（光学工程专业论文）中型客车abs系统性能研究.pdf

摘要 汽车a b s 装置是一种重要的机载设备，对汽车的安全性有着至关重要的 影响，目前汽车上已经较普遍地配备了a b s 装置。以往对a b s 的研究大多 是针对液压a b s 系统，本文以中型客车为研究对象，对气压a b s 系统的制 动性能进行深入的研究，为气压防抱制动系统的设计研究提供参考。同时， 在此基础上可以进一步对中型客车的防抱制动系统进行开发研究。 采用p 1 r 4 控制逻辑，以车轮加减速度为逻辑门限，对中型客车防抱制 动系统进行了仿真研究，采用四轮的车辆模型研究防抱系统，提出了基于车 轮加减速度门限值的模糊控制方法，将逻辑门限与模糊控制有机地结合，构 成有效的防抱控制。仿真结果表明：基于车轮加减速度门限值的模糊控制系 统鲁棒性强，在汽车制动的过程中各个车轮轮速基本控制在一定的范围内波 动，滑移率基本维持在最佳值附近，车轮能够获得较大的纵向附着力和侧滑 摩擦力，获得较好的制动性能。在不同附着系数的路面上制动具有良好的适 应性。与一般的基于车轮加减速度门限值的控制方法相比，模糊控制具有更 快的控制决策速度。 本文介绍了汽车a b s 发展历史、国内外研究现状，建立了适合于中型客 车仿真研究的数学模型，其中包括整车、制动器、轮胎以及控制器四个子模 型。并用m a t l a b s i m u l i n k 对所建立的数学模型进行了模拟仿真。通过计算仿 真，分析了路面、初速度、载荷等因素对a b s 制动性能的影响，重点研究了 逻辑门限控制以及基于车轮加减速度门限值的模糊控制方法的控制过程，为 今后进一步的深入研究打下了基础。 关键词a b s ；仿真；模型；模糊控制 a b s t r a c t f h ea u t o m o b i l ea b sd e v i c e ，at y p eo fi m p o r t a n tm e c h a n i c a le q u i p m e n t ，i s c r u c i a lt ot h ea u t o m o b i l e s e c u r i t y a n dn o wh a sb e e n w i d e l ye q u i p p e d c o n s i d e r i n ga l o to fp r e v i o u sr e s e a r c h e so na b sh y d r a u l i c s y s t e m ，t h e d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nam e d i u md u t yp a s s e n g e rc a r ，s t u d y i n gt h eb r a k e c a p a b i l i t yo f a b s t op r o v i d eu s e f u lr e f e r e n c e sf o rd e s i g n i n gt h ep n e u m a t i ca b s a tt h es a m et i m e ，i tc a nd e v e l o pa b s d e e p l yi nt h em e d i u md u t yp a s s e n g e r c a r a p p l y i n gp 1 r 4l o g i cc o n t r o la n du s i n gw h e e la n g u l a ra c c e l e r a t i o n o r d e c e l e r a t i o na sal i m i t e dv a l u eo fl o g i cg a t e ，t h ed i s s e r t a t i o nh a sm a d ear e s e a r c h o fs i m u l a t i n ga b si nam e d i u md u t yp a s s e n g e rc a ra n dh a sa l s ou t i l i z e daf o u r - w h e e lv e h i c l em o d e la sa na b s s t u d yo b j e c t i v e am e t h o do ff u z z yc o n t r o lo nt h e b a s i so ft h el i m i t e dv a l u eo fl o g i cg a t ew i t hw h e e la n g u l a ra c c e l e r a t i o no r d e c e l e r a t i o ni sg i v e n ，a n dw ecanc o n n e c tt h el i m i t a t i o no ft h ev a l u eo fl o g i cg a t e w i t ht h ef u z z yc o n t r o ls y s t e m a t i c a l l y , t h e ne f f e c t i v ea b sc o n t r o ls y s t e mi s f o r m e d t h er e s u l t so ft h es t i m u l a t i o nd e m o n s t r a t et h a tt h ef u z z yc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h el i m i t e dv a l u eo fl o g i cg a t ew i t hw h e e la n g u l a ra c c e l e r a t i o no r d e c e l e r a t i o np o s s e s s e sr o b u s ta d a p t a t i o ne x t r e m e l y ；a n dt h es p e e do fe a c hw h e e l i sb a s i c a l l yl i m i t e dt oag i v e n r a n g ei nt h ep r o c e s so fb r a k i n g ，a n dt h er a t eo f s l i p p a g em a i n t a i n si nt h eo p t i m u mv a l u ea p p r o x i m a t i v e l y ，a n dw h e e l sc a n g e n e r a t ev e r t i c a la d h e s i o na n ds i d e s l i pf r i c t i o nf o r c es u f f i c i e n t l y ，t h e ni to b t a i n s b e t t e rp e r f o r m a n c ei nb r a k i n g t h ea u t o m o b i l eh a sg o o da d a p t a b i l i t yf o rt h er o a d s u r f a c e sw i t hd i f f e r e n ta d h e r e n tc o e f f i c i e n t c o m p a r i n gw i t ht h eg e n e r a lc o n t r o l m e t h o db a s e do nt h el i m i t e dv a l u eo fl o g i cg a t ew i t hw h e e la n g u l a ra c c e l e r a t i o n o rd e c e l e r a t i o n ，t h ef u z z yc o n t r o lm a k e sa q u i c k e rr e s p o n s et oc o n t r o ls t r a t e g y t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eh i s t o r yo fa b sa n di t sr e s e a r c hs t a t u sq u o h o m ea n da b r o a d ，a n dc o n s t r u c t ss o m em a t h e m a t i cm o d e l ss u i t a b l ef o rs i m u l a t i n g s t u d yi nam e d i u md u t yp a s s e n g e rc a r ，i n c l u d i n gf o u rs u b s i d i a r ym o d e l si e t h e w h o l ev e h i c l e ，b r a k ed e v i c e ，t y r ea n dc o n t r o l l e r t h e s em a t h e m a t i cm o d e l sh a v e b e e ns i m u l a t e db ym a t l a b s i m u l i n k a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o n a n dt h ea n a l y s i so ft h ei n f l u e n c eo fs o m ef a c t o r ss u c ha sr o a ds u r f a c ec o n d i t i o n ， s t a r t i n gs p e e da n dl o a do na b sb r a k i n gp e r f o r m a n c e ，t h ed i s s e r t a t i o np l a c e sg r e a t 一! 一一。，：丝型篁墼兰至呈主鎏篁圣一：一，一一：，。， e m p h a s i so uc o n t r o l l i n gt h ev a l u eo fl o g i cg a t ea n ds t u d y i n gt h ep r o c e s so ft h e f u z z yc o n t r o lb a s e do nt h el i m i t e dv a l u eo fl o g i cg a t ew i t hw h e e la n g u l a r a c c e l e r a t i o no rd e c e l e r a t i o n i tt a l e st h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rs t u d yi nt h e f u t u r e k e y w o r d sa b s ，s i m u l a t i o n ，m o d e l ，f u z z yc o n t r 0 1 1 i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究目的和意义 近年来，随着汽车工业的飞速发展，我国汽车的保有量不断增加，( 2 0 0 2 年我国汽车保有量为1 8 0 0 万辆，年增汽车3 1 5 万辆，以后速度还要增加) 汽 车数量迅猛增加的同时，车速也变得越来越快，汽车工业的高速发展，给人 们的工作和生活带来了极大的方便。但与此同时，道路行车密度增加，交通 事故也明显增多，交通安全已经成了一个重要的问题。为了提高汽车行驶的 安全性，减少人员伤亡和财产损失，安全气囊、a b s 防抱死制动装置、a s r 驱动防滑装置在现代汽车上得到了广泛应用。a b s 是a n t i 1 0 c kb r a k i n g s y s t e m 的英文缩写，是防抱死制动装置，其工作性能的好坏将直接影响车辆 的制动效果，影响汽车行驶的安全性。而掌握汽车a b s 的控制方法是研究汽 车a b s 性能的关键。本文对中型客车防抱死制动系统的门限值控制方法进行 了深入细致的分析，并分析其优缺点，在此基础上，在理论上提出一种新的 控制方法基于门限值的模糊控制。 汽车制动过程是很复杂的，它与汽车总体布置和制动系各参数选择密切 相关。按照传统的设计方法，只能在汽车设计最后或等样车试验结束后才发 现其主要参数与性能是否达到要求，再进行改造。不但延误了新产品开发过 程，而且带来极大的浪费。按照“并行工程”的观点，在设计初步阶段对汽 车性能进行准确的计算分析，是一种高效的方法。而这就需要借助计算机工 具，建立汽车制动过程数学模型，进行数字仿真，以模拟实际制动过程。本 文利用m a t l a b s i m u l i n k 软件对中型客车气动a b s 系统进行图形建模，并对 制动过程进行仿真，分析a b s 系统的制动性能。本文建立的动力学模型可以 对汽车制动性能进行仿真，为汽车制动系统的设计研究提供参考。同时，在 此基础上可以进一步对中型客车的防抱制动系统进行开发研究。 根据国外a b s 系统的应用形势和国内对a b s 装置的要求，国产车型配 备a b s 装置已势在必行。我国国家标准g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 “汽车制动系统结构 性能和试验方法”规定从2 0 0 3 年1 0 月起，m 3 类旅游客车、n 3 类载货汽车 和0 4 类挂车必须装用防抱制动装置，交通部规定高速公路营运客车必须装备 a b s 系统。2 0 0 5 年，国家将颁布国内车辆强制安装a b s 的法规，a b s 的 研发具有一个巨大的潜在市场。 哈尔滨工业人学工学硕十学位论文 1 2 汽车a b s 的发展与国内外研究现状 1 2 i 汽车a b s 的发展 汽车防抱死制动系统( a b s ) 的开发可以追溯到本世纪初期，早在1 9 2 8 年 防抱死制动理论就被提出，3 0 年代机械式防抱死制动系统就开始在飞机上获 得应用。由于飞机对制动的方向稳定性要求高，而a b s 的价格占飞机总价格 比例较小，机场的地面条件简单，尾部导轮可以精确测量机速，从而可获得 正确的滑移率，实现精确控制等一系列有利条件，使a b s 在飞机上的应用取 得成功，普及率很快上升。 进入5 0 年代，汽车防抱死制动系统开始受到较为广泛的关注【2j 。1 9 5 4 年美国f o r d 公司首次把法国生产的民航机用a b s 应用在林肯牌轿车上。这 次试装虽然以失败告终，但揭开了汽车应用a b s 的序幕。同一时期，k e l s e y h a y e s 公司与h y d r o a i r e 公司开始联合开发a b s ，1 9 6 8 年达到了预期的目标。 1 9 5 6 年d u n l o p 公司开发了用于载货车的m a x a r e ta b s ，它是由飞机用 a b s 派生出来的，也就是现在所说的二通道低选择四轮控制通断式a b s 。前 轮采用机械式速度传感器、后轮采用电磁式速度传感器。 19 6 0 年上半年，h a r r yf e r g u s o nr e s e a r c h 公司把m a x a r e ta b s 组合成四 轮控制式，安装在试验车上，并于1 9 6 5 年向英国杰森汽车公司提供了 f e r g u s o n 制造的四轮控制a b s 装在1 9 6 5 年研制的野马v - 8 型车上，并在底 特律举行了试车仪式。 由于科学技术的发展，欧洲随后研制成由数字计算机与电磁阀调制器组 成的较为现代型的a b s 。数字计算机不易受干扰，速度快，可以把制动压力 循环的次数增加到每秒十余次。用以控制制动压力的电磁阀的开启，关闭时 间只需千分之四秒，这种较为现代型a b s 的体积小、质量轻、动作更快、更 精确。 1 9 7 8 年，波许公司在率先推出了采用数字式电子控制装置的a b s 波 许a b s 2 ，并且装备在奔驰轿车上，由此揭开了现代a b s 发展的序幕p j 。 1 9 8 1 年，w a b c o 公司和奔驰合作，推出了大客车和载货汽车用的气压式 现代a b s 4 。 1 9 8 3 年，波许公司推出了a b s 2 3 s 型a b s 。a b s 2 s 更适合于批量生产， 而且质量也比波许a b s 2 小。 1 9 8 4 年，t e v e s 公司首次推出了整体式a b s 坦威斯m k i i ，该系统将 防抱死制动压力调节装置与制动主缸和气压制动助力器合为一体，坦威斯 m k i i 在1 9 8 5 年首先被装在福特生产的林肯马克v i i 型轿车上。 自8 0 年代中期以来，a b s 向着提高效能成本比的方向发展。波许公司 在1 9 8 5 年对其a b s 2 s 进行了结构简化和系统优化，推出了经济型的 a b s 波许a b s 2 e 1 5 1 。 进入9 0 年代，a b s 发展愈来愈快，欧洲和美国、日本等地区均在高速 发展汽车用a b s 。到1 9 9 5 年，轿车中装用a b s 的比例，美国、德国、日本 分别达到5 5 、5 0 、与3 5 ；货车中装用a b s 的比例分别为5 0 、5 0 、 与4 5 。到2 0 0 1 年货车a b s 安装率已经超过了7 0 以上，新出产的轿车 a b s 安装率接近8 5 。目前在世界汽车工业发达国家，轿车a b s 装车率已 经达到1 0 0 。 1 2 2 汽车a b s 国内外研究现状 我国从事车辆制动防抱装置的研究始于8 0 年代初期。目前a b s 已成为 国内汽车界的热门话题，各大公司、研究所以及大专院校都开始进行积极的 研究工作。主要有：交通部重庆公路科学研究所、清华大学、西安公路交通 大学、济南重型汽车技术研究中心、东风汽车公司、重庆宏安a b s 有限公司、 陕西兴平5 1 4 厂等。他们做了大量的试验与理论研究，研究水平与开发手段 开始接近国外的发展水平，有的已开始产品试制和在车辆上试装坤j 。 国外a b s 系统的生产厂家在所给出的文献中很少介绍其a b s 系统的控 制率的研究情况。目前仅能够从几所大学和科研所所发表的文章可看到a b s 系统理论研究的概况。 制动情况下，汽车的数学模型可用一带有时变参数的十一阶非线性方程 表示。通常此情况下的制动控制很难用古典控制理论来实现。在早期的 k e l s e y - - h a y e s 公司的a b s 系统产品开发中，曾借鉴过在飞机制动防抱 制动系统上广泛使用过的模型参考自适应控制方法【7 】。后期对a b s 系统的防 抱制动率的研究基本上集中于对逻辑门限值控制方式的完善。逻辑门限值控 制方式的不足之处是各种门限值及系统保压时间均需要经过反复试验才能得 出，需要花费较大的人力、物力和财力，而且，系统的稳定性等品质因素难 以评价。随后针对逻辑门限值控制方式的不足，最优控制理论及滑动模态变 结构控制理论也被用于汽车a b s 系统控制率的研究上来。 针对汽车制动过程中的强非线性因素，台湾清华大学动力机械工程系 y e h 等提出了用共扼边界法、p o i n c a r e 图法来研究a b s 系统的防抱死制动控 制规律【8 j 。 在丰田汽车公司，研究人员提出了一种采用车轮加速度与道路磨擦系数 之间相互关系的a b s 系统控制率设计的新算法。车轮加速度的偏差通过带通 滤波器以特定的频率检测出来，然后针对不同的道路状况，根据所计算出的 车轮加速度值及轮速值来确定制动压力调节器的工作状况，以便汽车能够在 指定的最佳车轮滑移率区域内被制动。 进入9 0 年代以来，国外a b s 理论研究加大，基于现代控制理论进行研 究与设计。如把最优控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制应用于a b s 控制逻辑的研制与开发，并试图解决a b s 控制机理问题。现代的a b s 系统 也正与其它汽车电子控制系统相融合，并有一体化的趋向一j 。 近期，美国n e v a d a 州立大学m a u e r 等人对采用模糊控制理论进行控制 的a b s 系统进行了理论分析。在其控制算法中，采用了由车轮滑移率来判断 道路状况的路况辨识器。通过针对不同路面情况下，采用连续和离散的执行 器模型的仿真，以及线性p i 控制器效果的对比仿真分析，结果表明采用模糊 逻辑控制方法对汽车a b s 系统进行控制，系统具有较好的稳定性，且能对系 统内部信号噪声干扰不敏感，其对突变路况的响应要比基于模型参考自适应 的控制方法要好得多。 1 3 本文研究内容 本文以中型客车为研究对象，对车辆气动防抱制动系统的控制技术进行 深入的探讨。在建立模型的基础上，对逻辑门限值控制方法进行计算机模拟， 并在此基础上提出基于门限值的模糊控制。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 建立中型客车防抱制动相关的数学模型，主要包括整车模型、制动器 模型、轮胎模型和控制器模型。推导出峰值附着系数对应的临界角减速度计 算公式，为门限值的确定提供理论依据。 ( 2 ) 利用计算机仿真，对逻辑门限控制方法的p 1 r 4 控制逻辑防抱制动过 程进行仿真，分析影响a b s 性能的主要因素及其变化对a b s 系统工作情况 的影响。 ( 3 ) 在逻辑门限控制方法中引入模糊控制方法，与一般的基于车轮加减速 度门限值的控制方法进行比较分析，对基于车轮加减速度门限值的模糊控制 系统进行性能仿真研究。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章中型客车a b s 系统的选择 2 1 中型客车a b s 系统的组成 中型客车a b s 系统一般由轮速传感器、电子控制器和气压调节器三部分 组成1 0 l ，如图2 1 所示。 厂 皇王笙型矍 图2 - 1a b s 基本结构 ( 1 ) 轮速传感器轮速传感器通常由与车轮同步的传感器转子和固定在 悬架上的转速传感器两部分组成，传感器转子是一个带齿的圆环，形状很象 一个直齿圆柱齿轮，只是齿的外廓形状不是渐开线形状，而是矩形齿。转速 传感器主要由永久磁铁、传感线圈和极轴组成，极轴被传感线圈包围，直接 安装于传感器转子的上方，并保持一定的距离，同时极轴与永久磁铁相连接。 轮速传感器根据电磁感应原理，测出与车轮或驱动轴共同旋转的齿圈齿数， 产生与车轮转速成正比的交流信号，从而 贝量出车轮的转速。永久磁铁产生 一定强度的磁场，齿圈在磁场中旋转时，齿圈齿顶和电极之间的间隙以一定 的速度变化，这样就会使齿圈齿顶所组成磁路中磁阻发生变化。其结果使磁 通量周期性增减，在线圈两端产生正比于磁通量增减的感应电压。 ( 2 ) 电子控制器电子控制器( 一般为单片机) 是整个a b s 的控制核心，它 接收各个轮速传感器的信号，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，计算出汽车的参考车速、各个车轮 的轮速和加( 减) 速度以及滑移率，再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，控制电磁阀， 完成制动压力调节任务【1 1 1 。 ( 3 ) 压力调节器通常a b s 的压力调节是通过安装于车轮制动缸附近的 电磁阀来实现的。根据控制要求，电磁阀一般应具有三种工作状态，在制动 压力调节作用上分别表现为：增压、保压和减压，三种状态的实现及相互转 换是通过控制电磁阀线圈激励电流的电量级完成的。车轮制动缸中的压力与 电磁阀激励电流的关系见图2 2 。图中激励电流在0 和，。之间的脉冲控制变 换，是为了在车轮制动缸中取得较缓慢的压力增长速率，进一步提高防抱制 动的性能。 压力( j 。) i ；j 八 l ! ， 盯1 日j ( s j 图2 - 2 轮缸压力与电磁阀电流的关系 2 2 中型客车a b s 系统的制动器确定 制动器是制动系统的主要组成部分之一，目前汽车制动器基本上都属于 摩擦制动器，按摩擦副中旋转元件的不同，分为鼓式和盘式两大类，而载重 汽车制动器一般为鼓式。鼓式制动器又分为轮缸式制动器和凸轮式制动器。 轮缸式制动器按轮缸的数量和布置可分为领从蹄式制动器、双领蹄式制动器、 双向双领蹄式制动器、双从蹄式制动器、单向自增力式制动器、双向自增力 式制动器。领从蹄式制动器工作时领蹄产生的制动力矩为从蹄的2 2 5 倍， ，。一，一： ，。，塞尘! 塞三些奎兰三茎堡：耋竺：兰圣 ! ，一!，一， 亦即领蹄摩擦片上的单位压力较大，磨损较严重。双领蹄式制动器与领从蹄 式制动器相比较，双向双领蹄式制动器的特点是制动鼓无论朝哪个方向转动， 制动效果都不错。故双向双领蹄式广泛用于中、轻型货车及部分轿车的前、 后轮制动器。 凸轮式制动器结构张开装置有两种型式，第一种用中心固定的凸轮，即 非平衡式制动凸轮，不能保证作用在两蹄上的张开力相等。第二种张开装置 的凸轮是浮动的，能保证作用在两蹄上的张开力相等，称为平衡式制动凸轮。 非平衡凸轮式张开装置广泛用于中、重型货车车轮制动器和中央制动器。而 平衡式制动凸轮由于机械效率较低和凸轮滑动面磨损严重，现己很少用。 制动凸轮的工作表面轮廓有圆弧型、s 型等。圆弧型制动器凸轮采用的是中 心对称的两段偏心圆弧，这种凸轮的促动力对凸轮中心的力臂是随凸轮转角 而变化的，即使输入制动凸轮轴的力矩不变，凸轮对蹄的促动力也会随凸轮 的转角而变化。s 型制动凸轮的工作表面轮廓为渐开线型，其特点是促动力 对凸轮中心的力臂为一定值( 等于基圆半径的1 1 2 ) ，与凸轮转角无关。故不论 制动器间隙和制动蹄摩擦片磨损程度如何，凸轮对蹄端的促动力始终不变。 但这种凸轮轮廓在加工工艺上比较复杂。 上述各制动器各有利弊，领从蹄式制动器的效能和稳定性都适中，由于 其前进、倒车的制动效能不变，以及构造简单、价格低，所以广泛用于中、 重型货车的前后轮和轿车的后轮制动器。凸轮式制动器广泛用于气压动力制 动系中，而且大都设计成领从蹄式。 本文以中型客车为研究对象，中型客车属载重汽车，防抱死制动系统一 般采用气压a b s 系统，根据以上分析，确定中型客车a b s 系统的制动器为 鼓式( s 型制动凸轮) 制动器。 2 3 中型客车a b s 系统模式选择 在a b s 系统中能够独立进行压力调节的管路称为控制通道，即每个控制 通道上有一个调节阀，并在相应的车轮上有轮速传感器。在一般情况下，调 节阀与传感器的数目是相同的，也有采用两个传感器和个调节阀。气压 a b s 系统按通道型式分为：独立控制( i r ) 、低选择控f 倒j ( s l ) 、修正的独立控 $ ) j o r m ) 。按空间布置方式又分为：4 m 4 s 四轮独立控制方式、3 m 3 s 控制方 式、3 m 4 s 控制方式、2 m 1 4 s 控制方式等”“。 独立控制是能使每个车轮的附着系数利用率达到最大值，以获得最佳制 动效果。但对于不对称路面，由于附着系数不同，使左右轮产生的制动力不 啥尔滨工业大学工学硕十学位论文 同，导致车辆产生附加的横摆力矩，使车辆难以控制。因此独立控制系统的 制动距离短，但操纵性和方向稳定性不太好，多用于中重型载货车的后轴。 低选择控制的制动压力取决于预先抱死车轮的状态，对于不对称路面， 即选择其中附着系数较低的- n 车轮。低选择控制使得左右车轮产生的制动 力相同，减少或消除了横摆和转向力矩，提高了制动稳定性【” 。但这种控制 使得附着系数较高的一侧车轮的附着系数得不到充分利用，使其制动距离加 大。 修正的独立控制综合了独立控制和低选择控制的优点，其压力控制阀的 特殊运算法则使左右车轮的制动压力差控制在规定的范围内，使横摆力矩和 转向力矩限定在可提高车辆控制性的水平内，而制动距离与独立控制相比较 只略有增加，保证了较好的操纵性和方向稳定性。修正的独立控制a b s 系统 用于载重车的前轴，和独立控制一样，每个轮速传感器对应一个压力控制阀。 经过大量试验证明，仅采用轮速传感器这一单参数信号的汽车a b s 系 统，其采用的制动压力回路型式较为合理的为：4 m 4 s 、3 m 4 s 、3 m 3 s 三种 可行度较好的型式。对于其它型式，则较难达到全面的a b s 系统制动性能要 求。 根据以上分析，本文中a b s 系统制动模式定为3 m 4 s ，为得到较短的制 动距离，后轴选择独立控制方式，前轴采用修正的独立控制，以获得较好的 制动稳定性。 2 4 中型客车a b s 控制方法 在理论上，汽车a b s 控制方法较多，如逻辑门限控制、p i d 控制、最优 控制、滑模变结构控制、模糊控制和神经网络控制等。目前较实用的a b s 大多采用逻辑门限控制。其它控制方法大多还处于研究阶段。本文将着重分 析逻辑门限控制，并在此基础上，从理论上提出一种新的控制方法，基于门 限值的模糊控制方法。 2 4 1 滑模变结构控制 滑模变结构控制属于一类特殊的非线性控制系统。它根据系统当时的状 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领域内沿滑移换节蓝线滑动的控制方 式。滑模变结构控制本质分为两个部分，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 分是在达到滑移面之前的控制，可以保证物理滑模系统的相轨迹达到滑移面。 滑模控制对被控系统参数变化不敏感，抗干扰能力强，动态性能好，具 有很好的鲁棒性和很强的自适应性，但它的算法有静差调节，很难保证静态 精度，要求动作系统有较高的动作频率，且滑动运动在切换面附近切换时有 抖动，对作动系统的性能及可靠性要求太高，很难实施。 2 4 2p i d 控制 用滑移率作为控制目标容易实现a b s 的连续控制，从而提高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能1 4 。实现连续控制的最 简单方法是p i d 控制，p i d ( l e 例积分微分) 控制是连续系统中技术成熟、应用 最为广泛的一种控制方式。它简单实用，精度较好，但鲁棒性要差些，难适 用于比较复杂的系统，实施成本较高。 2 4 3 最优控制 最优控制是一种基于模型的分析型控制系统，它根据a b s 系统的各项控 制要求，按最优化原理求得控制系统的最优控制指标。一般取车轮角速度和 角加速度作为a b s 系统的状态变量，把附着系数和滑移率的关系曲线峰值处 的车轮速度作为系统的期望值输出，设计跟踪系统，使系统实现闭环控制。 最优系统在理论上很成熟，有很好的静态精度，能达到很好的防抱制动 效果，但要求建立很高质量的数学模型，且要求期望值的设定值在稳态区域 内。实现难度较大。 2 4 4 逻辑门限控制 逻辑门限值控制方法，大多采用角加减速度门限，并附加一些辅助门限 进行控制。大多数产品选择加、减速度门限作为主要门限，并以参考滑移率 作为辅助门限i l “。这是因为采用单独的加、减速度门限有很大的局限性，例 如在高速、紧急制动及时间一滑移率曲线斜率较小的情况下，在稳定区域， 车轮就有可能过到减速度门限，而此时的滑移率很小，防抱控制逻辑在后续 的控制中就有可能失效。如果以滑移率作为单独的防抱死控制门限，由于路 况的不同，最佳滑移率在o 0 8 0 - 3 之间变化，选择一种固定的滑移率作为门 限，就很难在各种路况下得到最佳的控制效果【l “。因此需要将两种门限结合 起来，以辨识不同路况，进行自适应控制。由于在确定实际滑移率时，需用 多普勒雷达或加速度传感器测定车速，费用太高，本文采用车轮角减速度和 由车轮角速度和角减速度通过逻辑推理得到的参考滑移率作为防抱制动控制 参数，其特点是控制参数较少，不需要测量车体速度，成本低，实用性强。 对于非线性系统是一种有效的控制方法，对系统的硬件要求低，成本低，系 统的控制逻辑比较复杂、调试比较困难这一缺点可以通过反复试验加以克服。 逻辑门限控制方法不涉及具体系统的数学模型，免去了大量的数学计算， 在一定程度上可提高系统的实时响应，使防抱死控制这一复杂的非线性问题 得到简化【l7 1 。它所需要的控制参量较少，尤其是省去了车速传感器，使系统 结构简化、成本大大降低。此外，它的执行机构相对来说也比较容易实现。 其缺点是：系统的控制逻辑比较复杂，控制也不够平稳1 1 。对于前者，通过 使用微处理器或单片机完全可以解决；对于后者，只要在控制逻辑中多考虑 些实际工况，且控制参数值选定的合适，控制性能还是相当不错的p ”。 2 4 5 基于逻辑门限值的模糊控制 对于那些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【1 。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一模糊控制。 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【20 | 。本文在逻辑门限控制方法中引入模糊控制，加快控制过程，使汽车获 得更好的制动性能。 2 5 本章小结 本章介绍了a b s 系统的组成及各部分的功用。以中型客车为研究对象， 对制动器、控制模式、控制技术进行了详细的分析，并在此基础上对中型客 车气压a b s 系统进行了选择和确定，从而为后继的建模与仿真研究提供依 据。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3 章中型客车a b s 系统模型的建立 车辆是一个典型的机械系统，它由车辆的各个总成组成，每个总成又构 成子系统。每个系统都有输入与输出，对系统的描述就是建立系统的模型。 模型是对系统实体特性及其变化规律的抽象，是经过适当简化了的系统实体 的代表，通过数学表达式等表达f 2 “。对于车辆系统来说，一般描述的问题都 是复杂的非线性微分方程，很难获得解析解，需要通过计算机进行数值求解， 根据系统的输入响应求解出系统的输出响应和工作过程。为了使计算机能够 接受数学模型，还要对数学模型进行二次模化处理。其中的核心就是建立合 理、准确、适用的数学模型，以便对其动态性能进行有效的分析和预测。对 装备a b s 的汽车制动系统来说，主要模型包括；整车模型、制动器模型、轮 胎模型以及a b s 控制器模型。 3 1 车轮制动时受力分析以及附着系数与滑移率的关系 在驾驶员、车辆和环境三者构成的闭环系统中，车辆与环境之间的最基 本联系是轮胎和路面之间的作用力。车辆的行驶状态主要是由轮胎和路面之 间的纵向作用力和横向作用力决定。在车辆制动时，纵向作用力很大程度上 决定了车辆的制动距离，横向作用力决定了车辆的制动稳定性，因此，对车 辆的控制实际是控制车轮与路面之间的作用力【2 “。而车辆与路面之间的作用 力是由轮胎与路面之间的附着系数决定的，车辆的加速和减速运动主要受车 轮纵向附着力的限制，而车辆的转向运动和抵抗外界横向力作用的能力则主 要受车轮横向附着力的限制。所以在建立模型之前有必要先对车轮制动时的 受力情况、地面附着系数与滑移率的关系等重要问题进行分析研究。 3 1 1 车轮制动的受力分析 汽车受到与行驶方向相反的外力时，才能使速度减小或直至停车。这个 外力只能由地面和空气提供。但由于空气阻力相对较小，所以实际上外力是 由地面提供的，我们把制动过程中在轮胎与地面之间产生的与行进方向相反 的摩擦力称之为地面制动力【3 。地面制动力愈大，制动减速度愈大，制动距 离也愈短，所以地面制动力对汽车制动性能具有决定性的影响。当左右地面 制动力不相等时，绕车辆质心产生一个旋转力矩，会使制动跑偏。 图3 1 中滚动阻力偶矩和减速时的惯性力、惯性力偶矩均忽略不计。m 。 为车轮制动器中的摩擦力矩，单位为n m ，f 为地面制动力，r 为地面对 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 车轮的法向反作用力，为车轮的垂直载荷，其单位均为n 。r 为车轮半径， 单位为r f l 。 图3 一l 车轮制动时受力分析 当制动踏板力较小时，由力矩平衡有： 只：丝( 3 - 1 ) r 地面制动力f 是使汽车制动而减速行驶的外力，但是地面制动力取决于 两个摩擦副的摩擦力：一个是制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘问的摩 擦力；一个是轮胎与地面间的摩擦力，即附着力。 在轮胎周缘克服制动器摩擦力所需的力称为制动器制动力。制动器制动 力疋可由下式确定： f l ：丝( 3 - 2 ) ， 由式( 3 2 ) 可知，e 仅由制动器参数确定，即取决于制动器的型式、结构 尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数以及车轮半径，并与制动管路的压力成正比。 当制动踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎之间的摩擦力 即地面制动力，足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。车轮滚动时的地面 制动力就等于制动器制动力，且随踏板力增长成正比例增长。但地面制动力 是滑动摩擦的约束反力，其值不能超过附着力，即： f ；s f 。= 耻。f n t 3 - 3 ) 式中 以纵向附着系数； 凡纵向附着力。 当制动器踏板力或制动系统管路压力升至某一值时，地面制动力只达到 附着力巳值时，车轮即抱死不转而出现滑动现象。压力继续升高时，制动器 制动力由于制动器摩擦力矩的增长而继续按直线关系上升。此时若车轮法向 载荷为常数，地面制动力达到附着力后就不再增加。图3 - 2 所示为制动过程 中三个力之间的关系。 图3 - 2 制动过程中c 、e 、l 之间的关系 由此可见，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受到 地面附着条件的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又 能提供较高的附着力时，才能获得足够大的地面制动力。因此，从缩短制动 距离的角度，如何充分利用轮胎与路面的最大附着力就十分有意义了。 3 1 2 滑移率与路面附着系数的关系 轮胎与路面之间的附着系数分为纵向附着系数和侧向附着系数。纵向附 着系数用。表示，。越大，地面制动力越大，制动距离也越短。侧向附着 系数用u 。表示，一般来说，。越大，侧向力越大，汽车的方向稳定性越好。 附着力的大小在数值上等于附着系数与垂直载荷的乘积。分别表示为： f ? = “，f 。 1 3 - 4 ) e = u 。f n ( 3 - 5 ) 汽车制动时，车轮速度的减小比车体速度减小的速度快，在车速与轮速 之间产生了一个速度差。车速与轮速之间存在着速度差称为滑移现象。滑移 的程度可用滑移率s 表示。车轮滑移率定义为： s = 1 一碥o( 3 - 6 ) 纵向滑移率为： s ，= l 一( 嘶c o s 口) 7 u( 3 7 ) 侧向滑移率为： s ，= 1 - ( a j r os i n 口) u( 3 - 8 ) 式中 u 车轮中心的纵向速度( m s ) ； 车轮自由滚动半径( m ) ； 车轮角速度( r a d s ) ； d 侧偏角。 本文考虑直线运动，s ，= s ，在纯滚动时，s - 0 ；边滚边滑时，0 0 5 2 8 时，气体以亚音速流动，根据上、下流的压力比 p ，p 的大小，确定采用不同的计算公式，因为式( 3 1 8 ) 的瞬态流晟只涉及卜、 下游的压力差，所以对压力释放过程也适用，但p 是变化的。 理想气体状态方程符合下述关系： p = 警凰正 ( 3 - 1 9 ) 式中p 压力( p a ) ： 统气体流量( m 3 s ) ； v 气室容积( m 3 ) 。 假设气室容积y 为常数，因为在气室充气过程中，气室在很短的时间 内( 约占整个动态过程的1 1 0 时间) ，影响气室容积的气室膜片就变形与气 室内腔一致，所以气室容积可视为不变，充、放气视为绝热过程，系统与 外界无热量交换，其状态方程可表达为： p p 。= 常数 f 3 2 0 1 p = q m v r 3 2 1 1 对( 3 - 1 9 ) 进行微分并结合公式( 3 2 1 ) 得到下式： d p k r 。t i ( ) 。 ( 3 2 2 ) d tv “ 解此微分方程，对亚音速区由于公式的表达式比较复杂而变得困难，需 要对绒的表达式作近似，寻求比较简单的表达式才能解出微分方程，可以采 用数值方法很方便地用计算机解出，只要时间步长足够小，就可以得到足够 高的精度。解微分方程所用初始条件有所不同，对充气过程气室的气压开始 为0 ，而外部气压为7 5 0 k p a ，放气过程则恰好相反。如果计算误差较大，可 以对公式( 3 1 8 ) 进行修正，引入修正系数： c ，( f ) = 绒绒试驻 ( 3 2 3 ) 式中，绒试验为试验所得离散点，而q ( t ) 比值不一定是常数，但为了简化 及便于应用，取一个平均值得到一个常数修正系数c ，则： q , o 修正= c 。q 。 ( 3 - 2 4 ) 用修正后的计算公式得到的曲线与试验曲线有很小的误差，所以修正后 的计算公式有很高的精度，十分适合于计算机模拟制动性能。 ( 2 ) 辨识建模动态系统辨识是研究如何从动态系统的输入和输出数据 来建立系统数学模型的理论和方法，系统辨识是根据试验数据用拟合法估计 出系统的数学模型。合理地确定模型结构是系统辨识的关键性问题，通常包 括系统每一细