本發(fā)明涉及車輛防滑領域。更具體地說，本發(fā)明涉及一種車用防滑布砂系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術：

汽車業(yè)的發(fā)展給人們的生產和生活帶來了巨大的變化。同時，雨雪、冰凍等惡劣天氣造成的冰雪路面給行車帶來困難，易出現交通事故，甚至高速公路關閉。目前的解決辦法為：1、輪胎上安裝防滑鏈，但防滑鏈斷裂，對于輕型車，客運車輛尤其是小轎車等幾乎無法安裝防滑鏈。2、還有很多防滑劑播撒裝置，不宜推廣。

技術實現要素：

本發(fā)明目的是提供一種車用防滑布砂系統(tǒng)，砂箱內儲存的砂子通過排砂管排出，排砂管上安裝控制排砂量的布砂器，實現精確控制散落至冰滑路面的砂量。

本發(fā)明還有一個目的是提供一種車用防滑布砂系統(tǒng)的控制方法，調整布砂器的轉動角度調整布砂機構的出砂量，并利用模糊PID控制器實現精準控制。

為了實現根據本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種車用防滑布砂系統(tǒng)，包括：

控制單元，包括出砂量調控裝置，用于設定布砂系統(tǒng)的出砂量；

控制器，其連接控制單元，所述控制器接收控制單元的出砂量數據并將出砂量數據轉換成驅動信號；

布砂機構，其連接控制器，所述布砂器接收控制器的驅動信號并控制出砂量；

其中，所述布砂機構安裝在車輪前進方向的前端。

優(yōu)選的是，所述布砂機構包括：砂箱和布砂器，所述砂箱用于儲存和排出干砂，所述布砂器安裝在砂箱的排砂管上。

優(yōu)選的是，所述砂箱包括：排砂管，包括第一排砂管和第二排砂管，所述第一排砂管上開設徑向安置孔，所述第二排砂管固定連接所述第一排砂管，所述第二排砂管末端設置有噴砂頭，所述噴砂頭用于向車輪前進方向的前端排出砂子；其中，所述布砂機構通過安置孔連接第一排砂管。

優(yōu)選的是，所述砂箱包括：高料位傳感器，其固定在所述砂箱的內壁上端，用于探測砂箱內砂子是否到達高料位；低料位傳感器，其固定在所述砂箱的內壁下端，用于探測砂箱內砂子是否到達低料位其中，所述高料位傳感器和低料位傳感器連接控制器，當砂子的料位到達高料位，控制器發(fā)出高料位警報；當砂子的料位到達低料位，控制器發(fā)出低料位警報。

優(yōu)選的是，所述布砂器包括：布砂器主體，其設置在第一排砂管內，所述布砂器主體用于截斷第一排砂管的通路；支撐桿，其一端伸入安置孔并固定連接所述布砂器主體，所述支撐桿用于帶動布砂器主體轉動；步進電機，其固定連接所述支撐桿的另一端，用于驅動所述支撐桿轉動；其中，所述布砂器主體上開設用于砂子通過的布砂孔，所述布砂孔隨布砂器主體轉動，從而調整第一排砂管內砂子通過的有效面積。

本發(fā)明的目的還通過一種車用防滑布砂系統(tǒng)的控制方法來實現，包括以下步驟：

步驟1、調節(jié)出砂量調控按鈕使出砂量為Q，控制器將出砂量轉換成步進電機的驅動信號N：

步驟2、步進電機接收驅動信號，帶動布砂器相對于第一排砂管轉動，使布砂孔的軸線與第一排砂管的軸線之間的角度為θ；

步驟3、檢測噴砂頭流出砂子的實際出砂量Q_t，用模糊PID控制器對實際流量進行校正使其等于出砂量Q。

模糊PID控制器輸入出砂量Q與實際出砂量Q_t的偏差、偏差變化率，輸出PID的比例系數、比例積分系數和微分系數的增益，比例系數、比例積分系數和微分系數增益輸入PID控制器進行誤差補償控制。

優(yōu)選的是，所述偏差的論域為[-1,1]，對應的定量化因子為1；偏差變化率的論域為[-3,3]，對應的定量化因子為1；輸出比例系數增益的論域為[-1,1]，對應的定量化因子為0.06；比例積分系數增益的論域為[-2,2]，對應的定量化因子為0.01；微分系數增益論域為[-1,1]，對應的定量化因子為0.00025；

所述偏差、偏差變化率分為9個等級，模糊集為{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}；

所述比例系數增益、比例積分系數增益和微分系數增益分為9個等級，模糊集為{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}。

優(yōu)選的是，所述模糊PID控制器的輸入偏差、偏差變化率的隸屬度函數采用三角形隸屬函數。

優(yōu)選的是，所述模糊PID控制器的輸出比例系數增益、比例積分系數增益和微分系數增益的隸屬度函數采用三角形隸屬函數。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：1、車輛安裝防滑布砂系統(tǒng)，防止在冰滑路面打滑，使駕駛更安全；2、布砂系統(tǒng)結構不復雜、易于實現并且便于安裝，適于大范圍應用；3、用模糊PID控制器對布砂系統(tǒng)進行調控，使砂量的偏差低于0.2％，大大提高布砂系統(tǒng)的精度。

本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的車用防滑布砂系統(tǒng)的結構示意圖。

圖2是本發(fā)明的布砂機構的剖視圖。

圖3是本發(fā)明的布砂器的剖視圖。

圖4為本發(fā)明的布砂器關閉砂箱的管路的結構示意圖。

圖5為本發(fā)明的模糊PID控制器的輸入偏差e_x的隸屬度函數圖。

圖6為本發(fā)明的模糊PID控制器的偏差變化率ec_x的隸屬度函數圖。

圖7為本發(fā)明的模糊PID控制器的比例系數增益ΔK_p的隸屬度函數圖。

圖8為本發(fā)明的模糊PID控制器的比例積分系數增益ΔK_i的隸屬度函數圖。

圖9為本發(fā)明的模糊PID控制器的微分系數增益ΔK_d的隸屬度函數圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

應當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

圖1示出了根據本發(fā)明的一種的實現形式，車用防滑布砂系統(tǒng)包括：控制單元、控制器和布砂機構，人工調節(jié)控制單元開啟、關閉或調整出砂量，控制器接收控制單元的信號并轉換為驅動信號，布砂機構接收驅動信號并進行相應動作。

如圖1所示，控制單元包括出砂量調控按鈕、砂量儀表盤、高料位報警燈和低料位報警燈，所述控制單元固定在車輛儀表控制區(qū)，用于手動調整布砂系統(tǒng)的出砂量，調控出砂量從0～11KG/h之間變化；所述砂量儀表盤用于顯示砂箱110內的砂子的質量；所述高料位報警燈用于警報砂箱110內砂子的料位達到高料位，其紅燈閃爍并發(fā)出報警聲，此時駕駛人員可以停止向砂箱110內加入砂子；所述低料位報警燈用于警報砂箱110內砂子的料位達到低料位，其綠燈閃爍并發(fā)出報警聲，此時駕駛人員需要向砂箱110加入砂子。

如圖1所示，控制器固定在車輛儀表控制區(qū)，其連接控制單元和布砂機構，當控制器接收控制單元的出砂量數據Q并將出砂量數據轉換成驅動信號N，并將驅動信號發(fā)送至布砂機構。

布砂機構100包括砂箱110、布砂器120，所述砂箱110用于儲存和排出干砂，所述布砂器120安裝在砂箱110的排砂管111上。其中，所述砂箱110包括排砂管111、安置孔112、噴砂頭113。排砂管111包括第一排砂管和第二排砂管，所述第一排砂管一端連接砂箱110的砂子出口上，另一端連接第二排砂管，所述第一排砂管為圓形金屬管道其內為砂子的流通通道，其中，所述第一排砂管上開設徑向安置孔112，所述安置孔112的內徑與布砂器120的外徑相匹配，用于放置布砂器120。所述第二排砂管為軟管并可根據需要連接成所需長度的管道，第二排砂管的一端連接第一排砂管，另一端固定連接噴砂頭113。噴砂頭113為砂子出口，其設置在所述車輪前進方向的前端，用于向車輪前方噴射砂子，起到防滑作用。砂箱110主體上開設砂子入口，其內用于儲存砂子。砂子從砂箱110主體內流出進入第一排砂管，進入第二排砂管后從噴砂頭113排出。

如圖3-4所示，布砂器120包括布砂器主體、布砂孔121、步進電機122和支撐桿123。其中，布砂器主體為球形，所述球形結構的直徑與第一排砂管的內壁過盈配合，并且球形結構抵靠在所述第一排砂管的內壁上，使布砂器主體能夠在第一排砂管內轉動，所述布砂器主體設置在對應于安置孔112的位置，用于截斷所述第一排砂管的砂子流通通道。其中，布砂器主體上開設徑向布砂孔121，所述布砂孔121通過球形結構的中心，所述布砂孔121隨布砂器主體轉動而轉動，當布砂孔121的軸線與第一排砂管的軸線平行，第一排砂管內形成通路；當布砂孔軸線轉動至與第一排砂管軸線垂直，第一排砂管形成斷路。支撐桿123，其一端通過安置孔112固定連接布砂器主體，其另一端固定連接步進電機122，所述支撐桿123用于定位布砂器主體，所述支撐桿123轉動帶動布砂器主體轉動，從而調整布砂孔121的位置從而調整出砂量。步進電機122通過支撐桿123帶動布砂器主體轉動，從而使布砂孔121軸線和第一排砂管的軸線的角度不同，從而調整布砂孔121隨布砂器主體轉動從而調整排砂量；步進電機122的步幅為l，經過反復調試當l＝0.5°時便于調整出砂量；步進電機122按照驅動信號N行動相同的步數，當驅動信號N為4時，驅動電機驅動4步。當第一排砂管內砂子滑落至安置孔112，安置孔112內布設的布砂器120阻擋砂子，砂子從布砂器120的布砂孔121內通過進入第二布砂孔，當布砂孔121的軸線與第一排砂管的軸線平行，第一排砂管內形成通路；當布砂孔軸線轉動至與第一排砂管軸線垂直，第一排砂管形成斷路，從而通過步進電機122調整布砂孔121的角度從而調整排砂量。

在另一實施例中，所述砂箱110主體內部安裝高料位傳感器115和低料位傳感器116，所述高料位傳感器115為電容式料位傳感器，當砂箱110內的砂子到達高料位時，高料位傳感器115感應到其料位，并電連接高料位報警器，高料位報警器的紅燈閃爍并發(fā)出報警聲，此時駕駛人員可以停止向砂箱110內加入砂子；所述低料位傳感器為電容式料位傳感器，當砂箱110內的砂子到達低料位時，低料位傳感器116感應到其料位，并電連接低料位報警器，低料位報警器的綠燈閃爍并發(fā)出報警聲，此時駕駛人員需要向砂箱110加入砂子。

在另一實施例中，所述布砂器120還包括定位墊圈，所述定位墊圈套設在所述支撐桿123上，用于定位和支撐布砂器主體，使布砂器主體的位置對應安置孔112。

布砂系統(tǒng)的工作原理為：從砂箱110的內加入砂子，當砂子達到高料位時，料位傳感器115發(fā)出警報，此時駕駛人員停止加入砂子。當駕駛人員遇到冰雪濕滑天氣，開啟布砂系統(tǒng)100的按鈕，并調節(jié)出砂量調控按鈕調節(jié)出砂量，控制器接收出砂量數據轉換成驅動信號N，并將驅動信號發(fā)送至布砂機構100，砂子從砂箱110內流出進入第一排砂管，步進電機122轉動至一定角度使砂子從布砂器120的布砂孔121內流出至第二排砂管，再從噴砂頭113排出至車輛輪胎前進方向的前端，使砂子鋪設在路面上，增加輪胎與路面的摩擦力，防止車輛打滑。

本發(fā)明還保護一種車用防滑布砂系統(tǒng)的控制方法，包括：

步驟1、調節(jié)出砂量調控按鈕使出砂量為Q，控制器將出砂量Q轉換成步進電機的驅動信號N：

$N=\frac{arccos({\mathrm{Qd}}^2/{\mathrm{\ϵr}}^2)}{l}---\left(1\right)$

其中，Q為手動調節(jié)的砂量調控按鈕的出砂量數據，單位為KG/h；d為砂子的粒徑，單位為mm；ε為砂子的孔隙率，無因次；r為布砂孔的半徑，單位為mm；l為步進電機的步幅，l＝0.5°即步進電機驅動一次其驅動布砂器120轉動0.5°，使布砂孔的軸線相對于第一排砂管的軸線轉動0.5°。

步驟2、步進電機122接收驅動信號，帶動布砂器120相對于第一排砂管轉動，使布砂孔121的軸線與第一排砂管的軸線之間的角度為θ；

θ＝N×l (2)

步驟3、用數字天平測量1分鐘內流出的砂子的質量并換算成一小時的實際出砂量Q_t，用模糊PID控制器對實際流量進行校正使其等于出砂量Q，具體方法為：

控制器中包括模糊PID控制器，其中，模糊控制器和PID控制器串聯；模糊PID控制器輸入出砂量Q與實際出砂量Q_t的偏差、偏差變化率，輸出PID的比例系數增益ΔK_p、比例積分系數增益ΔK_i和微分系數的增益ΔK_d，ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d輸入PID控制器進行誤差補償控制。

將模糊控制器的輸入出砂量Q與實際出砂量Q_t的偏差e_x、偏差變化率ec_x和輸出ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d進行模糊處理。在無控制時，偏差e_x的模糊集上的論域為[-1,1]，定量化因子為1；偏差變化率ec_x的模糊集上的論域為[-3,3]，設定量化因子都為1；輸出ΔK_p的模糊論域為[-1,1]，定量化因子為0.06；輸出ΔK_i的模糊論域為[-2,2]，定量化因子為0.01；輸出ΔK_d的模糊論域為[-1,1]，定量化因子為0.00025。為了保證控制的精度，實現更好的控制，反復進行實驗，確定了最佳的輸入和輸出等級，其中，最終將輸入偏差e_x、偏差變化率ec_x分為9個等級，模糊集均為{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}，隸屬度函數均采用三角形隸屬函數，隸屬度函數詳見圖5和6；所述比例系數增益ΔK_p、比例積分系數增益ΔK_i和微分系數增益ΔK_d分為9個等級，模糊集為{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}，隸屬度函數均采用三角形隸屬函，對應的隸屬度函數詳見圖7、8和9。其中，所述比例系數增益ΔK_p、比例積分系數增益ΔK_i和微分系數增益的模糊控制規(guī)則詳見表1-3。

表1ΔK_p的模糊控制表

表2ΔK_i的模糊控制表

根據模糊控制器的輸入偏差e_x、偏差變化率ec_x，用模糊控制規(guī)則表1、2和3得出模糊控制器的輸出量，輸出量經反模糊化得到精確值，即PID的ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d的增益，得到PID的三個修正控制參數K_p′、K_i′、K_d′：

K_p′＝K_p+ΔK_p (3)

K_i′＝K_i+ΔK_i (4)

K_d′＝K_d+ΔK_d (5)

其中，K_p′、K_i′、K_d′分別為PID控制的比例、比例積分和微分的修正后的參數；K_p、K_i、K_d分別為PID控制的比例、比例積分和微分的初始參數，經實驗反復確定，初始參數的取值分別為0.8、0.53、0.0008；ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d分別為PID控制的比例、比例積分和微分系數的增益。

PID控制器出砂量Q與實際出砂量Q_t的偏差e(t)輸入模糊控制器；

e(t)＝(Q-Q_t)_t (6)

輸出步進電機的控制信號N，控制算式為：

$N\left(t\right)={K_p}^{\′}\[e\left(t\right)+\frac{1}{{K_i}^{\′}}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(t\right)dt+{K_d}^{\′}\·\frac{de\left(t\right)}{dt}\]---\left(7\right)$

根據公式(7)輸出步進電機的控制信號，對布砂系統(tǒng)進行控制，使輸入出砂量Q與實際出砂量Q_t的偏差小于0.2％，大大提高布砂系統(tǒng)的精確度。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用。它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領域。對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改。因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。