобиля в направлении качения, м/с.

Интерес представляет нечеткое управление, обладающее рядом преимуществ, среди которых: меньшая чувствительность к изменению параметров объекта управления, простота встраивания априорных знаний об управлении заданным объектом, полученных человеком-оператором, а также возможность работы в условиях больших возмущений.

Начальная дистанция между автомобилями во время моделирования их движения была установлена равной 5 м.

Настройка регуляторов осуществлялась с помощью генетического алгоритма, при этом оба регулятора настраивались совместно.

На Рис. 9 приведены графики переходного процесса полученные, при выполнении разгона впередиидущего автомобиля с последующим торможением, для различных дорожных условий. Д5\м

дистанций при моделировании работы наилучшего решения, полученного с помощью генетического алгоритма.

Из данного графика видно, что система управления выполняет возложенную на нее функцию поддержания заданной дистанции до впередиидущего автомобиля и обеспечивает безопасную остановку в случае его торможения.

Шестая глава посвящена вопросу аппаратной реализации нечеткого управления.

Было показано, что нечеткий регулятор может быть представлен в виде поверхности отклика, описывающей зависимость управляющего воздействия от входных переменных регулятора.

В качестве метода решения данной задачи была применена аппроксимация поверхности отклика нечеткого регулятора совокупностью согласованных по нулевым производным плоскостей, представляющих собой геометрическую интерпретацию ПИД-регулятора.

и = хС,+ уС2 + гСъ + СА (9)

где С, - коэффициент усиления пропорциональной части;

С1 — коэффициент усиления интегральной части;

С3 — коэффициент усиления дифференциальной части;

С„ - смещение.

В общем виде схема, реализующая аппроксимацию произвольной поверхности отклика нечеткого регулятора использующего управление по величине, интегралу и скорости изменения ошибки может быть представлена в виде Рис. 10.

Она содержит множество ПИД регуляторов, реализующих вычисление управляющего воздействия; селектор и коммутатор, осуществляющий

подключение того или иного ПИД-регулятора в зависимости от сигнала, принимаемого с селектора.

Конструкция селектора зависит от выбранного метода аппроксимации поверхности (или в случае нечеткого регулятора с тремя входами и одним выходом - гиперповерхности) отклика. Здесь можно выделить следующие случаи:

1. Поверхность аппроксимируется четырехугольными полигонами, гиперповерхность - четырехугольными многогранниками;

2. Поверхность аппроксимируется треугольными полигонами, гиперповерхность - треугольными многогранниками.

В первом случае, ограничившись рассмотрением четырехугольных полигонов или многогранников, проекции которых на плоскости ХУ и ХУ, У^Ь, УЪ соответственно будут представлять собой прямоугольники, селектор будет представлять собой схему, реализующую проверку неравенств вида:

^¿х<х2 у^у<у2 7,<2<22 (10)

Рис. 10. Блок схема аппаратной реализации поверхности отклика.

у X z

Рис. 11. Схема проверки произвольной точки [xyz] на принадлежность к четырехугольному многограннику.

Во втором случае, когда аппроксимация осуществляется треугольными полигонами с вершинами ABC, селектор будет осуществлять проверку неравенств вида:

ABCD.

Когда аппроксимация осуществляется треугольными многогранниками с вершинами в точках АВСБ, селектор будет осуществлять проверку неравенств вида:

2 - С\АВСх + СглосУ + Слоен 1 — + ^^мУ + ^ажо г>^лвсх+^'2АвсУ^^-лзса О 2) Поскольку аппаратная реализация проверки неравенств требует использования операционных усилителей для построения компараторов, схем суммирования и усиления, в диссертационной работе произведен анализ сложности необходимых схем в виде зависимости количества операционных усилителей от числа использованных для аппроксимации полигонов или многогранников.

Для произвольных четырехугольных полигонов: Для параллелограммов:

Для произвольных четырехугольных многогранников: 1+ 5Ы > пп„р > ЪМ

(13)

(14)

(15)

Для четырехугольных многогранников с проекциями на плоскости ХУ, У2,, YZ в виде прямоугольников:

(16) (17)

"стр =МХ+ N:f + К,

Для треугольных полигонов:

3 + 6 Ы>п,

>4,5//

Для треугольных многогранников:

4 + 12Л^> птр!атр

где N - количество полигонов или многогранников; п - количество операционных усилителей.

Для проверки предложенного способа аппроксимации была проведена проверка путем моделирования системы управления движением автомобиля с заменой нечеткого регулятора направления движения на его аппроксимацию из 95 треугольных многогранников.

Аппроксимация выполнялась с помощью генетического алгоритма. Результаты аппроксимации наглядно представлены на Рис. 13.

Ч I ' — ' 1 1 I I I I

• • 10 И Н 10*

а) б)

Рис. 13. Поверхности отклика нечеткого регулятора курса а) и его аппрокешшция б) с помощью гиперповерхности, составленной из треугольных 95многогранников.

Результаты моделирования системы управления с полученной аппроксимации приведены на Рис. 14.

1.5

использованием

'О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рис. 14. Результаты моделирования Рис. 15. Результаты моделирования

работы системы управления движением с работы системы управления движением с заменой нечеткого регулятора курса на его заменой нечеткого регулятора курса на его аппроксимацию. аппроксимацию с дополнительной

коррекцией.

Данный график свидетельствует о потере симметричности аппроксимирующей поверхности относительно диагонали (Рис. 13), что при наличии интегратора приводит к накоплению ошибки. Введение поправки в выходной сигнал, получаемый с помощью аппроксимирующей поверхности, равной -1,4 град/с2 позволяет существенно улучшить результат.

В приложении представлен пример применения результатов исследований, проведенных в данной диссертационной работе, к решению задачи управления ориентацией околоземного космического аппарата. Приведена математическая модель космического аппарата (КА) как твердого тела. Выбор этого технического объекта продиктован следующими соображениями: поведение КА в динамике описывается нелинейной системой уравнений, допускающей в отличие от уравнений ДВС, точное аналитическое решение1.

Произведен синтез нечеткой системы управления ориентацией, робастной по отношению к наличию исходных угловых скоростей вращения аппарата и действию гироскопических сил. Сравнение с аналогичной системой управления построенной с использованием принципа компенсации по возмущению действующих гироскопических сил, показало несущественные отличия по быстродействию (25,58 и 25,6 с соответственно для начальных углов Крылова у(0)=34°, 6(0)=-7,5°, у(0)=16,5° и моментов инерции аппарата 11=250 (кг-м2), 12=200 (кг-м2), 1з=1 80 (кг-м2)) и энергетическим затратам (31,78 и 31,76 Н-м-с соответственно при тех же параметрах и начальных условиях).

В случае экстенсивного управления, полученного с использованием принципа максимума Понтрягина, быстродействие и энергетические затраты составили соответственно 20,17 с и 36,44 Н-м-с. Данный факт свидетельствует о

1 Алексеев КБ. Экстенсивное управление ориентацией космических летательных аппаратов. -

Машиностроение. 1977. -120 с.

М.:

том, что нечеткое управление не позволяет обеспечить максимального быстродействия. Однако оно имеет несколько важных отличий.

Экстенсивное управление предполагает, что ось мгновенного разворота КА при его ориентации остается неподвижной в базовой системе координат, кроме того для определения направления этой оси требуется обнуление угловых скоростей КА. При этом, закон управления формулируется в виде зависимости управляющих моментов от времени, по разомкнутой схеме. Данное обстоятельство снижает практическую значимость экстенсивного управления, так как отсутствие обратной связи при действии возмущений делает его неустойчивым. В случае предложенного нечеткого управления, КА может иметь произвольные начальные скорости, заданные по связанным осям координат, а управление осуществляется по замкнутой схеме.

Основные результаты и выводы

Повышение безопасности дорожного движения является важной социально-экономической задачей. Так как причиной большинства дорожно-транспортных происшествий является человеческий фактор, ее решение настоятельно диктует необходимость автоматизации процесса вождения автомобиля, уменьшающей влияние свойств и характеристик водителя.

Нечеткая логика в этом случае является наиболее эффективным инструментом для синтеза систем управления.

В процессе выполнения данной диссертационной работы:

1. Выполнен синтез системы нечеткой управления скоростью ДВС, математическая модель которого, в силу нелинейности и наличия неопределенных параметров, не позволяет использование существующих методов линейной теории автоматического управления.

2. Произведено сравнение нечеткого управления с управлением, синтезированным на основе ПИД-регулирования, и показано преимущество первого способа, заключающиеся в более высоком качестве переходного процесса при воздействии возмущений.

3. Произведен синтез системы управления движением автомобиля. Верность выбранного подхода подтверждается сравнением с известным аналогом (системой предикторного управления). Сравнение показало, что нечеткое управление позволяет достигнуть аналогичных или лучших показателей качества переходного процесса при прочих равных условиях без необходимости дополнительной подстройки параметров регулятора в зависимости от скорости движения и идентификации параметров математической модели автомобиля. Что делает использование нечеткого управления более предпочтительным.

4. Метод нечеткого управления был опробован при решении задачи управления дистанцией до впередиидущего автомобиля.

5. Был предложен метод реализации нечеткого управления аппаратными средствами путем аппроксимации поверхности отклика нечеткого регулятора ПИД-регулятором с изменяемой структурой. Была рассмотрена структура такого ПИД-регулятора и схемы аппаратной реализации наиболее важных его узлов. Произведен анализ позволивший вывести оценки сложности этих схем в зависимости от

20

числа ПИД-регуляторов составляющих регулятор с изменяемой структурой.

6. Для подтверждения результатов нечеткого управления была решена задача управления сложным нелинейным техническим объектом (на примере системы ориентации космического аппарата), допускающая аналитическое решение. Результаты сравнения аналитического и нечеткого способа продемонстрировали хорошее совпадение.

Список основных научных трудов по теме диссертации

1. Алексеев К.Б., Малявин A.A. Управление скоростью вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания на базе нечеткой логики // Машиностроение и инженерное образование. 2007. №1. С. 14-24.

2. Алексеев К.Б., Малявин A.A. Синтез регулятора скорости вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания на основе нечеткого управления//Машиностроение и инженерное образование. 2007. №12. С. 34-37. (из перечня изданий рекомендованных ВАК)

3. Алексеев К.Б., Малявин A.A., Шадян A.B. Экстенсивное управление ориентацией околоземного спутника на основе нечеткой логики // Доклад V юбилейной Всероссийской конференции "Дистанционное зондирование Земли из космоса". М.: ИКИ РАН, 2007.

4. Алексеев К.Б., Малявин A.A., Шадян A.B. Экстенсивное управление ориентацией космического аппарата на основе нечеткой логики // Полет. 2009. №1. С. 47-53. (из перечня изданий рекомендованных ВАК)

5. Алексеев К.Б., Малявин A.A., Палагута К.А. Сравнительный анализ предикторного и нечеткого управления движением автомобиля //Мехатроника, автоматизация, управление, 2009, №5, стр. 36-45. (из перечня изданий рекомендованных ВАК)

6. Алексеев К.Б., Малявин A.A., Яфутов Р.В. Нечеткая система управления дистанцией между движущимися автомобилями // Доклад VIII международной конференции ЮНЕСКО "Молодые ученые -промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения". М.: ГОУ МГИУ, 2009.

7. Алексеев К.Б., Малявин A.A., Яфутов Р.В. Нечеткая система управления дистанцией между движущимися автомобилями// Машиностроение и инженерное образование. 2010. №2. С. 37-45. (из перечня изданий рекомендованных ВАК)

Малявин Александр Анатольевич

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ АВТОМОБИЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Автореферат

Подписано в печать 18.02.11 Формат бумаги 60x84/16 Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100. Заказ № 46

Издательство МГИУ, 115280, Москва, Автозаводская, 16 www.izdat.msiu.ru; e-mail: izdat@msra.ru; тел. (495) 620-39-90

Введение.

Глава 1. Состояние проблемы по теме работы.

Глава 2. Описание модели двигателя внутреннего сгорания.

§2.1. Модель механических процессов в двигателе.

§2.2. Модель рабочих процессов в цилиндре поршневого двигателя.

§2.2.1. Химический состав и термодинамические характеристики рабочего тела.

§2.2.2. Процессы газообмена, горения и теплообмена в цилиндрах двигателя.

§2.2.3. Процессы газообмена во впускном коллекторе.

§2.3. Математическая модель двигателя и ее параметры.

Глава 3. Система управление скоростью вращения коленчатого вала двигателя

§3.1. Структура нечеткой системы управления.

§3.2. Процедура нечеткого вывода.

§3.3. Выбор правил управления, настройка параметров.

§3.4. Моделирование системы управления с нечетким регулятором.

§3.5. Применение ПИД-регулирования для аппроксимации нечеткого регулятора.

Выводы.

Глава 4. Система управления движением автомобиля.

§4.1. Математическая модель автомобиля как объекта управления.

§4.2. Предикторное управление.

§4.3. Нечеткое управление.

§4.4. Независимая настройка нечетких регуляторов.

§4.5. Совместная настройка нечетких регуляторов.

Выводы.

Глава 5. Система управления дистанцией до впередиидущего автомобиля.

§6.1. Безопасная дистанция между движущимися автомобилями.

§6.2. Упрощенная модель движения автомобиля.

§6.3. Структура нечеткой системы управления.

§6.4. Методика настройки нечетких регуляторов синхронизации скорости и управления дистанцией.

§6.5. Независимая настройка нечетких регуляторов.

§6.6. Совместная настройка нечетких регуляторов.

Выводы.

Глава 6. Реализация нечеткого управления аппаратными средствами.

§6.1. Алгоритм нечеткого вывода.

§6.2. Аппроксимация поверхности отклика нечеткого регулятора, регулятором с изменяемой структурой.

§6.2.1. Способы аппроксимации поверхности отклика.

§6.2.2. Общая схема аппаратной реализации поверхности отклика.

§6.2.3. Использование ПИД-регулятора с изменяемой структурой в качестве резервного контура управления.

§6.2.4. Регулятор управления направлением движения автомобиля.

Проблема безопасности дорожного движения является исключительно актуальной. В наши дни, когда автомобильный транспорт стал одним из важнейших факторов, влияющих на состояние и развитие экономики (за 2007 год, на автомобильный транспорт пришлось около 72% всего объема (в тоннах) перевозок грузов и свыше 50% перевозок пассажиров [1]), снижение количества дорожных происшествий является одной из важнейших задач государственного значения. Ее решение связано с совершенствованием и развитием трех компонентов, образующих единую систему: водитель-автомобиль-дорога. В этой системе основная роль принадлежит водителю, который выполняет функции по контролю положения автомобиля на дороге, управлению скоростью и взаимодействию с другими участниками дорожного движения.

С ростом скоростей и увеличением интенсивности транспортных потоков выполнение этих функций стало приводить к возрастающей физиологической и психической нагрузке на водителя. О чем свидетельствует удручающая статистика дорожно-транспортных происшествий. Так, в 2007 году ущерб от дорожно-транспортных происшествий, по данным Межрегионального общественного центра "За безопасность российских дорог", составил около 500 миллиардов рублей [2], при этом погибло более 30 тыс. и было ранено почти 300 тыс. человек [1]. Эти факты показывают необходимость облегчения труда водителя и создания более благоприятных условий для обработки информации, воспринимаемой им в процессе вождения автомобиля. С этой целью были разработаны как простые механические, гидравлические и пневматические устройства (гидравлические и пневматические тормоза, гидравлический усилитель руля и пр.), так и сложные электронные и микропроцессорные системы управления (анти-блокировочная система, система управления подвеской, адаптивный круиз-контроль, система управления курсовой устойчивостью и пр.). Производилось совершенствование дорожного покрытия и оснащения дорог (разметка с светоотражателями, дорожные ограждения и пр.). Большое внимание уделялось организационно-правовым формам регулирования дорожного движения, приведшим к созданию современной системы лицензирования права управления транспортными средствами и развитию правил дорожного движения.

Однако эти меры не привели к полному решению проблемы безопасности, поскольку главной причиной большинства дорожно-транспортных происшествий является человеческий фактор [3,4], что вынуждает искать решение на пути автоматизации труда водителя.

Многочисленные исследования [5-10] убедительно показывают, что внедрение средств автоматизации управления транспортными средствами позволяет существенно уменьшить риск дорожно-транспортных происшествий и сократить количество аварий связанных с гибелью людей.

Так по данным Национального Управления Безопасности Дорожного Движения США [7] автомобили, оборудованные системой управления курсовой устойчивостью (Electronic stability control) попадают реже в аварии: с участием одного автомобиля — на 26%; сопряженные с выездом за пределы дорожного покрытия - на 45%; связанные с опрокидыванием транспортного средства — на 64%; с участием двух и более транспортных средств - на 13%. Кроме того, на 26% реже участвуют в столкновениях с пешеходами, велосипедистами и животными. Общее число дорожно-транспортных происшествий при этом снижается на 8%.

В работе [5], в результате анализа информации об авариях 13987 автомобилей необорудованных и 5671 - оборудованного системой управления курсовой устойчивостью за период с 1998 по 2002 годы, установлено, что последние на 11,8% реже попадают в аварии связанные с лобовым столкновением нескольких автомобилей, на 51,6% реже - в аварии с участием одного автомобиля.

Согласно исследованию [10] оборудование всех автомобилей США системой адаптивного круиз-контроля (Adaptive Cruise Control) позволит снизить число автомобильных аварий с человеческими жертвами на 59,6%.

Данные обстоятельства дают основания полагать, что создание замкнутой человеко-машинной системы, в которой функции по информационному обеспечению процесса вождения, выполняемые в настоящее время водителем, возлагаются на регулятор, будет способствовать повышению безопасности дорожного движения. Попытки построения такого регулятора на основе классической теории автоматического управления не дали желаемых результатов. Так, одним из наиболее исследованных способов автоматического управления движением автомобиля является предикторное управление (Model Predictive Control), основанное на использовании упрощенной линейной модели движения автомобиля. Данный способ не получил практического применения. Во-первых, по причине нелинейностей, определяющих реальный процесс движения автомобиля. Во-вторых, вследствие неопределенности целого ряда параметров (масса автомобиля, коэффициенты сопротивления уводу колес и пр.). Одним из возможных способов решения данной проблемы, получивших применение в последнее время, является способ управления на основе нечеткой логики.

Вождение автомобиля является сложной задачей, допускающей выделение трех уровней иерархии управления: тактического, оперативного и стратегического {Рис.1).

Каждый уровень призван решать свои специфические задачи. Тактический уровень предназначен для управления узлами и агрегатами автомобиля в процессе движения. Оперативный уровень — обеспечивает следование заданному маршруту. Стратегический уровень - предназначен для планирования оптимального маршрута движения.

Оперативный уровень

Ограничение скорости

Дистанция

Желаемая траектория 1

Тактический уровень

Управление дистанцией

Управление боковым смещением

Управление скоростью автомобиля

Управление направлением движения

Управление ДВ(^,

Упра^леи^е ркорЙстью ДВС

Упрадпепйе .торможением

Рулрвой' .управление

Ручное управление

Рис.1. Декомпозиция задачи вождения автомобиля.

Тактический уровень позволяет предоставить простой и удобный интерфейс для решения задач оперативного уровня. В процессе движения автомобиля можно выделить участки прямолинейного и криволинейного движения с различной скоростью. При этом автомобиль должен соблюдать безопасную дистанцию до впередиедущих участников дорожного движения. Решение данных задач составляет основу тактического уровня управления. Каждая из указанных задач может быть разбита на более простые, иерархически связанные подзадачи. На самом низком уровне иерархии находятся: управление скоростью ДВС, управление торможением и рулевое управление. Они представлены специальными системами управления, представляющими собой "приводы" управления ДВС, торможением и положением управляемой колесной пары. Средний уровень иерархи позволяет решать задачи управления скоростью и направлением движения автомобиля. Высший уровень иерархии решает задачи управления боковым смещением автомобиля относительно заданной траектории движения и управления дистанцией до впередиедущего автомобиля. На вход тактического уровня управления поступает информация об ограничениях скорости движения, безопасной дистанции до впередиедущего автомобиля и желаемой траектории движения.

Оперативный уровень решает задачи связанные с безопасным следованием заданному маршруту движения. В частности, он ответственен за принятие решения об обгоне впередиедущего автомобиля, осуществляет анализ дорожной ситуации (разметки, дорожных знаков, сигналов светофоров и других участников движения и пр.), принимает решение о смене полосы, изменении скорости движения и безопасной дистанции до впередиедущего автомобиля.

Стратегический уровень осуществляет прокладку оптимального маршрута движения при заданных желаемых ограничениях времени пути и затратах топлива, с учетом загруженности различных улиц и основных магистралей городской дорожной сети, заданных ограничений скорости и др. особенностей.

При этом водитель должен иметь возможность в любой момент вмешаться в процесс управления, отключив часть или все контуры автоматического управления и взяв на себя управляющие функции.

Автор данной диссертационной работы сосредоточил свое внимание на решении задач тактического уровня (управление скоростью ДВС, управление дистанцией до впередиедущего автомобиля, управление направлением движения и боковым смещением относительно заданной траектории движения). Задачи оперативного и стратегического уровней управления являются трудно-формализуемыми и в рамках диссертационной работы были отнесены к сфере деятельности человека.

Целью диссертационной работы является повышение безопасности дорожного движения, что достигается путем синтеза автоматизированной системы управления движением автомобиля. При таком подходе к решению этой проблемы основные функции по управлению движением возлагаются на автоматическую систему, оставляя за водителем приоритетное право принятия решений в случае возникновения непредвиденных ситуаций. В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие задачи:

1. выбор математических моделей двигателя внутреннего сгорания и автомобиля, на основе которых выполняется исследование процессов управления;

2. обоснование способа управления скоростью коленчатого вала двигателя;

3. синтез алгоритма управления скоростью вращения коленчатого вала на основе нечеткой логики;

4. анализ качественных показателей, полученных при управлении с использованием нечеткого регулятора, и сравнение с показателями, полученными для системы управления с ПИД-регулятором;

5. синтез управления движением автомобиля по криволинейной траектории на дороге с нанесенной разметкой;

6. сравнение результатов, полученных для нечеткого и предикторного управления движением автомобиля, как известного аналога, используемого для решения подобных задач;

7. разработка системы управления дистанцией до впередиидущего автомобиля;

8. разработка методики аппаратной реализации синтезированных нечетких регуляторов.

Актуальность темы

Актуальность темы исследования обусловлена большой социально-экономической значимостью задачи повышения безопасности движения.

Методы исследований

В процессе исследований использовались методы теории булевой алгебры, нечеткой логики, математической статистики, теории автоматического управления, математического моделирования.

Научная новизна

Состоит в такой организации процесса вождения, при которой основные функции по управлению движением автомобиля возлагаются на автоматическую систему. Ручное управление используется водителем в случае необходимости. При этой организации процесса управления нагрузка на водителя оказывает меньшее влияние на процесс вождения, сохраняя за ним приоритетное право на принятие окончательных решений.

При работе над этой автоматической системой были получены следующие научные результаты:

1. синтезированы нечеткие системы управления движением автомобиля, и скоростью вращения коленчатого вала двигателя;

2. разработана инженерная методика реализации нечеткого управления аппаратными средствами;

3. получено решение задачи управления дистанцией до впередиидущего автомобиля на основе нечеткой логики;

4. показаны преимущества использования нечеткой логики для решения задач управления движением автомобиля;

5. выполнено обоснование применения генетических алгоритмов для синтеза нечеткой системы управления движением автомобиля.

Личный вклад автора

Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:

1. синтез системы управления двигателем на основе нечеткой логики, позволивший получить лучшие качественные показатели при сравнении с системой, построенной на основе ПИД-регулятора;

2. разработана структура регулятора системы управления движением, продемонстрировавшей приемлемые качественные показатели при отработке отклонения движения от заданной траектории;

3. проведен сравнительный анализ разработанной системы управления на основе нечеткой логики с предикторным управлением и установлено близкое совпадение полученных результатов при прочих равных условиях;

4. определены направления синтеза системы управления движением автомобиля аппаратными средствами на основе разработанного программного решения, что может быть использовано для повышения надежности путем построения резервного контура управления;

5. решена задача управления дистанцией между движущимися автомобилями в транспортном потоке.

Следует также отметить, что достоверность результатов исследования, кроме сравнения с известным аналогом - предикторной системой управления, была проверена путем применения предложенной методики для синтеза управления нелинейным объектом на примере управления вращательным движением космического аппарата.

Практическая ценность полученных результатов

Разработанные алгоритмы управления скоростью коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания и движения автомобиля показали в сравнении с алгоритмами известных способов решения данных задач ряд преимуществ.

Так алгоритм нечеткого управления скоростью коленчатого вала отличается в сравнении с ПИД-регулированием меньшей максимальной ошибкой при отработке возмущений связанных с изменением нагрузки.

Алгоритмы нечеткого управления движением автомобиля показали стабильность характеристик переходного процесса в широком диапазоне скоростей движения автомобиля. При этом качество переходного процесса, не уступая предикторному управлению, не требует дополнительной подстройки параметров. Нельзя не отметить, что сам алгоритм может быть реализован аппаратными средствами, что способствует повышению безопасности движения, увеличивая надежность за счет решения проблемы отказов программного обеспечения.

Достоверность этих результатов была подтверждена синтезом управления на основе нечеткой логики нелинейным техническим объектом (космический аппарат) математическая модель которого, в отличие от модели ДВС, допускает точное аналитическое решение. Сравнение нечеткого управления и аналитического решения показало высокую степень совпадения.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были вынесены на обсуждение:

1. на заседаниях аттестационной комиссии ежегодной аттестации аспирантов кафедры "Автоматика информатика и системы управления" ГОУ МГИУ;

2. на пятой юбилейной Всероссийской конференции "Дистанционное зондирование земли из космоса";

3. на восьмой международной конференции ЮНЕСКО "Молодые ученые — промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения";

4. преподавателями кафедры "Автомобили и двигатели" ГОУ МГИУ;

5. часть результатов, полученных в рамках проведенного диссертационного исследования, была внедрена в ЗАО "Болид-сервис".

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 научных трудов из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Алексеев К.Б., Малявин A.A. Управление скоростью вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания на базе нечеткой логики // Машиностроение и инженерное образование. 2007. №1. С. 14-24.

2. Алексеев К.Б., Малявин A.A. Синтез регулятора скорости вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания на основе нечеткого управления // Машиностроение и инженерное образование. 2007. №12. С. 34-37. (из перечня изданий рекомендованных ВАК)

3. Алексеев К.Б., Малявин A.A., Шадян A.B. Экстенсивное управление ориентацией околоземного спутника на основе нечеткой логики // Доклад V юбилейной Всероссийской конференции "Дистанционное зондирование Земли из космоса". М.: ИКИ РАН, 2007.

4. Алексеев К.Б., Малявин A.A., Шадян A.B. Экстенсивное управление ориентацией космического аппарата на основе нечеткой логики // Полет. 2009. №1. С. 47-53. (из перечня изданий рекомендованных ВАК)

5. Алексеев К.Б., Малявин A.A., Палагута К.А. Сравнительный анализ предикторного и нечеткого управления движением автомобиля //Мехатроника, автоматизация, управление, 2009, №5, стр. 36-45. (из перечня изданий рекомендованных ВАК)

6. Алексеев К.Б., Малявин A.A., Яфутов Р.В. Нечеткая система управления дистанцией между движущимися автомобилями // Доклад VIII международной конференции ЮНЕСКО "Молодые ученые -промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения". М.: ГОУ МГИУ, 2009.

7. Алексеев К.Б., Малявин A.A., Яфутов Р.В. Нечеткая система управления дистанцией между движущимися автомобилями// Машиностроение и инженерное образование. 2010. №2. С. 37-45. {из перечня изданий рекомендованных ВАК)

Выводы

Для решения поставленной задачи разработано два алгоритма нечеткого управления: первый формирует прикладываемый к аппарату момент Мк , осуществляющий его разворот вокруг мгновенной оси Эйлера с заданной точностью, второй определяет момент М8к , необходимый для устранения скорости "ухода" оси разворота аппарата в процессе переориентации.

Заключение

Повышение безопасности дорожного движения является важной социально-экономической задачей. Поскольку причиной большинства дорожно-транспортных происшествий является человеческий фактор, решение данной проблемы не возможно без полной или частичной автоматизации труда водителя. Ее вершиной является создание системы автоматического вождения автомобиля. Однако современный уровень развития техники и теории автоматического управления не позволяет надеяться на полное устранение человека из контура управления автомобилем в обозримом будущем. Таким образом, возникает необходимость создания человеко-машинной системы управления движением автомобиля.

Поскольку весь автомобиль и его отдельные агрегаты описываются нелинейными дифференциальными уравнениями с неопределенными параметрами применение "классических" методов теории автоматического управления (частотный синтез, модальное управление, оптимальное и робастное управление), опирающихся на анализ математической модели объекта управления, сталкивается с рядом известных трудностей.

Применение нечеткой логики позволяет избежать анализа математической модели, значительно сокращая время на разработку системы управления.

В процессе выполнения данной диссертационной работы был произведен синтез системы управления скоростью ДВС, математическая модель которого, в силу нелинейности и наличия неопределенных параметров, не позволяет использование существующих методов линейной теории автоматического управления. Результаты выполнения этой задачи были использованы для синтеза системы управления движением автомобиля. Верность выбранного подхода подтверждается сравнением с известным аналогом (системой предикторного управления). Сравнение показало, что нечеткое управление позволяет достигнуть аналогичных или лучших показателей (время регулирования, установившаяся ошибка) без необходимости дополнительной

-158подстройки параметров регулятора в зависимости от скорости движения и идентификации параметров математической модели автомобиля. Что делает использование нечеткого управления более предпочтительным.

Метод нечеткого управления был опробован при решении задач управления дистанцией до впередиидущего автомобиля и переориентации околоземного космического аппарата (КА). Последняя задача представляет интерес, поскольку математическая модель КА является существенно нелинейной, тем не менее, допускающей аналитическое решение при ряде упрощений. В процессе исследования было показано что применение нечеткой логики для компенсации эффектов действия гироскопических сил при переориентации КА позволяет достичь идентичных результатов по времени регулирования и энергетическим затратам, по сравнению с управлением по возмущению - с полной компенсацией гироскопических сил. Кроме того использование нечеткого управления позволило сделать систему управления робастной по отношению к наличию остаточных угловых скоростей движения КА в момент предшествующий началу процесса переориентации.

В настоящее время зарубежными компаниями предлагаются микроконтроллеры, реализующие аппаратную поддержку нечеткой логики. Использование такого решения позволяет значительно повысить быстродействие программы, реализующей функции нечеткого регулятора, однако не решает проблемы программных сбоев. Наличие которых может привести к полной или частичной потере работоспособности системы управления. В диссертационной работе был предложен метод реализации нечеткого управления аппаратными средствами путем аппроксимации поверхности отклика нечеткого регулятора нелинейным ПИД-регулятором с изменяемой структурой. Была рассмотрена структура такого ПИД-регулятора и схемы аппаратной реализации наиболее важных его узлов. Произведен анализ позволивший вывести оценки сложности этих схем в зависимости от числа ПИД-регуляторов составляющих регулятор с изменяемой структурой.

1. Федеральная Государственная Служба Статистики http://www.gks.ni/wps/portal/lut/p/.cmd/cs/.ce/70A/.s/7034D/ th/J 0 . СН/s.7 О А/7 0 FL/ s.7О А/7 О 34D

2. Межрегиональный общественный центр "За безопасность российских дорог" http://zadorogi.rU/press/pressrelise/data/iclaw/5/

3. Пугачев И.Н. Организация и безопасность движения: Учеб. Пособие. — Хабаровск: Изд-во Хабар. Гос. Ун-та, 2004. — 232 с.

4. Э.Р. Домке Введение в специальность "Организация и безопасность движения": Учебное пособие. — Пенза: ПГУАС, 2006. — 166 с.

5. Bahouth, G. "Real world crash evaluation of vehicle stability control technology", Proceeding of the Association for the Advancement of Automotive Medicine. 2005. Vol. 49, P. 19-34.

6. Dang, Jennifer N. "Statistical analysis of the effectiveness of electronic stability control (ESC) systems Final report", NHTSA. Technical Report DOT HS810 794. July 2007.

7. Eric R. Teoh. "Effectiveness of antilock braking systems in reducing fatal motorcycle crashes", Insurance Institute for Highway Safety, March 2009.

8. Antilocks no longer associated with fatal crash increase. Insurance Institute for Highway Safety. Status Report April 15,2000. Vol. 35, No. 4, P. 6.

9. Sebastian Silvani, Douglas Skorupski, Ryan Stinebiser etc. "Independent evaluation of electronically controlled breaking systems", NHTSA. DOT HS811 078. Feb. 2009.

10. Автомобильный справочник / Bosh; Пер. с англ. 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Изд-во ЗАО "КЖИ «За рулем»", 2004. - 992 с.

11. Сига X. Введение в автомобильную электронику: Пер. с яп. / X. Сига, С. Мидзутана. М.: Мир, 1989. - 232 с.

12. Б.С. Науменко Бортовые автоматизированные системы управления скоростью транспортной машины. Ставрополь, 1999. — 245 с.

13. М.Ю. Рачков Измерительные устройства автомобильных систем. — М.: Изд-во МГИУ, 2007. 139 с.

14. Современная теория управления. Ю. Ту. Пер. с англ. Я.Н. Гибадулина, Под ред. В.В. Солодовникова. — М.: "Машиностроение", 1971.

15. Дж.К. Ньютон, JI.A. Гулд, Дж.Ф. Кайзер Теория линейных следящих систем. Аналитические методы расчета. Пер. с англ. Ю.П. Леонова и С.Я. Раевского, Под ред. A.M. Летова. М.: Физ Мат Лит, 1961. - 407 с.

16. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. - 560 с.

17. Леоненков A.B. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. -СПб.: БХВ-Петерберг, 2005. 736 с.

18. Яхъяева Г.Э. Нечеткие множества и нейронные сети. М.: Интернет-Университет Информационных Технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006.-316 с.

19. Хайкин, Саймон Нейронные сети: полный курс, 2-е изд., испр.: Пер. с англ. М.: ООО "И.Д. Вильяме", 2006. - 1104 с.

20. Синицын И.Н. Фильтры Калмана и Пугачева. М.: Университетская книга, Логос, 2006. - 640 с.

21. Колемаев В.А., Калинина В.Н. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 352 с.

22. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ: в 2-х кн. М.: Финансы и статистика, 1986-1987.

23. И.Е. Агуреев Анализ и синтез динамических характеристик многоцилиндровых поршневых двигателей внутреннего сгорания /дисс. д.т.н.: 05.04.02 Тула, 2003.

24. H.B. Григорьева Влияние нестационарных явлений на статические и динамические характеристики двигателей внутреннего сгорания /дисс. к.т.н.: 05.04.02 Тула, 2005.

25. Б.А. Миртов Газовый состав атмосферы земли и методы его исследования. -М.: Издательство Академии Наук СССР 1961. - 262 с.

26. Сеначин П.К. Моделирование процессов самовоспламенения и горения в ограниченных объемах и двигателях внутреннего сгорания, /дисс. д. физ.-мат. наук.: 05.04.02-Барнаул, 1998.

27. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для вузов. /Д.Н. Вырубов, H.A. Иващенко, В.И Ивин и др. Под общ. ред. A.C. Орлина, М.Г. Круглова. -М.: Машиностроение, 1983.-372 с.

28. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур: Пер. с англ. Ю.А. Данилова и В.В. Белого М.: Мир, 2002.

29. Кузьмина И.В. Математическое моделирование рабочих процессов многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием /дисс. к.т.н.: 05.04.02 Тула, 2000.

30. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: Учебник для вузов/В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. — 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 2005.-400 с.

31. Вибе И.И. Теория двигателей внутреннего сгорания: конспект лекций. Челябинск, 1974. 252 с.

32. Р.З. Кавтарадзе Локальный теплообмен в поршневых двигателях: учеб. Пособие для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

33. В.А. Синицын Физические условия и математическое моделирование локального теплообмена в ДВС /дисс. д. физ.-мат. наук.: 05.04.02 Барнаул, 1995.

34. Р.З. Кавтарадзе Локальный теплообмен в камере сгорания дизелей /дисс. д.т.н.: 05.04.02-Москва, 1991.

35. Петриченко. P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в ДВС — Л.: Изд-во ленинградского университета, 1983. 244 с.

36. Мигуш С.А. Алгоритмы адаптивного управления инжекторными двигателями внутреннего сгорания /дисс. к.т.н.: 05.13.01 — СПб: 2005.

37. Russell John David, Rutkowski Brian D. Speed Control Method, U.S. Patent #6,962,139, 2005.

38. Lehner Vera, Melchior Gerard Method and arrangement for controlling the torque of an internal combustion engine, U.S. Patent #5,765,527, 1997.

39. M.E. Губичев Разработка адаптивной микропроцессорной системы автоматического управления двигателем внутреннего сгорания/ Дис. . канд. техн. наук: 05.13.07 — Москва, 1989.

40. Чернецкий В.О., Чернецкая И.В. Анализ и синтез систем управления с нечеткой логикой: Учебное пособие Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2002.

41. Ю.А. Кораблев, М.Ю. Шестопалов Системы управления с нечеткой логикой СПб., 1999.

42. Hans Mauser, Erwin Thurner Electronic Throttle Control A Dependability Case Study //Journal of Universal Computer Science, 1999 Issue 10 p. 730-741.

43. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: Учебник для вузов /В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г.

44. Шатров и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. М.: Высш. шк., 2005.

45. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 3. Компьютерный практикум. Моделирование процессов ДВС: Учебник для вузов /В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Т.Ю. Кричевская и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. — М.: Высш. шк., 2005.

46. Гостев В.И. Синтез нечетких регуляторов систем автоматического управления — Киев: Радюаматор, 2003.

47. Ang К.Н., Chong G., Li Y. РШ control system analysis, design, and technology // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2005. Vol. 13. No. 4. P. 559-576.

48. Ziegler J.G., Nichols N.B. Optimum settings for automatic controllers // Trans. ASME. 1942. Vol. 64. P. 759-768.

49. В. Денисенко ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации // СТА, 2006, №4; 2007, №1.

50. В. Денисенко ПИД-регуляторы: вопросы реализации // СТА, 2007, №4; 2008, №1.

51. В.П. Тарасик Теория движения автомобиля: Учебник для вузов. СПб.: БХВ-Петербург, 2006. - 478 с.

52. Г.А. Смирнов Теория движения колесных машин: Учеб. Для студентов машиностроит. спец. вузов. 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Машиностроение, 1990. - 352 с.

53. П.Д. Крутько Обратные задачи динамики управляемых систем: нелинейные модели. -М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1988.

54. П.Д. Крутько Обратные задачи динамики управляемых систем: линейные модели. М.: Наука, 1987.

55. П.Д. Крутько Обратные задачи динамики в теории автоматического управления. М.: Машиностроение, 2004. — 573 с.

56. Steven D. Keen, David J. Cole, "Steering Control Using Model Predictive Control and Multiple Internal Models", The 8th International Symposium on Advanced Vehicle Control, 2006.

57. MacAdam, С. C. (1980) 'An Optimal Preview Control for Linear Systems', J. Dyn. Sys. Measur. Control, 102, P. 188-193.

58. MacAdam, С. C. (1981). Application of an optional preview control for simulation of closed-loop automobile driving, IEEE Transections on Systems, Man and Cybernetics, SMC-11(6), P. 393-399.

59. Универсальный механизм 4.0: Руководство пользователя. http://www.umlab.ru/downloadrus.htm

60. Вороновский Т.К., Махотило К.В., Петрашев С.П., Сергеев С.А. Генетические алгоритмы, искусственные нейронные сети и проблемы виртуальной реальности.—X.: ОСНОВА, 1997.

61. Holland, John Н. Adaptation in Natural and Artificial Systems. Ann Arbor, MI: University of Michigan Press 1975.

62. Mitchell, Melanie. An Introduction to Genetic Algorithms. MIT Press, 1996.

63. Goldberg, David. Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning. Addison-Wesley, 1989.

64. Koza, John R. Genetic Programming: A Paradigm for Genetically Breeding Populations of Computer Programs to Solve Problems. Stanford University Computer Science Department. Technical Report STEN-CS-90-1314. June 1990.

65. B.M. Андрейчук Советы начинающему автолюбителю Киев: "Техника", 1984.-40 с.

66. Chia-Shang Liu, Huei Peng Road Friction Estimation For Vehicle Path Prediction //Vehicle System Dynamics, Vol. 25 Suppl., 1996, pp. 413-425.

67. Takahashi Akira Road friction coefficient estimating apparatus for vehicle, U.S.

68. Patent #6526804, May 30, 2001.

69. Matsuno Koji Road friction coefficient estimating apparatus and vehicle equipped with road friction coefficient estimating apparatus, U.S. Patent #6556911, June 18, 2001.

70. Jang, J.-S. R., "ANFIS: Adaptive-Network-based Fuzzy Inference Systems," IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Vol. 23, No. 3, pp. 665685, May 1993.

71. Мустафаев Г.А., Тешев Р.Ш. Влияние ионизирующего излучения на параметры изделий электронной техники. Методические разработки. -Нальчик, Каб.-Балк. Ун-т, 2004. 32 с.

72. Раушенбах Б.В., Токарь Е.Н. Управление ориентацией космических аппаратов. М.: Наука. 1974. - 600 с.

73. Кузовков Н.Т. Системы стабилизации летательных аппаратов (баллистических и зенитных ракет). М.: Высшая школа, 1976. — 304с.

74. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления: Учебник / К.А. Пупков, Н.Д. Егупов, А.И. Ильин и др.; Под ред. Н.Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 744 с.

75. Алексеев К.Б. Экстенсивное управление ориентацией космических летательных аппаратов. -М.: Машиностроение. 1977. — 120 с.

76. Алексеев К.Б., Переев И.В., Шадян А.В. Сравнение способов ориентации космического аппарата по критериям быстродействия и расхода топлива. // Машиностроение и инженерное образование. 2008. №1.