一种面向应用的电动车窗防夹控制算法研究_罗婉丽

矩的对比曲线 ．滤波后得到的摩擦力矩名义值将从估计出的外部扰动力矩中分离出来 ，以减少摩擦力 矩对 障碍物阻挡力矩的影响 ．由于环境温度变化 、机构磨损和老化产生的摩擦力矩的波动归结到障碍物阻挡力 矩中 ． ２ ． ４ 防夹算法 防夹算法的基本思想是应用滑模估计器估 计 车 窗 的 外 部 扰 动 力 矩 ，并 根 据 实 验 确 定 摩 擦 力 矩 的 特 性 ， 设计滤波器和摩擦力矩的名义值 ，设定障碍物阀值并从估计力矩中分离出摩擦力矩 ，然后将分离之后 的结 果与我们之前设定的阀值进行比较 ，这样我们就可以判断出是否有障碍物 ．障碍物识别门限值可根据系统 对灵敏度和可靠性的设计要求确定 ．
ｄ ｉ （ ） ２ ω ＋ Ｋｅ ｄ ｔ 其中 ，电机的角速度ω 和电流 ｉ是可测量的 ，摩擦
ｖ＝Ｒ ｉ＋Ｌ
图 １ 等效车窗模型
致摩擦力矩的波动 ．路面干扰力矩是由于汽车行驶在波动路面上 ，路面的颠 簸 沿 着 轮 胎 、悬 架 传 递 到 车 窗 机构面产生的 ，其波动幅度和频率与路 面 状 况 密 切 相 关 ．障 碍 物 施 加 的 阻 挡 力 矩 是 随 机 的 ，力 矩 的 大 小 、 时间和作用方式都是不确定的 ． 本文讨论如何根据电机转速和电流测量信息对车窗不确定的外部扰动力矩进行估计的方法 ，为了提 高 系统对障碍物的识别 ，笔者从估计的干扰力矩中将摩擦力矩分离出来 ，以提高对路面干扰力矩和障碍物阻 挡力矩的估计精度 ．
响 ，并且这类基于力矩变化率的障碍物识别方法无法识别阻挡力矩缓慢增加的障碍物 ．因此 ，相关的研究大都 基于理想假设和仿真研究 ，没有进行实物模拟仿真实验 ，有些算法复杂度很高 ，也难以应用于工程实际 ． 在实际工程应用中 ，一般情况下复杂的控 制 系 统 都 是 非 线 性 的 ．因 此 ，如 鲁 棒 控 制 、自 适 应 控 制 等 算 法被广泛应用于工程实践中 ．为了解决这些问题 ，本文应用滑模估计技术直接对车窗不确定的外部扰动力 矩进行估计 ，并通过实验分析摩擦力矩的特性 ，确定对摩擦力矩的补偿方法 ，通 过 实 验 我 们 将 摩 擦 力 矩 从 系统中分离出来 ，这样就避免了摩擦力矩在系统识别中的影响 ．
２
Ｃ＝
Ｃ １
︵ －ｘ，我们可以得到估计误差的自适应方程 ） 、式 （ ）和估计误差ｅ ＝ ｘ 通过式 （ ３ ５ ｅ＝ （ Ａ －Ｌ Ｃ） ｅ＋Ｐ ｖ －Ｐ ｄ 定义滑模面
（ ） ７ （ ） ８
ｅ ｅ＝０ １ ＝Ｃ １ ） ， （ ） （ ） ， 根据式 （ 的误差动态方程为 式 和式 ６ ７ ８ ｅ １ Ｃ Ａ －Ｌ Ｃ） ｅ＋Ｃ Ｐ ｖ －Ｃ Ｐ ｄ＝ ｅ １ ＝ １（ １ １ ｓ ｉ ｎ ｅ Ｃ Ａ －Ｌ Ｃ） ｅ－ρ Ｐ ｄ ｇ １（ １ －Ｃ １
１ 问题描述
３ ４］ － 汽车车窗升降过程中 ，可能受到的外部力矩有摩擦力矩 、路面干扰力矩 、障碍物阻挡力矩等 ［ ．车窗
， 摩 擦力识别系统可简化为图１．图１中 ， ｖ， ｉ ω 分别代表系统识别中的驱动电压 、电枢电流 、电机角速度 ；系 统 中的 Ｋｅ， Ｋｔ， Ｒ， Ｌ， Ｊ 分别代表电压常数 、力矩常数 、电枢电阻 、电枢电感和驱动电机的转动惯量 ； Ｔｆ ， Ｔ ｒ，
①
第 １ 期 罗婉丽 ，等 ：一种面向应用的电动车窗防夹控制算法研究 ｄ Ｋｔ ｉ ＝ Ｊ ω ＋Ｔｆ （ ＋Ｔ ω） ｒ ＋Ｔ ｐ ｄ ｔ （ ） １
９ ７
力 矩 Ｔｆ ，路面干扰力矩 Ｔ ｒ 以及障碍物阻挡力矩Ｔｐ 都 无法直接测量 ． 具体到每一个车时 ，车窗受到的摩擦力矩是不同 的 ，并且环境温度的变化以及机构磨损和老化也会导
［ ］
２ ． ２ 滑模估计器设计 如果系统的未知输入关于测量输出是可观测的 ，那么应用滑模估计技术 ，系统可以自动地重构系统的
１ ０］ 未知输入 ［ ．
对于系统 ，由于 （ Ａ， Ｃ）是可观测的 ，且ｒ ａ ｎ Ｃ Ｐ ）＝ １，因此系统的未知 输 入 关 于 测 量 输 出 是 可 观 测 ｋ（ 的 ．设计滑模估计器
（ ） １ ２ （ ） １ ３
１ － ［ （ （ ） Ｃ Ｐ） Ｃ Ａ －Ｌ Ｃ） ｅ １－Ｐ（ １ ４ １ １］ １ － Ｃ Ｐ） Ｃ Ａ －Ｌ Ｃ）达到一种稳定的状态 ，由此可以使估计 １－Ｐ（ 由于 ［ １ １］ ≥ ０，这样改变 Ｌ，就可以使 （ 器进入实际的评估状态 ．
一旦系统到达滑模面 ，并且所有的状态都收敛到系统真实的状态之后 ，有
熿 ０
（ ） ３ （ ） ４
统的未知输入估计问题 ．
Ｋｔ 燄 ０ １ 熿 燄 熿 － 燄 １ Ｊ ０ Ｊ ， ， Ａ＝ Ｂ＝ １ ， Ｐ＝ Ｃ＝ Ｋｅ ０ １ Ｒ Ｌ燅 － － 燀 燀０ 燅 Ｌ Ｌ 燀 燅 基于系统的状态空间描述 ，电动车窗不确定的外部扰动力矩的估计问题 ，可以描述为对线性不确定系
第４ ０卷 第１期
西 南 师 范 大 学 学 报 （ 自然科学版 ）
５年１月 ２ ０ １ Ｊ ａ ｎ． ２ ０ １ ５

） Ｖ ｏ ｌ ． ４ ０ ｏ． １ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｗ ｅ ｓ ｔ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｎ ｙ（
（ ） １ ０ （ ） １ １
Ａ －Ｌ Ｃ） ｅ－Ｃ Ｐ ｄ‖ １（ １ ρ ＞ ‖Ｃ 由此得到 这样 就能维持在滑模状态 Ｖ ＜ ０． ｅ ． ）就变成如下形式 这样式 （ ９ １ － ｖ Ｃ Ｐ） Ｃ Ａ －Ｌ Ｃ） ｅ ｅ １ １（ ｑ ＝ ｄ－ （
因此 ，等效控制
１ － ｖ Ｃ Ｐ） Ｃ Ａ －Ｌ Ｃ） ｅ ｅ １ １（ ｑ ＝ ｄ－ （ ） （ ） ， 将式 （ 代入式 可获得在滑模面上的误差动态方程 １ ３ ７ １ － ］ Ａ －Ｌ Ｃ） ｅ＋Ｐ［ ｄ－ （ Ｃ Ｐ） Ｃ Ａ －Ｌ Ｃ） ｅ ｄ＝ ｅ ＝（ －Ｐ １ １（ １ － ］ ［ Ａ －Ｌ Ｃ ＋Ｐ（ Ｃ Ｐ） Ｃ Ａ －Ｌ Ｃ） ｅ＝ １ １（
汽车电动车窗防夹是为防止车窗自动上升时夹伤乘员而开发的技术 ，主要解决车窗自动上升时的障碍
１］ 物识别问题 ，使车窗对障碍物最大夹紧力小于规定的数值 ［ ．目前 ，国 内 外 已 有 很 多 关 于 障 碍 物 识 别 的 相 ２］ 关研究 ，多数是通过检测障碍物的力矩 、电流 、转速变化快慢来达到识别的目的 ［ ．近几年来 ，许多先进的 ３］ ４］ 、鲁 棒 控 制 ［ 、 控制算法出现 ，也出现了部分 关 于 汽 车 电 动 车 窗 防 夹 控 制 算 法 的 研 究 成 果 ，如 模 糊 控 制 ［ ５］ 等控制策略 ．但是这些研究大都进行了理想的假设 ，事 实 上 具 体 到 每 一 个 车 时 ，车 窗 受 到 的 自适应控制 ［ ］ ６－７ 摩擦力矩是不同的 ，并且环境温度的变化以及机构磨损和老化也会导 致 摩 擦 力 矩 的 波 动 ［ ．路 面 干 扰 力
１ － （ ］ ｅ → ０， ［ Ｃ Ｐ） Ｃ Ａ －Ｌ Ｃ） ｅ→０ １ １（ ） ， （ ） 基于式 （ 来估计未知输入 我们可以根据式 中的 １ ｖ ３ ６ ω －ω １ － ︵≈（ ︵ －Ｃ ） ｓ ｉ ｎ（ ｄ Ｃ Ｐ） Ｃ ｘ Ｘ） －（ ｇ １ １ １ ｅ ｑ ＝Ｊ ρ ρ｜ ω －ω｜ ＋δ
（ ） １ ５
（ ） １ ６
）中的δ 有关 ． 未知输入的估计精度与式 （ １ ６
２ ． ３ 摩擦力矩的处理 应用前面方法估计出的外部扰动力矩包括摩擦力矩 、路面干扰力矩和障碍物阻挡力矩 ，其中路面 干 扰 力矩和障碍物阻挡力矩难以分离 ．为了提高对路面干扰力矩和障碍物阻挡力矩的估计精度 ，本节讨论 摩 擦 力矩的分离方法 ． 由于实际车窗的摩擦特性不均匀 ，以及环境温度 变化 、机构磨损 和 老 化 导 致 橡 皮 条 的 摩 擦 特 性 变 化 ，
： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． １ ３ ７ １ ８ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｘ ｓ ｘ ｂ ． ２ ０ １ ５ ． ０ １ ． ０ １ ７ ｊ
一种面向应用的电动车窗防夹控制算法研究
罗婉丽１， 吴晓燕２
四川旅游学院 信息技术系 ，成都 ６ １． １ ０ １ ０ ０； ２．四川文理学院 计算机学院 ，四川 达州 ６ ３ ５ ０ ０ ０
］ ２ １ １－１ 使得摩擦力矩呈非线性和不确定特性 ［ ．
由于摩擦力矩难以直接测量 ，故实验时通过测量 车窗电机电流 和 转 速 并 根 据 式 （ 间 接 获 得 ．在 环 境 １） 温度 ２ ５ ℃ 时 的 计 算 结 果 如 图 ２ 所 示 ．图 ２ 中 摩 擦 力 矩的波动来源于车窗不同位置的摩擦系数不同和测量 ／ 噪声 ，为减少测量噪声的影响 ，在 ＭＡＴ Ｌ Ａ Ｂ Ｓ Ｉ ＭＵ－ 环境下对去掉直流分量之后的 摩 擦 力 矩 进 行了 Ｌ Ｉ ＮＫ 频谱特性分析 ，结果如图 ３ 所 示 ．根 据 摩 擦 力 矩 频 谱 分析结果 ，设计了带 宽 为 ５ Ｈ Ｉ Ｒ 低通滤波器以 ｚ的 Ｆ 消除摩擦力矩中的高频扰动 ．图 ４ 是滤波前后摩擦力 图 ２ 摩擦力矩的波动情况
２ 扰动力矩的滑模估计与防夹算法
２ ． １ 估计模型
Ｔ ）和 （ ）的状态空间描述 选取状态变量 ｘ ＝ ［ １ ２ ω ｉ］ ，式 （ ｘ＝Ａ ｘ ＋Ｂ ｕ ＋Ｐ ｄ
它是有界的 ．
ｘ ｙ ＝Ｃ ， （ ） ， 是可测量的 其中 ， 输出 ｕ ＝ｖ ｄ ＝ Ｔｆ ω ＋Ｔ ｄ 的物理意义表明 ｙ ｒ ＋Ｔ ｐ 是系统不确定的未知输入 ，
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摘要 ： 为避免人和物在电动车窗玻璃上升过程中被夹 伤 ，研 究 了 一 种 面 向 工 程 应 用 的 电 动 车 窗 防 夹 控 制 算 法 ．首 先应用滑模估计器对电动车窗不确定的外部扰动力矩 进 行 估 计 ，然 后 根 据 实 验 确 定 摩 擦 力 矩 的 特 性 ，并 结 合 频 谱 分析结果 ，探讨了将摩擦力矩从估计出的外部扰动力矩 中 分 离 出 来 的 方 法 ，提 高 了 对 路 面 干 扰 力 矩 和 障 碍 物 阻 挡 力矩的估计精度 ，进而给出了一种新的车窗防夹算法 ．实验结 果 表 明 ，该 方 法 可 行 、有 效 ，具 有 计 算 速 度 快 、易 于 实现 、占用内存少等优点 ，便于工程应用 ． 关 键 词 ： 夹紧识别 ；滑模估计器 ；力矩估计 ；摩擦力矩 （ ） 中图分类号 ：Ｔ ４ ７ ０ ９ ６ ７ ３ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ０ １ ２ ０ １ ５ １ ６ Ｐ ２ ５ ０ ０ － － －