（光学工程专业论文）基于模糊控制的摩托车防抱死制动系统的研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 防抱死制动系统作为现代车辆上最具代表性的主动安全装置，能最大程 度地保证车辆在制动过程中的操纵性和方向稳定性；同时可以有效地发挥车 辆制动系统的制动效能，缩短制动距离。目前在汽车上虽然已较普遍的配备 了a b s 装置，但由于成本及技术的问题，摩托车a b s 的普及比汽车慢得 多。而摩托车和汽车不同，只有前轮旋转才能正常驾驶，前轮抱死则有可能 发生重大事故，后轮抱死则有可能侧滑、左右甩尾而翻车。从这一点上看， 摩托车对a b s 的需求应该更高。为了降低摩托车的事故，希望广泛采用 a b s 装置。 本文首先对摩托车a b s 系统的结构和布置形式的特殊性进行了分析； 在充分掌握a b s 的控制理论的基础上，对国内外关于a b s 系统的各种控制 方式( 包括逻辑门限值控制、滑动模态变结构控制和最优控制) 及各种控制方 式的优缺点进行了论述；明确了模糊控制能比较好的适应防抱死制动系统， 选用了基于滑移率的模糊控制方式。 根据摩托车制动状态的动力学分析，建立了车辆模型、轮胎模型、制动 器模型和液压系统模型。并分析了造成制动迟滞的原因，为后面的模糊控制 器的设计提供了理论依据。 本文研究的重点是设计a b s 模糊控制器。本文根据防抱死制动系统的 工作原理，模糊控制的性能特点，车辆系统模型及车轮轮胎模型，利用轮速 传感器，采用基于车轮滑移率的防抱控制理论，根据车速、轮速来计算车轮 滑移率，由参考滑移率计算出滑移率的误差、误差变化率并作为控制器的输 入变量；其输出量去模糊化后作为制动器的控制量。解决问题的关键是确定 a b s 模糊控制器的输入、输出量的隶属函数以及模糊推理规则。 建立带a b s 模糊控制器的摩托车制动系统仿真模型，在干混凝土、湿 沥青、冰雪路面三种路面上进行了仿真，通过仿真结果可知，证明该系统是 有效的。 关键词摩托车；防抱死制动系统：模糊控制：计算机仿真 坠玺堡三些奎兰三兰堡圭兰堡丝圣 a b s t r a c t a sat y p i c a la c t i v e s a f e t yc o m p o n e n tf o ra u t o m o t i v e s ，a n t i l o c kb r a k i n g s y s t e m ( a b s ) c a np r o v i d ee n o u g hs t a b i l i t ya n ds t e e r i n g - a b i l i t yd u r i n gb r a k i n g m e a n w h i l ei tc a na p p l yt h ea b i l i t yo ft h eb r a k es y s t e ma n dg e tt h es h o r t e s tb r a k e d i s t a n c e a t p r e s e n t ，a b s f a c i l i t i e sh a v eb e e n e q u i p p e d o na u t o m o b i l e s g e n e r a l l y b u td u e t ot h er e s t r i c t i o no fc o s ta n d t e c h n i q u e ，t h ep o p u l a r i z a t i o no f a b so n m o t o r c y c l e s i sm u c h s l o w l y , w h e r e a sm o t o r c y c l e d i f f e r e n tf r o m a u t o m o b i l ei ni t sc h a r a c t e r i s t i ct h a ti tc a nw o r kn o r m a l l yo n l yw h e ni t s f o r e w h e e li s r o t a t i n g i ft h ef o r e w h e e lo fm o t o r c y c l ei sb r a k i n g ，as e v e r ea c c i d e n t w i l lp o s s i b l yh a p p e n t h em o t o r c y c l ew i l lp r o b a b l yt u r no v e ri ft h er e a r - w h e e li s b r a k i n g c o n s e q u e n t l y , t h er e q u i r e m e n tf o ra b so fm o t o r c y c l ei sm u c hm o r e i m p e n d i n g t h es t r u c t u r ea n da r r a n g e m e n to fm o t o r c y c l ea b sa r ei n t r o d u c e di n t h i s p a p e r , t h e s e v e r a l c o n t r o lm e t h o d so fa b si nc o m m o nu s ea r e d i s c u s s e d ， i n c l u d i n gt h el o g i cg a t ec o n t r o l ，t h ev a r i a b l e - s t r u c t u r ec o n t r o lw i t hs l i d i n gm o d e a n dt h eo p t i m a lc o n t r o lt h e o r y t h ef u z z yc o n t r o li sp r o v e dt oa p p l yt oa n t i l o c k b r a k i n gs y s t e mb e s t s ot h ef u z z yc o n t r o lb a s e do ns l i p p i n gr a t i oi sa d o p t e di n t h et h e s i s b ys e t t i n gu pam e c h a n i c a lm o d e lo f aw h e e lu n d e rb r a k i n g ，v e h i c l em o d e l ， t i r e ，b r a k em o d e la n dh y d r a u l i cm o d e la r ea l s op r e s e n t e d t h ec a u s e so fb r a k e d e l a ya r ea n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e t h et h e o r e t i ce v i d e n c ef o rt h ef u z z yc o n t r o l l e r t h ee m p h a s i so ft h es t u d yi nt h i sp a p e ri st h ed e s i g no ft h ea b sf u z z y c o n t r o l l e r t h i s p a p e ri s b a s e do nt h e w o r k i n gt h e o r y o fa n t i - l o c kb r a k i n g s y s t e m ，t h ep r o p e r t i e s o ff u z z yc o n t r o l ，t h em o d e l i n gf o rv e h i c l es y s t e ma n d v e h i c l et y r e b yu s i n go fw h e e ls p e e ds e n s o r , t h e g a t h e r o fw h e e l s p e e d i s p r a c t i c e db yf i l t e r , a m p l i f y ，m o d i f y i n go fw h e e ls p e e d b a s e do nt h ew h e e ls l i p r a t i oo fa b s ，g i v e nv e h i c l e s p e e da n dw h e e ls p e e d ，t h e w h e e ls l i pr a t i oi s c o m p u t e d t h ee r r o ra n de r r o rc h a n g er a t i oo fs l i p r a t i oi so b t a i n e db yg i v e n r e f e r r i n gs l i pr a t i o ，w h i c hi st h ei n p u to ff u z z yc o n t r o lw h i c hc o m p r i s e so fi n p u t f u z z y a b sf u z z yc o n t r o l l e rf u z z t h ee r r o ro ft h es l i pr a t i oa n di t sv a r i a b i l i t y ，t h e n r e g a r dt h e m a si n p u tv a r i a b l e ，t h e i ro u t p u ta r er e g a r da sm a d ea sc o n t r o lv a r i a b l e i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 o ft h ea c t o lt h ek e yo ft h ep r o b l e mi st od e t e r m i n et h es u b o r d i n a t ef u n c t i o no f t h ei n p u ta n do u t p u to ft h ei n f e r e n t i a ld e v i c eo ft h eo p t i m u ms l i pr a t ea n dt h e f u z z yr e a s o n i n g r u l e s t h es i m u l i n km o d e lo f m o t o r c y c l ea n t i l o c kb r a k es y s t e mw i t ha b sf u z z y l o g i cc o n t r o l l e ri sc r e a t e d ，t h es i m u l i n ko nt h er o a do f t h ed r yc o n c r e t ea n dw e t a s p h a l t u ma n ds n o w a n di c ea r ep e r f o r m e d c o m p a r i n gt h es i m u l a t i n gr e s u l t ，w e c a nd r a wac o n c l u s i o nt h a tt h i ss y s t e mi sf e a s i b l e k e yw o r d sm o t o r c y c l e ，a n t i l o c k b r a k e s y s t e m ，f u z z yc o n t r o l ，c o m p u t e r s i m u l a t i o n - 1 1 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着社会的进步和科技的发展，汽车的动力性能得以不断提高，人们对 汽车的安全性、操纵性、舒适性、稳定性和可靠性也提出了越来越高的要 求，各国的技术人员在这些方面不断努力，己经取得了一些成就，如发动机 电喷装置、自动变速器装置、防撞装置、自动导航装置、安全气囊装置、制 动防抱死装置等。这些装置从根本上改变了车辆的性能，是车辆性能得到了 的改变，进一步满足了人们的需要。其中的车辆防抱死制动系统a b s ( a n t i l o c kb r e a ks y s t e m ) 在车辆的安全方面扮演着至关重要的角色。并因车辆技术 的进步和行驶速度的不断提高，而显得越来越重要。 a b s 装置一般由速度传感器、电子控制单元e c u ( e l e c t r i c a lc o n t r o lu n i t ) 和制动压力调节器三部分组成。车辆( 带a b s 装置的) 在制动时，e c u 根据 传感器的信号运算，对压力调节器发出指令，自动调节刹车管路压力，使车 轮不发生抱死，并最大限度地利用地面附着力。车辆安全性研究表明，装备 a b s 可以避免7 1 的交通事故的发生。实践证明a b s 系统能防止车辆侧 滑，提高制动过程中方向稳定性和转向操作性，缩短制动距离，减小轮胎磨 损，提高使用寿命，并提高车辆行驶的平均车速。使用了a b s 后，车辆的 安全性可以大大提高 2 , - - 4 。 摩托车a b s 与汽车a b s 的基本原理相同，也是基于车辆轮胎与路面之 间的附着性能随滑移率改变的原理而开发的高技术系统。它从防止制动过程 中车轮“抱死”的机理出发，避免摩托车后轮侧滑甩尾和前轮丧失转向能 力，达到提高摩托车制动稳定性、操纵性和安全性的目的。 我国摩托车工业的发展从1 9 8 0 年的4 9 万辆到现在己突破一干万辆， 产量跃居世界前列，取得了长足进步【5 】。近年来，随着摩托车交通事故的不 断攀升，摩托车的行驶安全性已成为影响社会安定的一道屏障。我国摩托车 交通事故大约占机动车交通事故的三成多，有的地区还要高，尤其是摩托车 恶性交通事故不断攀升。为了减少摩托车交通事故的发生，国外各大摩托车 生产厂商已将a b s 主动安全装置作为提高摩托车安全行驶性能的有效措施 而被广泛采用，我国摩托车生产企业也正在积极筹划，紧锣密鼓地开展这项 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 工作。 由于传统的鼓式制动器已无法满足现代摩托车安全行驶的需要，所以国 外的大排量车型己完全淘汰了落后的鼓式制动器而全部采用先进的液压盘式 制动器。为了大幅度提高制动效能，有的车前轮采用双盘制动，后轮采用单 盘制动；有的车还采用更为先进的双联制动系统( d c b s ) ，在仅操作手制动 或脚制动的情况下，均能向前、后两个制动器传递恰到好处的制动力，准确 地控制摩托车安全、迅速地减速或停车；为防止摩托车在转弯、突然遇到障 碍物、紧急制动以及在雨中或冰雪道路上行驶时失去控制而发生侧滑，一些 高档摩托车已将汽车级a b s 制动防抱死技术移植到现代摩托车上。a b s 制 动防抱死系统是主动安全装置，它将摩托车的制动安全性能推上了一个全新 的高度，使摩托车制动时的可靠性、安全性和稳定性得到了更有效的保障， 尤其是在道路条件较为复杂、气候多变区域行驶，更能使这一技术的高适应 性淋漓尽致地发挥出来。 另一方面，就摩托车自身的动态特点而言，其制动系统具有前后轮独立 制动、质心高、制动时载荷前移等特点，在高速行驶过程中遇到障碍、下 坡、转弯或紧急情况，需要施加制动力使摩托车减速或尽快停车。如果不能 进行合理有效的制动，常会引起交通事故。当施加的制动力过大，超过了路 面与轮胎间的附着力时，车轮就会抱死。与汽车不同，摩托车前轮抱死，不 仅失去转向能力，而且无法保持站立状态和正常驾驶，有可能翻车而发生重 大事故。后轮抱死则有可能侧滑、左右甩尾而翻车。而且，摩托车具有较高 的质心和较短的轮距，制动时由于惯性力的作用，质心前移，使得前、后轮 制动力分配有很大的变动范围。为了提高摩托车制动性能，必须合理分配前 后轮制动力，使之既能充分利用地面附着力，又不致使车轮抱死拖滑。从这 一点看，摩托车对a b s 的需求应该比汽车更高【6 “j 。 过去有很多摩托车生产商在摩托车上试装了电子式a b s ，但由于成本 高和重量过大而未能得到推广。随着电子技术的飞速发展和电子元件价格的 下降，在摩托车上装配电子式a b s 越来越现实。 因此研究摩托车用a b s 具有实际意义。 计算机仿真技术是研究汽车动力学性能的重要手段。与常规的试验分析 方法相比，它不仅具有分析速度快、精度高、周期短等优点，而且还能解决 一般常规方法不能解决的问题，如危险工况的试验、耐久性试验等。同时它 为新产品的研制、老产品的更新换代提供了性能的快速预估手段。在研究 a b s 这种典型的非线性控制系统时，仿真方法成为最常用的工具。计算机 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 仿真技术在a b s 的开发和研究中占有重要地位。在防抱死制动的计算机仿 真过程中，可以随意地改变车辆系统、运行条件及控制逻辑的参数设置，并 且仿真过程本身无风险地重复进行。因此，仿真研究具有方便控制逻辑设 计、全面评价a b s 控制性能、指导和简化试验研究等功能。 1 2 课题相关领域研究现状 1 2 1 国内外a b s 发展现状 防抱死制动系统最先出现在2 0 世纪3 0 年代的铁路机车上，由装在车轮 上的电磁式转速传感器和控制液压的电磁阀组成。4 0 年代中期，美国政府 在波音公司生产的b 4 7 飞机上装了h y d r oa i r e s 公司的a b s 初期产品。 1 9 5 4 年美国f o r d 公司首次把法国生产的飞机用a b s 应用在林肯牌轿车 上，这次实验虽然以失败告终，但揭开了汽车应用a b s 的序幕。由于技术 因素特别是转速传感器不能提供准确的转速，控制装置不能有效地防止车轮 抱死，这一技术未能在汽车上得到广泛的应用。2 0 世纪8 0 年代后，a b s 日 益受到重视，在欧、美、日等国家得到了迅速发展，a b s 的装车率均以直 线上升【9 。目前一些国家和地区( 如欧洲、日本、美国等) 己制定法规， 使a b s 成为汽车的标准装备。 我国从事a b s 的研究始于7 0 年代。长春汽车研究所、西安公路学院、 陕西兴国五一四厂、重庆公路研究所、清华大学、济南重型汽车技术中心等 先后开展a b s 研制工作，作了大量地试验和理论研究，研究水平与开发手 段开始接近国际水平，但是仍有许多问题有待研究 1 1 “1 4 。目前，主要侧重 于a b s 控制规律、算法和e c u 软硬件研究及道路试验和数据分析。与国外 相比，我们的差距主要是国内的研究资金投入比较少，试验条件及设施比较 著。 1 2 2 摩托车用a b s 发展现状 摩托车a b s 是在汽车a b s 的基础上发展而来的，其基本原理是相同 的。但由于a b s 的价格与整个摩托车的价格相比，所占比重较大，因此摩 托车a b s 在市场上出现较晚。1 9 8 8 年，德国宝马公司将汽车级a b s 成功 地移植到摩托车上，但因成本高和a b s 系统质量过大等原因而未被推广； 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 直到1 9 9 0 年，宝马公司又研制出质量仅为6 9 k g 的第二代电子控制式a b s 系统，并成功安装在k 1 0 0 r s 型摩托车上才迅速发展起来；1 9 9 2 年日本本 田公司开发出成本较高的机械式a b s 系统，并开始安装在大型豪华摩托车 上，1 9 9 6 年又研制出一种价格低廉的电机驱动式a b s 。目前宝马公司所有 的高档摩托车都安装了这种先进的a b s 系统，同本、美国和欧洲的一些高 档车也开始安装a b s 系统。近年来，我国也相继开发出隔腔限压式、节流 瞬时稳压式和胶囊定值膨胀限压式三种机械式a b s 制动防抱死系统，武汉 天安汽车制动安全装置有限责任公司还研制出一种可调式摩托车a b s ，填 补了国内空白，并获得了国家专利，该产品简单可调、安装方便、安全可 靠，其价格仅为国外同类产品的一半。虽然目前a b s 技术还很少在国产摩 托车上应用，但随着结构简单、价格低廉而且可靠的制动系统的研制成功， 为下一步开发国产大、中排量高档摩托车新产品提供了技术支撑。 1 2 3 a b s 的发展方向 a b s 目前发展的特点是i l5 j ：扩大控制范围，提高驱动力控制和各车 轮液压分配的调节能力；用现代控制理论，实施伺服控制和高精度控制； 减小体积和质量，提高集成度，并简化安装工作；拓展a b s 功能，开 发新技术。因此a b s 的主要发展方向和研究热点有： ( 1 ) 减小体积，降低成本a b s 正在向小型车普及，但作为附加的安全 装置，它会增加整车重量并占据安装空间，因此要求其体积尽可能小。减小 a b s 体积的主要途径之一是优化结构设计( 如减小压力调节器) ，二是增加 集成度。目前，经过优化的a b s 已可将主缸、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 己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 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 不够平稳。另外，开发完成的a b s 装置对各类车型的互换性不佳。随着传 感器技术和车用微机控制技术的发展，采用各种现代控制算法的a b s 研究 是目前的研究热点。预计这些算法将成为今后的主流，使a b s 的性能更加 完善。 ( 3 ) 实现多功能综合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 的作用是通过控制轮胎的纵向力来提高车辆的方向稳定性和操纵 竺堡堡三些奎耋三兰竺圭兰堡篁兰 性的。与此相类似的是车辆驱动防滑系统( a s r ) ，其作用是防止车辆在加速 过程中打滑，以保证车辆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 与a s r 是密切相关的，因 此常将它们结合在一起使用，构成行驶安全系统。这样，它们可共用许多电 子元件和系统部件来控制。 1 3 本文主要研究内容 根据前面对摩托车a b s 发展现状及其基本原理等的介绍，同时结合在 a b s 控制研究上的发展方向，本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 确定摩托车a b s 控制通道型式和控制方式。在充分对国内外关于 a b s 系统的各种控制方式( 包括逻辑门限值控制、滑动模态变结构控制和最 优控制) 及各种控制方式的优缺点进行分析的基础上，确定本文所采用的控 制方式。 ( 2 ) 通过对摩托车制动状态时的受力状况分析，建立摩托车动力学模 型，其中包括整车动力学模型、轮胎模型、制动器模型和液压系统模型。并 对造成制动迟滞的原因进行分析。 ( 3 ) 根据摩托车制动机理，运用模糊控制理论，编制模糊控制规则，设 计模糊控制器。 ( 4 ) 基于模糊控制的摩托车a b s 制动系统软件设计。 ( 5 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 建立的摩托车仿真模型，对模糊控制器进行仿 真。结合仿真结果分析模糊控制器的性能。 堕垒堡三些奎兰三兰堡占兰竺竺兰 第2 章摩托车a b s 控制技术 近些年a b s 在摩托车上的应用也逐渐增多。德国的宝马公司和开本本 田公司先后开发了电子控制式和电机驱动式a b s ，到目前，宝马公司在德 国生产的所有摩托车都已安装a b s ，本用、雅马哈公司生产的大型摩托车 已有不少配备了a b s 。而国产摩托车则开始安装机械式a b s 装置。目前电 子控制式a b s 大多采用逻辑门限值控制，该方法在技术上己非常成熟。随 着现代控制理论的发展，各种现代控制方法开始应用于a b s 控制。 2 1 摩托车a b s 结构 摩托车用和汽车用a b s 的原理是相同的，其工作过程也有循环式和可 变容积式之分。目前，摩托车a b s 有几种类型，分别是电子式、电机驱动 式和机械式。电子式a b s 系统动作准确，反应灵敏，应用广泛，但其价格 昂贵，影响了进一步普及；电机驱动式相对电子式更轻、更简洁、较便宜， 具有发展前景；机械式【1 6 o j 结构相对简单，价格低廉，但灵敏性较差，制 动效能不是很好。 德国宝马( b m w ) 在摩托车上装用的a b si 型和a b s i i 型防抱死系统， 是电子式摩托车防抱死装置的代表。该系统如图2 1 所示，由轮速传感器、 电子控制器e c u 和制动压力调节器三部分组成。 ( 1 ) 轮速传感器轮速传感器可以测出与车轮共同旋转的齿圈的齿数， 然后产生与车轮转速成正比的交流信号。轮速传感器多采用电磁感应传感 器，它根据电磁感应原理工作起作用是把车轮运动状态转变为电信号送入电 子控制器。轮速传感器可根据不同的要求分别安装在轮上或者轴上。 ( 2 ) 电子控制器电子控制器( 一般为单片机) 是整个a b s 的控制中心， 它具有运算功能，接受轮速传感器的交流信号，经过放大、整形、比较、分 析和判别处理，形成相关的控制参量，并进行精确的计算，计算出车轮速 度、滑移率和车轮的加、减速度。在对这些信号进行必要的逻辑分析比较， 判断车轮的运动状态，并以此为根据输出控制指令，送至制动压力调节器， 控制电磁法，完成制动压力调节任务。电子控制器不仅要能控制液压调节装 置，还要对其他部件的功能具有监控功能。当这些部件发生异常时，由指示 灯或蜂呜器给驾驶员报警，使整个系统停止工作，恢复到常规制动方式。 晴尔滨工业大学工学硕上学位论文 图2 1 a b s 的组成 ( 3 ) 液压调节装置通常a b s 的压力调节是通过安装在车轮制动缸附近 的电磁阀来实现的。他能够接受电子控制器的指令，驱动步进电机控制制动 压力的增减或保持。液压式制动压力调节器由电磁阀、液压泵和储液器等组 成。 电磁阀由螺旋管、固定铁芯和可动铁芯组成，见图2 2 。通过改变螺旋 管的电流改变磁场力，可以控制两铁芯之间的吸引力，该力与弹簧力方向相 反，从而控制了柱塞的位置。柱塞上设有液体通道，柱塞位置决定了液体通 道的开闭。图2 - 2 是3 3 电磁阀( 3 阀1 2 13 位置变换型) 的例子，根据电流的 大小，可将柱塞控制在三个位置，改变三个阀口之间的通道。 通主缸 图2 23 3 电磁阀的动作 电流大 通储液器 堕堡堡三些查兰三兰堡圭兰堡兰兰 电子式a b s 虽然性能优良，但相对整车成本价格较高。为了实现更 轻、更简洁、较便宜的a b s ，本田公司又研制出了一种电机驱动式a b s 。 该a b s 包含前后轮速传感器、e c u 、电机驱动器和调节器。用一个电机取 代了由两个电磁阀、一个液压泵和一个电机组成的液压回路，所以其体积 小，质量小，成本低。在控制制动压力方面，由通过电机旋转角度的连续控 制取代了电磁阀，这确保了较好的反应灵敏度和压力控制。 目前，在国产摩托车上，大量装备着一些被认为是制动防抱死系统的机 械装置，因是摩托车专用，故称为m a b s 或m a b s 。种在制动过程中， 通过隔断制动压力的传递途径，保证制动力矩不能超过预先设定值。使用该 型m a b s ，需要根据路面情况预先设好最大制动压力，它本身没有对各种 路面的自动适应能力。如果调整不当，会造成一定的危险。另一种m a b s ， 和制动缸并联连接，a b s 内部的压力就是制动缸的制动压力，因此，在制 动手柄行程的极限位置上，m a b s 蓄液腔中能够产生的最大压力就是a b s 控制下的最大制动力，它仍然是一个限压装置，也没有对路面的自动适应能 力，且限压范围比较窄。经研究后认为，这两类摩托车用制动防抱死装置都 不是真正意义上的a b s “。 2 2 摩托车a b s 控制通道的确定 摩托车a b s 按控制通道可分为双通道系统和单通道系统。对于不同的 控制通道数其制动性能也有差异。单通道系统包括仅控制前轮和前后轮同时 控制两种形式，双通道系统指前后轮独立控制。 ( 1 ) 一传感器一通道式仅控制前轮仅前轮安装a b s ，后轮仍用传统 制动方式。由于摩托车质心位置高，制动时载荷由后向前转移大，因此在前 轮上安装可充分利用前轮的地面附着系数，缩短制动距离，还可以防止前轮 抱死而引起的翻车事故，同时仅前轮安装a b s 成本较低。缺点是后轮仍可 能抱死。 ( 2 ) 一传感器一通道式前后轮同时控制传感器安装在前轮上，前后轮 之间安装一减压阀按一定比例减压后传至后轮，这样后轮制动力一般是稍微 不足，制动距离有所加长，但后轮滑移较小，制动稳定性好，总体来讲，制 动性能介于( 1 ) 和( 3 ) 之间。 ( 3 ) 二传感器二通道式前后轮独立控制前后轮分别安装传感器，独立 控制，制动距离和操纵性最好，能够实现最好控制方式。缺点是需两套 哈尔滨工业大学t 学硕【学位论文 a b s ，成本比第一种高一倍。如图2 3 所示。 基于以上两种摩托车a b s 系统的介绍，根据我国的有关法规，摩托车 制动系统必须前后轮独立操纵，即手制动控制前轮，脚制动控制后轮。因 此，摩托车a b s 宜采用前后轮独立控制的两通道配置方式。本文决定采用 第三种前后轮独立控制的型式，为b m w 公司电子控制式a b s 系统设计基 于模糊控制的a b s 模糊控制器。 前轮后轮 j l 转速传感器压力调节分装置 图2 - 3 两通道摩托车用a b s 2 3a b s 控制方法的确定 所谓a b s 的控制方法是指电子式a b s 的控制方法。根据现代控制理论 和车辆防抱制动动力学的理论分析，可以提出不同的优化设计控制方案，建 立各自的控制模型来实现防抱死制动。即在车轮旋转刚刚从稳定区域进入非 稳定区域时，对车轮迅速而适当的降低制动压力，使制动力矩略小于车轮转 矩，恢复至靠近稳定界限的稳定区域内，随后再把制动压力提高到稍微超出 稳定界限，控制在稳定界限附近工作，并尽可能的延长时间保持最佳车轮旋 转状态。如此控制的车轮能在最大附着系数附近的狭小范围内旋转，充分保 证车辆的操纵性和方向稳定性，而且可以获得最佳的制动距离。但是由于受 成本及器件频响速度的制约，不能按理论制动模型的相关参数和状态变量精 确控制。实际上，a b s 的作用是根据滑移率和车轮减速度是否达到某一设 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 定值，来识别车轮是在稳定区还是在非稳定区转动；进入非稳定区是保压还 是减压。为了实现理想控制，必须根据路面特征的类型和车辆速度等具体情 况，从滑移率和车轮减速度中选择主要参数来加以控制。 2 3 1 a b s 控制技术 目前主要采用预测控制技术和模拟控制技术来实现近似理想的控制过程 1 2 2 。 预测控制技术是预先规定控制参数和设定值等控制条件，然后进行检 测控制。主要控制方法有： ( 1 ) 仅以车轮减速度为控制参数的控制方法车辆制动时求出车轮减速 度一a ，将其与设定值一a 。比较。在车轮减速期间增加制动压力，持续降低 又会使轮速上升，由减速而升速，在大于一吼时增加制动压力。其控制优点 是在高速档或空档并进行紧急制动的特定条件下，降低制动压力最有效，缺 点是在低速运行时，驱动轮可能达不到设定值之前车轮抱死。 ( 2 ) 仅以滑移率为控制参数的控制方式在制动加压和车轮在稳定区减 速的过程中，车速和轮速变化趋势是相同的，据此计算出车速。可设定车轮 减速达到某一特定值时，以该瞬时的轮速为初始值，计算出近似的车速，由 此计算出滑移率。当超出设定值时，发出滑移率信号一兄，开始降低制动压 力，直到滑移率减小到低于设定值，轮速逼近车速又继续增大制动压力，实 现滑移率的控制过程。其优点是车轮减速度达到要求的特定值、斜率满足前 述条件，在所有路面上都能确保车轮旋转恢复到稳定区域，缺点是在低速行 驶时，驱动轮的减速度若达不到要求的特定值，制动时车轮将失去控制，车 轮抱死；而且滑移率的设定值与路面有关，不同路面对设定值的控制并非都 是最佳的。 ( 3 ) 以车轮减速度和加速度为控制参数的控制方式在开始制动使制动 压力迅速上升，车辆和车轮开始减速，很快车轮减速度达到控制门限值 一。，制动压力开始下降，轮速由继续下降转为轮速上升，逐渐达到较小 的加速度+ a 。，制动压力停止减小而“保压”，很快又达到加速度门限值 + a ，这时制动压力增长较快，使轮速快速下降，当加速度重新回至+ a 。 时，压力缓慢上升，促使轮速随压力增加而逐渐减速，重复前面的循环，达 到防止车轮抱死的目的。这是一种较为实用的方案，其优点是如果制动压力 的降低速度合适，在所有路面条件下均可防止车轮的抱死。缺点是如果制动 圉2 - 4 _ “一九特性 2 玉2 目警紧鬈滞御瓣删僻捌艚， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 但长期以来，人i f 对各种控制算法在a b s 中的应用研究也从未间断。近年 来很多流行的控制方法在a b s 中的应用都有了不同程度的研究【2 卜3 0 】，如比 例积分控制、模糊控制、最优控制、滑模变结构控制等，但这些控制方法主 要都是从理论研究角度来探讨控制方法的可行性，与实际应用还有一定距 离，以下对现有的a b s 控制算法进行简单介绍。 ( 1 ) 门限值控制逻辑门限值控制口。”j 又称为双位控制，它是通过设定 与控制目标密切相关的敏感变量门限值，根据实际测量值与设定门限值的关 系为进行调节控制变量的一种方法。这种逻辑门限值控制方式不涉及具体控 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 控制逻辑比较复杂。 现有实用中的a b s 产品所采用的控制逻辑大多都是与b o s c h 逻辑控 制类似的逻辑门限值控制，并附加一些辅助门限。这种控制方法不涉及具体 系统的数学模型，对非线性系统是一种有效的控制方法，同时它所需的控制 参量较少，尤其是省去了车速传感器，使系统结构简单，成本大大降低，另 外，它的执行机构也相对比较容易实现。目前摩托车上的a b s 制动系统采 用以车轮角减速度作为比较量的门限制控制方式。这种控制系统用角减速度 传感器随时检测出车轮制动时的角减速度值，并以电脉冲的形式输入控制器 ( 微机) ，控制器中预先设置了合理的加、减角速度门限值。当实测的角减 速度超过减速度门限值时，控制器发出指令，开始释放制动系统压力，使车 轮得以加速旋转；当加速度升高到加速度门限值时，控制器又发出指令，使 制动压力又开始增大，使车轮作减速度转动，如此反复循环。图2 5 是电子 控制防抱死制动摩托车速度的变化曲线。该系统在制动时能把车轮的速度控 制在一定的范围内，既使车轮速度围绕最佳值上下波动，且波动的幅度越小 越好。如图2 6 所示，图中s 1 和s 2 分别为车轮围绕最佳运动的上下限值。 在采用逻辑门限值方式控制时一般容易出现三个问题。 在高附着路面上出现过度减压或在低附着路面上发生车轮抱死现象。 对附着系数急变路面的适应性差。特别是从高附着路面向低附着路面 跃变时车轮抱死。 以低速档行驶制动时，驱动轮易抱死。 另一方面，系统控制逻辑复杂，稳定性差，并且控制系统中的各种门限 值都是经过试验获得，没有充分的理论依据，而且用逻辑门限值控制方法完 成的a b s 装置对各类车型互换性不佳，通用性差。当用这种控制方式为某 一车型开发新的a b s 装置时，需要大量各种不同路面的实车道路试验摸索 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 控制规律，获得最佳控制参数表。 图2 5 电子控制防抱死制动摩托车速度的变化曲线 s 繁 车身速度 麓 弋 车轮速度 飞 、遗 、 吣 、 吣 套、 、毫 太 图2 - 6 车轮速度变化曲线 ( 2 ) 比例积分微分控制( p i d 控制) p i d ( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l - d e r i v a t i v e ) 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，就可得到很好的控制效果。所谓p i d 控制器，就是对误差信号进行 加权的比例、积分与微分运算，最后将其和送给受控对象，以完成整个控制 过程。算法经过改进，可以克服p i d 本身的一些缺点，如积分饱和、微分 抗干扰等。 用p i d 作为a b s 的控制器时，预先设定好期望滑移率，在车辆制动过 程中，计算出实际滑移率并与期望滑移率比较，二者之差( 误差项) 构成p i d 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 的输入，控制器经过计算后输出制动压力调节信号，以达到调节滑移率的目 的，构成典型的经典反馈控制。 但车辆制动过程是一个动态变工况过程，轮胎滑移率在制动过程中的变 化范围大( 从o 到1 ) ，不同路面的附着系数差别很大，每一种工况都有不同 的最佳匹配参数，因此p i d 算法很难适应这种复杂系统。研究表明，适应 低附着系数路面的p i d 参数对于高附着系数路面的控制效果并不是最佳 的，反之亦然。 ( 3 ) 最优控制最优控制是近年国外新发展的一种基于状态空间法的现 代控制方法【3 ，理论上已经很成熟，对各种控制系统它在严格的数学基础 上获得最优控制规律，使描述系统性能和品质的某个性能指标达到最优值。 最优控制是一种基于模型的分析型控制系统，控制方法本身对数学模型的精 确程度要求很高。车辆地面这一数学模型与实际工况有一定的差距，以 及风阻、滚动阻力、部件转动惯量等参数精度方面的原因，导致最优控制理 论的操纵质量很难把握。另外，实现控制的伺服机构也比较复杂，降低了系 统的可靠性，因而这种控制方法在实际中还没有得到应用。 ( 4 ) 滑模变结构控制滑模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，它有很强的内在自适应性及鲁棒性，能增强系统的抗干扰 能力，是一类特殊的非线性控制系统。滑模变结构控制可以根据系统当时的 状态偏差及导数值，在不同的控制区域内，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领域内沿滑移换节曲线滑动。 从本质上讲，滑模变结构控制可以分为两个部分，一部分是在滑模面上 基于模型的近似控制，相当于系统的连续控制，有利于消除控制的抖动；另 一部分是在到达滑模面之前的控制，这部分与模型无关，只要满足滑模条 件，就可以保证物理系统的相轨迹到达滑移面。变结构控制正是这一部分具 有吸引力。 对a b s 在滑移面上的基于模型的控制难以在实际系统中实现，因为对 作动器的动态特性要求很高。研究表明，采用边界层的策略，在远离滑移面 时采用大的控制能量，接近滑移面时则采用小的控制能量，这样有利于减小 滑移面上的抖动幅度，抖动无法消除的原因是存在着液压系统的切换滞后， 以及控制能量的限制。控制流量不能很精细地使轨迹保持在滑移面上；另一 方面系统处于非稳定区域时，控制流量( 或压力) 对滑移率变化十分敏感，大 的能量必然导致大的波动，因而采用小能量控制是一种有效的方法。 和最优控制一样，滑模变结构控制需要测量车速和轮速 3 5 1 ，降低了系 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 统可靠性，增加了成本，因此实际a b s 中还未得到应用。 f 5 ) 模糊控制对于象车辆制动系统这种难以建立数学模型的复杂被控 对象，采用传统的控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，往往不如 一个有实际经验的操作人员所进行的手动控制效果好。因为人脑的重要特点 之一就是有能力对模糊事物进行识别与判决，看起来似乎不确切的模糊手段 常常可以达到精确的目的。操作人员是通过不断学习、积累操作经验来实现 对被控对象进行控制的，这些经验包括对被控对象的了解、在各种情况下相 应的控制策略以及性能指标判据。这些信息通常是以自然语言的形式表达 的，其特点是定性的描述，所以具有模糊性。由于这种特性使得人们无法用 现有的定量控制理论对这些信息进行处理，于是需探索出新的理论和方法。 在这种背景下，作为模糊数学一个重要应用分支的模糊控制理论便应运 而生了。 实践表明，模糊控制具有以下特点： ( a ) 它不需要知道被控对象的数学模型； ( b ) 它易于实现对不确定性的对象和具有非线性的对象进行控制； ( c ) 它对被控对象特性参数变化具有较强的鲁棒性； ( d ) 它对于被控对象的干扰具有较强的抑制能力。 这些特点比较好地适应了防抱死控制系统，由于轮胎是个较强的非线性 体，导致整个系统的非线性。另外制动工况千变万化，用精确描述和控制十 分困难，模糊控制恰好适应了这种变工况、非线性系统，因而采用模糊控制 器用于a b s 是一种有益的尝试。 基于理论研究中的a b s 模糊控制有两种控制方法，一种是估计出最大 的轮胎路面附着系数处的轮胎滑移率，并使制动过程中轮胎滑移率保持在最 佳值附近很小的范围内，研究表明，此方法在不同路面、工况都能获得最大 的制动减速度，因此制动距离最短。另一种方法是对所有路面及工况，滑移 率都设定为固定值，这种控制方法的稳定性好，由于最佳滑移率设定为固定 值，因此在制动过程中，当固定值设定太小时，制动距离增加；设定太大 时，系统可能会工作于非稳定区而失去对系统的控制。 模糊控制没有有效、通用的算法，调试、整定控制参数比较困难，但可 以通过试凑的方法来实现。实际开发a b s 产品时，设计者可以根据经验进 行大量实车试验，以获得完整、满意的控制规则库。 通过以上对国内外各种a b s 控制技术的优缺点的比较，决定采用模糊 控制技术建立基于滑移率的摩托车a b s 系统控制器。 2 4 本章小结 本章介绍了摩托车a b s 的结构和几种控制通道型式，着重阐述了电子 控制式a b s 系统的工作情况。分析了a b s 采用的预测与模拟控制技术，对 国内外关于a b s 系统的各种控制方式( 包括逻辑门限值控制、滑动模态变结 构控制和最优控制) 及各种控制方式的优缺点进行了论述，确定了基于滑移 率的模糊控制方式。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3 章摩托车动力学建模