汽车防抱死制动系统模糊控制策略研究.pdf

摘要 在目前实际使用的汽车 A B S产品中，绝大多数的 A B S都采用经验 的逻辑门限控制方法，但该方法没有相应的理论作为指导，控制逻辑较 为复杂，参数的选择只能依靠经验和大量的道路试验来选取。这样不仅 耗资巨大，而且延长了产品的开发周期。这种控制方式对于复杂路面的 适应能力和抗干扰性都还存在问题。 本文试图利用一种新的控制方式一模糊控制对汽车 A B S 进行研究。 论文所作的主要工作如下: ( 1)在前人的基础上，深入研究了汽车 A B S控制原理和模糊控制 理论，并建立了单轮车辆动力学模型及模糊控制器模型; ( 2)在单轮车辆动力学模型基础上，采用 MA T L A B / S I MU LIN K工 具箱建立了A B S模糊控制系统 sIMU LIN K模型并进行了仿真 及分析; ( 3 )在原有的模糊控制系统基础上， 加入了路面识别算法并进行仿 真研究; ( 4 ) 进行了基于模糊控制的汽车A B S 控制器软硬件初步开发。 采用模糊控制可以提高汽车 A B S的控制精度和抗千扰性。 通过本文 研究，为模糊控制的汽车 A B S产品化打下了基础，具有一定的理论价值 和科学意义。 关键词:汽车;防抱死制动系统;滑移率;模糊控制;仿真;控制器 ABS TRACT A tP r e s e n ti nr e a l A B SP r o d u c t o fu s e ， mo s tA B Sa d o P t st h el o g i c a l t h r e s h o l dc o n t r o l ， w h i c hh a sn oc o r r e s P o n d i n gt h e o r ya sg u i d a n c e ， w h o s e c o n t r o ll o g i ci sc o m P l e xa n dt h ec h o i c eo fP a r a m e t e rc a no n l yr e l yO n e x P e r i e n c e a n dl o t s o f r o a de x P e r i m e n t s t os e l e c t . S oi t n o t o n l yc o s t s m u c b b u t a l s oP r o l o n g s P r o d u c t e x P I o i t a t i o nP e r i o d . T h i s k i n do f c o n t r o l w a ys t i l l h a s P r o b l e mfor i n t e r fe r e n c e a n d t h e s u i t a b i 1 i t yo f c o m P l e xr o a d. T h i s P a P e r a t t e m P t s t ou s eak i n do f n e wc o n t r o 1 w a y一 fuz z yc o n t r o l t or o s e a r c ho na u t o mo b i l eABS . Th er e s e a r c hi t e msa r ea sfo l l o ws : ( 1 ) I nt h efou n d a t i o no ffor e fat h e r s ，i ts t u d i e sfur t h e ra u t o m o b i l e A B Sc o n t r o l P r i n c i P l ea n dfuz z yc o n t r o l t h e o r y， a n de s t a b l i s h e s v e h i c l ed y n a mi c a lm o d e lo fs i n g l ew h e e la n dfuz z yc o n t r o l l e r mo d e l ; ( 2 ) I nv e h i c l ed y n a mi c a I m o d e l o f s i n g l ew h e e l fou n d a t i o n ， i t e s t a b - l i s h e sA B Sfuz z yc o n t r o l s y s t e m S l MUL I NKm o d e l wi t ht h et o o l c a s eo f MA T L A B / S I MU L I NK ， wh i c hi se m u l a t e da n da n a l y s e d ; ( 3 ) I no r i g i n a l fuz z yc o n t r o l s y s t e mfou n d a t i o n ， i t j o i n s t h e i d e n t i f i c - a t i o na l g o r i t h mo f r o a ds u r fac ea n de m u 1 a t e t os t u d y ; ( 4 ) H a r d wa r e a n ds o ft wa r e o f a u t o mo b i l eA BSc o n t r o 1 l e r o f i s d e v e l o - P e db a s e do nfuz z yc o n t r o l . I t c a ni m P r o v ei n t e r fer e n c er e j e c t i o na n dt h ec o n t r o l P r e c i s i o no f a u t - o m o b i l e A B Sw i t hfuz z yc o n t r o l . I t e s t a b l i s h e s fou n d a t i o n t h r o u g h t h e r e s e - a r c ho f t h i s P a P e r for t h ea u t o mo b i I eA B SP r o d u c t o f fuz z yc o n t r o l a n dh a s c e r t a i nt h e o r e t i c a I v a l u ea n ds c i e n t i ficme a n i n g . K e y w o r d 。 :A u t o m o b i l e ;A n t i l o t kB r a k i n gs y s t e m;S l i pR a t e ;F u z z y Co . t r o l :S i mu l a t i o . ;Co . t r o l l e r I I 长沙理工大学 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 何其他个人或集体己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， 均己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 : 准形 日期:年伞月了 口 日 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。 本人授权长沙理工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 1 、 保密口， 在_年解密后适用本授权书。 2 、不保密叮。 ( 请在以上相应方框内打 “ 矿，) 作 者 签 名 : 魂寸/ 日期: 导师签名 日期: ” 7 年 个 ” 介 日 年 月日 北 澎 第一章绪论 防抱死制动系统( A n t i 一 l o c k B r a k i n gs y s t e m ， 以下简称 A B s ) 是在传统 的制动系统基础上采用电子控制技术，在制动时防止车轮抱死， 以期获得 最有效的制动效率和制动操纵稳定性，从而尽可能地避免交通事故的发 生和减轻交通事故造成的损害的一种机电一体化系统，是现代汽车提高 主动安全性的主要装置川 121 1，1。它是电子控制技术在汽车上最有突出成就 的一项运用，也是汽车安全行驶的一个重要组成部分。 1 . I A B S系统的发展历史与应用 最早的汽车防抱死制动理论是 1 9 2 8年由英国人提出来的， 3 0 年代出 现了最早的机械式制动防抱死系统，并将其安装在飞机上。同年代末， 德国、美国、法国也有人申请了有关防抱死装置的专利。德国 B o s C H公 司在 1 9 3 6年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，在每条制动管路上的电动机就启动来控制阀口的大小，从而调节制 动压力。 B O S C H公司的这一专利被认为是 人 B S系统形成中的一个重要里 程碑，其原理一直沿用至今川。 防抱死制动系统的实际应用被认为始于 1 9 4 3 年，首先用到机车上， 美国的西屋公司开始批量生产用于火车上的防抱制动系统1 ” 。2 。世纪 5 0 年代防抱制动系统开始应用于汽车工业。1 9 5 4年美国的福特汽车公司把 法国航空公司的 A B S装置装在了林肯牌轿车上ll。6 0年代开始机械式防 抱死制动系统在汽车上得到应用，但由于机械式系统相对简单，获取的 轮速信号不够精确，压力调节器的实时性和精确度也不高，因此，不能 有效的缩短制动距离、维持制动时的方向稳定性，而要改善这些性能就 会增加机械系统的复杂性和体积，从经济观点上来说这是不合适的。因 此，此时 A B S的发展处于进退两难的境地。 随着电子技术的发展，电子控制制动防抱死系统的发展成为可能。 到了 7 。 年代初期， 一些电子控制的防抱死制动系统开始进入产品化阶段。 凯尔塞 海伊斯公司在 1 9 6 8 年研制生产了称为“ 5 盯e 一 Track的两轮防抱 制动系统，该系统由电子控制装置根据电磁式转速传感器输入的后轮转 速信号，对制动过程中后轮的运动状态进行判定，通过控制由真空驱动 的制动压力调节装置对后制动轮缸的制动压力进行调节，并在 1 9 6 9 年被 福特公司装备在雷鸟( T b u n d e r b i r d ) 和大陆 . 马克 1 1 1 ( C o n t i o e n t a l m k l l l ) 轿车上。别克( B uic k)公司在 1 9 7 1年研制了由电子控制装置自动中断发 动机某缸点火，以减小发动机输出转矩，防止驱动车轮发生滑转的驱动 防抱系统。 瓦布科( w a b c o)公司与奔驰( B e nz) 公司合作， 在 1 9 7 5 年首次将 防抱制动系统装备在气压制动的载货汽车上171。 由于这一时期的各种 A B S 系统都是采用模拟式电子控制装置，而模拟式电子控制装置存在着反应 速度慢、控制精度低、易受干扰等缺陷，致使各种 A B S系统均未达到预 期的控效果，所以，这些防抱控制系统很快就不再被采用了。 到 了7 0 年代后期，随着数字式电子技术和大规模集成电路迅速发展， 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 引 。1 9 7 8 年德国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1，1。由于 微处理器的引入，使A B S 系统开始具有智能，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 发达国家己超过9 0 % 。在发展过程中，A BS 体积逐步减小，质量逐步减轻， 控制和诊断功能逐步增强，从而使A B S 的应用也越来越广泛。到1 9 9 0 年 全世界A B S 的生产量就己经超过了1 0 0 0 万台。国外防抱死制动系统的控 制技术到 目前 己经相当成熟。 目前 A B S控制器普遍采用 16 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。8 。年代中后期，驱动防滑控制系统( 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， 只增加部分作动系统和相应的软件，就可以实现防滑控制功能，使性能 价格比大大提高川。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1101 ;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川。 1 . 2国内外 A B S 控制技术研究概况 A B S的发展主要是控制技术的发展， 制功能;另一方面是采用更好的控制方法 一方面扩大控制范围， ，提 高控制精度 。 目前 增 加控 实 用 中的 A B S大多采用逻辑门限控制方法。随着车辆动力学、计算机技术、 电子技术和 自动控制理论的发展，国内外很多学者都对不同的控制算法 在防抱制动系统中的应用进行了研究，以寻找更有效的控制策略。现在， 防抱死控制逻辑正向多元化方向发展，如滑模变结构控制.模糊控制， PID控制，最优控制，神经网络控制等，但绝大多数都还处在研究阶段。 1 . 2 . 1逻辑门限控制 此方法预先对若干个控制参数设定一些控制极限门限值，制动时， 根据计算的实时参数值与对应门限值的大小关系，来判定车轮的运动状 态，从而控制调节制动压力，以获取足够大的制动强度和良好的方向稳 定性。常作为 人 B S控制参数的有:车轮滑移率召，车轮转动的角加 ( 减) 速度 口 及其变化率j 等三种描述车轮运动情况或动力学状态的参数。 由于 仅用一个控制参数难于保证 A B S在各种行驶条件下都具有 良好的性能， 因此，目前逻辑门限值控制方法通常将车轮转动的角加 ( 减)速度作为 主要控制参数，而将车轮的滑移率 5 作为辅助控制参数。其中滑移率是从 各轮速信号按一定逻辑确定汽车的参考速度后，计算出的参考滑移率， 与实际滑移率存在着差异。 Yeh E dge C等人研究了基于二阶非线性系统的相平面分析法， 发展了 一种分析防抱制动特性 的共辘边界分析法， 对 Gu ntur 等人提出的几种 A B S准则产生极限环的存在性进行了详尽的分析，根据简化的单轮车辆 模型，给出了一些确定门限值的计算公式，他认为 P Z R 4 边界条件的组合 是最佳的防抱逻辑Ijlj 。程军采用数值计算方法研究表明 P Z R 4 产生的极 限环是十分稳定的，但是边界值和车辆的参数密切相关，而边界值的选 取对极限环的大小和位置有很大的影响，选择不当时，极限环就会稳定 在较小或较大的滑移率处，使得防抱制动效果不理想，由于车辆的时变 性，边界值的选取很困难 21 。文献 1 3以相平面理论和 自行研制的实时 硬件闭环模拟系统为工具 ， ，l ，对实际防抱控制算法进行了相平面分析和 实验验证，提出了以防抱两循环之间车轮速度恢复的最高点，作为车体 减速度计算点的参考滑移率计算方法对于防抱第一个循环设计了压力阶 梯上升策略，在车轮达到较小减速度门限时进行保压，进入第二个减速 度门限，然后继续升压直至达到规定的减速度门限，这样保证第一循环 的轮速波动不至于过大。另外，国内外很多学者还提出了一些新的门限 控制逻辑算法113111，J ，适应不同车辆和条件的需要。 逻辑门限控制方法不涉及具体的数学模型，对于非线性系统是一种 有效的控制方法，实施时不需要测量车速，对系统的硬件要求低 ，成本 低 ，所以获得了广泛的应用。但是系统的控制逻辑比较复杂，调试比较 困难，轮速波动 也比较大。 1 . 2. 2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。它根据采统当时 的状态、偏差及其导数值，在不同的控制区域中采用不同的控制规律， 滑模控制方式则是将控 制切换开关定义在滑模表面上 ，一是状态到达滑 模表面上，状态将保持在它上面:二是滑 向状态的平衡零点，引入开关 函数，滑模在滑模表面上切换，这时与系统的干扰、系统参数不确定性 无关，具有很强的 内在适应性 。 张陵、诸德陪等人对防抱制动滑移率模式进行了理论研究，以实际 滑移率和理想滑移率之差为滑移率切换曲线，以理想开关的方式切换制 动力矩状态 ( 如减压状 态和增压状态 ) ，使 系统在滑移切换曲线很小的领 域 内沿着滑移换 向曲线渭动“ ” 。研究结果表明滑移控制在一定程度上改 善了制动过程中乘客的不舒适感，制动效率较高，但滑移状态轨迹在预 期目标附近有一定的抖动。A ndrew All e y n e将滑模控制应用于制动系统 和悬 架 的联合控 制 ，结果 比仅装备 A B S 获得 了更短 的制动距离 ， . ， 。 A . B . Wi l l ， 5 . H u i 和 SH . Z a k提出T一种 P I D滑模控制器 9 ， 。 他们采用变结 构滑模控制技术设计了实时寻找最佳滑移率的最优方法，以得到最佳滑 移室为目标来实施 PID控布 模拟结果表明，在任何情况下，车轮滑移 率都收敛并保持在最优值附近，并且控制算法能够快速适应路面条件的 变化 ，但是该控制算法要求加装车辆加速度传感器以准确测量车体的速 度，增加了成本与车辆的复杂程度。 1 . 2 . 3 P I o控制 P I D控制有多种形式，诸如 自适应 PID控制，增量式 PID控制，数 字式 PID控制。数字式 PID控制是现代控制领域最为常用的算法。文献 价 0 采用两个增量 PI 控制，构成串级控制系统，内环为压力控制，外环为 滑移率控制，要求内环的控制响应要大大快于外环的响应，才能得到比 较好的控制精度和控制稳定性。在不同的条件下，采用不同的 P l 参数。 模拟结果表明，控制精度较好，但是响应较慢，控制参数需要很多的精 力调试。该控制器在实施时，不仅要测量滑移率，而且为了进行 内环的 压力控制，要求增加测量压力的装置，实施成本较高。文献【 2 1认为简 单的 PID控制不能满足防抱制动控制的要求 。 PID控制适于线性和非线性不严重的系统， 但是控制参数的调节比较 困难 ，所 以难 以实现对制动系统的 良好控制 。 1 . 2 . 4模糊控制 模糊控制是一种新型的智能控制 。它模仿人工控制活动中人脑的模 糊概念和控制策略，运用模糊数学，把人工控制策略用计算机实现。模 糊控制具有以下几个特点: 1) 它不需要知道被控对象的模型。 2) 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。 3) 它对被控对象特性参数变化具有较强的鲁棒性. 4) 它对于被控对象的干扰具有较强的抑制能力。 正是由于模糊控制具有种种优 点，最近几年 ，国外的汽车制造商对 模糊控制在车辆控制方面的应用显示出浓厚的兴趣。日产公司已经为防 抱死制动系统和 自动变速器开发了模糊控制器。菲亚特和三菱公司也开 发了类似的产品。福特公司和本田公司也己经开始了神经网络和模糊技 术在车辆动态特性和自动控制中的应用研究1 脚。 M a r k 制规 则集 。 A keyl 川设计的模糊控制器采用了七个逻辑变量， 设计了三个控 第一个规则集用于根据前一个时刻的电磁阀状态、角加速度 极值、角加速度、车速以及前一时刻的防抱死相位确定当前的防抱相位: 第二个规则集根据当前相位、角加速度和角加速度极值决定电磁阀的状 态，最后一个规则集根据 电磁阀的状态、循环周期和制动压力确定制动 压力的调节量。通过仿.真，结果表明该控制器能够达到缩短制动距离、 提高系统鲁棒性和增强控制系统开发灵活的 目的。但是该控制器需要测 量多个输入变量，而过多的控制变量使得控制器过于复杂，成本较高， 实施时难度比较大。 G eorgE . Mauer ， 2J等设计的A B s模糊控制器， 首先由滑移率预测器根 据最近测得的车轮滑移率和制动力矩的采样值推理出由于系统滞后引起 的预估滑移率，通过实时分析滑移率和制动力矩的关系辨识当前的路面 条件，将路面条件、滑移率、预估滑移 率和制动力矩作为模糊逻辑控制 器的输入，在不同的路面条件卞设计相应的控制规则，按重心法计算出 来的模糊控制器的输出量表示所施加的制动力矩。他们分别采用离散控 制压力执行机构和能够产生连续制动压力变化的执行机构，在具有非线 性弹性悬架的四分之一车辆模型上进行了模拟。通过一系列的模拟表明， 所设计的模糊控制器与 PID控制器相比，能够获得更短的制动距离，且 控制过程更平稳，对 内部噪声信号很不敏感，能快速适应路面的变化， 具有很强的鲁棒性。但是该文中没有阐述滑移率和制动力矩的获得方法。 我国济南捷特汽车电子技术研究所的程军研究员采用基于车轮滑移 率的连续控制系统和基于车轮角加减速度及参考滑移率的非连续控制系 统进行了模拟研究 25。连续控制系统以车轮滑移率及其变化率为控制输 入量， 制动气压为输出量。模拟结果表明 模糊控制比PI D控制具 有更强 的鲁棒性。非连续控制系统以前一刻防抱相位、车松 . 滑移率和减速 声作 为输入量，以防抱相位作为输出量，防抱相位与电 磁阀的控制雄态相对 应不同的路面和制动初速度在模糊化时通过调整量化因子使得可以在不 同的工况下得到合适 的防抱循环。模拟结果表明在高、中、低附着系数 路况下的防抱循环特征基本相同。但是，该文并没有指出路面状况的识 辨方法和量化因子的调整规律，只是提出了一个初步的模型。另外，胡 国亮以滑移率偏差及其变化率作为模糊控制器的输入，以制动力矩作为 控制输出设计可防抱系统模糊控制器，并用多普勒雷达测速仪侧量车体 速度来计算滑移率，实际结果表明模糊控制器具有很好的性能 261 。 但是， 我们可以看到该方法实施， 成本较高，缺乏实用性。 浙江大学吕红兵采用基于参考模型的神经网络控制方法设计了 A B S 控制器，神经网络控制器的输入量是滑移率、参考滑移率、车轮速度和 车辆速度，输 出量有制动力矩 ，控制器的 4个节点输入层和具有 2 0和 25 个节点的隐含层和 1个节点的输出层12， 。模拟结果表明神经网络控制器 可 以获得接近理想的响应轨迹，在路面突变的情况下也能提供满意的滑 移率响应时间。但该文中没有考虑系统的实时性，而且采用的神经网络 规模较 大，很难满足A B s 系统所要求的响应速度。 另外，江苏大学的李林 ，何祈雯，武汉理工大学的鲍祥英，北京科 技大学的晏慰光，沈阳航空工业学院的王文竹，合肥工业大学的孙俊， 辽宁省交通高等专科学院的付凯，西北工业大学的等采用模糊控制方法 对A 百 5 进行了研究，并取得了一定的成果价 5. 川，但是他们仅仅是进行了 理论仿真研究，如何将模糊控制算法应用到实际的 A B S产品中他们都并 未 提 及 。 1 . 25最优控制 最优控制是基于现代空间设计法的现代控制方法。 量 系 统 性 系 统 、定常系统和线性系统，也适用于多变量系统、 它既适用于单变 时变系统和非线 日本田部力等设计了一种基于最优控制的防抱控制系统哪， 。它 根据车辆一 地面系统的模型，以峰值附着系数处的车轮速度作为系统的期 望输出值，以控制系统的能量消耗最小和期望输出与期望输出的误差最 小为 目标函数。模拟结果和试验结果表明， 特性，但是要达到实用化必须解决成本问题 该控制算法具有 良好的控制 。根据滑模变结构适用于非 线性系统控制的特点，文献 ， ” 将最优控制和变结构控制结合起来设计了 最优变结构的防抱控制系统，在校滑移率的范围内采用最优控制。在大 滑移率的范围内切换到变结构控制，以协调控制系统的售棒性和控制精 度 的矛盾。 由于现代控制理论 是一种基于模型的控制理论 ，控制系统的优劣就 大大依赖于模型的精度 。而由于制动系统的非线性与时变性，很难建立 精确的数学模型，放而最优控制的梢度很难保证，况且最优控制需要侧 量车体的速度，大大增加 了成 本 。 ， . 3A B S控制技术的发展趋势 采用逻辑门限值控制算法，可避免一系列繁杂的理论分析和对一些 不确定因素的定量计量。简化了控制器的设计，而且因仅需测定车轮的 角速度，便于实现，所以装车成本低。该算法现已趋近成熟，为当前汽 车 A B S系统所普遍采用，但它并非最佳的控制算法。由于不同路况下各 种门限值及保压时间都是经过反复试验得出的经验数值 ，没有十分 明确 的理论依据，故 AB S开发的周期长，且控制质量难以保证。 基于滑移率的控制算法容易实现连续控制，且有十分明确的理论加 以指导，但 目前制约其发展的瓶颈主要是实现的成本问题，今后 A B S控 制技术的发展方向将在以下几方面: (I)针对当前广泛采用的逻辑门限值控制算法所存在的缺点， 研究能 跟踪路面特性变化， 使 A B S 各项性能指标始终处于最佳状态的控制算法。 其中预测控制技术值得重视。由于在制动过程中，轮胎与路面间的摩擦 特性导致防抱死制动系统 具有非常明显的非线性、时变性和不确定性。 因而难于建立其精确的数学模型.而预测控制具有预测模型、滚动优化 和反馈校正的荃本特性，可根据某一优化指标设计控制系统，确定一个 控制量的时间序列，使未来一段时间内被调量与经过柔化后的期望轨迹 之间的误差为最小。由于该算法采用的是不断在线滚动优化，且在优化 过程中不断通过实测系统输出与预测模型输出的误差来进行反馈校正， 所以能在一定程度上克服由于预 测模型误差和某些不确定性干扰等的影 响，使系统的鲁棒性得到增强I，t la ” 。 (2)随着体积更小，价格更便宜，可靠性更高的车速传感器的出现， A B S系统中增加车速传感器成为可能，确定车轮滑动率将变得准确而快 速。其中非接触式的车速传感器 ( 如光电式、多谱勒仪等)今后最有可 能应用于汽车 A B S系统中。此时基于滑移率的控制算法就可被更加重 视。其中模糊控制与预测控制的结合将以其不依赖对象的数学模型，便 于利用人的经验知识，鲁棒性好，简单实用等特点而会被广泛采用。 1 . 4本文研究的目的和意义 通过前面所述可知，在 目前实际使用的防抱死制动系统中，主要是 采用基 于经 验 的逻辑 门限控制方法 ，即根据车轮角加 、减速度与估算的 车轮滑移率来调节车轮制动力矩，达到防止车轮抱死的 目的。这种逻辑 门限控制虽然 已在车上得到广泛应用。但是，它没有相应的理论作为指 导，控制逻辑较为复杂，参数的选择只能依靠经验和大量的道路试验来 选取.这样不仅耗资巨大，而且延长了产品的开发周期.再者，这种控 制方式对于复杂路面的适应能力和抗干扰性都还存在问题。于是本文尝 试利用新的控制方式对汽车 AB S进行研究。 我们知道 ，汽车制动是一个非常复杂的工况，此时精确的汽车动力 学模型不可能建立起来，也很难用经典控制理论实现 自动控制，因此汽 车制动的优化控制一直是研究人员非常重视的一个问题。作为基于语言 的一种智能控制方法，模糊控制不需要知道被控对象的数学模型，且容 易 实现 对不确 定的对象和具有非线性 的对象进行控制，具有较强 的鲁棒 性和抗千扰能力，因此，本文选择对汽车 A B S系统的模糊控制策略进行 研究具有重要的意义和价值。 1 . 5本文研究的主要内容 本 次设 计 所 采 用 的建模 方式 是采 用 图形 建模方 式 ，主要 是 利用 Ma t h wo r k s 公司的 Ma t l a b 6 . 5中的 S I MUL I NK工具箱。 S I MUL I NK提供T 一种 图形化 的交互环境 ，只需用 鼠标拖动的方法便能迅速的建立起系统 框图模型，甚至不需要编写一行代码。它和 Matl ab 的无缝结合使得用户 可以利用 Matl a b丰富的资源，建立仿真模型，监控仿真过程，分析仿真 结 果 。 根据现有条件，本文对汽车 A B S模糊控制方法进行了研究，主要研 究 内容如下: ( 1) 根据 A B S特点，建立 A B s系统的车辆动力学模型: A B S系统是 在传统制动系的基础上加入电子器件，通过监测制动过程中车辆运动状 况 ，采用 电子控制技术，采用调节车轮制动力，防止车轮抱死的汽车主 动安全装置。为研究的深入，首先建立 AB S系统模型，并在此基础上， 设计对制动系统的模糊控制策略。A B S系统的数学模型包含以下部分: 单轮车辆动 力学模型、轮胎模型、制动系统模型等。 (2)深入研究模糊控制理论，为模糊控制器设计打下基础. (3)建立 A B s模糊控制器仿真模型:设计模糊化、反模糊化、利用 MA T L A B工具箱，设计 A B S模糊控制器仿真模型. (4)A B s系统的 sIM u LIN K建模:结合前面所建立的车辆动力学模 型， 将 A B S模糊控制器加入其中， 建立类似如图 1 . 1 所示的模糊控制 A B S 系统模型，并对该系统进行仿真分析。 图 1 . 1 汽车 A B S模糊控制系统模型 (5)为了使防抱死制动系统能适应不同的路面， 在原来模糊控制的基 础上加入路面识别算法，并对 A B S进行重新仿真研究。 ( 6 )进行了基于模糊控制的 A B S控制器的软硬件设计。 第二章汽车 A B S的工作原理和系统建模 2 . 1汽车制动过程中的 A B S控制原理 2 . 1 . 1汽车制动过程的描述 在驾驶员、汽车和路面三者构成的闭环系统中，汽车与路面之间的 最基本联系是轮胎与路面之间的作用力.汽车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。在汽车制动时，纵 向作用 力很大程度上决定了汽车的制动距离，横向作用力决定了汽车的制动稳 定性。因此，对汽车的控制实质上是控制轮胎与路面之rRJ的作用力。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。汽车 的加速和减速运动主要受车轮纵 向附着力的限制，而汽车的转 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。 图 2 . 1为附着系数与滑移率的关系，附着系数可以被视为是车轮滑 移率的函数川 。 矿 件 康 乌 “ 名 贬2 然 饭。 一 40 卜 粉樱利 用 的 滑 移 “ 围 阴之 从 642 000 创叫枷奇但潇 0 合 明e戴喊椒蓑娜 图 2 . 1 2 0闷 06 08 01 D 0 % 滑移率 兄 附着系数与滑移率的关系 我们知道，车轮运动过程始终处于平动或滚动，以及平动与滚动相 结合的状况。 描述该状况的车轮运动参数为滑移率ll! 。 其表达式如式( 2 . 1) 所 示 : 式中:va 一车速， 5 = 生 二 生x l o o % = 兰 二 全 竺 、 1 0 0 0，0 几vu m/ 5 : (2 .1 ) v-一车轮与地面接触点的速度，m / 5 ; r 一车轮滚动半径，m: 口 一车轮角速度，arcls ; 由上式可知，当凡 =、时，5 =0 ，车轮在地面处于纯滚动状况;车 辆制动当达到=0 时，5 =1 O 0 %，车轮抱死，处于纯滑动状况。显见， 5 值的大小确定了车轮运动时滚动成分的比例。 由汽车行驶理论分析:车轮制动时地面制动力、附着力以及附着系数 之 间存在如下关系川， : 凡 凡= 凡 甲( 2 . 2 ) 由式( 2 . 2)可知，为了使制动力达到最大，就必须要使路面附着系数 达到最大值，一般来说，当滑移率在 10%30%之间时，纵向附着系数 为 最 大 。 不同路面滑移率与附着系数之间的关系是不一样的，如图 2 . 2所示。 千沥青路 - 一、 汉 棍 泥 土 路 la叨肠D4 纵向附着系数 、_ 一二 犷 公 地 D知 司印曰1 口 滑移率5 % 图 2 . 2不同路面附着系数与滑移率的关系 汽车制动的目的之一就是达到最短的制动距离，很显然此时就是要 使车辆滑移率维持在峰值附着系数处。同时，由图 2 . 1可知，在峰值附 着系数处的横向力也较大，由图 2 . 2可以看出这种规律对干、湿、雪路 面都成立，对维持车辆的制动稳定性十分有利.同时这一点也是本文研 究基于滑移率的 A B S控制逻辑的理论依据 。 2 . 1 . 2基于滑移率的 A B S控制策略分析 汽车防抱死制动系统 ( A B s)制动的 目的是实时产生最大可能的制动 力矩，同时保持汽车的可操纵性和避免产生过大的车轮滑移。目前成熟 的 A B S系统基本是基于车轮加、减速度门限以及参考滑移率方法，有许 多局限性。结合动力学控制的最佳 A B S系统应该是以车轮滑移率为控制 目标的 A B S系统。以滑移率控制为目标的防抱死制动系统是以连续量控 制方式，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。 从图 2 . 1 可以看出， 基于滑移率的 A B S控制的基本思路是: 在5 = 0 2 0 %区间，汽车处于稳定的制动状态，但是制动效率并不高，并没有充 分利用车轮和地面的附着情况，因此在这个阶段需要继续增大制动力矩， 使车轮的速度更快的减小以增大滑移率， 使之趋向于 2 。 %， 在5 =2 0 % 1 0 0 %区间，汽车处于不稳定的制动状态，说明制动过猛，需要减小制动 力矩，使得轮速得以恢复，将滑移率回调到 2 0 %。这样，不管汽车在什 么行驶条件下，都可以控制车轮的滑移率在峰值状态，能够最有效的利 用地面附着力，获得最大的制动效率，以最短时间或者是最短距离停车， 并且能够更快的适应各种路面状况的变化，同时也保证了所控制的制动 力矩的变化幅度小，有效的防止了制动时由于汽车传动装置产生振动而 影响行驶 的平稳 。 2 . Z ABS工作原理 通 常 电控 单 元 ，A B S 是在普通制动系统的基础上加装车轮速度传感器、A B S 、制动压力调节装置及制动控制电路等组成的，如图 2 . 3所示。 L钧护箱口传级口后轮泣度传感月 氏 . 5 不 筑 的 姻 成( 分 皿 式) 么 侧 助压力 润 节狡 宜 ， . 超沌控 日 元4 . 幼 密 告 灯 ，. 勿 励主赶氏比例 分 倪周 氏 今 助伦 赶 功吕 电地U. 点火开关 图 2 . 3 A B S组成原理图 制动过程中， A B S电控单元 ( E C U ) 3不断地从传感器 1和 5获取车轮 速度信号，并加以处理，分析是否有车轮即将抱死拖滑。 如果没有车轮即将抱死拖滑，制动压力调节装置一 2不参与工作，制 动主缸 7和各制动轮缸 9相通，制动轮缸中的压力继续增大，此即 A B S 制动过程中的增压状态。 如果 电控单元判断出某个车轮 ( 假设为左前轮) 即将抱死拖滑，它即 向制动压力调节装置发出命令，关闭制动主缸与左前制动轮缸的通道， 使左前制动轮缸的压力不再增大，此即 A B S制动过程中的保压状态。 若电控单元判断出左前轮仍趋于抱死拖滑状态，它即向制动压力调 节装置发出命令，打开左前制动轮缸与储液室或储能器( 图中未画出) 的 通道， 使左前制动轮缸中的油压降低， 此即 A B S制动过程中的减压状态。 2 . 3A B S的基本结构与布置形式 2 . 3 . I A B S的基本结构 我们知道 ，世界上有许多种不同的车型， 同样，汽车制动系统根据 车型的不同也有多种形式 ，相应的人B S也可以根据性能、制造成本方面 的差别分为多种形式。图 2 . 4为一种典型的机、电、液一体化的 A B s产 品的系统结构，它是在常规制动系统的基础上附加轮速传感器、电子控 制单元和液压调节器三部分而组成 川。 电子控制器 图 2 . 4 AB S典型系统组成图 1) 车轮轮速传感器 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。目前广泛应用的是磁电式的轮速传 感器。传感器齿圈和电磁感应头之间的相对位置传感器信号和整形信号 的相互关系如图 2 . 5所示 。 尹 度 、 传曰拐位号 盆形信号 图 2 . 5传感器齿圈和电磁感应头之间的相对位置 轮速传感器 由与车轮共 同旋转 的齿圈和 固定的电磁感应式传感器两 部分组成。齿圈是由磁阻较小的铁磁性材料制成，传感器主要由永久磁 性磁芯和感应线圈组成。当齿圈同车轮转动时，齿圈的齿顶与齿隙就交 替地与传感器磁芯端部相对，传感器感应线 圈周围的磁场随之发生强弱 交替的变化，在感应线圈中就会产生类似正弦波的交变 电压，交变电压 的频率与齿 圈的齿数和转速成 正比.这种交 变 电压信 号经整形 电路 的变 换后，可生成 A B S控制器能够处理的标准方波信号。AB S控制器根据方 波信号的每个上升和下降沿的发生时间来计算车轮的回转速度。 2) 电子控制单元 电子控制单元 ( E l e c t r o n i cC o n t r o IU n i t ， 简称 E C U) ，又称控制器， 其主要作用是接收传感器发来的电信号，计算出车轮 的运动状态 ，从而 控制液压调节器发出控制指令，同时它对其它部件还具有监控功能，当 它发生异常情况时，由报警灯或蜂鸣器给驾驶员报警，使整个系统停止 工作，恢复到常规制动方式。目前的 E C U主要由集成， 度、运算精度都很 高的数字电路组成。 3) 液压系统部分 汽车防抱制动系统中的液压系统部分是整个系统的执行部分。它接 收来 自E C U的电压信号，从而驱动电磁阀动作，以实现对轮缸压力的调 节 。 目前防抱制动 系统 中应用较 多的是将 分立结构 的液压控制单元 ( H y d r a u l i cC o n t r o l U n i t ， 简称 H C U )安装于制动主缸和制动轮缸之间， 构成液压系统的控制回路。 液压控制单元是 A B S液压制动系统的核心部件，主要由电磁阀、蓄 能器、回油泵、以及一些辅助液压阀等构成。其中，常开阀与常闭阀两 个二位二通 电磁阀，常开阀连接在从制动主缸到制动轮缸的管中，常闭 润连接在制动轮缸与低压蓄能器之间。图 2 . 6为 人 B S液压系统的典型结 构“ ; ， . 图 2 . 6 A B S液压系统典型结构 在防抱 制动过程中，是通过液压调节器电磁阀的开关动作来进行轮 缸制动压力调节的。当 E C U判断出当前应处于增压状态时，常开电磁阀 与常闭 电磁 阀都处于断电状态，常开阀开放，常闭阀关闭，主缸的高压 制动液经由常开阀进入轮缸而不能进入低压蓄能器;当 E C U判断出当前 应处于减压状态时，常开电磁阀与常闭 电磁阀都处于通电状态，常开阀 关闭，常 闭阀打开，轮缸内的制动液经 由常闭阀进入低压蓄能器 。回油 泵的作用是将低压蓄能器中的制动液泵回主缸。 目前，A B S液压系统采用的高速电磁阀可与脉宽调节 ( P ulse一 Wi dtb Mo d ulati o n ， 简称 P wM)控制技术结合，只要控制脉冲的频率和脉冲的 宽度，就能像液压伺服阀那样对流量进行近似连续的调节。由于开关电 磁阀具有简单、可靠和便于电器控制的优点，因此在 A B S领域中得到广 泛 应 用 。 2 . 3 . Z A B S的布置方式及其对 A B S性能的影响 根据 A B S中控制通道数和传感器数量的不同，A B S可分为如下几种 形式l， l . ( 1) 四传感器四通道式 这种 A B S布置形式四个传感器和四个控制通道，对应于双制动管路 的 H型 ( 前后) 或 X型( 对角) 两种布置形式，四通道 A B S也有两种布置形 式，见下图 2 . 7 ( a ) 、( b ) 。 1) 汽车的质量均匀的分布在每个车轮上; 2) 汽车被认为是在平坦的地面上行驶; 3 )不考虑由于汽车绕直线旋转或者是其他车 轮上不均匀制动而造成的运动问题; 4 )在直线行驶制动时，不存在轮胎的侧向力 问题 : 图2 . 11 单轮车辆模型 5) 被控系统认为是无传输延迟的线性动态系统; 6) 不考虑直线车辆动力学和单轮旋转动力学中的凤阻作用; 7 )省略与支撑有关的全部垂直动力学假设。 基于以上假设，建立的单轮车辆模型如图 2 . 11 所示 2 ， : 车辆运动方程Mv = 一 Fs (2 . 3) 车 轮运 动 方程 车 轮 纵 向摩 擦 力 1 口 = 凡 = 凡R 一 材去 枷 (2 . 4) (2 . 5) 式中: M一车辆质量;v 一车辆速度; Fs一车轮摩擦力:1 一车轮转动惯; R 一车轮滚动半径 ;口一车轮角速度; 产 一车轮与地面间附着系数; N一车轮对地面法向反力。 2 . 4 . 2车轮轮胎模型 汽车运动依赖于轮胎所受的力，由于模型作纵向直线运动，故轮胎 模型主要描述纵向地面制动力。由于图 2 . 1 表示的滑移率一附着系数关 系拟合起来计算量太大，不适合实时控制，为了获得解析解，本文采用 双线性模型来简化轮胎模型，简化的线性滑移率一附着系数特性曲线如 图 2 . 1 2所 示1 2 1 : 图 2 . 1 2轮胎特性曲线 _ 八 。 P =下万0 内 5(5. 害 凡 稳 定区 域 Ph一 八50 ( 2 ， 6) 产= _ 鱼 二 丘5 ! 一 50