（载运工具运用工程专业论文）基于逻辑门限值控制的汽车防抱制动系统研究与开发.pdf

l u ll lli l l li lll ll l llll y 17 3 0 2 5 2 a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e mr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f l o g i ct h r e s h o l dc o n t r o l ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n g x i u r u s u p e r v i s o r ：p r o f l i uh a o x u e c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表的成果。 。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：孤协 砷埠斗月巧日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：才鳓如 导师签名： 加f o 年厶p 月日 砷f o 年毕月珂日 摘要 随着科技的进步和人们物质生活水平的提高，人们对汽车的安全性提出了越来越高 的要求。汽车防抱制动系统( a b s ) 作为应用最广泛地一种主动安全装置，能够在汽车 制动时自动调节车轮制动力，防止车轮抱死，有效地减少了交通事故的发生。 本文在阅读了大量文献的基础上，详尽地介绍了a b s 的基本原理、类型、控制逻 辑等。首先建立了整车车辆动力学数学模型、轮胎模型、制动系统模型、驱动模型和驾 驶员模型，然后采用逻辑门限值的方法对a b s 的制动控制进行分析研究，并利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件进行了汽车液压a b s 系统的动态仿真研究。建立了一种基于 p c 微机的a b s 系统集成开发环境，将数学模型与控制系统的硬件和车辆制动系统结合 起来进行模拟，从而构成了硬件在环模拟试验台。 关键词：防抱制动系统；逻辑门限值控制；仿真；硬件在环；集成开发 a bs t r a c t 、m t l lt h ea d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sm a t e r i a ll i v i n g s t a n d a r d s ，t h er e q u i r e m e n to fv e h i c l es e c u r i t yb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r a n t i l o c kb r a k i n g s y s t e m ( a b s ) 弱ap r o a c t i v es a f e t yd e v i c et h a ti su s e dw i d e l y , w h i c hc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s t b r a k ew h e e lb r a k i n gf o r c e ，p r e v e n tt h ew h e e l sl o c k i n g ，a n dr e d u c et h ei n c i d e n c eo ft r a f f i c a c c i d e n t se f f e c t i v e l y i nt h i sp a p e ro nt h eb a s i so fr e a d i n gl o t so fl i t e r a t u r e ，t h eb a s i cp r i n c i p l e ，t y p ea n dc o n t r o l l o g i co ft h ea b sa r ei n t r o d u c e d f i r s t l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fv e h i c l e ，t i r e ，b r a k i n g s y s t e ma n dd r i v i n gs y s t e ma r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h e nad y n a m i c a la n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) s i m u l a t i o ni s c o n d u c t e db yu s i n gt h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e a na b s i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n ts y s t e mb a s e do np ci sd e s i g n e d ，w h i c hr u n st h ea b ss i m u l a t i o nt h a t i n t e g r a t et h ev e h i c l em a t h e m a t i c a lm o d e l ，h a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ev e h i c l e b r a k i n gs y s t e mt of o r mt h es oc a l l e d “h a r d w a r e i n - t h e - l o o p ”r e a lt i m es i m u l a t i o nt e s tb e n c h 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 ；l o g i ct h r e s h o l dc o n t r o l ；s i m u l a t i o n ； h a r d w a r e i n - t h e l o o p ；i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t i i 目录 第一章绪论o 1 1 1 汽车安全性研究的意义1 1 2a b s 的发展概述”3 1 3a b s 的分类与控制方法6 1 4 本文主要研究内容8 第二章汽车动力学数学模型的建立l o 2 1 车辆动力学的模拟方法简介一1 0 2 2 数学模型的建立1 1 2 2 1 整车动力学模型的建立一1 1 2 2 2 车辆轮胎模型1 4 2 2 3 制动系统模型”l7 2 2 4 驱动系统模型1 8 2 3 车辆动力学图形模型的实现1 8 2 3 1 车辆系统模型一1 9 2 3 3 制动系统模块2 0 2 3 4 驾驶员模块2 0 第三章a b s 控制器的设计及仿真2 1 3 1 防抱死控制策略2 l 3 2 防抱制动控制系统设计2 2 3 2 1s t a t e f l o w 简介2 3 3 2 2 防抱制动控制逻辑s t a t e f l o w 模型的建立2 3 3 3 仿真”2 6 第四章a b s 计算机集成开发系统的软硬件设计2 8 4 1 集成开发系统设计原理2 8 4 1 1 数学模型系统2 8 4 1 2 实时硬件闭环模拟一2 9 4 2 集成开发系统软件设计3 0 4 3 集成开发系统硬件设计3 3 第五章总结与展望3 8 i i i 5 1 总结3 8 5 2 展望3 8 参考文献“3 9 附录一4 2 致谢4 4 i v 长安大学硕士学位论文 第一章绪- 人i , 0 1 5弟一早珀 1 1 汽车安全性研究的意义 汽车的发明使人类的交通运输方式发生了革命性的变化，作为现代社会便利的交通 工具，它大大缩短了人们交往的距离和交通运输的时间。但是，汽车在推动人类社会进 步的同时，也对现代社会产生了很多负面效应，如交通事故，环境污染等。 在世界范围内，每年因交通事故导致人员伤亡就达到约1 2 0 万人、直接经济损失 5 1 8 0 亿美元n 1 。其中，占世界汽车拥有量只有2 0 的发展中国家有近9 成的交通事故发 生量，而且，专家指出，若不及时采取有效措施，到2 0 2 0 年发展中国家的道路交通事 故死亡人数将剧增8 0 髓1 。 我国是汽车交通事故伤亡人员最多的国家之一，每年在交通事故中伤亡人数6 0 余 万人，造成直接经济损失3 0 余亿元口1 。事故伤亡及财产损失加上事故现场抢救、伤亡善 后处理、生产力和劳动力损失，所付出的各种费用，给国家及受害者造成巨大的经济损 失，直接影响交通运输环境及人们的生活安定。最大限度地减少汽车交通事故及交通事 故中的人员伤亡和财产损失是车辆工程等相关研究领域要解决的重要科技问题。 通过分析了导致严重伤亡交通事故原因的研究，德国保险业协会、汽车安全学会得 出死亡交通事故大多数是由于侧面撞车引起的，由于超速行驶、突然转向或操作不当引 发的h 1 。改进汽车的安全性不仅可减少汽车交通事故和人员的伤亡及经济损失，并直接 影响交通运输环境和人民生活的安定。所以全方位、可靠地提高汽车的安全性能就成为 摆在汽车设计、开发及科研人员面前一项紧迫而艰巨的任务。汽车的安全性能从总体 上来说可分为主动安全性和被动安全性。主动安全性主要是根据汽车设计和汽车理论对 汽车内部构造进行合理、有效的设计来主动预防事故发生。具有代表性的有汽车防抱死 系统和汽车驱动防滑系统。被动安全性主要是指汽车发生碰撞和意外时，通过车内的保 护系统如吸震装置，联动锁紧装置以及其它附属装置来有效地保护乘客，使伤害减少到 最低程度。具有代表性的有安全带、安全气囊。 早期汽车安全研究主要是被动安全性的研究，针对以汽车碰撞时驾驶员和乘员的保 护上，随着时代的进步，把以碰撞安全为核心的传统被动安全技术发展为以预防为核心 的现代主动安全技术已经成为现代交通的迫切要求。包括照明灯和信号灯的性能、汽车 前后视野性能、操纵性能、制动性能以及轮胎性能等等都属于主动安全的范畴，其中最 重要的是操纵性能。因为汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵轻便程度，同时 第一章绪论 也是保证高速行驶车辆安全的一个主要性能，所以被人们称之为“高速车辆生命线 【5 】。 电子技术、计算机技术和传感器技术是推动汽车主动安全技术发展的动力。在现代 科学技术快速发展的推动下，特别是2 0 世纪9 0 年代后汽车主动安全技术进入了快速发 展的历史时期。目前比较成熟的汽车主动安全技术包括：制动防抱死系统、牵引力控制 系统、电子制动力分配系统、电子稳定性程序、制动辅助系统、自适应( 智能) 巡航控 制系统和爆胎监测及控制系统等哺1 ，如图1 1 。 a b s ：制动防抱死系统 e b d ：电子制动力分配系统 b a s ：制动辅助系统 b m b s ：爆胎监测及控制系统 t c s ：牵引力控制系统 e s p 电子稳定性程序 a c c - 自适应( 智能) 巡航控制系统 图1 1 汽车主动安全技术发展历史 汽车制动防抱死系统( a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m ，简称a b s ) 是在传统的制动系统的 基础上采用电子控制技术，在制动时防止车轮抱死的一种机电一体化系统。它是由电子 控制单元( e l e c t t o n i cc o n t r o iu n i t ，简称e c u ) 、电磁阀或称压力调节器和轮速传感器三 部分组成，如图1 2 。在车辆紧急制动时，驾驶员脚踩制动踏板的制动压力过大时，轮 速传感器及电子控制单元e c u 可以检测到车轮有抱死的倾向，此时电子控制单元e c u 控制电磁阀动作以减小制动压力。当车轮轮速恢复并且轮胎与地面摩擦力有减小趋势 时，电控单元控制电磁阀增加制动压力。这样能够使车轮一直处于最佳的制动状态，最 有效地利用地面附着力，得到最佳的制动距离和制动稳定性。 传统的汽车制动系统的功能是使行驶的汽车车轮受制动力矩的作用，使车辆停止。 当车辆紧急制动时，在大多数情况下往往会抱死车轮，使轮胎与地面由滚动摩擦变为滑 动摩擦，此时一方面造成车轮轮胎的严重磨损，另一方面车辆后轮抱死会产生侧滑，容 易使车辆丧失稳定性，而前轮抱死会使车辆丧失转向能力。这些状态都容易导致汽车交 2 长安大学硕士学位论文 通事故的发生。a b s 系统的引入使制动过程中车轮处于非抱死状态，这样不仅可以防止 制动过程中后轮抱死而导致车辆侧滑甩尾，大大提高制动过程中的方向稳定性，同时可 以防止前轮抱死而丧失转向能力，提高汽车躲避车辆前方障碍物的操纵性和弯道制动的 轨迹保持能力，而且最终的制动距离往往要比同类车型不带防抱死系统的车辆制动距离 要短，因此a b s 系统是一种有效的车辆安全装置。 图1 2a b s 组成结构 1 2a b s 的发展概述 最早的汽车制动防抱死系统( a b s ) 专利是英国在1 9 3 2 年发布的3 8 2 2 4 1 号专利， 在2 0 世纪3 0 年代，美国、德国、法国也有人申请有关防抱死装置的专利。1 9 3 6 年德国 b o s c h 公司将电磁传感器用于测量车轮速度，当传感器探测到车轮抱死时，安装在每 条制动管路上的电动机启动以控制制动进油阀阀口大小来调节制动压力。b o s c h 公司 的这一专利被公认为是a b s 系统形成中的一个里程碑，其原理一直沿用至今 7 1 。 防抱死制动系统被首先实际应用于铁路上，在1 9 4 3 年美国的西屋公司开始批量生 产用于火车上的防抱死制动系统【8 】。而飞机发展的需要进一步推动了a b s 的发展。随着 飞机质量和体积的加大、速度的加快，飞机着陆时，轮胎制动抱死产生剧烈摩擦，在驾 驶员反应过来之前轮胎就会磨出斑点，大大缩短了轮胎的寿命【9 】。制动防抱死系统的应 用防止了这一现象的发生。2 0 世纪4 0 年代末5 0 年代初，a b s 系统已广泛地应用于飞 机上。这些早期的制动防抱死系统大多是机械式的，利用惯性飞轮探测车轮是否抱死， 从而减d , n 动压力。2 0 世纪5 0 年代防抱死系统开始应用于汽车工业。1 9 5 1 年g o o d y e a r 航空公司将a b s 系统装于载重车【l o l ：1 9 5 4 年福特汽车公司在林肯牌轿车上装用法国航 3 第一章绪论 空公司的a b s 装置【1 1 1 。6 0 年代开始应用电磁传感器探测车轮轮速，控制部分主要是机 械式的，系统相对简单，只有在特定的车辆参数和工况下防抱死效果显著；在车辆参数 及工况发生变化时，防抱死功能就会丧失【1 2 1 。而要改善这些性能就会增加机械系统的复 杂性和体积，从经济观点来说是不合适的。所以在当时，a b s 系统的发展处于进退两难 的境地。幸好2 0 世纪7 0 年代电子技术有了很大的发展。7 0 年代初期a b s 系统的制造 厂家采用分离元件的电子线路，但控制器体积较大，有多达上千个元件，并且可靠性较 差，难于实用化。在7 0 年代中期，由于大规模集成电路的应用，a b s 控制器由上千个 元件减少到几百个元件，大大缩小了控制器的体积，并增强了可靠性。但控制功能的实 现是靠硬件构成的逻辑电路，这决定了控制器不可能实现复杂的控制逻辑。1 9 7 8 年a b s 系统有了突破性的发展。德国b o s c h 公司与奔驰公司合作研制出三通道车轮带有数字 式控制器的a b s 系统，并批量装备于奔驰轿车上【1 3 1 。由于微处理器的引入，使a b s 系 统开始具有了智能，从而奠定了现代a b s 的基础和基本模式。8 0 年代以后，a b s 在技 术上得到了很大的发展，许多汽车零部件公司纷纷开始生产a b s 产品，汽车新车的a b s 装车率在美国等西方发达国家已超过9 0 。在发展过程中，a b s 体积逐步减小，质量逐 步减轻，控制和诊断功能逐步增强。液压a b s 系统已将控制器和控制阀体集成于一体， 可以作为一个附加系统添加到常规的制动系统中去，目前国际上比较流行的是b o s c h 公司的b o s c h 5 3a b s 图1 3 和t e v e s 公司的m k 2 0 ia b s 图1 4 。 图1 3b o s c h 5 3a b s 控制单元 4 长安大学硕士学位论文 图1 4m k 2 0 1 a b s 控制单元 目前a b s 控制器已普遍采用1 6 位单片机为c p u ，同时采用通用诊断协议接口， a b s 除本身朝着集成化、低价格、大批量的方向发展外，还在原系统基础上进行了扩展。 2 0 世纪8 0 年代中后期，防滑控制系统( a s r ) 得到了发展，它包括制动防滑和牵引控 制两部分，利用原有的a b s 系统，只增加部分控制系统和相应的软件，就可以实现防 滑控制功能，使性能价格比大大提高【1 5 1 。目前一些先进的a b s 产品已经具有电子制 动力分配( e b d ) 功能，它只需对原有的a b s 控制软件进行改进，即可使制动时汽车 前后车轮的制动力得到合理分配，从而可取消感载比例阀，降低a b s 系统成本【1 6 1 ；a b s 的另一个发展是车辆动力学控制系统( v d c ) ( 也可称之为电子稳定程序e s p ) ，它是 在a b s 的基础上通过测量方向盘转角、横摆角速度和侧向加速度对车辆的运动状态进 行控制。它可以在车辆运动处于危险状态下自动进行控制，努力去纠正人为操纵中出现 的错误，从而进一步提高了汽车操纵的安全可靠性。 我国对a b s 的研究始于2 0 世纪7 0 年代。1 9 7 7 年，长春汽车研究所首先进行了气 压制动a b s 的研究【1 7 1 。随后，西安公路学院开发了d z t 1 型中规模集成逻辑电路型电 子a b s ，于1 9 8 2 年1 0 月进行了路试。湖北东风汽车公司于1 9 8 5 年引进了德国k n o o r 公司气压a b s ，安装于e q l 4 0 汽车进行试验研究，并自行开发了以z 8 0 c p u 为核心的 电控部件。航空部五一四厂研制的3 5 0 0 q f b d 一2 型气压电子a b s ，于1 9 8 6 年1 2 月通 过了新产品投产技术鉴定，应用对象为c a l 4 0 载货汽车。但产品性能较差、价格较高， 主要缺点是系统本身不能自动适应各种不同工况。在硬件设计上，设置了路面选择开关， 汽车制动前应由驾驶员根据路面状况人为地进行选择，增加了系统实现难度【l 引。近年来， 交通部重庆公路研究所先后开发了两代a b s 产品，其第二代产品为f k x - a c i 型，适用 于中型汽车。该产品中央处理器采用了美国i n t e l 公司的m c s 9 6 系列8 0 9 8 单片机，控 制软件、传感器和执行机构都由自己研制，现已在部分车辆上试装【l9 】；济南重型汽车集 5 第一章绪论 团技术中心自1 9 9 4 年开始研究气压制动a b s ，目前已自行研制成功了1 6 位的汽车防抱 制动电子控制器( e c u ) 2 0 j ；清华大学汽车工程系自1 9 8 9 年开始a b s 的理论研究，1 9 9 1 年引进美国本迪克斯a b s ，并已安装在b j 2 1 3 ( 切诺基) 吉普车上，同时自行开发了 m c s 5 1 与m c s 9 6 系列单片机控制器，并进行了初步的道路实验【2 1 2 3 1 。总的来说，我 国的a b s 研究工作仍处于起步阶段，技术上还不很成熟，一些a b s 产品与国外产品相 比，还有较大的差距。随着汽车工业的迅猛发展，汽车装用a b s 已成为必然趋势。 1 3a b s 的分类与控制方法 按实现制动防抱功能的结构和控制方法的不同，a b s 可分为以下三种类型： ( 1 ) 机械式a b s ：这种类型的a b s 是在车轮轮毂附近安装一个惯性式车轮角减速度 传感器，传感器主要由飞轮和随车轮减速自动产生轴向位移的机构所组成。该机构的轴 向位移用来控制制动管路的压力【2 4 】。 ( 2 ) 电子控制的a b s ：目前应用最为广泛同时也是发展得比较成熟的是电子控制式 a b s 产品，其中又包括液压制动a b s 和气压制动a b s ，液压制动a b s 通常应用于整备 质量小于3 5 t 的轿车、越野车和轻型客、货车上；气压制动a b s 通常用于整备质量大 于3 5 t 的客车和载重卡车上。电子控制的a b s 主要包括以下几个组成部分： 电控单元；( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，简称e c u ) 。它通常由1 6 位单片机构成，它的 功能之一是检测车轮速度信息，在进行计算后按控制参数适时发出指令，调节制动压力， 防止车轮抱死；功能之二是对a b s 系统进行故障诊断和报警，保证系统一旦发生严重 故障，立刻向驾驶员报警并恢复常规制动，使制动功能不会失效。 轮速传感器。它通常采用磁电式或霍尔式传感器，由它获得车轮速度信号给e c u 提供制动过程车轮的运动状态信息。 电磁阀执行机构( 又称压力调节器) 。它是控制制动压力的主要部件。其响应速度 一般要求1 2 1 5 h z 。 系统外围电路和管路。它们是电源供给、报警灯显示和制动管路。 ( 3 ) 自适应控制a b s ：自适应控制是根据最佳控制理论构成轮速的伺服控制，从而 实现高精度的控制。它的基本出发点是利用路面峰值附着系数( a p 最大制动力) 处的滑移 率来伺服控制汽车的制动：从而达到最佳的制动稳定性和最短的制动距离。但由于路面 附着系数和瞬时车速的测量等一系列的难题有待克服，故自适应控制的a b s 尚处于研 究中。日本、德国已经在进行此项课题的前期研究【2 5 1 。 a b s 配置的选择主要由性能价格比来决定。性能主要以整车的稳定性、转向轮的可 6 长安大学硕士学位论文 操纵性和制动距离作为评价指标，控制通道数不同，其性能也不相同。按控制通道数 a b s 可分为单通道、双通道、三通道、四通道和多通道等几种配置。单通道结构简单， 价格便宜，常用于轻型卡车后轮低选控制，能有效防止后轮侧滑；双通道目前已很少采 用；三通道是目前在轿车和轻型车上应用最多的一种配置方式，它采用两前轮独立控制， 后轮低选控制；四通道系统各车轮独立控制，多用于轿车上；多通道a b s 一般用于多 轴卡车和挂车上。 目前市场上已有的a b s 产品几乎毫无例外地采用逻辑门限值控制方法，它并不涉 及具体系统的数学模型，这对于非线性系统是一种有效的控制方法，具有控制简单，计 算量小，便于实现的优点，但控制逻辑复杂，波动较大。从目前的应用情况看，该方法 较好地实现了a b s 的控制。a b s 的控制方法还有滑模变结构控制、模糊控制、制动器 耗散功率控制等许多种方法，但由于这些方法实现起来还有一定的困难，目前尚未应用 于实车上。逻辑门限值控制方法主要是根据两个判据来进行，一是以车轮角减速度作为 控制参数，角减速度大说明车轮容易抱死，所以存在一个门限值；二是以车轮滑移率作 为辅助控制参数使用，滑移率大说明车轮容易抱死，也有一定的门限值与之对应，此种 控制方式是目前被普遍采用的方法 2 6 - - 2 引。 由于a b s 的有效性在汽车安全行驶中的不断体现，得到了越来越多的认同，未来 汽车普遍安装a b s 已成为汽车工业发展的一个必然趋势，然而作为a b s 技术本身，在 许多方面仍需研究和提高。a b s 的关键技术和发展方向主要体现在以下几个方面： ( 1 ) a b s 压力调节器设计及制造加工技术：降低a b s 系统的成本，是普及a b s 的一 个重要方面。在a b s 系统中，机械执行部件几乎占整个系统成本的一半。其中电磁阀 是a b s 系统的执行部件，应当具有响应快、迟滞时间短等特点，一般应当具有大于1 5 0 h z 的开关频率。因此，目前a b s 压力调节器的发展一方面是提高液压机构的集成度( 针 对液压制动a b s ) ，使电磁阀、回流泵、蓄能器和阻尼器等部件集成为一个整体，同时 改进电磁阀的设计和工艺，降低液压部件的成本；另一方面是把制动防抱( a b s ) 与驱 动防滑( a s r ) 两种控制结合起来，使控制性能大大提高，价格却因许多部件可以共用 而提高不多【2 9 1 。 ( 2 ) a b s 电子控制单元e c u 的软硬件技术：随着计算机、电子技术的飞速发展，a b s 电子控制单元不断向小型化、低成本、高性能发展。硬件方面，电控单元的主芯片正由 原来的8 位机、1 6 位机向3 2 位机发展，其他电子元件、集成电路也在向进一步集成化、 专用化发展。软件方面将采用现代控制理论，实现更深入准确的控制，即a b s 的自适 7 第一章绪论 应轮速伺服控制系统。另外，在目前的控制软件设计中，引入模糊控制理论，也将对控 制性能有所改善和提高【3 2 1 。 ( 3 ) 轮速传感器技术：传感器是a b s 的一个重要元件，利用轮速传感器可以获得汽 车的轮速信号。然而整车瞬时车速传感器价格昂贵，不适用于a b s 系统。研制出低成 本的瞬时车速传感器或是能直接获得汽车车轮瞬时滑移率的传感器，将会使a b s 开发 中应用自适应控制理论问题得到重大突破，a b s 的控制将更加简单、准确和高效【3 3 】。 ( 4 ) 路面识别技术：a b s 技术能适应于不同材料、不同情况的路面并保持其优良的 工作性能。目前采用的方法是通过对轮速信号变化情况的分析，配合加速度传感器( 只 有通、断两种状态) 的使用，定性地识别路面附着性能，使用相应的控制门值去控制防 抱过程。这种路面的识别方法是建立在合理的理论分析计算和大量的实验基础上的。如 何准确地获得制动瞬间路面的附着性能也是a b s 研究领域的一个难题【3 4 1 。 1 4 本文主要研究内容 为了实现汽车制动过程中方向的稳定性和较大的制动力矩，需要控制汽车滑移率在 理想滑移率附近的狭小范围之内。但是，由于汽车制动过程具有变化快、非线性明显、 轮胎一路面相互作用关系复杂等特点，使得a b s 的控制方法成为整个防抱制动系统的 难点和关键。本文根据实用化要求，采用逻辑门限值控制。计算机从轮速传感器模型得 到轮速信号，然后经过控制逻辑判断，通过控制电路发出控制指令给液压系统。本文的 主要研究内容有 ( 1 ) 建立车辆动力学模型在a b s 模拟系统中，先后建立了8 自由度整车动力学 模型、g i m 轮胎模型、制动器模型、液压系统模型和驱动系统模型。 ( 2 ) 根据逻辑门限值的方法对a b s 控制过程进行分析研究，并建立a b s 系统模 型。利用系统控制仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 进行a b s 车辆制动过程的动态模拟试验研 究。可反映制动过程中a b s 系统各参数的变化情况，通过a b s 系统的动态模拟，可以 对控制逻辑进行分析和预选控制门限参数，从而大大减少实车试验次数，节约开发费用 和缩短a b s 产品开发周期。 ( 3 ) 建立a b s 计算机集成开发系统 混合模拟实验台的功能：自主开发a b s 产品时，为减少实车道路试验次数降低 费用，对自行编制的控制逻辑进行室内调节，可在实验台上检验自行设计的控制逻辑算 法能否正常工作，并同时选取控制门限的初值；组装a b s 前，检验电磁阀、e c u 等部 件的动态响应特性是否满足设计要求；能够实时硬件模拟车辆在直线制动、转弯制动、 8 长安大学硕士学位论文 对开路面制动等复杂条件下的制动工况。 实验台的组成：动力学模型( 软件部分) 包括整车动力学模型、制动器模型、轮 胎动力学模型、a b s 控制逻辑模型、驾驶员模型，实验台操作人员可以通过仿真软件界 面输入仿真模型所需的整车物理学参数，并可根据需要修改参数；插入硬件，包括制动 踏板、真空助力器、制动总泵、制动油管、a b s 电磁阀、制动分泵( 制动轮缸) 、轮速信 号发生器等；对硬件接口及控制系统要求各种不同的a b s 总成可以在实验台上方便地 安装、测试，主控机与插入硬件之间的信号交换( 输入输出) 应该方便，操作者能方便地 修改控制参数；软件，包括数据采集、数据处理软件，实时图像处理与实时图像显示软 件等。 9 第二章汽车动力学数学模型的建立 第二章汽车动力学数学模型的建立 2 1 车辆动力学的模拟方法简介 在现有的各种车辆动力学的仿真研究中，一般主要包含两个方面的内容：建模和计 算。建模就是建立描述车辆动力学性能的微分方程组，而计算就是采用数值方法解所建 立的微分方程组。 过去，人们通常使用人工建模的方法，也就说建模和计算都有人来完成。人们通过 对汽车的力学分析建立汽车运动的微分方程组，采用差分的方法和相应的数值积分方法 将连续方程变为时间离散的差分方程，并通过计算机语言( 主要有f o r t r a n 、v b 、 q b a s i c 、c 等) 变为相应的程序，得出微分方程的解。这种方法的工作量大，效率较 低，程序的编制、调试，占去了大量的研究时间。随着计算机技术的发展，各种仿真专 用软件不断涌现，目前车辆动力学模拟的方法主要有计算机自动建模和图形建模两种方 法。 计算机自动建模方法是一种比较先进的建模方法，建模和计算完全由计算机来完 成。如著名的a d a m s 软件近年来被证明是一种十分适用于汽车动力学模拟的工具。它 采用多刚体力学的方法，将系统分成多个刚体，对刚体的质量和各个方向的转动惯量及 连接方式进行定义和赋值。它从物理系统的刚体结构出发，定义每一个构件的形状、质 量、受力、约束和连接情况，可以在三维状态下建立模型，能比较真实的反映汽车动力 学特性。所以软件己经成为许多汽车公司的主要分析软件。但是a d a m s 控制系统工具 箱不够丰富，很多控制系统不容易在上面实施。 图形建模混合方法，其建模由人力来完成而计算采用专用的软件包，如：a c s l 模 拟语言、m a t l a b 及m a t r i x 仿真语言。m a t l a b 语言是由美国m a t h w o r k 公司 于1 9 6 7 年推出的，全称是m a t r i xl a b o r a t o r y ，并不断地进行扩充和更新。它带有十几个 工具箱，可以用于不同的专业领域，其中s i m u l i n k 工具箱可完成系统图形建模。该 方法将各种功能模块化，可以直接用鼠标拖放模块，建立信号连结，进行建模。它是一 个开放的系统，各种成熟的工具箱能够不断扩充加入到系统中去，每一个子模块的参数 可以自由的修改，不影响别的模块运行，给系统扩展带来方便，并且控制系统与汽车动 力学系统可融化为一体，还可以自己编写s 函数制成可执行文件加入到模型中，封装起 来，计算方法可以任意选择，计算很方便 综上所述，三种建模方法都有自己的优缺点，由于汽车动力学模型的应用领域不同， 1 0 长安大学硕士学位论文 对模型的精度要求也不一样，在汽车动力学稳定性控制系统的研究中，一方面要求对汽 车的动力学性能进行模拟，另一方面要求有控制系统。这时人工建模的方法比较复杂， a d a m s 软件虽然附加了一个线性系统软件包，用于控制，但功能较少与主系统的交互 工作不灵活。而m a t l a b s i m u l i n k 中各种线性和非线性模块既可用于动力学系统， 又可用于控制系统，其中还有控制软件包，较适合于汽车动力学稳定性控制系统的研究。 因此本文采用m a t l a b s i m u l i n k 软件进行模拟。 2 2 数学模型的建立 2 2 1 整车动力学模型的建立 本文采用的模型为四轮车辆模型，它包括了车辆的纵向运动、横向运动、横摆运动、 车轮的转角以及四个车轮的转动共8 个自由度。这一模型不考虑悬架的垂直运动，可以 有效地模拟车辆的制动、操纵等动力学特性，同时进行车辆驱动系统( 包括发动机、变 速器) 的建模，可以有效地模拟车辆的驱动特性。在模型中忽略车辆侧倾的影响，将簧 上质量和簧下质量合为车辆整车质量，忽略轮胎的滚动阻力、车辆风阻。考虑纵向、横 向和绕车辆惯性轴的转动，由此建立起来的整车车辆模型如图2 1 。 f y 3 。 一 b 一一 a 一 耐 愈人 f k 3 、 啕， v j y 。 f x l ，一 久 钆 f y 4 吖 j u f y 2 一 刁 、 么 f k 4愈 ：j - f k 2 纵向自由度动力学方程 图2 1 车辆动力学模型 第二章汽车动力学数学模型的建立 一一 肌( 矗一1 ，m r ) = ( l + f x 2 ) c o s 8 + 3 + 巴4 一( l + 2 ) 咖6 ( 2 1 ) 横向动力字方程 m ( c p + u c o r ) = ( f x l + f x 2 ) s i n s + ( f y l + f y 2 ) c o s s + f y s + f y 4 横摆动力学方程 乞西r = - 譬- ( f x 2 - 1 ) c o s 6 + ( l 一2 ) s i n 6 】 + 口【( 0 l + 0 2 ) c o s 6 + ( 名l + 囊2 ) s i n 6 】+ 等( 4 0 3 ) 一6 ( 3 + 4 ) 车轮转动动力学方程 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 左前轮：q = m d l - f l r 一吩l 一l ( 2 4 右前轮：以也= m a ：一只：r 一吩z 一心z 左后轮：以也= 一e 3 r m 3 一m b 3 石庙托：j 4 蛾2 - r x 4 x m y 4 一m b 4 车轮垂直载荷 左前轮：耻埘睦删差一谚差) 右前轮峨= 脚睦州轰+ 专差)厶bl u uf - 左后轮：耻聊嗑a 刚笠2 l 一1 ，筹1 , 4 ) z l 一 右后轮心= m 嗑a 刚差i - + 帚篆)二l - ，o 车轮侧偏角 左前轮：a = 6 一i v 乏+ 丽( d r a 甜一口，么 右前轮：口z = 6 一i v 乏+ 丽r a “t w ，- 左后轮口，2 篙箍a “一z 右后轮叩蔫券 “十口，z 1 2 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 长安大学硕士学位论文 车轮速度 左前轮：u = ( u - , a i 2 ) c o s 8 + ( v + a c o , ) s i n 8 右前轮：= ( u + c o r d f 2 ) c o s 8 + ( v + a c o , ) s i n 8 左后轮：= u - o d , d , 1 2 右后轮：u = u + c o , d , 2 式中：朋汽车质量( k g ) ； y 汽车质心速度( r n s ) ； ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) u 各个车轮的速度，即各车轮中心处沿其转动方向的运动速度； 材y 在x 轴上的速度分量( m s ) ； ，y 在y 轴上得速度分量( i 眺) ； ，横摆角速度( m d s ) ； 艿前轮转角； a - 汽车质心至前轴的距离( m ) ； b 汽车质心至后轴的距离( m ) ； 三汽车轴距( m ) ； d ，前轮轮距( m ) ； 4 后轮轮距( m ) ； 吃汽车质心高度( m ) ； r 轮胎滚动半径( m ) ； t 车身绕z 轴的转动惯量( 哆乞：) ； 瓦轮胎纵向力( n ) ； 巴轮胎横向力( n ) ； e - 轮胎垂直载荷( n ) o 以轮胎转动惯量( 哆：) ； 哆轮胎转动角速度( r a d s ) ； 心差速器半轴上的输出扭矩，即驱动力矩( n m ) ； 心，轮胎受到的制动力矩( n m ) ； 第二章汽车动力学数学模型的建立 m 一地面给轮胎的滚动阻力矩( n m ) ，m 疗= 巴f n ，其中f 为轮胎滚动阻力系 数，其计算公式：f = f o ( 1 + x 2 1 9 4 4 0 ) ，一般在良好路面上可取0 0 1 4 ； 车轮侧偏角；( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 。 2 2 2 车辆轮胎模型 汽车运动依赖于轮胎所受的力，例如纵向制动和驱动力、侧偏力和和侧倾力、回正 力矩和翻转力矩等，所有这些都是滑移率、侧偏角、侧倾角、垂直载荷、道路摩擦系数 和汽车运动速度的函数。如何精确而有效地表达这种函数关系，一直是轮胎模型所探讨 的问题。轮胎模型的构造一般分为两种：一种是物理模型( 理论模型) ，即通过轮胎结 构和形变机制的数学描述，建立剪切力和回正力矩与相应参数的函数关系。另外一种是 经验公式或半经验公式，它通过对大量的轮胎力特性的试验数据进行回归分析，将轮胎 力特性通过含有拟合参数的公式有效地表达出来3 5 3 8 1 。 本文采用g i m 理论模型【3 9 1 ，其侧向力和纵向力可直接由滑移率计算得到。这一模 型主要描述单独纵向力、横向力以及它们之间的联合作用力。纵向力和横向力又分为制 动和驱动两种形式，它们的纵向滑移率定义为： ls ，：些 o ，制动情况 “ ( 2 2 0 ) l s 。：竖 0 ，驱动情况 式中：k 啤台胎圆周速度( m s ) ； 材车辆纵向速度( m s ) 。 横向滑移率定义为： & 2 i t a n a 制黧! 况 ( 2 2 1 ) 【= ( 卜i s 。i ) l t a l l a l 驱动情况 式中：口车轮侧偏角，定义口：a r c t a n 0 ) ； “ v 车辆横向速度( m s ) 。 ( 1 ) 车轮纵向力 下面推导纯纵向力的计算，路面轮胎间的摩擦系数可以近似线性地表达为： f 以= o ( 1 - a s , ) 【a = ( 1 一“l l o ) & 1 4 ( 2 2 2 ) 长安大学硕士学位论文 式中：地滑动速度为零时的摩擦系数； a 参数，可由两点的摩擦系数( 0 ，地) 、( 墨，“) 求得。 车轮法向力：e = e 疋 式中：e 轮胎径向刚度( n m ) ； 疋轮胎的径向变形( m ) 。 假定在附着区域纵向应力仅与轮胎的纵向刚度和纵向的弹性变形有关，在滑移区域 纵向应力接触压力和轮胎的摩擦系数( 或称为附着系数) 有关，见图2 2 ，纵向应力可 以表示为： 仃 2 t 考= t s ，考 o考-l(223) p = z x p 乞毒， 式中：仃；轮胎胎面的纵向应力( n ) 。 以轮胎与路面间纵向摩擦系数； 卜一轮胎接触长度( m ) ； p 轮胎与地面间接触压力( p a ) ； 丘轮胎纵向刚度( n m ) ； 墨纵向滑移率的绝对值； 善轮胎的纵向位移变形( m ) ； 乞轮胎附着区域长度( m ) 。 定义无量纲轮胎接触长度： l n = l d ls n = s s is c l n = 1 一s n 对轮胎纵向接触应力沿纵向方向积分： j 乓2 e 乙2 + 以e ( 1 3 l 2 + 2 乙3 ) s s ( 2 2 4 ) 【乓= 以e s 。s 。 式中：足纵向滑移和弹性区域的分界点