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山东大学 硕士学位论文 汽车检测多功能综合试验台的应用研究 姓名：杜建明 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：贾智平 20070405 山东大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济的快速发展，我国的汽车保有量急速增加，汽车的发展给人们 的生活带来了方便，同时车辆带来的交通安全问题也变得日益突出。机动车技术 状况良好是车辆行驶安全的基本保证，机动车安全性能检测是保证车辆技术状况 的重要手段。制动性能检测是安全检测的重要项耳之一。 目前，国内汽车检测线上安装的汽车制动检测设备主要有两种。一种是滚筒 反力式制动试验台，另一种是平板式制动试验台，这两种设备在检测装有制动防 抱死系统的车辆时都存在一定的局限性，特别是滚筒反力式制动试验台，根本无 法检测装有A B s 系统的车辆。 本文建立了动态标定式惯性试验台的动力学模型，并对测试原理作了理论上 的分析和推导，同时在M 吼A B 中作了在各种测试条件下的仿真，并和滚筒反 力式制动试验台做了仿真对比试验，仿真的结果表明对装有A B S 系统的车辆测 试完全有效。最后给出了系统硬件部分和软件部分设计的总体思想，并在此基础 上提出了相应的设计方案，详细介绍了系统结构、工作原理和硬件结构。据此， 实现了基于A T 9 1 R M 9 2 0 0 的汽车检测设备的整套控制硬件和检测软件。测试试验 表明，利用此控制系统完全能够达到测试精度、满足实时性要求。而且此设备能 够作为检测线上的工位机来使用，完全实现了集制动性能、环保性能、动力性能 于一体的检测设备，节省了检测线的投入成本。 关键词：汽车检测；惯性：制动台；动态标定；l Ic D s - I I 山东大学硕士学位论文 A B S T R A C T A l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，t h ea u t 伽o b i l e r e t e n t i o n r a p i d l yg a i n i no u rc o I l l l t r y ，T h ea u t 锄o b i l eb r o u g h tt h e c o n v e n i e n c et ot h ep e o p l e s1 i f e ，A tt h es 锄et i m et h es a f ep r o b l e ma f t r a n s p o r t a t i o n c a u s e d b y a u t 伽o b i l e a l s ob e c 咖e i n c r e a s i n 9 1 y o u t s t a n d i n g T h eg o o d s t a t u so fa u t 咖o b i l ei sb 8 s i cg 【I a r a n t e ef o r a u t 咖o b i l ed r i v i n gs a f e l y ，蚰di t i ss i g l l i f i c 锄tm e t h o dt h a tt h es a f er u l l o fa u t o m o b i l ei sg u a r a n t e e db yc h e c k i n gt h eg o o do rb a ds t a t u s C h e c k i n g t h eb r a k e - p e r f o m a l l c eo f 叫t 伽o b i l ei so n eo ft h ei m p o r t a l l ti t e m A tp r e s e n t ，t h e r ea r et 们k i n do fa u t 锄o b i l et e s t i n ge q u i p m e n t s i n s t a l l e do n t oa u t 伽o b i l et e s t i n g1 i n ei nh 锄e l a r I d ei sr e V e r s e - f o r c e b r a l 【i n ge q u i p m e n t ，A n o t h e r i sf 1 8 t _ b r a l 【i n ge q u i p m e n t ，b u tt h e s et W o e q u i p m e n t sh 0 1 ds 伽el i m i t a t i o n sW h e nt h e ya r eu s e dt ot e s ta u t o m o b i l e i n s t a l l e dA B Ss y s t e 札 T h i sp a p e rs e tu pt h ef o r c e - m a t h e 雌t i c d e la n dt h e na n a l y s i st h ef o r c e m a t h e m a t i c m o d e li n t h e o r y T h i sp a p e r d i s c u s s e dt h a t t h e 叫t o m o b i l e t e s i n ge q u i p m e n t ss h o u l dp o s s e s sf u l l c t i o n ，a n d b r i n gu p p e dt h e t o t a lt h o u g h to ft h es y s t e mt l a r d W a r es o f t W a r ed e s i g n ，a I l di n t r o d u c e dt h e s y s t 恤c o n s t r u c t i o na n d W o r kp r i n c i p l e o nt h e s eg r o u n d s ，T h i sp 印e r r e a l i z e st h ee q u i p m e n t s sW h 0 1 ec o n t r 0 1h a r d w a r ea I l ds o f t 船r eb a s e do n A T 9 l R M 9 2 0 0 T h es o f 押a r es y s t e mp r i m a r i l yc o m p l e t e dt h et r a n s p l a n t a t i o n o f | IC 0 s I Io nt h eA T 9 1 R M 9 2 0 0 锄de m b e dr e a 卜t i m ed a t a b a s e ，岫i nc o n t r o 卜 m e t h o da n dn e t w o r kt h eL I Pn e g o t i a t e A c c o r d i n ge x p e r i m e n t ， t h i sc o n t r o lt h es y s t e mc a nc o m p l e t e l ya t t a i n t ot e s tt h ea c c u r a c ya n dr e a 卜t i m er e q u i r 铀e n t s I l dt h i se q u i p m e n t sc a I I b eu s e da s0 n eo fs 锄et e s t i n g - e q u i p m e n t s0 nt e s t 一1 i n e T h i se q u i p m e n t c o m p l e t e l y r e a l i z e s g a t h e r i n g t h ef u n c t i o n o f t e s t i n g t h e b r a k e - p e r f o r m a n c e卸d e n v i r o 妯e n t a l p r o t e c t i o n - p e r f o 珊a n c e a I l d d r i v i n g - p e r f o 瑚a n c eo fa u t 硼o b il e ，W h i c hs a V et h ec o s to ft e s t 一1 i n e H 山东大学硕士学位论文 B S T R a T ： u t o m o b iI oT e 暑t i n g ：I n e r t i a I ：B r a k i n r T e 8 t o r ； D y n 肌i c I i b r a t o ：C 睁 山东大学硕士学位论文 符号说明 厶一理论制动力矩 M ，一制动器对车轮的制动力矩，即本系统需要测试的变量 M 汽车质量 F一阻力 车身速度 S 一车轮滑移率， _ 支撑力 G | 一为车轮的轮荷 五一为车轮安置角 尺一半径 缈一角速度 ，一转动惯量 一附着系数。 形一汽车传动系统旋转的动能 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：本强塞坦 日期：迎皇! 主：Z 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：燃导师签名：釜垒 日期：坐 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 凡驾驶过汽车的人都有一些经验，在被雨淋湿的柏油路上或在积雪道路上紧 急制动时，汽车会发生侧滑，严重时还会调头旋转。如果是在有车辙的雪路上行 驶时，左右车轮分别行驶在雪地上或露出的地面上，产生剧烈旋转的危险性更大。 在这种路面上行驶时，若紧急制动，汽车方向会失去控制。若是弯道就有可能从 路边滑出或闯入对面车道，即使不是弯道也无法躲避障碍物在交通事故中生存 下来的最好的方法是避免所有交通事故。但这几乎是不可能的。更多的方法是让 人们使用安全气袋，汽车防抱制动系统( V e h i c l e sa n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ， 简称A B s ) 和其它方法来保护他们的生命安全。 汽车发展的方向之一就是高速化，但高速带来了路面附着系数的降低。特别 是当车轮抱死滑动时，附着系数下降得更多，这说明了高速时制动的困难。据西 方一些国家的统计资料表明，发生人身伤亡的交通事故中，在潮湿路面上约1 3 与侧滑有关，在结冰路面7 0 9 6 - 8 0 与侧滑有关，而侧滑事故中5 0 是由于制动引 起的。由此可见减少制动侧滑的必要性。国外从7 0 年代就开始开发产品，致力 于在汽车制动时避免车轮过早抱死。8 0 年代随着电子技术的不断发展，A B s 不断 完善并得以广泛应用。随着世界汽车工业的迅速发展，汽车的安全性、舒适性日 益受到人们的重视。目前，西方发达国家己广泛采用A B s ，而且已成为汽车的必 要装置。近年来，A B s 在我国也正在推广和应用，如一汽大众、二汽富康、重庆 长安、陕飞汉江、沈飞昌河、西安奥拓、力帆、奇瑞等汽车厂商，均开始采用 A B s ，以缩短制动距离，防止侧滑，提高制动时的方向稳定性，从而大大改善了 汽车的制动性能，减少了车祸，提高了汽车运行的安全性和经济性。 随着A B s 装置的广泛应用，检测A B s 性能也显得越来越重要。装有A B s 装置 的汽车与未装A B s 的汽车，其制动过程有很大区别，我国现有的各种制动检验台 都无法检测装有A B s 汽车的制动性能。因为装A B s 的汽车在制动时车轮时转时停， 既有滚动，又有滑动，最后迅速停止，在制动过程中车轮并不完全抱死，因此能 确保方向操作的稳定性。而未装A B S 的汽车制动时，车轮随着制动力的增加，车 轮由松到紧，直到紧紧抱死，而轮胎在地面上基本是纯滑动而至停止，在制动过 程中极易形成侧滑。由此可见，因制动过程不同，测量原理也有所区别。 山东大学硕士学位论文 另一方面，我国乃至世界石油资源非常缺乏，我国是石油进口大国，汽车用 油大户。但目前内燃机的热效率较低，燃料燃烧产生的热量大约只有3 5 4 0 用于汽车行驶。另一方面，汽车尾气的大量排放增加了环境污染。在这种形势之 下，如何评价汽车的制动性能、动力性能、环保性能，成为主要问题。 汽车发动机最大输出功率是汽车动力性的基本参数。汽车在使用一定时期 后，技术状况发生变化，发动机的最大输出功率变小，所以用其变小的差值评价 发动机技术状况下降的程度。我国汽车技术等级评定标准就是按在用汽车的 发动机最大输出功率与额定功率相比较小于7 5 时，将该车技术状况定位三级。 但应注意，在汽车综合性能检测站用无外载测功法或底盘测功机所测定的发动机 功率，必须换算为总功率后才能与额定规律比较。 环保政策，带来巨额收益2 0 0 5 年全国汽车产量5 7 0 多万辆，轿车2 7 7 万辆。 按国务院发展研究中心预测，到2 0 1 0 年我国汽车需求量将突破l o o O 万辆，汽车 保有量5 5 0 0 万辆；到2 0 1 5 年汽车的需求量将达到1 4 5 7 万辆，这就意味着我国 汽车行业每年将保持l O 左右的增长。 虽然我国汽车测试技术在国家的重视下已得到了很大的发展，但我们必须看 到，同汽车工业相对发达的国家相比，我国在汽车测试和诊断技术领域还有相当 的差距，国产测试设备还不能满足生产的实际需要，基础理论研究还跟不上社会 发展的需要，因此还有许多问题亟待解决。随着社会发展及高新技术的渗入，尤 其是计算机硬件及其软件技术的渗入，改变了传统的测量理论、测量技术和测量 方法，例如，不断提高计算速度、图形化用户界面、分布式多任务处理方式、网 络功能等，都很快应用并移植到仪器和测试系统中，计算机的发展使测量和仪器 增强了功能，提高了效率，形成了众多方便实用的自动测试系统，与计算机技术 的结合成为测试和仪器发展的主潮流。 基于以上两点的考虑，有必要研制既能够检测汽车制动性能又能够检测汽车 动力性能和环保性能的汽车检测多功能综合试验台。应该特别指出，由于近年来 惯性实验台的研制成功，使得集制动、测功、尾气、油耗于体的多功能综合试验 台的研制成为可能。 1 2 课题研究的目的和意义及方法 随着汽车运输事业的发展和高速公路上汽车车速的提高，汽车行驶的安全问 题越来越引起人们的重视。为此，国家早已明文规定必须定期地、强制性地对全 部在用车辆进行不解体检测。我国早期的检测设备主要是依靠进口，近l O 年来， 2 山东大学硕士学位论文 为了满足我国汽车检测日益增长的需要，国内的一些研究部门及生产厂家也相应 研制开发了多种类型的检测设备，并投入使用。利用现代电子技术、计算机及通 信技术开发高集成化的智能系统是当今汽车安全及综合性能检测技术发展的必 然方向。 特别近年来，各国对汽车的安全技术越来越重视，进入2 0 世纪9 0 年代，A B s 技术的发展越来越快，欧洲、美国和日本等发达国家均在普及A B s 技术，据估计， 到2 0 0 5 年装有A B S 车辆，在我国已经达到6 0 ，但与之相配套的的检测设备却仍留 停滞在原有的水平。几乎国内的所有检测线都无法检测装有 B s 系统的车辆，这 就使如何评价装有A B s 系统的车辆出现了监管上的空白。 众所周知，目前我国乃至世界各国使用的机动车检测设备主要是滚筒反力式 制动试验台和平板式制动试验台，尽管这些设备被广泛的使用，但有不少问题长 期以来得不到理想的解决。 滚筒反力式制动试验台 般工作的速度在5 I ( m h 以下，在测试时滚筒和车轮之间完全处于滑动摩擦 状态。一般装有A B s 系统的车辆，只有在车速大于1 0 硒h 时，防抱死系统才起作 用，因此对于装有防抱死控制系统的车辆完全无能为力。另外滚筒反力式制动试 验台对车辆各轴的测试是分开进行的，所以测试效率低。 平板式制动试验台 平板式制动试验台由于受平板长度的限制，很难检测阻滞力：检测范围有限， 对车型的适应能力较差；由于驾驶员踩刹车踏板的作用力不同，每次测试条件很 难保证一致，所以每次测得的制动力会有较大差别，检测数值重复性较差；测试 时，车辆一般以5 l ( m h 一1 0 K m h 的速度通过测试试验台，因此对于装有防抱死的车 辆也很难检测。 我们从以上两点分析可以得出，目前国内检测线上的制动试验台均不能够检 测装有防抱死控制系统的车辆。为了解决目前对测量装有防抱死车辆的空白，我 们提出了使汽车在高速运转过程中，紧急制动，来测试装有防抱死控制系统的车 辆，这就是本文提出的动态标定式惯性制动台的方法。 1 3 本文进行的工作 1 、建立动态标定式惯性制动台的动力学模型。 2 、推导测试原理的理论公式。 3 、在姒T L A B 中作测试仿真。 山东大学硕士学位论文 4 、探讨多功能试验台的机械结构。 5 、控制系统的软硬件设计。 4 山东大学硕士学位论文 第二章惯性制动试验台的动力学模型 要想准确地在试验台上测量汽车的实际制动性能，就必须建立一个等效的汽 车实际制动过程的动力学模型，以便于仿真分析，同时对实际的测量系统具有一 定的指导意义。 研究车辆的制动性能主要有四种汽车动力学模型叫，即四轮模型、双轮模型 和单轮模型伽啪。四轮模型主要描述复杂的动力学场合，如转弯制动、横向动 力学控制模拟等；双轮模型主要描述车辆的直线制动与驱动的场合，考虑车辆加 减速度的影响，用于车辆动力学模拟与控制分析：单轮模型主要描述制动性能， 用于对基于模型的控制系统进行分析与设计等。因为本试验台主要研究的是汽车 制动性能，所以为突出对控制规律的研究，采用单轮车辆系统动力学模型。 2 1 汽车制动的运动学分析 我们在研究汽车惯性制动台之前，先研究一下汽车在道路上的实际制动情 况，以便为我们研究汽车惯性制动台提供理论基础。 2 1 1 汽车在道路行驶过程中的制动分析 当对行驶中的车辆施加适当的制动力时，车辆会停止下来，这是因为在制动 过程中，车辆的轮胎和地面产生了与行驶方向相反的地面制动力。图2 一l 制动时 车辆的受力( 没考虑行驶阻力) 示意图，图中车轮中心的箭头表示的就是地面制 动力，与地面制动力最相关的就是地面和轮胎之间的滑动摩擦系数即地面的附着 系数，地面附着系数越大相对于地面制动力就越大，制动距离就越短“1 。 图2 1 制动时车辆的受力 我们从图2 1 制动时车辆的受力( 没考虑行驶阻力) 情况，可以看出，如果 山东大学硕士学位论文 车辆的四个车轮能够提供比较协调的提供地面制动力，图中所示的旋转力矩就不 会产生，车辆就会平稳的停止，如果失调车辆图中的旋转力矩就会加大，车辆就 会绕质心旋转，就会发生交通事故，所以测试汽车制动的协调性能是很重要参数， 在实际评价汽车制动性能时，采用制动协调时间来评价。 2 1 2 汽车制动过程中的单轮受力分析 我们以单一车轮为研究对象，研究汽车制动时的受力情况，建立单个车轮制 动受力嘲”啪图2 - 2 ： F b 图2 2 车轮制动受力图 根据图2 - 2 所示的车轮制动时受力情况和理论力学的相关原理。可得到车轮 运动动力学方程式： M 。一凡R 。= ，。等 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 由于忽略了车轮所受的风阻，所以式( 2 2 ) 可表示成： M 等= F 。 ( 2 _ 4 ) 式中： 厶一制动器的制动力矩 M 四分之一汽车质量 6 F + R g = 争一 M 凡 山东大学硕士学位论文 以车轮转动惯量 眈一车轮旋转角速度 E 一地面制动力 E _ 风阻力 从式( 2 一1 ) 、( 2 吨) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可以看出，汽车在制动过程中，影响车轮 旋转的主要因素是制动器的制动力矩和车轮所受的地面摩擦力，即地面制动力。 这两个力矩决定了了车轮在制动过程中的运动状态。 2 1 3 滑移率及附着系数 2 1 3 1 滑移率 当制动器的制动力矩坞大于地面制动力E 时，车轮将出现抱死现象，车轮 将在地面上作完全滑动运动，这时地面提供的附着系数最小，当制动器的制动力 矩M ，小于地面制动力瓦时，车轮即作滚动又作滑动，这时地面提供的附着系数 和车轮在地面上的滑移成分密切相关，如图2 3l I S 特性曲线所示。那么，评 价车轮在地面上的滑移成分在车轮纵向运动过程中所占的比例，可由滑移率来表 征，车轮的滑移率由式( 2 5 ) 确定： s ：f1 一丝1 1 0 0 ( 2 - 5 ) L 式中；S 车轮滑移率 R 一车轮自由滚动半径 国一车轮滚动角速度 一车轮中心的纵向速度，即车身速度 当车轮在路面上自由滚动时，即车轮做纯滚动，车轮中心的纵向速度是由于 车轮滚动产生的，此时为= R ( 图2 - 2 ) ，因车轮是纯滚动，与路面之间没有 滑移，故车轮与路面之间的滑移率为s = o 。当车轮被制动到完全抱死在路面上 时，此时车轮不再做旋转运动，即车轮相对于对于地面做纯滑动，车轮中心的纵 向速度完全是由车轮滑移产生，此时= O ，S = 1 0 0 。当车轮在路面上边滚动 边滑动时，车轮中心纵向速度的一部分是由车轮滚动产生，另一部分是由车轮滑 移产生，此时 R 国，因此，O 2 删 s 一车轮滑移率，即s ：f l 一丝1 l o o 表2 1 几种典型路面的实验数据嘲 路面 S o p t9S 。 口8 干沥青 O 1 7O 9 5 9 91O 7 5 潮湿泥土O 3 6O 4 5 6 5lO 4 5 疏松积雪O 2 O 1 5 l O 2 7 结冰 0 1O 1 0 2 81O 0 7 由于惯性制动台的滚筒表面采用沾砂工艺，表面状况等同于千沥青路面，所 以本文采用干沥青路面的数据，作为研究对象。 由表2 1 ( 几种典型路面的实验数据) 和公式( 2 - 6 ) 得到如下附着系数和滑移 率的数学函数关系： 9 山东大学硕士学位论文 f5 6 4 6 SS 0 1 7 = 1 1 0 0 2 8 9 一o 2 5 2 8 9 Js o 1 7 ( 2 7 ) 2 1 4 加s 防抱死系统的控制过程 在制动的初始阶段，随着驾驶员踏下制动踏板，制动压力上升，车轮产生制 动减速度。当车轮达到某一减速度值时，说明车轮有抱死倾向，车轮状态已处于 不稳定的区域。此时，电子控制单元命令制动力矩减小，即进行压力释放。这时 车轮由于惯性力及机械系统滞后仍有一段制动的减速度下降，随后制动减速度开 始上升，最终产生车轮角加速度。这表明车轮已恢复到稳定的车轮特性区域内， 如果继续进行制动压力释放就会导致车轮附着系数减小，并最终使制动力丧失。 而当车轮达到稳定区域时，希望汽车尽可能多的停留在这一区域内，这样制动力 和侧向力都较大。所以当车轮运动状态达到一定加速度门限后，制动压力进行保 持，这时车轮由于惯性的原因加速度会继续上升一段时间，然后呈下降的趋势。 这时如果不改变制动力状态，维持保压，车轮减速度比较小，达不到峰值附着系 数，地面提供的制动力达不到最大值，所以制动距离长。因此当加速度下降到某 一门限时，制动压力要从新开始增加，以使制动状态能长时间地停留在稳定区域 内。为此采用交替式的增压保压，获得不同的压力增加速率，得到最优的制动效 果盯。 2 1 5 盼防抱死系统的控制方法 2 1 5 1 逻辑门限值控制 逻辑门限值控制是通过设定与控制目标密切相关的敏感变量门限，根据实际 测量值与门限值之间的关系而进行调节控制变量的一种方法。在A B s 系统中，可 作为控制门限的变量通常有车轮的角加速度、角减速度和滑移率三种。车轮的角 速度变化对制动力矩、附着系数和滑移率的变化有强烈的敏感性，实验表明：在 制动过程中，车轮抱死总是出现在相当大的d 口西时刻，因此可以预选一个角减 速度门限值，当实际的角加速度超过此门限值时，控制器发出指令，开始释放制 动压力使车轮得以恢复旋转；再新选一个角加速度门限值，当车轮的角加速度到 达此门限值时，控制器又发出指令，使制动力矩开始增大，车轮又开始作减速运 动。当然，实际的控制逻辑还要加一些平滑过程。单独的加、减速度门限控制可 以适应不同的路面特性，但当路面附着系数出现跃变时，就不能快速适应，所以 其对快速变化的路面跟踪性能较差。考虑到滑移率直接反映车轮的抱死状态，实 践中大多选择车轮角加、减速度作为主控制门限，把滑移率作为辅助控制门限， 山东大学硕士学位论文 将这两个门限值结合起来，以识别不同路况进行自适应控制逻辑门限值控制方法 在制动时能将车轮的速度控制在一定范围内，使车轮滑移率围绕理想滑移率波 动，这种方法系统可靠，构成也较为简单，不需要建立具体系统的数学模型，但 控制参数的调整需要较多的经验。 2 1 5 2P I D 控制 随着控制理论的发展，为了进一步提高A B s 的性能，许多文献都在研究基于 滑移率的控制系统，用滑移率作为控制目标容易实现连续控制，从而提高A B s 在 制动过程中的平滑性，并最大限度地发挥它的制动性能。实现连续控制的最简单 算法是P I D 控制( 比例、积分及微分控制，P r o p o r t i o n a 卜I n t e g r a l D i f f e r e n t i a l 的简称) 。常规P I D 控制器的设计因其稳态精度高而被广泛应用于工业过程控制， 通过调节整定P I D 控制器的比例系数、积分系数，微分系数，使其能够适应各种 不同的对象，是一种通用的调节器。只要参数整定合适，就会得到比较好的控制 效果。定义期望的滑移率与实际的滑移率之差作为P I D 的输入。由P I D 控制算法算 出控制值反馈给制动系统嘲。 2 1 5 3 模糊控制 模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的经验形式化、模糊化，使之 成为计算机可以接受的控制模型，让计算机代替人来进行有效的实时控制。模糊 控制是基于经验规则的控制，与系统的模型无关，有很好的鲁棒性和控制规则灵 活性，控制规则符合人的思维规律。在汽车A B s 系统中，模糊控制器将滑移率误 差及滑移率误差变化率作为输入量，经模糊计算得到输出量，作为制动器制动缸 压力控制信号，确定防抱系统压力调节器的压力调节值。由于模糊控制避免了复 杂的车辆路面的数学模型对控制实时性的不利影响，所以基于这种思路的A B s 控 制系统能进一步减小制动距离，鲁棒性好，但它只能依靠设计者的经验和反复调 试，没有有效的通用计算方法，特别是对加减速度模糊控制、控制规则表中的规 则、输入变量的论域及隶属度函数参数的选择等等，还有待进一步研究”。 从前面的分析得知，基于滑移率的控制方法( 如P I D 法，模糊方法) 具有很好 的防抱控制效果，但由于要准确检测车身的运动速度，系统的实现成本很高，因 此目前的实际应用中大都采用基于车轮加减角速度的逻辑门限值方法，并辅以参 考滑移率门限进行A B S 系统的控制。 山东大学硕士学位论文 2 1 6 盼系统测量制动车轮运动参数的方法 2 1 6 1 测量车轮转动角速度的方法 当代A B s 均采用车轮速度传感器，即车轮转速传感器，来测量车轮转动角速 度。 2 1 6 2 测量车轮转动角加速度的方法 传感器将测量到的车轮转动的信号送入控制器，由控制器计算出制动过程中 各时刻的车轮转动角速度，也就是与时间f 的函数关系式，对它进行微分求导 处理，可得到不同时刻车轮的转动角加速度d 西，对它进行二次微分求导处理， 可得到不同时刻车轮的转动角加速度d 国出的变化率。 2 1 6 3 测量车速的方法 ( 1 ) 最大轮速法 前人在参考车速的确定方法上做了很多研究工作，首先提出的是最大轮速 法。该方法是在汽车制动防抱调节过程中，把所采集的四个车轮轮速的最大值作 为参考车速。优点是无须路面识别，缺点是所确定的参考车速由于受到轮速调节 的影响，与实际车速偏差较大，导致滑移率计算误差较大这种方式不能确定最 大轮速车轮的运动状态，不适用于高选和低选控制方式及弯道的制动控制。因此 这种方法测得的车轮滑移率误差较大，低速时更加显著。而且在干铺设路面车轮 滑移率的误差还要大一些，原因是四个车轮交替出现最大轮速。在对开路面上滑 移率计算误差小一些，原因是右侧轮行驶在干路面上，右后轮速始终最大。 ( 2 ) 斜率法 斜率法是通过对大量试验数据的分析处理，确定车辆在各种制动工况下所能 达到的平均减速度。以此为依据，在A B s 控制过程中，采集制动初始速度，进 行路面状况和制动工况识别后，确定车辆减速度口，根据公式u = + 口f 实时 计算速度值作为参考车速。该方法的优点是若参数、口确定准确，参考车速 可较好逼近实际车速。缺点是自适应性较差，若初速度采集误差较大或斜率值选 取不当，参考车速计算误差很大。在对接路面上，不能应用这种方法。 ( 3 ) 综合法 综合法是用最大轮速法和斜率法分别实时计算车速，选取大者作为参考车 速。该方法具有斜率法和最大轮速法的优点，不用设定初始速度，具有很好的稳 定性和精度。但仍存在着需要路面识别，确定车身减速度的缺点，自适应能力较 差。在应用过程中，仍无法较为准确地计算车体速度，从而不能较好地控制车轮 山东大学硕士学位论文 滑移率。 2 1 6 4 车轮滑移率的测量方法 由前面论述可知：车轮转动角速度和参考车速都可以通过测量和计算得到， 车轮半径R 可以看作为定值，那么，在上述三值确定的情况下，由A B s 控制器按式 ( 2 5 ) 即可求取得车轮滑移率s 。 2 2 惯性试验台的模型 2 2 1 惯性试验台的动力学分析 我们在建立在惯性试验台的动力学模型之前作如下假设，由2 1 节分可知， 作如下假设是合理的： 1 、制动过程中不计空气阻力和车轮的滚动阻力 2 、制动过程中不考虑轴荷的转移 3 、制动过程中不考虑轮胎的变形 4 、施加制动力时汽车处于直线行驶状态 由2 1 节分析可知，要想测试装有A B s 汽车防抱死系统的汽车，就必须保证 在测试时，汽车的四个轮子都处于旋转状态。为了保证汽车在测试时，四个轮子 都处于旋转状态，我们采用的测控方案为四滚筒测试结构，采用电机驱动飞轮组 的方式模拟汽车惯量，这样汽车的四个轮子在制动时都处于旋转状态，如图2 5 车轮在制动台上的受力所示。 因为汽车的四个轮子在惯性制动台上的受力是一样的，所以只研究四分之一 就可以了。 山东大学硕士学位论文 图2 5 车轮在制动台上的受力 由图2 5 所示：车轮在制动台上的受力情况，以车轮为研究对象，可建立如下 动力学方程： 车轮运动学方程： M ，一瓴+ 疋) 幔= 以等 ( 2 _ 8 ) 根据平衡条件可得如下平衡方程： “+ 2 ) c 五+ 佤一E ) H z G r = o ( 2 - 9 ) ( j V l 一2 ) x & 行五+ ( J + B ) x 鼢丑= o ( 2 1 0 ) F l = l ( 2 1 1 ) F 2 = 2 ( 2 一1 2 ) 。，：为滚筒对车轮的支撑力；F ，E 为滚筒对车轮的滚筒摩擦力， 相当于地面对车轮的制动力；嚷为车轮的轮荷；A 为车轮安置角：民为车轮半 径；M ，为制动器对车轮的制动力，即本系统需要测试的变量：q 为车轮角速度； 枫，西为车轮角速度对时间的导数，郎车轮的角角速度；以为车轮的转动惯量； 为车轮与滚筒间的附着系数。 以滚筒为研究中心，由图2 5 车轮在制动台上的受力，根据作用力与反作 用力的原理，可得到以下的滚筒的动力学方程： 山乐大字坝士字位论又 以。等= 互B ( 2 - 1 3 ) 如鲁= 最B ( 2 - 1 4 ) 由于滚筒1 和滚筒2 是刚性连接，所以有： q 12 吐k 2 ( 2 1 5 ) 以等= + E ) 毽 ( 2 - 1 6 ) 联立( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 11 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 一1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、 ( 2 1 6 ) 解得： 即G r 器糍 忉 峥G r 脊焉等 M ，吐等q 等惫 ( 2 _ 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 就是惯性试验台的动力学模型。从式( 2 1 9 ) 可以看出只要知道车 轮半径足、车轮转动惯量以、车轮的角加速度d 8 、滚筒半径毽、滚筒转动 惯量、滚筒的角加速度d 国，就可以很容易的求出车辆的制动力。但实际 的情况是，只有车轮半径和滚筒半径为已知，其他条件为未知。我们将在2 2 2 节中解决其他参数的计算问题。 2 2 2 惯性试验台的动力学参数的计算 2 2 2 1 车轮角加速度和滚筒角加速度的计算 如果能够测得车轮的角速度，那么很容易求得车轮的角加速度。本文采用与 车轮完全处于滚动摩擦状态的轮速传感器来测量车轮角速度，由于传感器的转动 惯量远远小于车轮的转动惯量，所以认为车轮与传感器之间永远处于完全滚动摩 擦状态，即传感器的运动状态完全反映了车轮的运动状态。 通过传感器测得的车轮角速度为缨，那么车轮的角加速度可以由以下公式 得到： 山东大学硕士学位论文 牟：彩d 一国州 ( 2 伽 盲L 2 彩d 一国州( 2 屯o ) 式中：! 墼第i 时刻的车轮角加速度 如。一第i 时刻的车轮角速度 。第“1 时刻的车轮角速度 疵一从i 时刻到i + 1 时刻所用的时间 同理，可以得到滚筒角加速度的计算公式： 争一一州 ( z 伽 2 2 2 2 车轮转动惯量和滚筒转动惯的计算 由公式( 2 一1 9 ) 可以看到，只要把汽车制动器坼变换成外加标准力矩 厶， 外加力矩M 。是由标准制动器提供的，而且标准制动器“6 1 ( 电涡流机) 提供的制 动力矩是可以准确测量的。那么我们可以得到如下公式： 坞。= 以孥+ 以x 争惫 ( z - 2 2 ) 心：= 以警+ 以鲁惫 c z - 2 3 ) 唣、唿可由传感器测得，由式( 2 2 0 ) 、( 2 - 2 1 ) 可求得如。，毋、d 出，联立 公式( 2 _ 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 就可求出以、。 2 3 惯性制动台的仿真数学公式 这一节我们从理论上对惯性制动台的模型进行仿真。由于车轮在制动台上作 旋转运动，所以滚筒的转速就等于汽车实际的运行速度，即车速己6 = 愿唣， 那么我们可以把公式( 2 5 ) 作如下处理：s = ( 1 一疋乡) l 。，用滚筒角速 度和滑移率来表示车轮角速度。得到； 吃= 学 把( 2 2 4 ) 代入( 2 - 2 1 ) 得 ( 2 - 2 4 ) 1 6 山东大学硕士学位论文 即警也一喀肛“) + 半吐c z 公式( 2 _ 2 5 ) 就是我们的仿真模型。从( 2 2 5 ) 我们可以看到只要能够确定滑移 率s 、滑移率对时间的导数s 、滚筒角速度唿、滚筒角加速度唿就完全能 够通过理论计算得到汽车在惯性制动台上的实际运动状态和受力情况，进而通过 理论计算得到汽车在制动台上的制动力变化。 2 3 1 滑移率s 的仿真 汽车防抱死控制器A B s ，是通过调节制动系统的管路压力来控制汽车在道路 上的滑移率S ，进而使车辆与地面的峰值附着系数在最大值附近。压力的调节主 要有三种状态：增压、保压、减压。由本章2 1 节的论述可知，用一个正弦函数 s i n e w a v e 加上一个常熟c o n s t a I l t l 的和来模拟最佳滑移率S 的变化，同时由于 正弦函数在极值处变化比较缓慢，可以理解为包含制动器保压状态时制动力的保 持的模拟，得到一个理想的控制仿真模型。 由式( 2 7 ) ，可以令滑移率S 的函数表达式为： s ：0 2 5 + 0 l x 跏f 三笋f ( 2 - 2 6 ) 根据此函数表达式可知滑移率完全控制在最佳滑移率O 1 7 附近，当然为了 方便分析也可以把正弦函数s i n e w a v e 的幅值和常数的值加大，或者采用其他的 函数表达式。 我们对式( 2 - 2 6 ) 求导，得到滑移率的导数表达式如下： s ：旦尝箬。c D 。( f )( 2 - 2 7 ) 我们把式( 2 - 2 6 ) 、( 2 - 2 7 ) 在姒T L A B 中进行仿真，结果如图( 2 - 6 ) 、图( 2 7 ) 所示，其中为周期r = 知。 山东大学硕士学位论文 2 3 2 滚筒角速度的仿真 由( 2 1 6 ) 式可得： 等= + E ) 鲁 把式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 一1 7 ) 代如( 2 2 6 ) 可得： 堕：G 砌以堡 学2 瓯砌以看乏 d 国。 彩。= 旦 图2 7 滑移率导数变化曲线 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 式( 2 2 9 ) 、( 2 3 0 ) 即为滚筒角速度及角加速度的仿真公式。 2 3 3 仿真环境及实测下的滚筒转动惯量的计算 在仿真和实测环境下，如何确定滚筒的转动惯量，是我们必须探讨的问题， 因为不同的汽车具有不同的质量，也就是说在汽车运动过程中具有不同的动能。 汽车在滚筒上作旋转运动，滚筒相当于移动的路面，滚筒所具有惯量应该等于汽 车在路面上运动时所具有的惯量。在实测时，我们采用在滚筒上添加不同惯量的 飞轮，以适应不同汽车在路面行驶时所具有的惯量。 设汽车在路面上行驶时的车速为：) ，具有的动能为：彬，则有： = 1 2 M u 2 + 1 2 砰+ 甄 ( 2 3 1 ) 式中：M 汽车质量 弛一车轮角速度 一一前后车轮的转动惯量 孵一汽车传动系统旋转的动能 汽车以同一车速在惯性制动台上作旋转运动时，汽车及制动台上旋转部件所 山东大学硕士学位论文 具有的动能为：职，则有： 彤= 1 2 以国；+ l 2 c 口? + ( 2 3 2 ) 式中：吼一惯性制动台绕定轴的角速度 J ，一惯性制动台等效转动惯量 汽车的平移动能等于在制动台上旋转的动能，即形= 职 整理( 2 3 1 ) 、( 2 3 1 ) 得： M 矿= 以研 ( 2 3 3 ) 因为汽车是在滚筒上作纯滚动，所以有： D = 哆毽 ( 2 3 4 ) 式中：震。一为滚筒半径 把( 2 3 4 ) 代入( 2 - 3 3 ) 得； 以= z ( 2 3 5 ) 式( 2 3 5 ) 既是仿真和实测环境下惯性制动台的转动惯量的计算方法，当然在 实测环境下惯性制动台的等效转动惯量要实测得到。 1 9 山东大学硕士学位论文 第三章惯性制动试验台在黻T L A B 中的仿真分析 本文第二章详细论述了惯性制动台的动力学模型，并由此通过分析得出了惯 性制动在实测模式和仿真模式的数学模型，本章根据第二章的数学模型在姒T L A B 中作了仿真，同时和反力式制动台作了对比分析。 3 1 仿真流程 山东大学硕士学位论文 【 开始 1 L 7 车壁 f 参数输入 l 初始速度设定 。l 计算 警却。瓮 国。：堕m 吨2 言姚 删川x 跏降0 拈半触( f ) J 坞= 以等皎匆洲唿) - 警逸 l N l Y l 结束 1 图3 1 仿真流程图 2 l 山东大学硕士学位论文 3 2 仿真结果及分析 3 2 1 不同测试参数的仿真测试 测试条件1 ：滚筒直径：3 6 8 m 滚筒转动惯量：1 6 9 2 4 磁小2 安装角：3 5 。 制动初始速度：4 0 K m h 整车质量：2 0 0 0 磁 车轮直径：1 8 0 朋朋 车轮质量：2 5 取 图3 2 附着系数变化曲线 图3 4 速度变化曲线 图3 - 3 角加速度变化曲线 图3 5 制动力矩变化曲线 山东大学硕士学位论文 测试条件2 ：滚筒直径：5 0 0 脚m 滚筒转动惯量：1 6 9 2 4 琢m 2 安装角：3 5 。 制动初始速度：4 0 K m h 整车质量：2 0 0 0 玉及 车轮直径：1 8 0 彤m 车轮质量：2 5 强 图3 6 附着系数变化曲线 图3 8 速度变化曲线 图3 - 7 角加速度变化曲线 图3 9 制动力矩变化曲线 山东大学硕士学位论文 测试条件3 ：滚筒直径：3 6 8 肌柳 滚筒转动惯量：9 3 0 8 2 磁m 2 安装角：3 5 。 制动初始速度：4 0 K m h 整车质量：1 1 0 0 熙 车轮直径：1 8 0 m 朋 车轮质量：2 5 取 图3 1 0 附着系数变化曲线 图3 1 1 角加速度变化曲线 图3 1 2 速度变化曲线图3 1 3 制动力矩变化曲线 山东大学硕士学位论文 测试条件4 ：滚筒直径：3 6 8 删” 滚筒转动惯量：9 3 0 8 2 取朋2 安装角：3 0 。 制动初始速度：4 0 K m h 整车质量：1 1 0 哟 车轮直径：1 8 0 肌历 车轮质量：2 5 K 岔 图3 1 4 附着系数变化曲线图3 1 5 角加速度变化曲线 图3 1 6 速度变化曲线图3 1 7 制动力矩变化曲线 2 5 山东大学硕士学位论文 测试条件5 ：滚筒直径：3 6 8 埘历 滚筒转动惯量：9 3 0 8 2 琢m 2 安装角：3 5 。 制动初始速度：4 0 K m h 整车质量：4 0 0 0 玉匆 车轮直径：1 8 0 加m 车轮质量：2 5 您 图3 1 8 附着系数变化曲线图3 1 9 角加速度变化曲线 图3 2 0 速度变化曲线图3 2 1 制动力矩变化曲线 山东大学硕士学位论文 3 2 2 仿真结果分析 我们从铡试条件l 到测试条件5 可以得出如下现象和结论： ( 1 ) 、从测试条件1 和测试条件2 的测试结果可以看到，测试条件2 比测试 条件1 的测试滚筒直径大，得到的结果是测试的制动力大，也可以说制动力是和 滚筒直径成比例的，成比例的原