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硕上学位论文 摘要 随着我国汽车工业的发展，就必须进行汽车关键零部件的自主研发。汽车制 动过程中的安全性也已成为人们关注的焦点。汽车防抱死制动系统( a b s ) ，关系着 汽车制动的安全性，也极大地制约着电子稳定性程序( e s p ) 的研发和整车的自主研 发。通过对目前a b s 研究应用中的主要方法的分析，采用了一种新型实用的a b s 控制策略，自寻最优汽车防抱死制动控制方法，为a b s 的研究提供了一条新的途 径。 利用a m e s i m 软件液压系统建模的优势，建立了较精确的制动主缸模型、a b s 液压调节单元模型和制动轮缸模型。在m a t l a b s i m u l i n k 环境中建立了车辆动力学 模型和轮胎模型。首先建立了单轮p i d 控制的a b s 模型，结合p w m 信号对a b s 液压调节单元的高速开关阀进行控制，得到了较理想的控制结果，然后通过对这 种理想控制情况的分析和对自寻优控制理论的学习理解以及对a b s 制动原理的深 入分析，根据自寻优控制理论连续测量、连续理解的原理，采用试探步和调节步 相结合的方法，将自寻优理论应用于a b s 控制，利用s t a t e n o w 有限状态机实现了 控制策略的建模。用a m e s i m 和m a t l a b s i m u l i n k 联合建立了单轮自寻优a b s 模 型，考虑到制动过程中载荷的纵向转移又建立了双轮双通道a b s 模型，又考虑到 制动过程中载荷的纵向转移和横向转移以及对开路面上的制动情况，建立了四轮 四通道a b s 模型，用a m e s i m 和m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真，进行了干路面、湿 路面、冰路面、对接路面和对开路面上的仿真试验，取得了较好的仿真结果。 仿真试验结果表明，自寻优a b s 在各种路面上均能避免车轮抱死，能够自动 识别路面，根据路面的变化智能地调节制动力矩，搜索找到最佳滑移率点，使a b s 在其附近工作，充分利用了路面的附着能力，提高了a b s 的制动效能。因此自寻 优a b s 具有一定的实用价值，值得继续深入研究。 关键词：防抱死制动系统；a m e s i m ；自寻优控帛| j ；仿真 i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：唧勿越厌久 日期：炒艿年5 月厂呷p 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 扣武及久 研移 日期：j 沪苫年s 月，y 日 日期：w 年s 月，弘日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 1 9 7 8 年我国的汽车年产量为1 5 万辆，2 0 0 0 年2 0 0 万辆，2 0 0 7 年达到8 8 8 万 辆，在过去的3 0 年里，我国的汽车产量在世界汽车工业的份额从3 2 增加到1o 以上，无论是年产量还是占全球汽车工业的比重，我国都已是汽车大国，但目前 我国的零部件工业体系难以支持我们成为汽车强国。目前国内许多汽车公司已经 开始进行汽车自主研发，要在商业的竞争中脱颖而出，要拥有自主知识产权的汽 车，要使我国由一个汽车大国变为一个汽车强国，就必须进行汽车关键零部件的 自主研发。汽车制动过程中的安全性也已成为人们关注的焦点，防抱死制动系统 a b s ( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 是汽车关键的零部件之一，关系着汽 车制动的安全性，也极大地制约着我国e s p ( 电子稳定性程序) 的研究和发展以及整 车的自主研发比1 ，因此国家、企业和高校都投入了大量的人力和资源对a b s 进行 自主研发。汽车动力性能的提高和高速公路的延伸对汽车安全提出了越来越高的 要求，许多国家都为此颁布了严厉的汽车安全法规，4 1 ，汽车在制动过程中的方向 稳定性和转向操纵能力，已成为人们关注的焦点。因此，探讨各种高性能的制动 系统和完善制动系统的性能是减少交通事故和促进汽车工业发展的重要举措。而 a b s 可以在制动过程中自动、高频地对制动系统压力进行调节，从而对制动力进 行调节，使车轮滑移率保持在理想滑移率附近，既防止车轮抱死，又充分利用了 车轮与路面的附着能力，缩短了制动距离，提高了汽车制动过程中的方向稳定性 和转向操作能力，达到了最佳制动效果的目的。 a b s 控制的关键之一就是制动过程中的滑移率，从而提高路面附着系数的利 用率，缩短制动距离，提高制动的稳定性。然而，滑移率和路面附着系数的关系 又受到很多因素的影响，如车辆本身的结构参数、车速、轮胎充气压力、轮胎垂 直载荷、气象条件和路面状况等等1 。因此，要求a b s 保证汽车在短时间内在各 种路面上、各种情况下都能安全制动的难度是相当大的。目前逻辑门限值控制是 使用最广泛的一种算法。它以车轮加、减速度和滑移率为控制目标，通过设置这 些参数的门限值，并与实际的输入信号进行比较，发出控制指令，进行制动压力 调节，使滑移率保持在车轮附着系数峰值处或在其附近波动。这种方法结构简单， 不涉及具体控制对象的数学模型，对于汽车这类强非线性系统的控制效果较好， 但系统的控制逻辑复杂，控制不精确，不能辨识路面，不能充分利用路面特性， 轮速波动也较大。由于车辆系统的非线性和时变性，需要实时改变门限值，以适 基于a m e s i m 的车辆防抱死制动系统的仿真研究 应各种工况。还需要针对不同车型进行大量的参数匹配试验，大概需要一年半到 两年的时间，并且需要大量的经验，不仅耗资巨大，而且延长了产品的开发周期 埘1 。目前国内外也有人应用新的控制理论，进行a b s 控制的探讨。p i d 控制、滑 模变结构控制和模糊控制都是常用的鲁棒控制系统，是目前所采用的以滑移率为 目标的连续控制系统，但在现实产品中得到应用的并不多，因此对于新的，实用 性更好的a b s 控制方法还在继续研究。 本文根据汽车制动过程的物理实质及动力学分析，对a b s 控制器的结构原理、 控制方法等方面进行分析和研究，并在此基础上采用了一种新型实用的a b s 控制 策略，自寻最优的汽车防抱死制动控制方法。该方法能够适应路面变化，自动寻 找到最佳滑移率点，使a b s 在其附近工作，能充分利用路面的附着能力，提高了 a b s 的制动效能一引。用a m e s i m 和m a t l a b s i m u l i n k 联合建立车辆防抱死制动系 统模型，通过m a t l a b s i m u l i n k 和a m e s i m 联合仿真，验证了该控制策略的有效性， 为该方法的进一步研究和发展打下了基础。 1 2a b s 的发展和常用控制策略概述 1 2 1a b s 的发展历史和概况 防抱死制动理论最早是l9 2 8 年由英国人提出来的，基于防抱死制动理论的制 动系统首先是应用在火车和飞机上n 引。最早官方记录的汽车防抱制动系统是在英 国1 9 3 2 年发布的专利3 8 2 2 4 l ，题目是“制动时防止车轮压紧转动车轮的安全装 置”。1 9 3 6 年，德国博世公司( b o s c h ) 申请一项电液控制的a b s 装置专利，促 进了a b s 技术在汽车上的应用n5 1 6 1 。汽车上开始使用a b s 始于2 0 世纪5 0 年代 中期福特汽车公司，19 5 4 年福特汽车公司在林肯车上装配法国航空公司的a b s 装置，这种a b s 装置控制部分采用机械式，结构复杂，功能相对单一，只有在特 定车辆和工况下防抱死控制才有效，因此制动效果并不理想。机械结构复杂使 a b s 装置的可靠性差、控制精度低、价格偏高，使a b s 技术在汽车上的推广应用 举步维艰。直到7 0 年代后期，由于电子技术的迅猛发展，为a b s 技术在汽车上 的应用提供了可靠的技术支持。a b s 控制部分采用了电子控制，其反应速度、控 制精度和可靠性都显著提高，制动效果也明显改善，同时其体积逐步也变小，质量 也逐步减轻，控制与诊断功能不断增强，价格也逐渐降低。这段时期许多家公司都 相继研制了形式多样的a b s 装置。进入9 0 年代后，a b s 技术不断发展成熟，控 制精度、控制功能不断完善。现在发达国家己广泛采用了a b s 技术，a b s 装置已 成为汽车的必要装备。a b s 装置制造商主要有：德国博世公司( b o s c h ) ，欧、美、 日、韩国家的汽车采用的最多；美国德科公司( d e l c 0 ) ，由美国通用及韩国大宇汽 车采用；美国本迪克斯公司( b e n d i x ) ，由美国克莱斯勒汽车采用；还有德国戴维 2 硕士学位论文 a b s 正在向小型车普及，但作为附加的安全装置，它会增加整车的重量并占 据安装空间，因此要求其体积和重量尽可能小。减小a b s 体积的主要途径有优化 结构设计( 如减小压力调节器) 及增加集成度。目前，经过优化的a b s 己可将主缸、 压力调节器和电控单元集成为一体，从而大大减小了体积和成本。 2 ) 控制方法的优化 虽然a b s 已经作为一项成熟的技术得到广泛的应用，但在控制方法上一直没 有取得较大的突破。目前得到广泛应用的是采用逻辑门限值控制算法的a b s 。其 缺点是控制逻辑比较复杂，调试困难，控制也不够稳定。另外，开发完成的a b s 装置对各类车型的互换性不好。没有一个统一的a b s 性能评价指标，控制方法的 优劣只能凭经验和一些参数进行比较。所以对控制逻辑的评价和优化是目前a b s 的研究热点n 8 以3 | 。 3 ) 实现多功能集成控制 由于技术的不断改进，a b s 的功能在不断加强。a b s 的作用是通过控制汽车 的纵向制动力来使汽车在制动过程中保持最佳的纵向附着系数和较好的横向附着 系数，从而提高汽车的制动性能、方向稳定性和操纵性。与此相类似的是汽车驱 动防滑系统( a s r ) ，其作用是防止汽车在加速过程中打滑，以保证汽车加速时的 方向稳定性、操纵性，其控制机理仍然是通过控制纵向滑移率来控制纵向力，可 见，a b s 和a s r 是密切相关的，因此常将它们结合在一起使用，构成行使安全系 统。这样，它们可共用许多电子元件和系统部件来控制汽车车轮的运动，电子控 制和保护装置都被装在同一个壳体内。b o s c h 公司早在1 9 8 7 年就推出了a b s a s r 防滑控制系统。1 9 9 6 年，b o s c h 公司提出了车辆动力学系统( v d c ) 的概念，在 a b s a s r 的基础上，加入侧向稳定性控制等新内容，以实现全工况内的汽车运动 状态最佳。 4 ) 建立有效的a b s 性能评价指标和检测手段 目前a b s 的性能评价只有通过道路试验进行评价，没有统一的评价指标，缺 乏全面系统的室内在线检测技术和设备，这样对a b s 的生产质量控制带来不便 乜4 25 1 。每套a b s 产品都要经过道路试验来检验，通过路试来判断比较两个或多个 a b s 产品的优劣，造成了人力和物力的严重浪费。面对市场目前越来越大的需求 量，开发a b s 产品室内检测技术与装置，规范a b s 产品质量评价指标显得十分 迫切。 1 3 常用的a b s 控制策略概述 目前用于a b s 的控制方法有不少，考虑到使用方便和成本，目前可以用于汽 车a b s 的传感器有轮速传感器和压力传感器，对应于控制器的已知量为车轮转速 和制动压力，这是在选用控制方法时需要重点考虑的问题。 基于a m e s i m 的车辆防抱死制动系统的仿真研究 1 3 1 逻辑门限值控制 目前，国内外生产的a b s 产品大多采用逻辑门限值控制策略，它是采用加、 减速度门限控制，并附加一些辅助门限，根据实际测量值与设定门限值的关系进 行调节控制的一种方法。这种控制方法不涉及具体控制对象的数学模型，对于汽 车这类强非线性系统的控制效果较好，同时它所需的控制参量较少，尤其是无需 车速传感器，使系统结构简单，成本大幅度降低，另外，它的执行机构也相对比 较容易实现。 但系统的控制逻辑比较复杂，稳定性差，并且控制系统中的各种门限值都是 通过试验获得，没有充分的理论依据，而且用逻辑门限值控制的a b s 系统对不同 车型互换性不好，通用性差。当用这种方法为某一车型开发安装a b s 时，需要大 量各种不同路面上的实车道路试验，才能获得最佳的控制门限值。选择不同的门 限值就会产生不同的控制逻辑，因此系统的控制逻辑比较复杂，波动大，很难有 很强的鲁棒性。而且由于不能稳定地维持最佳滑移率，所以制动距离稍长。 1 3 2p i d 控制 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，算法简单可靠，不需要模型，可以 很好地解决非线性问题，在工业界有广泛的应用，只要现场匹配的p i d 参数合适， 就可以得到很好的控制效果。用p i d 方法作为a b s 的控制策略时，首先要确定一 个期望滑移率，其输入为实际滑移率和期望滑移率之差，或实际车速和由期望滑 移率换算得到的期望车速之差。它不需要了解被控对象的数学模型，只要根据经 验调整其参数，就可以适用于大多数路面和工况，精度也较好，但是它需要进行 仔细的调试，成本较高，对对象参数的变化较敏感，积分饱和和微分抗干扰能力 差。文中第四章将做详细介绍。 1 3 3 滑模变结构控制 滑模变结构控制即滑动模态变结构控制是以经典的数学控制理论为基础的一 种控制方法，是一种变结构的非线性控制策略。根据系统当时的状态偏差及其导 数值，在不同的控制区域以理想开关的方式切换控制量的大小和符号，使系统在 滑移曲线很小的邻域内按滑移换节曲线滑动。系统由受控对象和一个变结构控制 器组成。控制器中含有一个逻辑环节，它操纵控制器结构的变更，进入滑移换节 曲线后，就与系统的结构和扰动无关。 变结构控制本质上分为两个部分，一部分是在滑模面上的基于制动模型的近 似控制，这相当于系统的连续控制，有利于消除系统的抖动；另一部分是在达到滑 模面之前的控制，可以保证物理滑模系统的相轨迹达到滑模面。控制流量对滑移 率变化十分敏感，大能量必然导致大的波动，采用小能量控制则是一种有效的方 6 硕士学位论文 法。滑移面方程定义为一阶滑模结构： s = e + 旯e ( 1 1 ) 要满足的滑模条件为： s s 墨 o q 大一 is 。s oq 大+ _-，1 1o s sq i 、_ ( l 3 ) i s 0 s t a ( 启动) 当电磁阀的控制信号为1 时，电磁阀口全部开启，当控制信号为o 时电磁阀 口全部关闭。当控制信号在0 和1 之间，可以通过脉宽调制得到p w m 控制信号， 连续地调节电磁阀的开口大小和流量。模型中是通过对偏差信号s 勿进行脉宽调制 得到p w m 信号，对流量进行连续调节。 y 图4 5a b s 的s t a t e f l o w 控制逻辑流程图 3 6 基于a m e s i m 的车辆防抱死制动系统的仿真研究 二 - _ p ”“，中一“ 一“2 1 1 ：一赫湖 髭黧鬻露瓣差赫 ￥ ，芦1 h v 8 8 3 d8 毯习啪辑屯 制动力矩强婵旧 图4 8 制动力矩和滑移率的相轨迹 图4 9 为制动力矩和路面附着系数的相轨迹，由图可以看出制动力矩开始增 加，当达到路面最大附着系数的时候，制动力矩开始在其周围循环波动。右图为 图4 9 的局部放大图，由图看以看出，最大的路面附着系数为0 9 ，实际利用的附 着系数基本上在0 8 8 以上，当附着系数小于最大附着系数时，通过调节制动压力 使其增加或者减小而重新搜索到最大路面附着系数。制动力矩随时间变化的曲线 如图4 1 0 ，当滑移率达到期望滑移率后，制动力矩就在8 0 0 n m 到9 0 0 n m 之间波 动。 江 尹一 ，z ， 01 加2 0 0瓢佃锄锄7 嘲曩耵 制动力矩t b 洲m ) 图4 9 制动力矩和路面附着系数的相轨迹图 ? 一哪 瀚魏觚粥触崩 # 甜w 张编觚嘲 r 、 ， 筋 舱 嚣 豫 俘 傅 瞌 a 磅簿钕 氇 帖 瞄 盯 吡 刚 o 3氟峨警恒馥 硕士学位论文 2 ) 湿路面仿真 湿路面的路面特性为，& = o 1 5 ，| i l = o 6 ，g = 0 4 3 。车辆速度和车轮速度曲线如 图4 1 1 ，滑移率曲线如图4 1 2 。由图4 1 1 可以看出轮速随着车速波浪形下滑，能 比较好地跟踪车速，但波动幅度比较大，车轮在制动停车前0 3 s 第一次抱死，达 到了防抱死的目的，但由图4 1 2 看，滑移率还是在0 2 附近波动，随着进一步的 制动还在不断发散，而湿路面的最佳滑移率为o 1 5 ，因此并没有达到最佳控制效 果，没有充分利用路面附着条件，获得最大制动力。制动距离为3 3 0 6 m ，制动时 间为3 4 7 s 。 ， -， _ _-_ ，j h ，h 1 a - ， 一“o 以v 抛v ，v 埘o 盘凸o ，k 刍n 奠叠捌蘩 _-_ 。l 9 。 - _ ， | 时嘲( # ) 图4 1 2 滑移率曲线 3 ) 冰路面仿真 冰路面的路面特性为，& = o 1 5 ， = 0 4 5 ，g = o 2 8 。车辆速度和车轮速度曲线如 图4 13 ，滑移率曲线如图4 14 。冰路面上的仿真结果和湿路面上的仿真结果差不 多，轮速基本上能跟踪车速，但系统并没有在最佳滑移率附近工作，不能充分利 用路面特性，获得最大制动力，缩短制动距离。车轮在停车前o 5 s 就第一次抱死， 制动距离为4 3 9 2 m ，制动时间为4 6 9 s 。 7 0 即 善 占加 簧 加 加 1 0 0 璧 f ： k 。 i 蕊r a0 5 1 1 522 533 544 55 时问( b ) 图4 1 3 车速轮速曲线 -_-_ _t_ d ，- i 耋-_ l fz -_h v 、扣、n 也，妒蝴勰： _ - -_-_ 柚7 ：、t 1 _ f ； oo sls 2 2 s 33 5 i 4 55 时间( s ) 图4 1 4 滑移率曲线 4 ) 主缸压力比较 本文对用p w m 信号对高速开关阀流量进行连续调节的单轮车辆a b s 系统模 型和只用高速开关阀开关特性的单轮车辆a b s 系统模型都进行了仿真，对比了高 3 9 叭 。 辟臻赛 基于a m e s i m 的车辆防抱死制动系统的仿真研究 速开关阀在这两种工作状态下的主缸压力曲线。图4 1 5 中a 图为用p w m 信号控 制电磁阀情况下的主缸压力曲线，图b 为只用电磁阀开关特性的主缸压力曲线。 由a 、b 两图可以看出当用p w m 信号对高速开关阀进行控制时，制动主缸的压力 变化比较平稳，波动较小，而只用高速开关阀开关特性控制时，主缸压力明显波 动幅度比较大，会引起踏板较大的震动。 l o 豹 i 弱 e 茕l o 隧3 0 l o o i 4 n 一倒鹕甜洲 傺m m m m 扣 ，一一z一“vn-，-0一。，一n 。n 、“”一一 ”t。， ，1 1 “j4 1 。+ ”4 ” “77_bv*，_4_v?，t，vv ，*p十4 ”“”叫“”7 “ “9 “47。 ，p，。，“ jj，“，j”j。，_jj_jj，_j，_ o oo s1 o1 s2 o2s 畦滴“ ( a ) 图4 1 5 主缸压力曲线 ( b ) 4 3 本章小结 本章对p i d 控制在a b s 中的应用做了较详细的建模仿真研究。建立了单轮车 辆a b s 模型，首先用p w m 控制方法对电磁阀进行控制，得到了较理想控制情况 下，系统滑移率和制动力矩的关系曲线，在这种理想的控制情况下，制动力矩是 在最佳滑移率附近不断调节而使系统围绕在最佳滑移率附近工作，为a b s 控制规 律的研究打下了基础，也为下文中采用的a b s 控制方法做了铺垫。从干路面、湿 路面和冰路面上的仿真，可以看出p i d 控制的a b s 并不能充分利用所有路面特性， 只是在和其期望滑移率相符的路面上才能获得较好的制动效果，最后通过仿真得 出通过p w m 信号连续调节防抱死制动系统压力可以减小主缸的压力波动，从而 减小制动踏板的震动。 硕上学位论文 第5 章a bs 自寻优控制策略的研究 在第四章中，通过p i d 结合p w m 信号控制得到了较理想的干路面上的仿真 结果，由滑粥曼羹蠢雾婆盖娠 墼蚕纛谦陡哼篓，季跫礤繇薹的窬尕匿耄| | | | 蓁爨荡谋蟛碳捺；霸制鳓羁剥舵舻劢旁； 面的应用茬苏联卡：牝别倒鼾产隧荔墓蒜器斜羹事尤1 彰群钙；裂驯幽觋霉k 坚斟 颦! 嗡盈黑肖理 在操纵飞机方面的应用。在苏联卡扎 切维奇于l9 4 2 年曾研究过自寻优系统并成功地做过工业试验。近年来这类系统己 得到了广泛的应用，研究工作也开展地极为迅速。常见的自寻优搜索方法有试探 输入法、连续策动输入法、自动保持最高点方法、步进探测自寻优方法和斐波那 契分段法等。 5 1 2 自寻优控制原理 自寻最优点控制系统的重要部分是一个反映对象极值特性的非线性环节，通 过这个环节来确定相应的最优运转条件。为了讨论简单起见，我们假设这个基本 元件只有一个输入和一个输出。在现阶段，我们将忽略时滞的影响，假设输出仅 仅由输入的瞬时值所决定。输出函数在输入x o 的地方有一个极大值j ，o 即为系统的 最优运转点，如图5 1 所示。 y 输出 y o y x 一 x _ 一 0 x 0 输入 图5 1 自寻优控制原理 以最优点作为参考坐标系的原点，则系统的输入是x + x o ，输出是j ，+ j ，o ，最优 点就是x = 0 ，y = 0 。自寻优系统的目的在于找到这个最优点，使系统保持在这一点 附近运转。在这一点附近x 和y 的关系可以近似的写成：) ，= 奴z 。设开始有一个负 的输入，即比最优点输入的值小的输入，以速率等于常数的方式使输入x 增加， 相应的y 首先会增加，逐渐达到最优值，然后开始减小。也就是) ，对时间的导数 蚴，首先为正，在最优点处降为零，以后就为负。如果设定咖肋的一个临界值， 硕士学位论文 因为输入和输出是抛物线关系，输出的平均值等于们比最优输出小，这个差别称 为搜索损失。输入的极值等于七，输入的变化速率等于2 尼丁。这种自寻 优系统的主要部分是输入的试探变化、测量输出的装置、对输出求微商的装置、 及d 出达到预先规定的临界数值时使输入反转方向的开关装置n 。 自寻优控制系统的核心，是如何自动的搜索到极值点，目前已有的搜索方法 主要有自动保持最高点方法和步进探测自寻优方法。 5 1 3 自动保持最高点控制系统 自动保持最高点控制系统的输入变化也是速率等于常数的周期变化，当输出 达到它的极大值以后逐渐下降接近于限制的搜索范围时就反转输入信号的方向。 可以用一个电压量度输出y ，这个电压称为输出的指示电压，经过一个只会充电而 不能放电的阀门通到一个电容器上。在y 达到最大值以前，电容器的电压和) ，电 压相同。当输入增加超过最优值时，输出) ，逐渐下降，但是电容器的电压将仍然 保持那个极大值，于是电容器的电压和输出的指示电压之间，有一个电压差，。这 个电压差所容许的最大值由搜索范围决定。当v 达到时，安装在系统里的一个 开关发生作用，反转输入信号的方向，在同一时刻，电容器放电，使它的电压等 于输出的指示电压j ，。输入的极值仍然等于七，输入的速率等于2 后丁。自 动保持最高点控制系统的输出只有一个基本频率，这个频率由搜索周期丁决定， 而不采用输出的微商。这种方法特别适用于噪声影响小的频率区域比较狭窄的系 统。如果不直接利用电容器的电压和输出指示电压y 之间的电压差v 决定反转输 入信号的方向，而采用，对于时间的积分，就可以防止高频干扰的影响，搜索范 围和搜索损失可以减小而不致于发生输入信号出人意料而反转的情形。 5 1 4 步进探测自寻优系统 自动保持最高点方法实现比较复杂而且属于连续探测、连续调节系统。近年 来由于数字技术的迅速发展，逻辑控制原理的广泛应用，出现了一种新的技术， 即步进搜索和步进调整的自寻优系统。步进探测和调整系统的输入信号不做连续 变化，而是在起始状态的基础上做某一有限的变化，然后测量由于该输入信号的 改变引起输出量变化的大小和方向，再控制对象，使其按需要的方向运动。步进 方法比连续系统具有更大的灵活性。它的基本工作原理如图5 2 所示。 设系统某一时刻工作在由 x 厶y 0 表示的状态上，假定系统的特性曲线y i 俐有 一个极小值 x o ，j ，o ) ，这个极小值是希望的最优运转点。步进探测和调整的任务是从 状态 x ，弘) 出发，逐步将工作点引向 x o o ) ，为此先给控制变量x 以任意方向的增 量缸，系统的工作点将移向 x ，+ 缸j ，+ 缈) 。如果x 的探测增量血是固定的常数， 显然，血的大小和方向近似为曲线y i 删在x ，点的梯度。 4 3 硕士学位论文 是正确的，也就是说输入量如果按照这个方向改变下去，则一直可达到最大值。 如果自寻优控制器投入工作的结果使得输出量减小，则表明必须改变输入量的调 节方向，才能使输出量增大，最后接近最大值，在达到最大值后，搜索过程并没 有完结，和人工控制一样要继续搜索下去。因此自寻优控制的基本过程是一个自 动的、不停搜索的过程。 5 2a b s 自寻优控制策略 路面附着系数和滑移率的关系如图5 3 所示。控制器的控制目标就是要把滑移 率控制在最佳滑移率附近，即图5 3 中的b 区。根据自寻优控制理论，采用试 探步和调节步相结合的方法以及连续测量、连续理解的原理，不断测量系统地面 制动力矩的变化率，根据系统理解判断，调节制动力矩，搜索最优工作点，即最 佳滑移率，使系统在最佳滑移率附近工作。 由( 3 2 ) 式可得： 疋= ，西一瓦 ( 5 4 ) 疋= c ，= ， ( 5 5 ) 附 着 系 数 “ o s c 滑移率s 1 图5 3 附着系数和滑移率曲线 当车辆开始制动时，滑移率开始增加，系统工作于a 区，附着系数的变化 大于零，地面制动力矩的变化强大于零，说明系统工作于最佳滑移率的左边， 制动力矩需要继续增加，滑移率也继续增加，当检测到取小于零，说明系统工 作于最佳滑移率& 的右边，图5 3 中c 区，制动力矩需要减小，随着制动力矩的 减小，滑移率也随着减小，当检测到取大于零，说明地面制动力矩开始回升， 己接近系统的最优工作点，需要阶梯减压，步进搜索最优工作点，随着压力的 减小，当检测到取再次小于零，说明系统工作于最优工作点的左侧，即图5 3 中 的a 区，系统需要增加制动力矩，当检测到强又大于零，说明地面制动力矩开 始回升，系统已接近最优工作点& ，需要阶梯增压，继续步进搜索最优工作点。 就这样系统不断检测地面制动力矩的变化强，不断地理解判断，不断重复这种周 期性的搜索过程，直到搜索到最优工作点，使系统在其附近工作。由于采用连 续测量、连续理解的方法，即使由于车速，载荷转移或路面变化使车轮与路面的 4 5 基于a m e s i m 的车辆防抱死制动系统的仿真研究 附着情况发生变化，系统一样能够适应路面的变化，而找到新的最优工作点。由 于需要测量地面制动力矩的变化您，所以需要一个轮速传感器得到车轮加速度 ，需要一个轮缸压力传感器得到制动力矩死。 根据上述分析，自寻优控制策略逻辑关系如式5 5 。 丛 o ，舡 o ，i o 丛 o ，舡 o ，t o 丛 o ，卸 o ，毛 o 增压 减压 阶梯减压 ( 5 6 ) 增压 阶梯增压 根据以上的分析，系统通过连续检测地面制动力矩的变化，经过理解判断， 使系统在增压、减压、阶梯减压、增压和阶梯增压这几个不同的状态之间切换， 所以用s t a t e n o w 有限状态机可以很好地实现系统的逻辑控制。s t a t e n o w 控制逻辑 流程如图5 4 所示。 图5 4 自寻优a b s 控制逻辑流程图 硕士学位论文 5 3 系统仿真 为验证自寻优控制策略在防抱死制动系统中的有效性以及优越性，忽略空气 阻力和环境的影响，本节分别做了单轮、双轮和四轮自寻优防抱死制动系统的仿 真分析。 5 3 1 单轮模型仿真 单轮a b s 模型如图5 5 所示，系统包括s t a t e n o w 控制逻辑模块，a m e s i m 液 压系统模块( 如图3 9 所示) ，和单轮车辆模型。 图5 5单轮a b s 模型图 其中a m e s i m 液压系统模块在a m e s i m 和s i m u l i n k 联合仿真中是以s 函数的 形式嵌入在整个模型中。s t a t e n o w 模块的输入为地面制动力矩的变化率强，输出 为电磁阀的控制信号七1 和娩，以及回油泵电机的控制信号以。s t a t e n o w 逻辑控制 如图5 6 。液压系统的输入为s t a t e f l o w 输出的电磁阀和回油泵电机控制信号，输 出为车辆的制动力，车辆模块的输出为地面制动力矩的变化率殛，输入为液压 系统模块输出的车辆制动力。 图5 6s t a t e n o w 状态控制图 4 7 基于a m e s i m 的车辆防抱死制动系统的仿真研究 1 ) 干路面仿真 干路面的路面特性为& = o 2 ， = o 9 ，g = o 7 5 。单轮车辆a b s 参数如表4 2 。 车速轮速曲线如图5 7 ，滑移率曲线如图5 8 。由图5 7 可以看出轮速可以很好地跟 踪车速，车轮在整个制动过程中几乎没有抱死，仅仅比制动停止时间提前0 0 0 0 2 s 抱死，达到了防抱死制动系统安全性的要求，制动时间为2 2 8 s ，制动距离为 2 2 7 4 m 。由图5 8 可看出，系统很快找到了最佳滑移率& = 0 2 ，并在最佳滑移率 s 。附近波动搜索，搜索范围越来越小，最后几乎落在了系统最优工作点。 f 、 l 蟹糟 、孓： 式。_ 立i 、 吣n p 、 、，p 、 w j 图5 7 车速轮速曲线 图5 9 为制动力矩和滑移率的相轨迹， 力矩曲线。 ， 0 2 6 0 2 4 鲁0 2 2 饕 寒 口2 a 1 日 d 1 6 图5 8 滑移率曲线 右图为其局部放大图，图5 1 0 为制动 ，_ o _ 一 姐锾霞舀雪z i 一 ，z ，孑鼍盎己7 一一t 一l - - - 。少 p - _ 一一 7 加7 翩7 即咖啪啪咖鲫咖 制动力矩州m ) 图5 9 制动力矩和滑移率的相轨迹 由图5 9 可看出，制动力矩开始增加，轮速不断降低，滑移率随着轮速的降低 而不断增加，当系统找到最佳滑移率时，制动力矩开始在最佳滑移率附近波动。 由局部放大图看以看出，制动力矩在最佳滑移率附近不断循环搜索，而且搜索范 围越来越小，制动力矩的波动也不断变小，最终使系统维持在最佳滑移率附近工 作。这一点和p i d 控制的a b s 在干路面上的仿真结果有点相似，都是通过不断地 调节制动力矩，使系统到达期望工作状态。由图5 1 0 也可以清楚地看出制动力矩 在8 4 0 n m 上下波动，但波动的幅度在不断减小。 4 8 硕士学位论文 1 即 百 e 备 扣 0 i9 0 日d t 0 6 0 皇5 d 茕4 0 明3 0 2 0 1 0 0 0 图5 1 1 主缸压力曲线图5 1 2 蓄能器压力曲线 蓄能器是在a b s 减压过程中，暂时存储轮缸中回流油液的容器，然后由回油 泵把这部分油液泵回主缸。由图5 1 2 可看出，蓄能器的油压在不断上升，最终稳 定在8 b a r 附近，残余压力有点偏高。如果蓄能器残留压力过高，会造成系统减压 速度慢，造成系统搜索损失增大。 2 ) 湿路面仿真 湿路面的路面特性为，& = 0 1 5 ，j i l = o 6 ，g = o 4 3 。车辆速度和车轮速度曲线如 图5 13 ，滑移率曲线如图5 1 4 。由图5 13 可以看出轮速随车速波浪形下滑，能比 较好地跟踪车速，车轮在制动停车前0 0 2 4 s 抱死，达到了制动防抱死的目的。制 动距离为3 2 6 8 m ，制动时间为3 3 7 s ，制动距离和制动时间都要比干路面上长一些。 由图5 1 4 看，系统很快找到了新的最佳滑移率点= 0 。1 5 ，并在围绕在其附近工作， 和干路面上相比，波动幅度比较大，搜索范围稍大一些。 图5 1 5 为制动力矩和滑移率的相轨迹，由图可看出，制动力矩基本上在最佳 滑移率附近波动搜索，但搜索范围有些大，系统工作也稍有些不稳定。图5 16 为 制动力矩随时间的变化曲线，制动力矩基本上在5 5 0 n m 上下波动，要比干路面上 的制动力矩有所减少。 4 9 基于a m e s i m 的车辆防抱死制动系统的仿真研究 蕊蕊 、 蕊 奄 时阃【s ) 图5 1 3 车速轮速曲线 、 厂、 ：，口m ： 二。一 ，一? 一! _ _ _ 一 一z k、月p v 、 ，v 、 ，、m a 脚n r n m m h a m 怕洲 ； 00 51 1522 533 5 时间( 8 ) 图5 1 4 滑移率曲线 泓 ，i i l i i l l i燃 懒嘲一删恻 图5 1 5 制动力矩和滑移率相轨迹图5 1 6 制动力矩曲线 图5 1 7 主缸压力曲线图5 18 蓄能器压力曲线 图5 1 7 为制动主缸压力曲线，图5 1 8 为蓄能器的压力曲线。由图可看出主缸 压力基本上比较稳定，一直在7 8 b a r 上下波动。蓄能器压力最后稳定在3 b a r ，残 余压力也比较低。 3 ) 冰路面仿真 冰路面的路面特性为，& = 0 1 5 ， = o 4 5 ，g = o 2 8 。车辆速度和车轮速度曲线如 图5 1 9 ，滑移率曲线如图5 2 0 。由图5 19 可看出，轮速能较好地跟踪车速，但波 动幅度较大。制动时间为4 4 8 s ，制动距离为4 2 9 6 m 。车轮比制动停止时间提前 o 0 6 s 抱死。由图5 2 0 可看出系统能适应路面的变化，很快找到冰路面上的最佳滑 5 0 ， 明 响 吖 = 詈 啦! 呈刚 。 鹰椎毫 钓柏垃0 够贰邂 硕士学位论文 移率s c = o 1 5 ，并在其附近工作，但是波动幅度比较大，搜索范围也在不断扩大， 没有较好地收敛于最佳滑移率。但系统达到了防抱死制动安全性的要求。 队 、 一沙 。 。、 譬 。、 越 时阿【b 】 图5 1 9 车速轮速曲线 f 锄壮、 互 、 y 毒 制动压力( n m l 图5 2 1 滑移率和制动力矩相轨迹 i 拉 a 州曲 a 洲蛆 删州蝴蝴砌蒯： l ad 511522533 544 5 时间6 ) 图5 2 0 滑移率曲线 l勰 獬删，燃洲黼 恍 1 00 51 522 533 ，545 时问( 0 1 图5 2 2 制动力矩曲线 图5 2 1 为制动力矩和滑移率的相轨迹，图5 2 2 为制动力矩随时间变化的曲线。 由图5 2 l 可看出，制动力矩基本上在最佳滑移率附近搜索，开始搜索范围不断变 小，但到最后搜索范围反而有所增加，从图5 2 0 滑移率曲线中也可看出这一点。 由图5 2 2 可看出，制动力矩基本上在4 5 0 n m 上下不断调节，制动力矩也较干路面 和湿路面上有大幅度的下降，而且调节频率也比干路面和湿路面上明显增大，这 主要是车辆在冰路面上制动，由于路面附着系数比较低，车轮更容易抱死，所以 制动力矩不能过大，而且需要更快的调节速度，才能使系统维持在最佳滑移率附 近工作。 以上是自寻优算法作为控制器的单轮车辆a b s 模型，在干路面、湿路面和冰 路面上的仿真分析，现把自寻优方法和p i d 方法在这三种路面上的仿真结果做一 个对比如表5 1 。由表5 1 可以看出，在干路面上p i d 控制的a b s 制动距离比自寻 优控制的a b s 短了o 0 1 m ，制动时间短了o 0 1 s 。在湿路面上和冰路面上p i d 控制 的制动距离和制动时间均要比自寻优控制的长一些。由各自相应的滑移率曲线可 明显地看出，p i d 控制的a b s 只有在和其期望滑移率相符的路面上能达到较好的 5 n ， 响 吖 帖 们m 引 。 蛋雉赛 基于a m e s i m 的车辆防抱死制动系统的仿真研究 制动效果，不能适应路面的变化，而自寻优控制的a b s 能更好地适应路面变化， 在不同路面均能获得较好的制动效果。 表5 1 自寻优控制和p i d 控制仿真结果对比 仿真内容p i d 控制自寻优控制对比 制动距离( m ) 2 2 6 42 2 7 4 o 1 干路面 制动时间( s ) 2 2 72 2 8o 0 1 制动距离( m ) 3 3 0 63 2 6 80 3 8 湿路面 制动时间( s ) 3 4 73 3 70 1 冰路面 制动距离( m ) 4 3 9 2 4 2 9 6 0 9 6 制动时间( s ) 4 6 94 4 80 2 1 4 ) 对接路面上仿真 为了进一步验证自寻优a b s 的鲁棒性和对路面的辨识适应能力，又进行了干 冰干对接路面上的仿真。制动初速度改为2 5 m s ，其它参数如表4 2 。车速轮速曲 线如图5 2 3 所示，滑移率曲线如图5 2 4 所示。 、， 坟 、。h 、 、 、 奄一 、 u 心 吣、x 弋 一弋 一m 0 w 州嗍酬 j i p v v v 刑 ：07 1 州 00 5115 图5 2 3 车速轮速曲线图5 2 4 滑移率曲线 由图5 2 3 可看出，车速在路面换接时出现了拐点，车速曲线的斜率也发生了 明显的变化，也就是车辆的减速度在不同的路面上发生了变化，开始在干路面上 地面制动力较大，因此制动减速度也较大，到冰路面上地面制动力较小，因此制 动减速度也变小。轮速能较好地跟踪车速，但在车辆由干路面到冰路面上时，轮 速有较大的抖动，轮速突然降低，滑移率突然增大，由图5 2 4 也可看出这一点。 在滑移率曲线图中可看出，开始车辆在干路面上行驶，滑移率维持在干路面上的 最佳滑移率s c = o 2 附近，当车辆从干路面上到冰路面上时，滑移率有了较大的突 变，但系统很快就找到了冰路面上的最佳滑移率= 0 1 5 ，并在其附近振荡工作， 当车辆又由冰路面上换到干路面上时，滑移率没有发生突变，较平缓地过渡到干 路面上的最佳滑移率= o 2 ，并在其附近振荡工作。 图5 2 5 为滑移率和制动力矩的相轨迹，图5 2 6 为制动力矩随时间的变化曲线。 由图5 2 5 可以清晰地看出，系统通过调节制动力矩在对接路面上搜索最优工作点 的过程。开始制动力矩在& = o 2 附近循环搜索，当车辆由干路面进入冰路面后， 制动力矩又转移到= o 15 附近波动，但中间有较大的抖动，当车辆又由冰路面驶 5 2 硕士学位论文 入干路面后，制动力矩又回到原来的工作区域，在= 0 2 附近波动。由图5 2 6 可 见，制动力矩在干冰干路面上的变化过程，系统可以智能地调节制动力矩来适应 路面的变化，干路面上的制动力矩在8 4 0 n m 上下波动，而冰路面上的制动力矩在 4 4 0 n m 上下波动。 i 厂 i ： ，“雹卜 。b 一 薯型弧。( 夕 ， p 一 ：“7 别动力矩舭”) 图5 2 5 滑移率和制动力矩的相轨迹 5 3 2 系统参数对a b s 的影响 书 燃 是 删黼黻 。、 撇燃 1 7 f ，v 时河国 图5 2 6 制动力矩曲线 1 、) 电磁阀响应时间对系统的影响 a m e s i m 中a b s 液压系统模型中的电磁阀是一个二阶系统，影响其响应时间 的主要参数是固有频率c c ) 疗。文中主要研究了电磁阀固有频率对系统的影响，也就 是电磁阀响应时间对系统的影响。图5 2 7 、5 2 8 和5 2 9 分别为电磁阀固有频率以 为2 0 h z 、1 0 0 h z 和2 0 0 h z 时，系统的滑移率曲线。电磁阀的响应时间随着固有频 率的增加而变快。由图可见，随着电磁阀响应的加快，系统的搜索范围在减小， 滑移率的波动范围也在变小，更接近于系统的最