（控制理论与控制工程专业论文）防抱死制动系统的滑模变结构控制.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 防拖延制动系统鑫奄淆模变结构控制 摘要 防拖孺锘l 动系统( a b s ) 是一种新墅静汽车主动安全装置。其主要功稚楚在汽车紧 急制动时防比车轮发生抱死观象，从而可以有效提岗汽车的制动稳定性，并在制动过程 中保持良好的方向锻和可操控性。a b s 是一种强j 线性时交系统，为了满足受控系统的 稳定性和抗于就能力，本文选用滑模变结构控审4 方法设计控制器。 本文在深入分丰斥了制动防抱死系统基本结构和王作原瑷的基础上，着爨研究滑模控 制方法在a b s 系绕中的应嬲。攫撰车辆本身的结 奄特点耧物理学原理，农骰了一系到 有利于简化问题分析与研究的假设之后，对车辆制动时的力学进行分析进而建立了四分 之一车辆熬动力学模型、车轮豹嚣寸饕力模型以及剑动爨摸型，著娃之受基戳捣建港摸控 制器。 获褥不嗣路覆条舞下铡溺筑最毽潴移率是a b s 控割嚣王捧戆懿提，本文摄豢经验 公式及数据计算得到各种常见路面祭件下的车辆制幼最佳滑移率。为了解决无法宜接测 量鼹嚣辫蓑力熬瓣戆，本文设诗了黪嚣瓣羲力藩诗嚣，扶露霹淡获得准礁黪鼹瑟黪整力 以及附着系数。抖搬现象是滑模控制固有的特征，鬯的存在将严重影响控制器的控制效 采，甚至对熬令系统造成臻辔。文审瘟爱静魄霸丞羧法霹戮缀舞豹粼弱系绕瘸应静辩振 现象。 最后逶道m a t l a b s i m u l i n k 较侔对耨设计静系统透行仿真。邋过落囊结栗可淤看 出，滑模控制器能够很好的服踪路酾最佳滑移率的变化，制动力矩的变化也比较平稳， 能够保证车辆制动过程的稳定往要求。 关键谶：防撒死制动系统；漕模控制；滑移率；四分之一举辆模型 一l | 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s l i d i n gm o d e v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lf o rt h e a n t i l o c kb r a k i n g s y s t e m a b s t r a c t a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) i sak i n do fn e wi n i t i a d v ee q u i p m e n tf o rs e c u r i t yi n v e h i c l e s t h em a i np o i n t so ft h i ss y s t e mi st op r e v e n tl o c k i n go ft i r e sw h e nb r a k i n go fg r e a t u r g e n c y , f o rt h i s ，i tc a l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fb r a k i n gs t a b i l i z a t i o n ，a n dm a k ei tm o r e c o n t r o l l a b l e t h ea n t i - l o c k b r a k i n gs y s t e mi sas t r o n gn o n l i n e a ra n dt i m e v a r i a b l es y s t e m t o s a t i s f yt h es t a b i l i t ya n da n t i - j a m = i n gp e r f o r m a n c e ，iu s e dt h em e t h o do fs l i d i n gm o d eo f v a r i a b l es 仇l c t u r ec o n t r o lt od e s i g nt h ec o n t r o l l e r b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fd e v e l o p i n gh i s t o r y , t h es t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l e so ft h i s s y s t e m ，ih a v ep a ym o r ea t t e n t i o no nt h ea p p l i c a t i o no fs l i d i n gm o d ec o n t r o lm a n e u v e rf o r t h i ss y s t e m b e c a u s eo ft h es t r u c t u r ec h a r a c t e ro fv e h i c l ea n dp h y s i c sp r i n c i p l e ，a n dp r e s u m e s o m ep o i n t sw h i c hc a nm a k et h ea n a l y s i sm o r es i m p l e ，t h e ne s t a b l i s h e dq u a r t e rv e h i c l e d y n a m i c sm o d e l ，w h e e la d h e s i o nf o r c em o d e la n da r r e s t e rm o d e l a n dc o n s t r u c tt h es l i d e m o d ec o n t r o l l e ru s i n gt h em o d e l s i ti sn e e d e df o rav e h i c l et og e tt h ee x a c to p t i m a ls l i pr a t i oo nd i f f e r e n tr o a d sf o ra b s c o n t r o l l e r i nt h i sp a p e r , w er e a c ht h eg o a lt h r o u g hc o m p u t i n gw i t he x p e r i e n c ef o r m u l aa n d d a t a a n dd e s i g nt h ea d h e s i o nf o r c eo b s e r v e rt og e tt h er o a da d h e s i o nf o r c ea n da d h e s i o n c o e f f i c i e n tw h i c hc a n n o tb e e nm e a s u r e dd i r e c t l y c h a t t e r i n gi st h ei n h e r e n tp h e n o m e n o no f s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，i tw i l li m p a c tt h er e s u l to fc o n t r o l l e r , e v e nh 糊f o rt h ew h o l es y s t e m 。 a n dw eu s et h es a t u r a t i o nt or e d u c ec h a t t e r i n gi nt h es y s t e mr e s p o n s e a t1 嬲t ，w eu s et h es o f t w a r eo fm a t l a b s i m n l i n kt ov a l i d a t et h ed e s i g n t h er e s u l t s s h o wu st h a tt h es y s t e mc a nw o r kw e l lt of o l l o wv a r i e t yo fo p t i m a ls l i pr a t i oo nd i f f e r e n t r o a d s ，a n dt h eb r a k i n gt o r q u ec a nc h a n g es m o o t h l y , t h er e s u l tc a l ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f s t a b i l i t yf o rt h ev e h i c l eb r a k i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) ；s l i d i n gm o d ec o n t r o l ； s l i pr a t i o ；q u a r t e rv e h i c l em o d e l i i i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名：劳逸牮 签字日期：j 卯6 ，。上 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文储躲箩、童隼跏签名：秀狮驾 签字日期：j 卯厂二1 ，签字日期：洲c ) “ 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百。下匕 i 琏年来，随着汽车工业的发展，人们对于汽车速度的要求越来越商，因此汽车的制 动洼辘氇越采越显霉覆要，尤萁莛潮劝过程中瓣车辆蔫递方游豹稳定瞧纛转懿能力，基 经成为人们关注的焦点。研究显示，在道路交通事故中，大约1 0 的事故是由于车辆在 鞠动瓣润傣嵩疆定鞔瀵或车辆最尾造成酶，爵魏完善锏动往髓是减乡交通事羧帮键避汽 车工嫩发展的震要措施。目前在提高制动性熊的各种技术中，最有效并且得至广泛成用 的是貉艳死铡动技术，氇就怒通常所说静a 秘s 技术1 嗣。装沼a b s 系统是挺高汽车制 动安全性能的极为有效的手段之一，逡已为豳内外的大量经验所证明嗍。目前针对a b s 的研究芷成为国内外汽车界研究的熟门谋题。 l 。l 众b s 系统的发展及功用 1 1 1a b s 的产生及发展历史 a b s 的英文名称怒a n t i 1 0 c k b r a k i n gs y s t e m ( 防抱死制动系统) 。是一种主动安全装 鬟哆】翰嘲。从汽车诞生瓣起，攀壤剑饕系统在攀辍熬安垒方嚣裁矜演整至关耋器毂角热。 近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高以及道路行车密度的增大，这种熏 要性表理褥越来越甏爨。众多豹汽车王程； | i 褒浚进汽车簧l 动镶麓熬磅究孛矮注了大爨豹 心血。目前关于汽车制动的研究主要集中在制动控制方面嗍f 1 6 1 ，包括制动控制的理论和 方法，黻及采惩薪黪技本。黧今a b s 鑫成楚汽车静蘩耍安全装量之一。 a b s 技术是1 9 2 0 年发明并申请专利的。早在上傲纪3 0 年代，a b s 就融在铁路机 车静翻动系统孛应蔫，鼙豹燕为了耱史车轮在稍动遥疆孛拖筏，导交车轮与镧鞔局部急 剧摩撩而过早损坏。之后飞机在其制动系统上也采用了a b s ，并且很快就成为了飞机的 标准装备i 7 1 。 汽车上最早采用a b s 技术的是福特( f o r d ) 汽车公司。将最初的车用a b s 系统装 备在1 9 7 0 年款的林青大陆牌轿车上。日本事田( y o t a ) 公司识紧随箕后，该公 司研制的a b s 最早装器在1 9 7 1 年款的事困鏖冠牌轿车上。 德国的博键( b o s c h ) 公司从上世纪7 0 年代初开始一直在进行a b s 技术的研制工 作，弗且在相关技术领域获缮多项专利，是爨髓世晃点最大的a b s 艇产制遗囊。德嚣 的主要的a b s 厂商还有瓦布克( w 久b c o ) 公司和戴维斯( t e v e s ) 公司。美国主要有 德尔秘( d e l c o ) 公司帮本遭炎簸( b e n d i x ) 公司等等，都是蹩爨级蛇a b s 系统斡铡选 商。 1 末北大学硕士学攘论文 第一章绪论 图1 1 a b s 系统的布蒙 f 毽1 1c o l l o c a t i o no f a b ss y s t e m 上世纪九十年代以后，由于汽车电子系统的跃进式发展，在欧洲、美国、日本、韩 国等函家的汽车上，a b s 系统的装车率大幅懿寓，其中美国静a b s 系统装车率已经达 到9 5 以上，由于安全意识的提高和安全法规的推动，a b s 已经成为汽车的标准装备或 选择设备鞠。 我国研究a b s 始予上世纪8 0 年代，目前媳仅有个别厂家投入小批量生产，比较大 的有博世汽车部件( 苏州) 有限公司等凡家公司。现在a b s 艘术发鼹与更新很快，掇 号和晶牌也很多，比较流章亍的凑博世2 ( b o s c h 2 ) 型、戴维斯马克4 ( t e v e sm k f v ) 型和德尔科6 ( d e l e om o m i n e v i ) 型，美图汽车大多采用簸维新、德尔科和本迪觉斯a b s ， 欧洲秘日本大多采用媾世2 型的改进黧a b s 。 ， 1 1 2a b s 系统的基本功能 驾驶汽车在潮湿的沥青路丽上或魑有积雪的道路上进行紧急制动时，车辆忍部会翘 起，严霪蹲车秘会努转。在鬏嚣熬鼹嚣主，由予窭瑗褥骏轮遗，戬及部分踺露从羧雪中 露出，这时如果车辆的左右车轮中的一个在无零的道路上，而另一个在有雪的路面上行 驶舜，藏辍有溪疑发警车辆努转瓣瑗象。强暴在这撵静条终下滋行紧急镧动，簸壤鼹攀 握方向艋以控制车辆行进方向，甚至有可能j 靴入其它率道或无法避开邋路上的障碍物。 防拖利淤装置( a n t i - i o e k b r a k i n g s y s t e m ，篱称a b s ) 就是兔了茨正这静惫险状况蔼开发 的装置【4 1 1 6 。防抱死制幼装景与原来的制动系统( 制动总泵、擞式制动器、鼓式制动器、 压力隈髑阀等) 共同梅藏汽车瀚圭动安全装鹫箨l 翻嚣。 而事实上当汽车在行进过稷中紧急制动时，如果前轮发生抱死现象，虽然汽车基本 一2 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 上沿直线向前行驶，但是将会失去转向控带i 。e , 力。驾驶员在制动过程中躲避障碍物、行 人以及在弯道上行驶所必须采取的转向操纵就无法实现；如果后轮发生抱死现象，汽车 的制动稳定性就会变差，在很小的侧向力作用下，汽车就会发生甩尾，甚至出现调头等 危险现象嘲。此外，当车轮发生抱死现象时，轮胎局部剧烈摩擦会导致使用寿命大大缩 短【17 1 。 电子控制防抱死制动系统是在汽车原有的制动系统的基础上，增设一套电子控制装 置【1 6 】。其功用就是在汽车制动过程中，自动调节车轮的制动力，防止车轮抱死，从而获 得最佳制动性能( 提高方向稳定性、增设转向控制能力、缩短制动距离) ，减少交通事 故，提高汽车的安全性 5 】 司。 1 2a b s 系统工作原理及分类 1 2 1 汽车制动过程分析 在常规机械控制的汽车制动系统中，司机们经常采用点动刹车踏板，以避免车轮在 制动过程中发生抱死的情况。但是，点动刹车要求司机必须有很高超的驾车技术，才能 达到最佳制动效果。采用汽车制动自动控制系统，需要找出汽车在刹车过程中的最佳制 动点，使轮胎与路面之间的滑移率处于一种较佳的值，以达到很好的制动效果。 汽车在制动时，车身速度由于轮胎与路面之间作用的附着力( 制动力) 缘故进行减 速；与此同时，车轮速度减少得更多。于是就会产生车身速度与车轮速度之差，我们称 之为滑移现象1 1 7 j 。滑移程度用滑移率加以_ 表剥1 】【1 8 】【1 9 】，定义如下： 滑移率( 丑) = ( 车身速度一车轮速度) 车身速度1 0 0 由上式可知，当车身速度与车轮速度相等时，则滑移率为零。但是当汽车进行制动 时，二者之差增大。于是在车辆停止前，车轮抱死。当开始制动滑移率达到某值时，随 着滑移率的增加，制动系数也增加，就会产生摩擦力或称为附着力，也就是制动力。 制动附着系数、侧滑附着系数与滑移率五具有密切的关系。图1 2 显示出它们之间的 特性。也就是说，在不制动状态( 滑移率五= o 时) ，制动系数= 0 。当制动时滑移率达 到某值时，为最大。此后，随着滑移率增加而变小。另一方面，侧滑系数在2 = 0 时达到最大值，随着z 的增大而变小。于是，车轮抱死2 = 1 0 0 ，n , u s 0 ，如前所述， 车辆的方向稳定性与转向操纵性一起丧失。实践证明，当汽车在制动过程中滑移率五为 1 0 2 5 时，制动效果最佳，即所谓的最佳制动效果。由图1 2 中的一五曲线可以看 出：当五在2 0 左右时，制动附着系数最大，而此时的侧滑附着系数。也较大，这时 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 制动的效果最好。 o 南l o o 潮多霉孟 圈1 2 附着系数与滑穆率关系曲线 f i g 。1 2 c h a r a e 删c b e 铆e 嫩a d h e s i o n c o e f f i c i e n t a n d w h e e ls l i pr a t i o 通常，纵向附着系数影响制动距离，横向附着系数影响制幼方向的稳定性和保持转 向控锻髓力。锱动防獠死馥基本原理就是依摇t 逮的饼究藏栗，通过控蒂调节潮动力， 使得在整个制幼过程中，车轮的滑移率被控制农合适的范围内，以取得最佳的制动效果。 a b s 系统硬件构成主要由传感器嘲( 包括轮速传感嚣、减速度传感器和车速传感器) 、 电子控制装置、制动臌力调节器三大郝分组成，形成一个以滑移率为酲标的自沩控制系 统。 传感器测蹩车轮转速并将这一数据传送奎魄子控制装置上，控制装器是一个微处壤 器，它根据车轮转速传感器信号来计算车速。在制动过程中，车轮转遴可与控制装置巾 预先编铡豹理想减速度的特性越线楣魄较。如果控制装暨刿叛黩车轮减速度太快和车轮 即将抱死对，它就发出信号给液压调节器，液滕调节器可根据来自控制装景的信号对制 动器懿卡钳或耱泵的澳压进霞控剩( 终月、绦持、释放、重袈掺曩) 。这一动终每秒铮霹 以出现1 0 次以上。 l 。2 2a b s 的分类及特点 汽牵爨缒联赛l 蘩系统a b s 分戈规摄式a b s 裰耄子式a b s 嚣大类瑟】掰。嚣蔫，纯税穰戴 的a b s 已经被淘汰，主隳采用机电一体化的电子控制式a b s 。 1 2 。2 。1 接结构努粪 电子控制a b s 根据压力调节器和制动主缸的结构型式分为分离式和整体式两种。分 离式a b s 熬铡麓莲力濑节器羹猿立慈袋，遥遘锈凌管路与翻韵主醯寒铡凌轮瓤襁连，冀 突出优点是零部件安装灵活，迓于将a b s 作为选装部件时采用。博世b o s c h 2 s 型和 4 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 b o s c h 2 e 型，本迪克斯b e n d i x l v 型和型就属于分离式a b s 。整体式a b s 的制动压力调 节器与制动主缸以及制动助力器组合为一个整体，其优点是结构紧凑，节省安装空间， 一般都作为汽车的标准装备来采用。戴维斯t e v e s ( a r e ) 型和德尔科型以及博世b o s c h 3 型均为整体式a b s 。整体式a b s 结构复杂、成本较高，一般用于高级轿车。 1 2 2 2 按控制通道和传感器数量分类 电子控制a b s 控制车轮的方式为“轴控式”与“轮控式”两种。轮控式又分为“低 选控制( s l ) ”和“高选控制( s h ) ”。 在a b s 中，对能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。如果每个车轮 各占用一个控制通道，就称为轮控式。如果两个车轮占用同一个控制通道，并且这两个 轮在同一轴上，则称为轴控式。按控制通道的数量a b s 装置又可分为四通道式、三通道 式、二通道式和一通道式。 ( 1 ) 四通道式 四通道a b s 有四个轮速传感器，在通往四个车轮制动分泵的管路中，各设一个制动 压力调节装置，进行独立控制，构成四通道控制形式。广州本田即是使用四通道a b s 装 置。 由于四通道a b s 是根据各车轮轮速传感器输入的信号，分别对各个车轮进行独立控 制的，因此附着系数利用率高，制动时可以最大程度的利用每个车轮的最大附着力。四 通道控制方式特别适用于汽车左右两侧车轮附着系数接近的路面，不仅可以获得良好的 方向稳定性和方向控制能力，而且可以得到最短的制动距离口”。但是如果汽车左右两个 车轮的附着系数相差较大( 如路面部分积水或结冰) ，制动时两个车轮的地面制动力就相 差较大，因此会产生横摆力矩，使车身向制动力较大的一侧跑偏，不能保持汽车按预定 方向行驶，会影响汽车的制动方向稳定性。严重的会使转向困难，甚至无法转向。 ( 2 ) 三通道式 三通道a b s 是对两前轮进行独立控制，两后轮按低选原则进行一同控制( 即两个车 轮由一个通道控制，以保证附着力较小的车轮不发生制动抱死为控制原则) ，也称混合 控制。桑塔纳2 0 0 0 g s i 就是用的这种a b s 装置。 两后轮按低选原则进行一同控制时，可以保证汽车在各种条件下左右两后轮的制动 力相等，即使两侧车轮的附着系数相差较大，两个车轮的制动力都限制在附着力较小的 水平，使两个后轮的制动力始终保持平衡，保证汽车在各种条件下制动时都具有良好的 方向稳定性 1 _ 7 】【2 ”。当然，在两后轮按低选原则进行一同控制的，可能出现附着系数较大 的一侧后轮附着力不能充分利用的问题，使汽车的总制动力减小。但在紧急制动时，由 5 东北太学硕士学位论文第一章绔论 于发生轴荷前移，在汽车的总制动力中，后轮制动力所占的比例减小，尤其照前轮驱动 瓣小赣车，蓦蓼轮戆瓣整力 l 嚣轮兹辫凑力太彳薅多，遴鬻后轮潮动力式占憨麓韵力静3 0 左右，后轮附酋力未能充分利用的损失对汽举的总制动力影响不大。在对桑塔纳2 0 0 0 进 行戆6 0 k m h ；翡惫翻动辩琵试验中，有a b s 的举鍪眈觅a b s 的攀登的制劝距离必短1 米， 但是荫a b s 的车型始终都有方向，不会失去对方向的控制【2 n 。对两前轮进行独立控制， 主要考虑小轿车，特别是前轮驱动的汽车，前轮的制动力在汽车总制动中所占的比例较 大( 耐达7 0 左右) ，可以充分剥用龌前轮的附着力。一方瑟使汽车获褥尽霹戆大鳃戆 制动力，有利于缩短制动距离；另一方面可使制动中两前轮始终保持较大的横向附着力， 使汽攀僳持良好转疑熬力。尽管嚣毫萋轮独立掩裁霹憝鼯致两藏轮裁动力不平撵，经耄予 两前轮制动力不平衡对汽车行驶方向稳定性影响相对较小，而且可以通过驾驶员的转向 搡踱对密藏产生懿影虢送嚣修匿。嚣魏，三邋遴a b s 凌枣轿筝主被曹遮采弼。 ( 3 ) 二通道式 二通道式a b s 难以在方向稳定性、转向控制性和制动效能各方面得到兼顾，目前采 用很少。 ( 4 ) 一通道式。 避道式a b s 誉叫肇通建t a b s ，它怒在蜃轮剑动耧憨警中浚霍一个露凌箧力谴节嚣， 在后拼主减速器上安裟一个轮迷传感器( 也有在后轮上各安装一个) 。 单运i 釜a b s - - 般都是对嚣露轮按低选原舞g 避短一瓣控到。鼙逶遂a b s 蚕戆俊秀螽耱 的附着力得到充分利用，因此制动距离不一定会明显缩短。另外前轮制动未进行控制， 嚣魂露藩轮仍衾基囊案l 动缒蘸，嚣露转瘫攥缀黪力毽寒褥鬟羧藩，毽赉予到动瓣嚣惹耱 不会抱死，能够显著的提高制动时的方向稳定憔，在安企上是大优点，同时结构简单， 藏奉低等貔患，掰潋簌轻鍪载赞车上广泛应麓。 l 。3 现有的控制策略在a b $ 系统中的应用 目前，车辆防抱制劝控制系统( a b s ) 已发展成为成熟的产鼎，并在各种车辆上得到 了广泛躯液焉，谨是这黧产菇鏊本都蔻基予车轮船、减速门限及参考渭移率方法设计的。 方法虽然简单实用，但是其调试比较困难，不同的车辆需要不间的匹酉已技求，在许多不 丽静道路上热以验证；从理论上来说，蹩个控制过程车轮滑移率不是谦持在最佳滑移率 上，并来达到最佳的毒动效果。另外，囊于编制逻辑门限a b s 鸯诲多髑限性，所以近 年来在a b s 的瑟础上发展了车辆动力学控制系统( v d c ) 。结合动力学控制的最佳a b s ? 6 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 是以滑移率为控制目标的a b s ，它是以连续量控制形式，使制动过程中保持最佳的、稳 定的滑移率，理论上是一种理想的a b s 控制系统。滑移率控制的难点在于确定各种路 况下的最佳滑移率。对以滑移率为目标的a b s 而言，控制精度并不是十分突出的问题， 并且达到高精度的控制也比较困难；因为路面及车辆运动状态的变化很大，多种干扰影 响较大，所以重要的问题在于控制的稳定性，即系统鲁棒性，应保持在各种条件下不失 控。防抱死系统要求高可靠性，否则会导致人身伤亡及车辆损坏。因此，发展鲁棒性的 a b s 控制系统成为关键 t a l 2 3 1 。现在，多种鲁棒控制系统应用到a b s 的控制逻辑中来。 除传统的逻辑门限方法是以比较为目的外，增益调度p i d 控制、变结构控制和模糊控制 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。模糊控制法 是基于经验规则的控制，与系统的模型无关，具有很好的鲁棒性和控制规则的灵活性， 但调整控制参数比较困难，无理论而言，基本上是靠试凑的方法。然而对大多数基于目 标值的控制而言，控制有一定的规律。另外，也有采用其它的控制方法，如基于状态空 门及线性反馈理论的方法，模j i 龌神经网络控制系统等。各种控制方法并不是单独应用在 汽车上，通常是几种控制方法组合起来实施。如可以将模糊控制和p i d 结合起来，兼顾 模糊控制的鲁棒性和p i d 控制的高精度，能达到很好的控制效果。 1 3 1a b s 系统常见控制方法综述 汽车a b s 的控制方法主要有逻辑门限值控制方法、滑动模态变结构控制方法、p i d 控制方法和模糊控制方法等 - r 1 1 2 2 z 4 l 。其中逻辑门限值控制方法使用历史最长，但是它的 控制逻辑复杂，不同路况下各种门限值及保压时间一般是经过反复实验得出的经验数 值，没有十分明确的理论依据，对系统的稳定性等品质无法评价，而且由于控制过程中 逻辑门限总是处于波动状态，因此控制效果不太好，制动距离也稍长；滑动模态变结构 控制可获得较高的制动效率，但是在换节线附近切换时，由于系统的惯性，在滑动运动 中叠加了一个抖振，如何选定参数及消除相轨迹在沿曲线滑移过程中存在的抖振现象还 有待进一步研究；对于p i d 控制，只要现场整定的p i d 参数合适，就会得到较好的控 制效果，但其性能效果仍有待改进和提高；模糊控制采用类似于人脑的模糊推理方法， 遵循一定的控制规则，结合实际经验，对系统进行动态调控，具有不依赖对象的数学模 型、便于利用人的经验知识、鲁棒性好、简单实用等优点，适应于a b s 这种变工况非 线性系统。但控制精度稍差。 1 3 1 1 逻辑门限值法 目前a b s 的控制方法很多，其中逻辑门限值控制技术较为成熟，应用也比较广泛。 ， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 这种控制方式的特点是不需要建立具体系统的数学模型，并且对系统的非线性控制很有 效，比较适合用于a b s 的控制吲【5 i 【2 7 1 。当其用t a b s 的控制时，仅需要采用汽车制动过 程中车轮的角加速度、角减速度门限控制就可以实现基本的防抱死制动循环。如果再附 加适当的辅助门限，则会得到更为理想的控制效果。 预选一个角减速度门限值，当实测值达到此门限值时，控制器发出指令，减小制动 力，使车轮转速提高。再预选一个角加速度门限值，当实测值达到此门限值时，控制器 发出指令，制动器增加制动力使车轮转速降低。以车轮角速度作为单信号输入，同时在 控制器中设置合理的角加速度、角减速度门限值，就可以实现防抱制动循环。 图1 3a s s 工作时车辆速度变化曲线 f i g 1 3v e l o c i t yv a r i e t i e sw h e n a s sw o r k i n g 逻辑门限值控制方式的防抱制动控制系统，一般采用三位的电磁阀。这种阀具有增 压、减压和保压的功能。其原理是：当测出的车轮角减速度达到其门限值时，电磁阀使 制动缸减压；当角速度超过其门限值时，控制器使电磁阀动作，增加制动气缸的压力。 防抱门限大多选择加、减速度门限作为主要门限，以滑移率作为辅助门限。因为单 独的加减速度门限有很大的局限性，在初始和高速紧急制动情况下，有可能使防抱控制 逻辑在后继的控制中失效。对于非驱动轮，也可能产生过早抱死而使防抱控制逻辑失效。 但如果只以滑移率作为单独的防抱控制门限，则对于不同的路况，很难求得一个最佳的 控制效果。因此，需要将角速度和滑移率这两个门限结合起来，以识别不同路况进行自 适应的控制。 逻辑门限值控制方法是目前比较成熟的控制方式，它通常不采用车速传感器测量车 身速度，而是通过车轮传感器测量车轮转速，在此基础上再通过逻辑算法算出车身速度、 滑移率和减速度，有效地降低了整套系统的成本。目前这种控制方式有成熟的产品，产 品的可靠性也较好。但是由于逻辑门限值的控制方法比较依赖于经验，需要先确定门限 8 东北大学硕出学位论文 第一常绪论 筐，露不阏车鍪窝不磊落瓣辩着系数情况下，霜隈傻选取备不辐麓，西藏需要遂行大量 道路试验的方法来确定合邋的门限值，所以开发周期长、儒要大擞的投资。不同研究单 谴对其试验数据进行保密，也限锖了a b s 技术的发展。 l 。3 。l 。2p i d 控刳 逻辑控制算法艇已在车上得至广泛的威用，佩它并非嫩佳的控制方法。为了进步 疆薅a b s 蠡孽牲憩，诲多文熬爨在辑建基手渗移枣瓣菠爨系绞，曩瀵移率穆为控截瓣檬容 易实现连续控制，从而提商a b s 在制动过程中的平顺性，并最大限度地发挥它的制动性 缝。实理连续控裁鹣最蘧繁冀法爨p i d ( p r o p o r t i o n a l ，i n t e g r a la n dd e r i v a t i v e ，露魄蜘、 积分及微分控制，简称为p i i ) 控制) 控制，采用增爨p i 算法比较容易实现抗积分饱和， 稳定经好。实藏这一过程袋雳两个p l 控裁，梅成率缀控隶l 系统，觅鬻1 4 浙示。蠢琢为篷 力控制，外环为滑移率控制，要求内环的控制响应黉快于外环的响应，才能得到比较好 斡控制精魔及控稍稳定往。在不丽静条舞下，采蔫不雨静p i 参数，帮增蘸谱度，程压力 控制中，低压时采用大增墩，高压时采用小增量。 圈1 4p 控制系统 f i g 。1 4p t dc o n t r o ls y s t e m 从p i d 的动态调节过程可以看出，用滑穆率作为控制目标必须解决这样一个问题， 实辩系统辨谈耱瑟静辩蔫系数交纯德凌，鑫凌逢改交控裁嚣标瑷跟踪鼯露辩着系数的交 化，使制动效能始终在最佳状态。出此可见，简单的p i d 控制器不能满足a b s 在全工况 静傻雳要求，它必籁其备谖潮路瑟特征静辨谖功髓，并有在线葵定控箭器参数酶韵熊。 1 3 1 3 滑模变结构控制 变结搦控审l 本质上分为两个部分，一部分是在淆模萄上的基予锘动模溅的近戳控 制，这相当予系统的连续控制，有利于消除系统豹抖振；另一部分是在达剿滑移面之前 的控制，可黻保证物理滑模系统的相轨迹运卿滑移筒。控制流量对漪移率变化十分敏感， 大的量必然导致大的波动，采用小魈量控制则是一秭有效的方法。 变结褐控锱系统能够遥过控截糕本身绣构的交佬，使褥系统的後能保持在一鸯离子 9 - 末托定学硕士学位论文第一章绪论 一般周寇结构控制所能达到的性能1 8 】【1 9 j 【2 9 】p 3 1 。突破了缀典线性控制的品质限制，较好 地解决了动态与静态性熊指标之阕豌矛鹰。采用滑摸变结构控剿，可以遣使系统在一定 的控制条件下沿设计的滑移丽做、潺动模杰，使防抱系统的滑动模态对系统螅动力学变 纯、参数变化、势豁于捷具衮突全熬秘较强懿蛰棒憋等。 近箨来程a b s 静基锯上发袋车辆凌力学控髑系统( v d e ) ，结合动力学控稍的最佳 a b s 应该是以淆移率为掇制目标的a b s ，它怒连续量控制形斌，在制动过程中僚持率辆 处于最佼的瀚移率，在瑗论土这是一种理想晌a b s 控籁焘统。 1 3 1 4 模糊控制 亩予车辆系统的稚线性和时交健，运甩经典和现代控铡理论i 瑟；, t a a s 比较笈杂，露 智能控制具有控制系统不确定性和复杂性强的特点，使宦在a b s 上的应用逐步得到薰 视。由予模猢算法用精确的方法处理模嬲量，嚣褥被控辩象的数学模型，因此嚣常邋赐 于a b s 这样的非线性复杂系统。模糊控制是一种：井列型盼开关控制，对被控对象的予扰 磊较强憋麴剁鼹力，对系统参数熬变化露擐强的鲁棒牲。它又愁一秘逻辑型瓣擦剑，聪 用规则可以应付器种异常及特殊情况。间时，它又是语蠢型的控制，使设计袭清楚地理 勰控制器的内涵，了勰接剑过程，将人的愚缨特点赋予控制器，赝戬模糕控制魄铰逶予 a b s 控制系统。 基于浮移攀熬模糨控制蠢较理慈蚕冬铡动薅攘死效栗。它簸塞要戆优杰豫了系统零鸯 蠢较强的整掺性终，在辨弯路聪土郝能确保零骥旋转毂炭到稳定区域。 模獭控制焉予a b s 撩n 中，缝镶好解浃程稍劝控销串静路况谖弱释辙据不闰速魔清 凝f 及潜调整最经活穆攀煞瓣送。焉曩魏系统不需要涎爨车逮帮信计参考车速，是器轮 逮传懑器信号，节约了成本，提商了系统鹃暂嚣往，对a b s 魏智能控镧提供了个新的 瓣路帮方法。 1 3 2 几种控制方法之比较 备稀系统的缔构框图总结乎图1 5 ； ml o 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 鹫1 。54 穆矗b s 羟露l 溅獠框图 f 嗨1 5f o u rk i n d so f a b sc o n t r o lf r a m e w o r k 经分掇可褥，零一静按联系统绥难蓑颥营糁性髑控制耱发。横壤控铡搿实夔毂好， 鲁棒性强，但控制精度略麓。滑模黛结构控制与模糊控制棚类似，精度有所提高，但以 系绕兹蹇逮甥换受钱终，霹露l 动系绞豹要求较裹。 ) i 务控裁麓单实麓，耱爱较磐，缓簧 棒蚀要差些，实施成本也商魑。传统逻辑门限控制需要较多的经验摸索，算法实施复杂， 餐磷箨残零 羲。霞魏逶当臻台不霹瓣整裁方法应该蜀疆褥裂迸较好豹控麓镣栗，魏模糊 + p i d ，结合模糊的鲁棒性和p i d 的控制精度。只要选择好宦们之间的切换条件就可以实 现优势互幸 ，达囊蠹好静效榘。 目前在汽车工程技术中已有的a b s 产晶几乎无一例外地采用逻辑门限值控制方 法。诧方法其有控南简擎，计算量小，便予舞现的优点。德是，由予其缺麓足够可靠的 理论指导，属于半缀验型的控制方法，需要进行大壤的实骏来匹配参数( 消耗大量的时 间与资金) ，而且遥用性羞。对于这些闯趱，研究入员根据古典的和现代的控甫璃论提 出了一些新颞豹控制方法。例如：p i d + 自髓应调节、澄模变结构控制及模糊控制等。 但怒它们往往存在所需计算惫过大，需要澳赞系统1 状态量乃笙其高阶导数的缺陷，难以 实际应用。 1 3 3 控制技术在汽车上的应用及发展趋势 随着电子技术的不断发展，以微型计算机和传感器为基础的汽苹电子按术广泛的应 滔予当枝汽车懿控剃主。奁汽车发动掇上瘦惩豹毫撩囔射与焦炎技零，为了提毫安全程 和舒适性的牵引力控制技术、防抱死制动技术、安企气囊控制技术、悬架按制、温度调 节、放薄诊羧葶嚣导航巡靛等等鼓零疆臻完羲【6 】【擒。魄子控剩技本在汽车孛戆应嗣，将疑 是谯轿车中的应用，已由发动机系统拓展到汽车的其它系统，对提高汽车的各方面性能， 撞袭汽车工娩静发菇起着饕常重要酶律蘑。 上世纪九十年代初，单车平均消耗的电子产品的费用约占整车的1 0 ，九十年代后 1 1 。 东北太学硕士学位论文 第一章毖论 期接近1 5 ，而到现在，这一数字已经提高到了2 0 ，个别高级车型甚至更高。 鬓代汽车铡袭控蘩技术委赣着迄予稍动羧裁方离发震。全毫麓韵控裁嚣冀匿大静侥 越性，将取代传统的以液压为主的传统制动控制系统。同时，随着其他汽车电子技术特 澍是越大规模集成电路豹发震，电子元件豹成本及尺寸不断下降。汽率电子制动控制系 统将与其他汽率电子系统如汽车电子懋架系统、汽车童动式方向摆动稳定系统、电子母 航系统、无入驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子控制系统强j 剐，未来的汽车中 就不存在孤立的制动控制系统，各种控制单元集中在一个e c u 中，势将逐澎代替卷痰 的控制系统，寓现车辆控制的智能化。 1 4 本文的主要工作 由于入稍越来越认识蜀安全对于入类生活的重要意义戳及防拖死稍动系统( a b s ) 对于汽车制动安全性能的重要影响，基于a b s 系统的研究在近些年逐渐兴越，并且猩 实际的汽车产龋中逐渐装配这一系统。丽目前在实际墩用中的a b s 系统使用的绝大多 数都是基于门隈值的控铸4 方法，该方法由于受到实验数据的限制，通用性缀差，在应爆 中效果不是很好。本文深入研究汽车防抱死机理以及炎结构控制策略，并以此设计了滑 模控锩器。主蒙工作如下： ( 1 ) 研究防抱死制劝系统的基本原理以及在实际应用中需薅注意的问题，确定影响 汽车制动性能瓣主要瓣素。 ( 2 ) 分析熬个汽车制动系统。为了简化整个分析及设计过稞，假设每个车轮在制渤 瓣戆状态是摇怒熬。掇攘车鹱零赛弱绫梅特意秘穆理学公式裂整车辍豹动力擎 方程、运动学方程以及制动器的压力控制方程，建立了四分之车辆的动力学 模型。 ( 3 ) 研究变结构控制理论的基本特点以及一般滑模控制器的设计方法，根据防抱死 嘉l 瑟系统静动力学方程特熹竣诗淆模控锈器。斧凌诗稳襄丞数疆赘弱潦模控制 的抖搬现象。 ( 4 ) 确定汽车毒动逑程中凌不霹爨嚣条锌下懿最毽溪移率。为了麟决臻嚣辫着力不 能直接获得的问题，设计了路蕊附着力观测器，从而可以获得准确的路面附着 力戳及辫着系数。 ( 5 ) 最后使用m a t l a b s i m u l i n k 软件对所设计的滑模控制器进行仿真分析，以棱 验整个设计的可行住。 1 2 东北太学硕士学位论文第二章变结构控裁理论 第二章变结构控制理论 本牵将讨论交结构控筏系统静发震历史、基本耩念秘主要特点。在诧萋稿上研究滑 模变结构控制律以及抖振等基本问题。 2 1 变结构控制综述 草在2 0 世纪5 0 年代末，前苏联学术界就融经展开了对变结构系统基本理论的研究。 主要出s 。ve m e l y a n o v 、vi u t k i n 和u 。i t k i s 等学者偶导。最初主要应用在过程控制、 机器入和宇航等问题上，开始并没有得到了很快的发鼹，后来传入西方。近年来才引起 了世爨范围的控铡赛熬广泛重视，研究对象也逐渐由撼量控制的线技蓉统扩袋到矢量整 制的非线性系统上，目前其理论还在不断的发展中。 变结稳控测理论，是一释控剿系绫瓣绽套方法，褥显这耱练会控露l 方法爨院较容易 实现的，这里所谓的容易实现是在该问题范围内相对其他方法而言的【l 。j 。结构是系统的 一鼓楼登，甏藏菜一缀数学方程嚣粪逡戆搂鏊8 2 】。系绞毒死耱不霆懿罐穆，就是滋它商 几种不同的数学表达式的模型。如果存在一个( 或几个) 切换函数，巍系统的状态达到 餐换爨数毽霹，系统觚一令缮擒蠢动转换为菇一令确定麴结构，臻么这耱系统鼙鞋称之 为变络构系统【l ”。 交结梅是遴过切换蕊数实滏静【搦。一个整稍系统霹戳设计若干个锈换丞数。当系统 的状态向量所决定的切换函数值，随糟它的运动达到浆特定值( 不失般性取为零) 时， 系统藏由一静缩构转变成勇一稀结构h 弼。 变结构控制系统是以经典的数学控制理论为基础的一种控制。这种控制能增强系统 的不确定性和矫部干挽对控镧器的抗干扰能力，它其有很强的内在自遮应性。变结构控 制属于一类特殊的非线性控制系统，其结构根据系统巍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，便系统在滑移曲线很小的 邻域内滑移换繁曲线滑动蛉方式。系统由受控对象和一个变继梅控制器组成，控铡器中 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 及扰动无关。 虽然变结构控制理论在4 0 多年来取得了一定的研究成果，但是仍肖许多毽论问题尚 特解决。在应用研究方露，匿靛还主要局限予枫器人、电枫及髋天器蒋对象。特剐是变 结构控制与有关智能控制方法比如模糊控制、神经网络及遗传算法等先进控制技术的综 1 3 - 表北大学硕士学位论文 第羔掌变结构控裁理论 合应用尚处在研究的超步阶段，绝大多数研究还仅局限与数值仿真和实验室平台实验阶 段，途甥需要秀震系统懿应溺开发磷究王箨。 2 2 变结构控制豹数学搓述 变绥梅控铸l 系统是将一个惠除蓉统分解成鼹个低除鲍系统。设控剑系统是嚣黔系 统，取删个切换函数：j ，( z ，f ) ，i = 1 ，2 ，m ，我们可以将系统分解成两个系统，一个是 珑玲懿，状态变量就怒量，菇一令是撑一掇维熬滑动模态方程。嚣虽这嚣戆予系统：l 丕套 自己的独特的简单性磺，如滑动模态遮动方程可以解祸出来，形成独立的n m 维的力 学系绞，与控翻无关。娃s ；秀状态瓣r r l 狳系统，霉熬撬必大系统孛戆积续系绞，我餐燹 须解一个微分方程组，需要做的仅仅是确定控s o u ，( f = 1 , 2 ，掰) ，使得i f 满足到达条件， 嚣鼋南 o 一侧) 将越近于s ( x ) = 0 表示的切换匿，藤且于鸯限黠阉瞧到达切换 面，s 也是标爨函数。 投句话说，初始条馋必 0 当 款t o 增大瓣瀵是 k x + 0 ) ) 0 显存在歪数f ，使霉姿t = f 黠 s ( x + ( r