（机械电子工程专业论文）汽车电子感应制动控制系统的控制规则研究与仿真.pdf

摘要 摘要 道路交通安全检测部门统计发现，有三分之二的交通意外，事故发生的部分 原因主要归咎于启动主动安全系统一制动系统的响应慢。因此，改进汽车结构中的 不足，提高汽车制动系统的反应速度，将会有助于提高汽车的制动安全性。本文 研究设想是以电子感应式制动踏板代替传统的制动踏板，采用模糊控制方式研究 确定制动系统控制规则，简化控制环节，减少制动滞后时间；控制车轮滑移率， 保证汽车制动时方向稳定、可控，将可大大提高路面交通安全，有很好的经济价 值和社会效益。 2 0 0 2 年，德国博世公司在梅赛德斯一奔驰的新款e 级车上使用了感应制动控 审d ( s b c ) 系统，本文借鉴该系统进行研究。本文通过车辆的动力学研究，利用 s i m u l i n k 软件建立车辆的动力学模型并仿真验证；分析研究滑移率控制器输入输出 变量，并针对各输入变量研究并确定控制规则，采用模糊控制的方法设计滑移率模 糊控制器，并利用m a t l a b 软件予以实现；以电子式制动踏板代替传统制动踏板， 制动踏板加速度传感器反映驾驶员的真实意图，将检测信号作为制动踏板加速度 模糊控制器输入量，研究确定制动踏板加速度模糊控制器的控制规则，并利用 m a t l a b 软件予以实现；研究汽车转弯时，考虑汽车横向力的影响，以转向盘转动 角度为输入量，分析研究设计转向制动模糊控制器，并利用m a t l a b 软件予以实现； 研究汽车在不同车速制动时，对应不同的制动减速度，以制动初始车速为输入量， 分析研究设计车速模糊控制器，并利用m a t l a b 软件予以实现。在车辆的s i m u l i n k 动力学模型和各输入变量的m a f l a b 模糊控制器基础上，建立s b c 的综合s i m u l i n k 模型，针对各输入变量分别仿真分析并最后综合仿真分析。 研究结果表明，由于s b c 减少了制动传动的中间环节，达到缩短制动反应时 间、缩短制动距离，提高制动安全性的目的。 关键词：电子感应汽车制动控制规则 广东t 业大学t 学硕卜学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o s t a t i s t i cd a t as u p p l i e db ys a f e t ym o n i t o r i n gd e p a r t m e n t ，t w o t h i r s t r a f f i ca c c i d e n th a v eo n es e c o n dt i m ef r o md i s c o v e r i n gs u d d e ns i t u a t i o nt oa c t u a l a c c i d e n t i nt h i st i m e ，s a f e t ya i r - p o c k e to p e n e do n l yn e e ds e v e r a lm i l l i s e c o n d s s ow ec a n a s c r i b et h ea c c i d e n tt ol o w - r e s p o n s eo fs a f e t ya n db r a k es y s t e m t h e r e f o r e ，a m e l i o r a t i n g s h o r t a g eo na u t oc o n f i g u r a t i o n ，a d v a n c i n gr e a c t i o ns p e e do fa u t ob r a k es y s t e m ，i tw i l lb e a d v a n c eb r a k i n gs e c u r i t y t h i sp a p e rs t u d yf a n c yi st h a te l e c t r o ni n d u c eb l a k ep e d a l r e p l a c ec o n v e n t i o n a lb r a k ep e d a l ，r e s e a r c ht h eb r a k es y s t e mc o n t r o lr u l eb yf u z z yc o n t r o l t h e o r y , p r e d i g e s t c o n t r o l t a c h e ，r e d u c e b r a k i n gl a gt i m e ；c o n t r o l l i n g w h e e l s l i p p i n g - r o t a t i n gr a t i o ，e n s u r i n gs t e e ra s p e c ts t a b i l i z a t i o na n dc o n t r o l l e dw h e na u t o b r a l d n g , i tw i l lb ei m p r o v et r a f h cs e c u r i t y ，i tw i l lb ep r o d u c eb e t t e re c o n o m yv a l u ea n d s o c i e t yb e n e f i t i n2 0 0 2 ，b o s c hu s e ds b co nt h en e wf a n g l eo fee a rm a n u f a c t u r e db y m e r c e d e s b e n aa gt h i sp a p e rr e s e a r c hu 辩f o rr e f e r e n c es b cs y s t e m i nt h i s p a p e r , t h ed y n a m i c sm o d e lo fv e h i c l ew a se s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e d t h ei n p u t - o u t p u t v a r i a b l eo fs l i pr a t i oc o n t r o l l e rw a sa n a l y s e da n dv a r i o u si n p u tv a r i a b l ew a s i n v e s t i g a t e d s ot h er u l eo f c o n t r o lw a sb u i l t s l i pr a t i of u z z yc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e db y t h em e t h o do ff u z z yc o n t r 0 1 i tw a sr e a l i z e db ym a t l a bs o f t w a r e e l e c t r o n i cb r a k ep e d a l r e p l a c e dt r a d i t i o n a lb r a k ep ea 1 m o n i t o r i n gs i g n a lw a st r a t e da st h ei n p u to fb r a k e p e d a lf u z z yc o n t r o l l e r t h ec o n t r o lr u l eo ff u z z yc o n t r o l l e ro fb r a k ep e d a la c c e l e r a t i o n w a s i n v e s t i g a t e da n db u i l t i tw a ss i m u l a t e db ym a t l a bs o t b v a r e t h ef u z z yc o n t r o l l e ro f t u r n i n gb r a k ew a sd e s i g n e dw i t hs t e e r i n gw h e e la n g u l a rv e l o c i t ya si n p u t i nt h es a m e t i m e , t h ei n f l u e n c eo fc r o s sf o r c ew a sc o n s i d e r e dw h e nc a rt u m e do f f i tw a gs i m u l a t e d b ym a t l a bs o f t w a r e t h ed i f f e r e n tb r a k ed e c e l e r a t i o nw a si n v e s t i g a t e dw h e nt h eb r a k e d e a rw a su n l i k es p e e d t h ec a r - s p e e df u z z yc o n t r o l l e rw a ss t u d i e da n dd e s i g n e d 、i t l l b r a k e di n i t i a lc a r - s p e e da si n p u t i tw a ss i m u l a t e db ym a t l a bs o t h v a r e b a s e do nt h e s i m u l i n kd y n a m i c sm o d e lo fv e h i c l ea n dt h em a t l a b 如z z yc o n t r o l l e ro fv a r i o u si n p u t v a r i a b l e ，t h es i m u l i n km o d e lo fs b cw a se s t a b l i s h e d v a r i o u si n p u tv a r i a b l ew a s a n a l y s e da n dc o m b i n e ds i m u l a t e da n a l y s ew a sc a y y i e do u t i tw a sp r o v e dt h a tb r a k es a f e t yw a si n c r e a s e dd u et od e c r e a s ei n t e r m e d i a t ep r o c e s s a n ds h o r t e nb r a k er e s p o n s et i m ea n db r a k i n gl e n g t h k e y w o r d s ：e l e c t r o n i ci n d u c t i o n , a u t ob r a k e ，c o n t r o lr u l e i i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我 个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了 交中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。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，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得 的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声 明。 指导教师签字 论文作者签字 落喹吩 酋侈忝 卿 年占月弓日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 本文研究的背景和意义 随着公路行驶车辆的增加和车速提高，频繁发生的交通事故已经直接危害到 人身和财产的安全。安全检测部门统计发现”，有三分之二的交通意外，从发现状 况到实际撞击有近一秒的时间，在这个时间间隔内，启动安全气囊等被动安全系 统大约只需要花千分之几秒时间；可见，事故发生的部分原因主要归咎于启动主 动安全系统一制动系统的响应快慢。因此，利用这时间差完全有可能开发全新的防 护概念一电子制动系统来预知危险情况，并触发预防性措施来保护驾驶员及乘客。 现有的车辆制动时间由驾驶员制动反应时间( 0 3 1 o 秒) 、制动器作用时间 ( 0 2 0 9 秒) 、制动持续时间和制动释放时间组成。目前，车辆安装了防抱死制动系 统( a b s ) 后，因充分利用了轮胎与路面之间的最大附着力，使车辆的制动稳定性和 可操纵性显著地得到了提高，制动距离也缩短了，从而有效地避免了车轮抱死而 易出现的交通事故。然而，由于主观和客观原因，驾驶员在实际操作过程中并不 能达到预期的最佳效果。主要表现：( 1 ) 驾驶员制动时有打脚的感觉，干扰了驾驶 员的注意力，错过了驾驶员最佳制动反应时间；( 2 ) f h 于制动系统与制动踏板直接 连接，易产生制动力不足和制动器作用时间过长，造成制动距离增加；( 3 ) 制动系 统中的铰链连接副，要求有一定的自由行程，增加制动时间。 本文针对以上不足，研究一种有所改进的制动系统电子感应汽车制动系 统【1 l 进行解决，本文主要对系统中的控制规则进行研究与仿真。 本文的研究成果可尽量避免汽车结构原因引起的制动不足，提高汽车制动主 动安全性，减少因制动原因引起的交通事故发生，有很好的经济价值和社会效益。 1 2 制动控制系统的历史 最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用 力，这时的车辆质量比较小，速度比较低，机械制动足以满足车辆制动的需要。 l 广东t 业大学t 学硕卜学位论文 随着汽车自重的增加，助力装置对机械制动器来说已显得十分必要。这时，开始 出现真空助力装置。1 9 3 2 年生产的凯迪拉克v 1 6 四轮车重量为2 8 6 0 k g ，采用直径 为4 1 9 1 m m 的鼓式制动器，并有制动踏板控制的真空助力装置。林肯公司也于1 9 3 2 年推出v 1 2 轿车，该车采用通过四根软索控制真空加力器的鼓式制动器。 1 9 8 0 年代后期，随着电子技术的发展，世界汽车技术领域最大最显著的成就 就是防抱制动系统( a n t i l o c kb r a k es y s t e m ，a a s ) 的使用和推广。a b s 集微电子技 术、精密加工技术，液压控制技术为一体，是机电一体化的高技术产品。它的安 装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。防抱装置一般包括三部分：传感器、 控制器( 电子计算0 t ) 与压力调节器。传感器接受运动参数，如车轮角速度、角加速 度、车速等，然后送给控制装置，控制装置进行计算并与规定的数值进行比较后， 给压力调节器发出指令，使制动力矩减小，防止车轮抱死。 1 9 3 6 年，博世( b s o c h 9 公司申请一项电液控制的a b s 装置专利促进防抱制动 系统在汽车上的应用。1 9 6 9 年的福特c o n t i n e n t a l m k u l 车的后轮使用了真空助力 的a b s 制动器；1 9 7 1 年，克来斯勒t m p e m _ l 车采用了四轮电子控制的a b s 装置。 这些早期的a b s 装置性能有限，可靠性不够理想，且成本高。1 9 7 9 年，默- 本茨 推出了一种性能可靠、带有独立液压助力器的全数字电子系统控制的a b s 制动装 置。美国1 9 8 5 年的c o n t i n e n t a l m k v l l 采用带有数字显示微处理器、复合主缸、液 压制动助力器、电磁阀及执行器。一体化”的a b s 防抱装置。随着大规模集成电 路和超大规模集成电路技术的出现，以及电子信息处理技术的高速发展，a b s 已 成为性能可靠、成本日趋下降的具有广泛应用前景的成熟产品。1 9 9 2 年a b s 的世 界年产量已超过1 0 0 0 万辆份，世界汽车a b s 的装用率已超过2 0 。一些国家和 地区( 如欧洲、日本、美国等) 已制定法规，使a b s 成为汽车的标准设备。 1 3 制动控制系统的现状 当考虑基本的制动功能时，液压操纵仍然是最可靠、最经济的方法。即使增 加了防抱制动功能后，传统的“油液制动系统”仍然占有优势地位。但是，就复 杂性和经济性而言，增加的牵引力控制、车辆稳定性控制和一些正在考虑用于“智 能汽车”的新技术使基本的制动器显得微不足道。 传统的制动控制系统只做一样事情，即均匀分配油液压力。当制动踏板踏下 2 第1 章绪论 时，主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路，并通过一个比例阀使前后 平衡。而a b s 或其他一种制动干预系统是按照每个制动器的需要对油液压力进行 调节。 目前，车辆防抱制动控制系统已发展成为成熟的产品，并在各种车辆上得到 了广泛的应用，但是这些产品基本都是基于车轮加、减速门限及参考滑移率方法 设计的。方法虽然简单实用，但是其调试比较困难，不同的车辆需要不同的匹配 技术，需要在许多不同的道路上加以验证；从理论上来说，整个控制过程车轮滑 移率不是保持在最佳滑移率上，并未达到最佳的制动效果。另外，由于传统的逻 辑门限a b s 有许多局限性，所以近年来在a b s 的基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 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，另一个难 点是车辆速度的测量问题，它应是低成本可靠的技术，并最终能发展成为使用的 产品。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，应保持在各种条件下不失控。防抱 系统要求高可靠性，否则会导致人身伤亡及车辆损坏。因此，发展稳定性的a b s 控制系统成为关键。现在，多种稳定控制系统应用到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 制是常用的稳定控制系统，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，具有很好的稳定性和控制 规则的灵活性，但调试整定控制参数比较困难，无理论可言，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，控制规律有一定的规律，可以总结 为一种公式： u = 口x e + n - c o x e c ( 1 1 ) 式中，u 为控制变量的语言值；口为加权系数；e 、e c 为误差及误差变化率 的语言变量值， 2 0 0 2 年，德国博世公司在梅赛德斯一奔驰的新款e 级车上使用感应制动控制 ( s e n s o 仃o n i cb r a k ec o n t r o l ，s b c ) 系统。s b c 就是使用电子脉冲，将驾驶员的 厂东t 业大学t 学硕卜学位论文 制动命令传递到一个微处理器中，由它同步处理各种不同传感器信号，并根据特 定行驶状态计算每一个车轮的最优制动力。这样，当在拐弯或者湿滑路面上制动 时，s b c 能提供比传统制动系统更好的主动安全性。s b c 系统的高压储能及电控 阀装置能保证最大制动压力更快产生作用【”。 l - 4 本文研究的主要内容 1 、通过车辆的动力学研究，建立单轮车辆动力学模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立单轮车辆的动力学仿真模型，并仿真验证。 2 、借鉴s b c 的组成、工作原理及优点，分析研究滑移率模糊控制器输入输出 变量，针对各输入变量利用m a t l a b f u z z y 软件模块研究确定控制规则，设计滑移 率模糊控制器。 3 、以电子式制动踏板代替传统制动踏板，制动踏板加速度传感器反映驾驶员 的真实意图，将检测信号作为制动踏板加速度模糊控制器输入量，利用 m a t l a b f u z z y 软件模块研究确定制动踏板加速度模糊控制器的控制规则，设计制动 踏板加速度模糊控制器。 4 、汽车转弯时，考虑汽车横向力的影响，以转向盘转动角速度为输入量，利 用m a t l a b f u z z y 软件模块研究转向制动模糊控制器控制规则，设计转向车轮模糊 控制器。 5 、汽车在不同车速制动时，对应不同的制动减速度。以制动初始车速为输入 量，分析研究制动车速模糊控制规则，设计制动车速模糊控制器，利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件进行仿真。 6 、在单轮车辆的动力学仿真模型和各输入变量对应的各种模糊控制器基础 上，分别设计基于( 电子式制动踏板) 制动踏板加速度模糊控制的s b c 的基础模 型、基于汽车转弯制动模糊控制器的s b c 仿真模型、基于不同制动初始速度模糊 控制的s b c 仿真模型以及基于以上各种控制规则的s b c 综合系统仿真模型，利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件，针对各输入变量分别进行仿真分析。 4 第2 章车辆防抱死制动理论 第2 章车辆防抱死制动理论 2 1 车辆制动过程分析 车辆制动过程是车轮制动力矩和地面制动力相互作用的过程，在此过程中， 车轮不仅受到制动器施加的制动力矩的作用，还受到地面纵向制动力和横向摩擦 力的影响i ”。 制动过程中车轮所受与地面垂直的平面内的力如图2 1 所示。忽略车轮滚动阻 力和风阻。 n 所车身质量；1 ，车速；m b 制动力矩；d 车轮角速度； 以_ 地面制动力；n 地面垂直反力；r 车轮滚动半径 图2 - 1 车轮受力分析 f i g 2 1w h e e lf o r c e da n a l y s i s 制动时，车轮受车身载荷1 4 m g 、制动力矩m 。、地面纵向制动力只和地面垂 直反力作用。与此同时，车辆上还产生与四轮制动力合力相等、方向相反的馒 性力。 在均匀路面上直线制动时，制动力左右对称，车辆沿前进方向制动；制动时 广东t 业大学下学硕十学位论文 转向，路面与车轮之| 日j 会产生横向摩擦力。可以把后轮上的横向摩擦力叫做侧向 力，前轮上的横向力叫做侧抗力。侧向力与轮胎方向成直角，保证行驶方向，侧 向力大，车辆方向稳定性就高；侧抗力与轮胎前进方向成直角，保证转向能力， 侧抗力大，车辆操纵性就好。侧向力和侧抗力实际上都是横向摩擦力或横向附着 力。 制动过程中，左右车轮地面纵向制动力只对称时，车轮受力如图2 2 所示。 一左前轮所受地面纵向制动力；一右前轮所受地面纵向制动力： 一左后轮所受地面纵向制动力；i 一右后轮所受地面纵向制动力；以一惯性力 图2 - 2 左右车轮e 对称时的受力情况 f i g 2 - 2l a n dr i g h tw h e e lf o r c e di ff xs y m m e t r y 制动过程中转向，车轮受力情况如图2 - 3 所示。 易一离心力；一左前轮侧抗力；一右前轮侧抗力； 一左后轮侧向力；”一右后轮侧向力。 图2 _ 3 制动时车轮所受地面横向摩擦力 f i g 2 3w h e e lf o r c e dw i t hr o a dw h e nb r a k i n g 2 2 地面附着力与附着系数的关系 和分别是纵向和横向地面车轮附着力，它们与载荷和路面附着系数的 函数关系1 3 1 ，表述如下： 6 第2 章车辆防抱死制动理论 l = ( 2 i ) = 以 ( 2 2 ) 式中，路面纵向附着系数，肌一路面横向附着系数。 2 3 车轮滑移率定义 汽车正常( 定速) 行驶时，车速v ( 即车轮中心的纵向速度) 与车轮速度( 即车轮 圆周速度) 相同，可以认为车轮在路面上作滚动运动。当踏下制动踏板时，由于地 面制动力的作用，使车轮速度减小，车轮处在既滚动又滑动的状态，实际车速与 车轮速度不再相等，其差异称为滑移。随着制动压力的增加，车轮滚动成分越 来越小，滑移成分越来越大。当车轮制动器抱死时。车轮已不转动，车轮在地面 上作完全滑动【4 l 。 车轮滑移率 s ：! 兰：1 丛 ( 2 3 ) vv 式中：s 为滑移率；国为车轮角速度；置为车轮滚动半径；v 为车身速度；咏车轮 速度。 p 凇 s ( l o o ) 围2 - 4 滑移率一附着系数益线“ f i g 2 - 4s l i p p i n g - r o t a t i n gr a t i o - a d h e s i o nc o e f f i c i e n tc u r v e 嘲 7 2 4 车轮滑移率对附着系数的影响 路面附着系数、。并非一成不变，它随滑移率j 的改变而变化【3 l ，两者关 系如图2 4 所示，图中，s ，为峰值地面纵向附着系数对应的滑移率。 车轮滑移率的大小对车轮与地面间附着系数有很大影响。制动初始阶段，制 动踏板力较小，车轮滚动，地面制动力只等于制动器制动力f 。，且与踏板力瓦的 增长成正比，而横向摩擦力随踏板力的增加往往有所降低；当踏板力达到某一值， e 达到地面最大附着力，滑移率s 达到s ，路面纵向附着系数达到达声。，车轮 开始出现抱死拖滑现象；若踏板力再增加，越过s ，只不再增加，反而有所减小， ，则迅速减小。s 越大，则车轮抱死程度越大，c ，就越小，车辆操纵稳定性和 方向稳定性越差。只与制动踏板力的关系见图2 5 所示。 又因为均匀路面上对全部车轮均施加制动时，车辆减速度为： 1 ，= 声留 ( 2 4 ) 由上式及图2 - 4 、图2 5 可知，如果地面制动力f r 等于地面最大附着力，此时 轮胎与地面之间的附着系数达到声一，车辆的制动减速度也就达到最大，制动距 离自然最短；同时，车轮不会抱死，地面可以提供充分的横向摩擦力，保证了车 辆的操纵稳定性和方向稳定性。 f r 督 幕 陶 留 f x j i 一 制动踏板力f p 图2 - 5 地面制动力与制动踏板力关系“ f i g 2 5r o a db r a k ef o r c ea n db r a k ep e d a lf o r c er e l a t i o nc u r v d 3 1 2 5 防抱死制动系统( a b s ) 2 5 1h b s 的组成 a b s 一般由三部分组成：车轮速度传感器、电子控制装置和压力调节装置。 车轮速度传感器在车轮旋转时，通过齿圈测出与车轮转速成比例的交流频率信号。 8 第2 章车辆防抱死制动理论 传感器由传感头和齿圈组成。齿圈由磁阻较小的铁磁性材料制成，安装在随车轮 一起转动的部件上，如半轴或轮毅，齿数介于4 0 1 0 0 之间；传感头由永磁性磁 芯和感应线圈组成，安装在车轮附近不随车轮转动的部件上，如半轴套管或制动 底板上。两者之间间隙很小，一般为o 5 1 0 r a m 。齿圈旋转时，磁通量发生变化， 并切割感应线圈的磁场，使线圈产生周期性交变电压。有的a b s 上，为了获得汽 车的纵向或横向加速度，还装有车身加速度传感器，利用藕合变压原理获得加速 度信号，其中的加速度感受元件产生的惯性力与车身加速度成正比，加速度不同， 惯性力就不同，其在线圈中的位置也就不同，输出的电压信号就不同，车身加速 度传感器还可以用来进行路面识别。 电子控制装置( e c t 0 接收车轮速度传感器传来的信号，进行分析放大、计算比 较和判别处理，并通过计算得到滑移率、车轮加减速度，然后按程序产生控制命 令并送至压力调节器。电子控制装置c u ) 还对系统进行检测。e c u 的基本电路有： 输入信号放大电路( 低通滤波器十输入放大器) 、运算电路、电磁阀控制电路、稳压 电源电路、电源监视电路、油系电路和继电器及灯系电路。 压力调节装置的主要元件有电磁阀、电动泵、蓄能器等。它接收e c u 送来的 指令，驱动电磁阀和油泵马达，调节制动压力。 压力调节装鼍的调压方式有两种：循环式和可变容积式。两者的相同之处在 于：a b s 不起作用时，制动主缸和分缸直接相通，由主缸自由增减制动压力。两 者的不f 司之处在于；a b s 减压时，循环式的制动分缸油液回流油箱，可变容积式 油液回流助力活塞室；a b s 增压时，上述油液流向相反。 a b s 三个组成部分之间的关系如图2 - 6 所示。 2 5 2a b s 工作过程 a b s 工作时，压力调节装置在三种状态下工作： 1 、增压制动过程 此时电磁阀断电，制动主缸和轮缸直接相通，高压制动液直接进入轮缸，增 加制动压力。 2 、保压制动过程 此时电磁阀通电，制动主缸和轮缸之问的所有通路都被截断，制动液无法流 动，压力保持不变。 3 、减压制动过程 9 广东t 业大学t 学硕十学位论文 此时电磁阀通电，制动轮缸的制动液回流油箱或储液器，压力降低。 图2 6a b s 组成示意图 f i g 2 - 6a b sc o m p o s ed i a g r a m 2 5 3 佃s 工作目的 a b st 作的目的是把车轮与地面之间的附着系数保持在一附近，并使其变 化尽可能的小。这样，理想的制动过程可以表述为，在开始制动时，制动压力剧 增，滑移率s 达到品，此时，若s 越过品，应该立即减小车轮制动力矩m 。，让s 减小并接近品；若s 小于品，则应增加m 。，使s 增加并接5 s ，。这样，使s 保 持在s ，附近。值得注意的是，路面不同，其纵向附着系数和横向附着系数是不一 样的【“。表2 - 1 给出几种典型路面的最大纵向附着系数及对应的滑移率。 表2 1 几种典型路面的最大纵向附着系数 t a b l e2 1af e wt y p er o a dm a xl i n ea d h e s i o nc o e f f i c i e n t s 干沥青路面湿沥青路面 最大纵向附着系数 0 8 o 90 5 o 7 滑移率 o 1 5 o 2 5 2 6 本章小结 本章详细分析了车辆制动过程的受力情况，阐述了地面附着力、车轮滑移率 定义，分析了车轮滑移率对附着系数的影响。介绍了防抱死制动系统的组成、工 作过程、a b s 工作目的。 i o 第3 章感应制动控制( s b c ) 系统 第3 章感应制动控制( s b c ) 系统 3 1 痞应制动控制系统的组成 s b c 组成主要包括制动踏板加速度传感器、车轮转速传感器、制动管道压力 传感器、微处理器( 控制器) ，高压储能器及电控阀装置等m ，如图3 1 至图3 3 所示。 l 一执行单元， a l e l 7 - - a b s 故障指示灯，a i c 4 1 - - e s p 告警灯，a l p l 3 一多功能显示器， a 7 3 n l - - s b c 控制模块，b 2 4 1 5 - - 偏移率和侧向加速度传感器，b 3 7 1 一踏板传感器， l 6 i 一左前轮速度传感器，l 6 ，2 一右前轮速度传感器，“以一左后轮速度传感器， u | 4 一右后轮速度传感器，n 4 7 5 - - e s p 控制模块。 n 4 9 一转向角度传感器， n 7 2 i s i - - e s p 中断开关。$ 9 1 一刹车灯开关，s 1 2 一停车制动开关，x 1 1 ，4 一数据连接器 图3 - ls b 0 的组成示意图 f i g 3 1s b cc o m p o s ed i a g r a m 广东t 业大学t 学硕十学位论文 勰话 1 一执行单元，2 一踏板仿真器，3 - - 压力阀，7 ，8 一中介离合器，a 7 ，3 一液压电路单元。 a 7 3 b l e a 预压传感器，a 7 3 b 2 - - 压力阀传感器，a 7 3 b 3 - - 左前轮压力传感器。 a 7 3 b 4 - - 右前轮压力传感器， a 7 ，3 b 5 一左后轮压力传感器，a 7 3 6 6 - - 右后轮压力传感器， b 3 7 1 - - s b c 踏板传感器，h z i 一电路，h z 2 一动态电路，m l 一引擎泵，r - - 返回路线。 s 一吸入路线，s 9 l 一刹车灯开关， a 7 3 y l 一左前轮分离阀， a 7 e i y 2 一右前轮分离阀， a 7 3 y 3 - - f a 平衡阀， a 7 3 y 4 一r a 平衡阀。 a 7 3 y 6 一左前轮进油控制阀， a 7 ，3 y 7 一左前轮出油控制阀，a 7 3 i y s 一右前轮进油控制阀，a t 3 y 9 一右前轮出油控制阀， a 7 3 y 1 0 - - 左后轮进油控制阀，a 7 3 y l l 一左后轮出油控制阀，a 7 ，3 y 1 2 一右后轮进油控制阀， a 7 3 y 1 3 - - 右后轮出油控制阀 圈3 - 2s 的液压电路单元示意图 f i g 3 - 2s b ch y d r a u l i cp r e s s u r e c i r c u i tu n i td i a g r a m b 3 7 1 一踏板传感器、l b 一泵 图3 3 执行单元示意图 f i g 3 - 3s b ci m p l e m e n tu n i td i a g r a m 1 2 第3 章感应制动控制( s b c ) 系统 3 2 感应制动控制系统的工作原理 当驾驶员踏下制动踏板时，制动踏板通过传感器来测量制动主缸内的压力以 及制动踏板运动的加速度，并将这些数据用电子脉冲的形式传送到s b c 的处理器 中。此外，s b c 处理器还接收a b s 提供的轮速、滑移率等信息，e p s 提供的转向 角度、回转率、横向加速度等信息。传动系控制装置最后使用数据信道与当前驾 驶状态进行通信。这种高度复杂的计算结果将产生快速制动指令，从而四个轮压 调节器响应微处理器的约束指令，使得每个车轮都能分别平稳减速以达到最好的 行驶稳定性和最优的减速度【1 1 。 3 3 感应制动控制系统的优点 1 、制动踏板：电子式代替真空式 在未来测控一体化的电控制动系统中，电子组件将替代当前制动系统中大量 使用的机械组件，调压器也不再需要，取而代之的是用传感器来测量制动主缸内 的压力以及制动踏板运动的速度，并将这些数据用电子脉冲的形式传送到s b c 的 处理器中。 2 、控制装置：每个车轮的压力调节器 中心控制装置是电子式液力制动器的中心部分。这是机械学与电子学相互作 用并发挥其最大优势的地方一微处理器、软件、传感器、阀门和电动泵联合在一 起，以实现高效的动态制动管理。 3 、紧急制动：制动距离可以减少3 【1 1 s b c 可以通过加速器识别驾驶员施加在制动踏板上的动作，以此作为紧急制 动的线索，并迅速作出响应：在高压储能器的协助下，s b c 系统提高制动线路中 的压力，并迅速将制动钳压向制动盘，让它们快速抓住驾驶员踩下制动踏板的瞬 间。其结果就是：装备s b c 的运动型车在1 2 0 k m h 的速度下制动，其制动距离比 装备传统制动系统的车型减少了大约3 。 4 、行驶稳定性：精确制动脉冲保证e p s 优良性能 5 、弯道制动：可变制动力分配更为安全 传统制动系统通常给内、外侧车轮以相同的制动压力，而s b c 提供了根据情 况合适分配制动力的可能性。因此，系统会自动增加外侧车轮的制动压力。因为 广东t 业大学t 学硕十学位论文 外侧车轮承受较高的垂直载荷允许传递更大的制动力。同时，内侧车轮的制动力 会减少，以产生弯道时所需的较高回转力。其结果是产生更稳定的制动行为及最 优的减速值。 6 、舒适性：s b c 踏板在制动系统中的分离式设计和采用机电一体化的均衡压 力控制均提高了制动的舒适性，特别是在急剧减速或a b s 系统运作的时候。a b s 运作中常有的制动踏板振动将不再发生。通过在驾驶模拟器的研究表明，几乎2 3 的驾驶员在a b s 运动时开始感到震惊：不敢再增加制动力，甚至把脚从制动踏板 上挪开一会，这样将使他们的汽车的制动距离加长。驾驶模拟器中的实验表明， 在冰雪覆盖的路面上，车辆在6 0 k m h 的速度制动时，a b s 将使制动距离平均加长 2 1 0 m 。 3 4 本章小结 本章介绍了国外汽车上应用的感应制动系统( s b c ) 的组成、工作原理及优点。 1 4 第4 章摹干模糊控制的s b o 拧制规则设计 第4 章基于模糊控制的s b c 控制规则设计 4 1 模糊控制概述 4 1 1 模糊控制的基本思想 在自动控制技术产生之前，人们在生产过程中只能采用手动控制方式。手动 控制方式的基本思想是通过观测被控对象的输出，根据观测结果作出决策，然后 手动调整输入，实现对生产过程的手动控制。经典控制理论诞生后，人们利用各 种测量装置、控制器和执行机构，取代了人眼和人脑的工作，有效地解决了线性 定常系统的控制闯题。继而发展起来的现代控制理论，基于状态变量对系统进行 描述，可以很好地解决线性或非线性、定常或时变的多输入多输出系统问题。但 是，无论是经典控制理论还是现代控制理论，都需要事先知道被控对象精确的数 学模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律，进行控 制系统的设计。然而，很多时候被控对象精确的数学模型很难建立，也就难于用 自动控制技术进行满意的控制，这时，如果用手动控制方式来操作，反而能取得 满意的效果。总结人的控制行为，正是遵循反馈与反馈控制的思想，由于人的经 验一般是用自然语言来描述的，因此基于经验的规则也只能是语言化的、模糊的。 然而运用模糊理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理知识，可以把这些模糊的语言 规则上升为数值运算，从而能够利用计算机来完成对这些规则的具体实现，达到 以机器代替人对某些对象进行控制的目的，这也正是模糊控制的基本思想。 4 1 2 模糊控制的优点和基本功能 模糊控制理论是在美国加州大学l a z a d e h 博士于1 9 6 5 年创立的模糊集合理 论的数学基础上发展起来的。经过几十年的发展，模糊控制理论己在大量的工程 系统中得到了应用，例如蒸汽机、锅炉、家用电器等等。模糊控制发展得如此迅 速，基于如下的事实和优点川唧： l 、模糊逻辑基于自然语言的描述，易于理解和掌握； 2 、模糊逻辑容许使用不精确的数据： 3 、模糊逻辑可以建立在专家经验的基础上，无需知道被控对象精确的数学模 型； 4 、算法易于构造和实现； 广东t 业大学t 学硕七学位论文 5 、模糊控制的鲁棒性好。 模糊控制器的功能是根据观测过程中的状态变量去计算控制变量的值，状态 变量和控制变量的值可以看作是一组逻辑法则，当该组逻辑法则采用模糊逻辑法 则时，此模糊逻辑法则即为语言控制规则。模糊控制器实质上是反映了输入语言 变量与输出语言变量及语言控制规则的模糊定量关系及其算法结构。其功能的实 现是要先把观测到的精确量转化为模糊输入信息，按照总结人的控制模糊集，再 经模糊判断得出输出控制的精确量，作用于被控对象，即可在复杂的被控过程中 取得良好的控制效果。因此模糊控制器结构通常是由它的输入和输出变量、模糊 化、模糊推理和决策算法，模糊判断等部分组成。由于在生产过程中一般操作人 员只能观察到被控对象的输出变量和输出变量的变化率，因此在常规模糊控制器 中总是选择被控对象的误差值以及误差变化率作为它的输入变量，而把被控量 定义为模糊控制器的输出变量。 4 2 模糊控制的数学基础 4 2 1 模糊集合与经典集合的区别 对于经典集合，任何一个元素要么属于这个集合，要么不属于这个集合，具 有明确的边界；而对于模糊集合，一个元素可以既是属于该集合，又不属于该集 合，边晃不分明。 建立在经典集合基础上的布尔逻辑只有两种取值：逻辑真( 1 ) 和逻辑假( o ) ； 建立在模糊集合基础上的模糊逻辑则可以取。到1 之间的任意值。 4 2 2 模糊集合的表示一隶属度函数 隶属度函数是对模糊集合的定量描述，即某元素属于某模糊集合的程度。隶 属度函数的确定本质上是客观的，因为它反映的是客观事物的性质。然而它又是 主观的，依据人的经验和对事物的认识程度而有所不同。 虽然有各种不同的确定隶属度函数的方法，但是最常用的隶属度函数有 1 9 1 ： 1 、三角形分布 1 6 。，：f r ? 二j 二二二二 。4 。， ：卜 2 ， 3 、钟型分布 ( 4 3 ) 4 、正态分布 ，p 口、。 厂) = e 、，b 0 ( 4 4 ) 以上各式中，a 、b 、c 、d 为常数，为自变量。 4 2 3 模糊关系 模糊关系是普通关系的推广，在模糊理论中占有重要地位。普通关系描述元 素之间是否有关联，而模糊关系描述元素之间关联程度的多少。 1 7 广东t 业大学t 学硕十学位论文 设x 。y 是两个非空的集合，则直积 x x y = ( x ，y ) i x x ，y n( 4 5 ) 中的一个模糊子集量反称为从j 到y 的一个模糊关系。 模糊子集豆可以用它的隶属度函数来表示： 倦：x x y 一 o ，l 】 ( 4 6 ) 模糊关系合成运算也是普通关系合成运算的推广。 设豆u v ，亘v x w ，则爱对豆的合成爱。亘是u 到w 的模糊关系，它具 有隶属度函数： 鳓硒( ，叻= v i ( “，v ) 蟛( v ，w ) ) ( 4 7 ) 惺r 式中， 、v 为z a d e h 算子，分别表示取小和取大运算。 4 2 4 模糊矩阵 如果对任意的f 刀及j m ，都有【o ，l 】，则称r = ( ) 。为模糊矩阵。 模糊矩阵的合成语普通矩阵的乘法运算过程相似，只需将普通矩阵的乘法运 算改为取小运算 ，加法运算改为取大运算v 。设r = ( ) 。，q = ( 口，。) 。是两个 模糊矩阵，他们的合成r 。q 指的是一个n 行，列的模糊矩阵s ，s 的第f 行第k 列 的元素等于： m & = 苫( 白 鼋业) ；l