（模式识别与智能系统专业论文）汽车防抱死制动系统（abs）控制方法仿真研究与控制器设计.pdf

摘要 随着科学技术的进步和人们物质生活水平的提高，人类社会对汽车的安全 性，特别是制动安全性能提出了越来越高的要求。汽车防抱死制动系统( a b s ) 是 一种在制动时能够自动调节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最佳制动效果的制 动系统。该系统能够有效的缩短制动距离、提高制动时的方向稳定性，对汽车的 行驶安全具有重要的意义。本文对汽车防抱制动系统的核心部件一电子控制单 元( e c u ) 的控制方法进行了研究，建立了a b s 车辆理论模型，并用t l a b s i 舢1 i n k 工具对防抱死控制方法进行仿真。对整套a b s 系统的控制过程、控制 逻辑进行了分析，并进行了道路试验。 本文首先剖析了防抱死制动系统的控制原理，在此基础上详细介绍了a b s 的结构以及各部分的作用，并建立了仿真模型。仿真模型充分考虑了车体的动力 学模型、轮胎力学模型、制动系统模型。为达到仿真可行性与可信度的统一，本 文对模型均做了合理简化。 本文对a b s 控制算法进行了研究，并进行了仿真实验。由于汽车本身参数及 行驶工况的复杂特性，采用基于模型的现代控制理论方法所得效果并不理想，因 此本文重点对传统的逻辑门限值方法进行研究。由于控制及其算法的复杂性，寻 求强有力的开发环境及编程工具变得愈加重要。近年来控制系统的计算机辅助设 计系统( c a c s d ) 发展迅速，其中姒t l a b s i 硼l i n l 【的出现为汽车a b s 的设计和模 拟注入生命力。本文利用姒t l a b s i 哪l l i n k 针对简化的模型，设计a b s 控制器。 通过计算机数字试验仿真结果表明该控制器能取得较好的效果。 本文设计了a b s 中央控制器。用单片机开发研究a b s 是目前广泛采用的方法， 其核心是单片机控制器。随着功能技术和应用水平的提高，单片机应用研究在 a b s 领域将进一步深入本文研究了以高性能单片机为核心的a b s 控制器的开发 思路和设计方法，设计了a b s 硬件和软件，包括信号输入、输出通道，通信模块， 控制算法，故障检测等模块，满足a b s 各项要求。 最后本文进行了仰s 系统的道路试验。为了检验a b s 控制器的有效性，进行 了装车道路试验。在试验时，利用上位机通信软件实时监控a b s 控制器状态，并 通过串行通信接口将控制器信息传送到上位机并显示。以这种方式，可以在实际 环境中检验控制算法的有效性，方便的修改各种控制参数，达到优化算法的目的。 总之，研究结果可以看出逻辑门限值方法用于汽车防抱死制动系统不仅具有 理论意义，而且具有实用价值，是一种简单、方便、具有较好操纵性、制动性， 并且有较好适应性的方法。进一步的研究工作一定要继续开展下去。 关键词：防抱死系统；滑移率：车辆模型；逻辑控制 a b s t r a c t w i t ht 1 1 ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c l l i l o l o g ya n dm ei m p r 0 v e m e n to f 也e p e o p l c ss t a n d a r do f l i v i n 吕h u m a n sr e q u i r c m e n to f t h ev 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 曲e r ，e s p e c i a l l yt h eb r a k i n gs e c u r i t y a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) i sa k i n do fd e v i c e ，w h i c hc a nr c g u l a t c l ew h e e l sb r a k i n gf o r c ea u t o m a t i c a l l y ，p r e v e n t t h ew h e e l s 劬ml o c k i n ga n da c q u i r et h eb e s te f f e c td u r i n gb r a k i n 昏t h i sd e v i c ei s s i g n i f i c a n tt os t e e r i n gs a f e t y t h i sp a p e rm a k e ss o m ed e e pr c s e a r c ho na b sc e m e r c 6 n t r o l l e r ，a l s oc a l l e de c u ，e s t a b l i s h e sv e h i c l ed y n a m i c a lm 蒯h e m a t i c a lm o d e l ，t i r c m o d e l ，b 脚d n gs y s t e mm o d e l ，a n du s e sm a t l a b s i 舢1 i i l ks o f t w a r et os e tu pa b s s i m u l a t i o nm o d e l t h ep a p e rc o n c e n 订a t e so na b sc o n 仃o lp r o c e s s ，a n a l y z e si t sb a s i c 1 0 9 i cp r i n c i p l ef o 咖u l aa 1 1 da p p l i e si tt ov e h i c l e t h ep 印e rb u i l du p l et l l e o 硎c a lm o d e lo fa b s t h ep a p e ra n a t o m i z e dt h e c o n t r o lp r i n c i p l eo f a b s ，a n db a s e do ni ti n 加d u c e dt 1 1 es m j c t u r e s ，s p e c i e s ，e v e r yp a n f u l l c t i o n so f a b s t h ed y n a m i c sm o d e lf o u i l d e db yp r e d e c e s s o r s 、v a sa d 印t e dt ob u i l d s i m u l a t i o nm o d e l t h es i m u l a t i o nm o d e lt a k e si n t oa c c o l l i l tt h ev e h i c l ed y n 锄i c s m o d e l ，t i r em e c h a i l i c sm o d e l ，m e c h a 工1 i c sm o d e lo fh y d r a u l i cp r e s s u r ee x e c u t i v e s a 1 1 t l l em o d e l sa r em o d e s t l yp r e d i g e s t c dt or e c o n c i l es i m l l l a t i o nf e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y a b sc o n t m la l g o r i t h f na i l ds i m u l a t i o nt e s t 啪sr e s e a r c h e di nt 1 1 ep 印e r d u et o m ec o m p l e x i t yo f a u t o m o t i v ei m r i n s i cp a r 锄e t e r s 趾dw o r k i n gs t a t u s e s ，r e s e a r c ho f a b sc o n d 1a l g o r i t h ma d o p to f m o d e l - b a s e dc y b e m e t i cm e m o dc a n tr e c e i v ep e d b c t r e s u l t s ot l l i sp a p e re m p h a s i z e so nt l l et r a d i t i o n a ll o 舀c a lc o n 廿0 1m e t l l o d b e c a u s eo f t 1 1 ec o m p l e x i t yo f c o n t m l l e ra n d “sa l g o r i t l l l l l ，i ti sb e c o m i n gm o r ei m p o n a n tt os e e k p o w c r 血ld e v e l o p i n ge n v i r o n m e n ta 1 1 dp r o g i n gt 0 0 1 a m o n gr 印i dd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r a i d e dc o n t r 0 1s y s t e md e s i g n ( c a c s d ) ，m a t l a b s i m u l i n ki 巧e c t s v i t a l i 哆t oa b sd e s i g na 1 1 ds i m u l a t i o n ac o m m o nl o g i cc o n 仃o l l e ri sd e s i g n e dw i t h t o o l b o x e so fm t a l a b s i m u l i n ka c c o r d i n gt om es i m p l m e da u t o m o b i l em o d e la n di t c a ng e tg o o de f 佬c ta st h er e s u no fs i m u l a t i o nt e s ts h o w s t h ep 印e rd e s 培n e dt h ec e m e rc o n 缸d l l e ro f a b s d e v e l o p i n ga b su s e s i n 出e c k pi sa 丽d e l y a d o p t e dm e m o d ，s i n g l e 出pc o n t m l l e ri si t sk e m e l w i t l lt h e t e c l l l l i q u ea d v a n c e m e n ta n da p p l i c a t i o n ，16 b i ts i n 9 1 e c h i p se x p l o i t a t i o na 1 1 dr c s e a r c h i na b sf i e l d 谢1 1d e e p c n t h i sp 印e rc e n t e r so na b sc e n t e rc o n 仃o l l e rd e s i g i l i n gu s e s h i 曲巾e r f o 蛐a n c es i n g l e c h i p i t si n v 0 1 v e sh a r d w a r ea i l ds o f h v a r e ，s u c ha ss i n g l e i n p u tc h a n n e l ，c o n t r o l l e ro u t p u tp o n ，c o m m n j c a t i o nm o d u l e ，趾dc o n t r o lm e t h o d ， m a l f u n c t i o nd e t e c t i o na n ds oo n ，t om e e tt h en e e d so f t h ew h o l ea b s i nt h ee n d ，m ep a p e r 印p l i e dm ea b sc o n t m l l e rt ov e h i c l e t oc h e c kt h ee f ! f e c t o f a b sc o n 仃0 1 1 e r ，印p l yi tt ov e l l i c l e u s em ec o m m l l l l i c a t i o ns o w a r ei n s t a l l e di n t h ec o m p u t e rt om o i l i t o rm es t a t eo f t h ea b st h r o u g hr s 一2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 1 1 1t h i sw a y ，t h ep a r a m e t e r so fl o g i cc o n t r o lm e t h o dc 锄b er e g u l a t e dc o n v e n i e n t l y i naw o r du l er e s e a r c hr c s u l t ss h o wt h a tl o 百cc o m r o lm e l o du s e di na b sh a s n o to n l yt h e o r e t i c a lm e a i l i n gb u ta l s or e a l i s t i cv a l u e i ti sas i m p l e ，c o r e n i e n ts y s t e m w i t hb e t t e rd r i v i n gs t a b i l i t ya n db r a k i n g ，a t l dm e a n w h i l eb e t t e ra d a p t a b i l i t y f 州h e r r e s e a r c hi sw o r ( h ya i l dr e q u i r c d 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 ；s l i p p a g pr a t e ；v e h i c l em o d e l ；1 0 9 i c c o n n d l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： l 当二 日 p 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或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；本人授权山东大学可以将本学 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 暨：导师签名： 日期：坦 第一章绪论 1 1a b s 系统发展历程概述 1 1 1 b s 系统的概念 汽车防抱死制动系统( a m i 一1 0 c kb r a 虹n gs y s t e m ，简称a b s ) 是在传统车辆制 动系统基础上采用电子控制技术，在制动时防止车轮抱死的一种汽车主动安全装 置【1 ，2 1 。它能在制动过程中实时测定车轮的滑移率，自动调节各个车轮的制动力 矩，防止车轮抱死并取得最佳制动效能。 当汽车在行驶中遇到紧急情况，驾驶员通常会猛踩制动踏板施加全制动以期 望获得最强的制动效果，但这样做往往会使各车轮制动力矩过大或者分配不均， 导致车轮抱死拖滑，并使车辆进入各种不稳定状态，如侧滑、跑偏、失去转向操 纵能力。相当多的交通事故就是因此而发生。具体地说，常规制动系统在紧急制 动时可能造成的负面影响有以下几个方面： ( 1 ) 如果前车轮被抱死，车辆丧失转向能力，不能实现转弯转向，躲避障碍 物者行人；如果后车轮抱死，车辆丧失稳定性，产生侧滑。 ( 2 ) 在非对称附着系数的路面，汽车将丧失直线行驶的稳定性，出现侧滑、 甩尾及急转等危险现象。 ( 3 ) 车轮抱死导致轮胎局部与地面拖滑，大大降低了轮胎的使用寿命。 为了提高制动安全性，在现代汽车上装备a b s 以成为必然趋势。防抱死制 动系统能把车轮的滑移率控制在一定的范围以内，可充分利用轮胎与路面之间的 附着力，有效地缩短制动距离，显著地提高车辆制动时的可操纵性和稳定性，避 免车轮抱死时出现的各种交通事故，使制动器的效能发挥到最佳状态。故此a s s 技术是目前世界普遍公认的提高汽车安全性的有效措旌。 1 1 2 b s 技术的发展历史 防抱死制动装置最早用于2 0 世纪初期的火车上，防止列车制动时车轮抱死 造成局部摩擦，因热量集中而使车轮和钢轨过早损坏【3 ，”。后来a b s 装置于喷气 式飞机上，防止飞机着陆制动时偏离轨道，并缩短制动距离。在第二次世界大战 前后出现了用于汽车的防抱死制动装置。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，当传感器探测车轮抱死时，在每条制动管路上的电动机 启动以控制阀口的大小，从而调节制动压力。b o s c h 公司这项专利被认为是a b s 历史上的一个里程碑，其原理一直沿用至今【l j 】。 至上世纪5 0 年代末，防抱死系统开始应用于汽车工业。这些早期的防抱死 系统是机械式的，利用惯性飞轮探测车轮是否抱死，从而减小制动压力，其系统 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，防抱死功能不明显。 电子式a b s 系统出现在上世纪7 0 年代中期，它利用大规模集成电路构成逻 辑电路取代机械式的a b s 控制器，从而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 逻辑控制。 至上世纪8 0 年代初期，在计算机高速发展的推动下，a b s 系统有了突破性 的发展，出现了由微型数字计算机或微控制器与电磁阀调节器组成的现代型的电 子控制防抱死制动系统。这种系统不易受干扰，响应速度快，可以把制动循环的 次数增加到每秒1 0 余次，并具有体积小、质量轻、动作更快、控制更准确的特 点。1 9 7 8 年b o s c h 公司与奔驰公司合作研制出三通道四轮带有数字式控制器的 a b s ，并批量装于奔驰轿车上，使a b s 开始具有智能。从而奠定了a b s 的基础 和基本模式 5 l o1 9 8 1 年德国的w a b c o 公司与奔驰公司在载重车上装用了数字 式的a b s 。从此，a b s 技术在汽车上得到了推广应用。 近年来，随着世界汽车工业的迅猛发展，道路交通条件的不断改善，车辆行 驶车速的提高，汽车制动时车轮抱死滑移的危害性也愈来愈严重。为此，在1 9 8 7 年欧工体率先颁布了一项法规，要求从1 9 9 1 年起，欧工体成员国汽车厂在申请新 车型许可证的时候，所有新车都必须装有a b s ，同时规定欧共体成员国凡是1 6 吨以上的载重汽车也必须装备a b s ，并且禁止进口无a b s 汽车。到1 9 9 5 年，美国、 德国、日本轿车中装用汽车的比例分别达到5 5 ，5 0 和8 5 ，货车中装用a b s 的比例分别为5 0 ，5 0 和4 5 。其中美国福特汽车公司生产的货车，a b s 的装 有率达到9 4 ，通用汽车公司在1 9 9 4 年生产的汽车几乎全部装有a b s 。目前世界 上已经有3 0 0 多种汽车装备了a b s 。预计在今后的5 年里，在世界范围内a b s 在汽 车上的装有率将达到8 0 。a b s 己经成为全球汽车市场及各国汽车出口的标准。 1 1 3 b s 技术在国内的发展情况 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。随后，西安公路学院开发了d e t l 型中规模集成逻 辑电路型电予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 i ) 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 删为核心的电控部件。航空部五一四厂研制的3 5 0 0 - q f b d - 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。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 c1 型，适用于中型汽车。 该产品中央处理器采用了美国m c l 公司的m c s 一9 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；济南重型汽车集团技 术中心自1 9 9 4 年开始研究气压制动a b s ，目前己自行研制成功了1 6 位的汽车 防抱制动电子控制器；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 】。 总的来说，a b s 技术含量较高，我国a b s 的研发工作起步较晚，技术水平 与先进国家相比还有较大差距，人力与资金的投入严重不足，实际上仍处于研制、 试验阶段。国内有些a b s 研发单位尽管也具有生产a b s 的能力，但技术尚不够 成熟，产品的应用并不广泛，在短期内还是主要依靠进口或与国外厂商协作。为 了跟上汽车国产化的步伐，满足低成本高性能的要求，研发新一代的a b s 控制 器己迫在眉睫。该控制器要具有自主知识产权，不但可以与国内各汽车厂家的各 种汽车配套有关的a b s ，也可以有出口的机会汽车工业在国内和国际上都是 支柱产业，a b s 有很大市场，只要技术上先进，产品可靠，其经济效益是不可 估量的。 1 1 4 b s 技术发展的最新成果和未来发展方向 进入上世纪9 0 年代以来a b s 控制器已普遍采用1 6 位单片机为c p u ，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，驱动防滑控制系统是a s r 得到了发展，它能够防止汽 车在驱动过程中( 特别是起步、加速、转弯等过程) 防止驱动轮发生滑转，使汽 车在驱动过程中的方向稳定性、转向操纵能力和加速性等也都得到提高1 6 7 】。它 是伴随着汽车制动防抱死系统的产品化发展起来的，实质上是a b s 基本思想在 驱动领域的发展和推广。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，使性价比大大提高【0 1 a b s 从出现到广泛应用于汽车上，经历了近半个世纪，到目前为止a b s 的 总体结构方案已趋于成熟，但汽车制动安全技术目前仍是汽车技术的一个热点， 在该技术领域，未来的研究方向和发展趋势集中在如下几个方面： ( 1 ) 提高a b s 控制方法的自适应性和系统的可靠性，从而进一步提高整车 的安全性能。虽然a b s 已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。开发完成的a b s 装置对各类车 型的互换性不好。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科n ，1 2 】，以使a b s 的性能更加完善。 ( 2 ) 汽车动态控制系统) c 。v d c ( v 出c l ed y m i n i c sc o n 仃0 1 ) 系统又称e s p 系统( e k 们n i cs t a b i l i 哆p r o g 咖n ) ，是把a b s a s r 与电子全控式( 或半控式) 悬 挂、电子控制四轮转向、电子控制液压转向、电子控制自动变速器等在功能、结 构上有机地结合起来，保证汽车行驶的方向稳定性和良好的动态稳定性【9 】。 ( 3 ) a b s a s r 与自动巡航控制装置a c c 集成。汽车a c c ( a 血p 廿v ec 1 1 l i c o n 的1 ) 装置是近年来发展起来的又一项汽车主动安全技术，它可使汽车保持一 定的行驶安全车距，主动避免碰撞事故发生，有效地提高公路交通运输能力。由 于a b s 、a s r 和a c c 都要用到相同的轮速采集系统、制动力调节装置以及发动 机调节装置，因此a b s a s r 与a c c 的集成，不仅可以大大降低成本，而且可 以提高汽车的整体安全行驶性能1 2 1 。 ( 4 ) 电子制动系统( b 溅n g - b y _ 砸r c ) 【1 3 】。其中，电子机械制动系统( e 1 e c 咖i c 4 m o c h a n i c a lb i a l d n g e m b ) 是一个全新的制动机构。e m b 应用于轿车上，取消了 传统的液压制动系统，动作机构是电动机，执行机构仍是制动器。制动时，驾驶 员踩下电子制动踏板，电子制动踏板带有踏板感觉模拟器，踏板行程信号通过 c a n 总线传送至控制器，控制器实时向电动机发出作动信号，实施a b s 制动 与e m