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重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 本文应用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了车辆的数学模型和制动防抱死系统 ( a b s ) 控制器模型，该模型能够模拟不同路面附着系数下的整个车辆的a b s 制动 过程，对于模拟过程中的各种信号如车速、轮速、阀信号等都能以曲线的形式显 示出来。a b s 控制器控制逻辑采用m a t l a b 的s t a t e f l o w 工具箱进行编制，使用 该系统模拟和研究了a b s 的控制逻辑。 针对车辆a b s 系统的工作特点，为高效地开发a b s 系统或测试a b s 系统性 能，自行研制开发了整套车载a b s 试验测试系统。该系统由硬件及软件系统组成， 硬件有传感系统、信号调理箱、采集板卡、车载计算机等组成，测试软件采用v i s u a l b a s i c 进行编制，该套系统能够实时测试和记录车辆在制动过程中各种有关信号， 本系统有车速、各轮轮速、a b s 阀信号、轮缸制动压力。并由此计算车辆制动距 离、车辆加减速度等，并能完全按照联合国欧洲经济委员会汽车制动法规e c e r 1 3 的要求进行整套的a b s 道路试验。可以按法规要求对试验数据进行处理和计 算，并对试验结果和计算进行分析和评价。 采用车载a b s 试验测试系统在长安之星s c 6 3 5 0 车上进行了两套a b s 控制器 的道路试验，采用国外原车a b s 样机和自制a b s 两套a b s 系统进行了对比试验， 并按照e c er 1 3 法规做了干路面的全部试验，并对试验数据进行了数据处理和分 析。道路试验结果与自行编制的车辆a b s 模型的模拟结果进行了对比，验证了模 型a b s 控制逻辑的正确性。 总之，本文建立了a b s 系统的整车模型，研制了车载a b s 道路试验测试系 统，并按e c er 1 3 法规进行了a b s 道路试验。对于我国进行a b s 系统的研制开 发具有一定的指导意义。对于加快我国自主知识产权的a b s 系统的产业化进程也 将具有积极的推动作用。 关键词：a b s ，控制逻辑，m a t l a b ，测试，车载测试系统 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i nt h i sm a n u s c r i p t t h em o d e lo fv e h i c l ea n da b sc o n t r o l l e ra r eb u i l tb yt h e m a t l a b s i m u l i n ks o f l w a r e t l l i sm o d e lc a ns i m u l a t et h ep r o c e s so fa b si n d i f f e r e n tr o a ds u r f a c ea d h e s i o n 确ed a t ao fs i m u l a t i o no fv a r i o u ss i g n a ls u c ha sv e h i c l e s p e e d ，w h e e ls p e e d ，v a l v ed r i v e re t c c a nb ed i s p l a yb y c h iv e n l ec o n t r o la l g o r i t h mo f a b si sb u i l tw i t ht o o l b o xo fs t a t e f 乙o wm l d c ：rm a t l a b t h ec o n t r 0 1a l g o r i t h mo f a b si ss t u d i e dw i t ht h i st o o li nd e t a i l i no r d e rt os t u d ya n dd e v e l o pa b ss y s t e mi nr e a lv e h i c l e ，t h eo nb r o a dm e a s u r e s y s t e mf o ra b si sm a d e i ti n c l u d e ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e 1 1 1 eh a r e w a r ei n c l u d e s e n s o r s i g n a lc o n d i t i o n a c q u i r i n gc a r d a n do n b r o a dc o m p u t e r t h es o f t w a r ei s p r o g r a m m e d b yv i s u a lb a s i cc o m p u t e rl a n g u a g e t h i ss y s t e mc a nr e c o r da n dm e a s u r e r e l a t i v es i g n a l so f b r a k i n gp r o c e s ss u c ha sv e h i c l es p e e d ，w h e e ls p e e d ，a b sv a l v ed r i v e r , b r a k i n gp r e s s u r e f r o mt h o s ed a t a , t h ev e h i c l eb r a k i n gd i s t a n c ea n dv e h i c l ed e c e l e r a t i o n a c c e l e r a t i o nc a l lb ec a l c u l a t i o n w i mt h i ss y s t e m t h ew h o l et e s tc a b b ef i n i s h e d a c c o r d i n gt h es t a n d a r do fe c er e g u l a t i o nr1 3a n n e x1 3 ：t e s tr e q u i r e m e n t sf o r v e h i c l e sf i r e dw i t ha n t i l o c ks y s t e m s t h et e s td a t ac a nb ed i s p o s e da n da n a l y z e dw i t h 血i ss o f t w a r e t h et e s tr e s u l tc a nb ee v a l u a t e d w i t l lo n b o a r dm e a s u r es y s t e m t w ok i n d so fa b ss y s t e ma r et e s t e di nt h ev e h i c l e o fc h a n g a ns t a rs c 6 3 5 0 o n ea b si sf r o mo r i g i n a lv e h i c l e a n o t h e ri sf r o m j i a e tc o m p a n y t h et e s ti sd o n eo nh i 曲a d h e s i o ns u r f a c ea c c o r d i n ge c er 1 3 r e g u l a t i o n t h ed a t ai sa n a l y z e da n dc o m p a r e d a tt h es a m et i m e ，t h er e s u l to f r o a dt e s t a n dt h a to f s i m u l a t i o na r ea n a l y z e d n l ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo f m o d e li sv e r i f i e d i ns u m m a r y , t h i sm a n u s c r i p tw i l li n t r o d u c et h eb u i l d i n go fa b sa n dv e h i c l es y s t e m ，t h e d e v e l o p i n go f o nb r o a dm e a s u r es y s t e mf o ra b sb r a k i n ga n dt h ep r o c e s so fa b sr o a d t e s ta c c o r d i n ge c er 1 3 i tc a nb eo f s i g n i f i c a t i o nf o rd e v e l o p i n gr e a la b sc o n t r o l l e r i t a l s oc a na c c e l e r a t et h ep r o c e s so f a b sp r o d u c t i o nw i t ho u ro w nt e c h n o l o g yk n o w l e d g e p r o p e r t yi nc h i n a k e y w o r d s ：a b s ，c o n t r o ll o g i c ，m a t l a b ，t e s t , o n b o a r dm e a s u r es y s t e m i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 a b s ( a n t i 1 0 c kb r a k es y s t e m 英文的缩写) 系统近年来在车辆上已经得到了广泛 的应用，大型客车及1 6 吨以上的载货汽车已经立法要强制安装a b s 系统，轿车 及微型车辆也逐渐将a b s 系统作为车辆的基本配置来装备车辆。但是，由于a b s 产品为机电一体化的高新技术产品，又是涉及制动的主要安全部件，其研制制作 门槛较高。虽然这一产品在国外发达国家已是成熟的产品，但是其制造技术也只 是少数的几家大型专业制动系统的公司所控制，且作为企业的技术秘密加以保护， 因而其制造技术、开发手段对于国内企业来说都是未知的，需要国内的科技人员 来自行开发研制自主知识产权的a b s 产品。自上世纪9 0 年代初，国内的科技人 员已开始从事这方面的研究工作，尽管起步比国外晚了一些，但随着电子技术、 电子计算机的飞速发展，研究的起点还是较高的，经过近l o 年的努力，现在国内 自主研发的a b s 已开始批量装备车辆了。尽管产品质量、性能、可靠性方面与国 外发达国家制造的同类产品还有些差距，相信经过国内同行的努力，这一差距一 定会在不远的将来迎头赶上的。鉴于以上背景，作为测试、匹配及开发调试a b s 系统的重要工具之一，车载a b s 道路试验测试系统就很有必要开发建立，因而该 a b s 车载测试系统作为整套a b s 项目的一个子项就被提了出来。该套系统的成功 开发，将为生产研制a b s 的厂家提供一套强有力的a b s 测试分析工具，对于完成 a b s 在不同车型上的匹配，a b s 产品的升级改进都将起到事半功倍的作用与效果， 缩短a b s 产品升级换代的时间，为提升国产a b s 产品的市场竞争力，尽快扩大市 场份额并最终大幅提高企业的经济效益，都具有主要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 车载a b s 道路试验测试系统，其应用顽均为a b s 的研究单位、生产厂家等。 就国外来说，作为一套专用的车载a b s 测试设备，均为自行开发并自我使用，并 不作为通用测试设备来进行商业化。目前生产研发a b s 系统的国外厂家，其该套 系统的软硬件都可能不一样，但基本原理相差不会太大。 国内方面，目前国内对于a b s 进行研制开发的科研单位与企业已有几家，如 陕西的博华公司、广州的科密、焦作制动器公司以及重庆聚能均有批量a b s 在装 车。至于a b s 车载道路试验测试系统是否具有，不得而知，因为这是各个企业的 技术秘密范畴。可以肯定的是，只要进行a b s 系统的开发，其室内台架检测及道 路试验测试是必须要进行的，只是测试的仪器设备可能有些差别而己。 重庆大学硕士学位论文 1 3 本文研究的目的和研究内容 本文研究的目的，就是开发制作出车载a b s 道路试验测试系统，对于a b s 生 产企业来说，能够更好地为不同车型进行a b s 匹配工作，同时可以测试a b s 实车 制动效果，便于完善改进a b s 控制逻辑。而对于整车制造厂来说，利用该系统可 以非常直观地评价不同a b s 供货厂家的a b s 产品的性能，以便择优选取，同时该 套系统能够按照汽车防抱制动系统性能要求和试验方法g b l 3 5 9 4 2 0 0 2 中的试 验方法，或联合国欧洲经济委员会汽车制动法规e c e r l 3 法规中的测试方法， 全面测试、评价a b s 系统。这对于a b s 系统的鉴定试验单位也提供了一套完整的 a b s 道路试验测试系统。 车载系统是研究a b s 和制动系统重要的工具。建立工具的目的是为研究开发 a b s ，但单纯的为试验开发一套系统进行实车试验毕竟成本太高，从长远的观点 看，随着计算机模拟技术的发展，实车试验只是作为最终验证的手段。它的验证 次数随着模拟技术的成熟而逐步降低，并且在以往车辆的模拟，又往往与实车试 验相脱离，导致人们对模拟技术的可信度降低。为将来减少实车试验，本文从理 论角度进行了车辆系统建模的研究，并试图通过车载系统对车辆模型进行比较与 修正，从而为建立更加有效的车辆模型做出尝试。 本文研究的主要内容分为以下几个方面 基于m a t l a b s i m u l i n k 软件，建立了含有a b s 系统的完整的车辆模型，模 型能够模拟不同路况下的a b s 制动情况。分别建立了驱动系统、制动系统、整车 系统及a b s 控制器的模型，从数学模型入手，并转化为最终的m a t l a b 模型。 - 就设计制作的车载a b s 系统进行了详细地阐述，分为硬件的组成及软件的设 计。 利用该车载测试系统，实际进行了国产与进口a b s 系统的道路试验工作，并 按照e c er 1 3 实验规范进行了完整地测试，详细分析了试验结果。 进行了总结，并提出今后工作的方向。 重庆大学硕士学位论文 2 车辆模型的建立 2 车辆模型的建立 车辆模型由两部分组成，一部分为整车的动力学系统模型，包括轮胎模型、 制动系统、转向系统、整车系统、车轮系统。另部分为动力驱动模型，包括发 动机模型、离合器模型、变速器模型，图2 1 为这一系统模型的框图。 f x 、f 弘f z ：轮l 蛊x 、n 劲向酌由 ：车螨速度 8 w ：车乾转角 hm c ：撼动机和离合器输出力矩 t ：车辆侧倾角 h 如：轮胎回芷力矩 u ：车羁整车隘向和姒向速度 “z ：车辆值摆角速度 n 、t d ：车轮e 的制动和5 e 动力矩 图2 1 车辆模型框图 f i g 2 1 c a rm o d e lb l o c kd i a g r a m 整车模型用四个自由度来描述，即纵向位移、横向位移、横摆运动和侧倾运动 ( 本模型暂时忽略) 。所作用的外力主要来自轮胎的纵向和横向力、作用在整车上 的风阻及坡度阻力，其侧倾运动只 与簧上质量有关，它由悬架模型的 阻尼和弹簧与非悬挂质量连接。轮 胎模型采用g i m 模型，这一模型的 特点是公式简洁，计算简单并考虑 了各种工况的影响，在轮胎模型中 考虑了纵向、横向滑移、侧倾、横 摆导致的纵向力、横向力和横摆力 矩。制动模型采用一阶迟后环节传 擎f y 4 v - 翕v f谚、 飘悉吞 图2 2 四轮车辆系统模型 f i g 2 2s y s t e mm o d e lf o rf o u r - w h e e lv e h i c l e 递函数形式来描述压力建立及释放的动态过程，用比例环节描述制动器增益，其 最大压力由制动踏板的位移来决定。转向模型由比例环节构成系统输入通道，即 重庆大学硕士学位论文 2 车辆模型的建立 方向盘到前轮转向轮。发动机模型是由一个一阶惯性环节构成发动机的动态特性， 由力矩转速试验曲线族构成发动机的稳态特性，其油门开度用插值的方法确定所 采用的稳态特性曲线，油门开度由鞋油门开度门踏板角位移的大小来决定。变速 器系统是一种4 档机械式变速器和前桥驱动差速器组成，由比例环节构成。车轮 系统模型是由外部力和转动方程来决定，作用的外部力有驱动力、外部纵向、横 向摩擦力、制动力及滚动阻力。下面分别介绍各个车辆总成的建模方法。 2 1 车辆各模型的初步建立 2 1 1 整车车辆模型 车辆的整车模型可以采用牛顿力学建立各个刚体的运动学方程，由于应用的目 的不同，各种模型的繁简程度也不同。本文采用的模型为四轮车辆模型。它包括 了车辆的纵向、横向运动、横摆运动、车轮的转角、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，同时进行了车辆驱动系统( 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。 在上述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， 由此可以建立一个具体的四轮整车车辆模型如下( 见图2 2 ) ： 三 m 以一曲0 ) = ：巳一 曙 ( 2 1 ) 百 土 m ( 0 十驴) = ，v ( 2 2 ) i = 1 r i z = ( c t + e 3 一t ：一t 。) 詈+ 4 ( ，+ ：) 一b ( c ，+ 。) ( 2 _ 3 ) v 肛专 d l = ( 一+ a c o ，) z 口2 = ( 一b o ) ，) 一 u l = m ( b - g 一 2 l + v , h 2 c ) l 2 = m ( b g v h 2 l 一 2 c ) l n 3 = m ( b ，g + z h 2 l + a 2 c ) i n 4 = m ( e g + z , h 2 l 一 2 c ) 式中 蜃_ 一整车质量 v y _ 车辆横向运动速度 谚一车辆横摆角速度 4 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 , 6 ) ( 2 7 ) v p 车辆纵向运动速度 e f x ，e f y 作用在车辆纵向与横向力的和 i z _ 熬车横摆转动惯量 重庆大学硕士学位论文 2 车辆模型的建立 c 一车辆轮距 l _ 车辆轴距 n i 车轮对地面的法向反力 a 、b 一前轴和后轴到车辆质心的距离 o l 。、0 广前轮、后轮轮胎侧偏角p 一车辆航向角 车轮转动方程由制动器制动力矩、车轮地面问的摩擦力矩以及驱动力矩组成， 现仅考虑两轮驱动的情况。 j l 西l = m w r f d 2 一m 一只1 r e 1 l ，2 西2 2 m ? 。掣2 - m b 2 。- f s 2 r 2 一e z 2 b ( 2 8 ) ，3 西3 = 一m ”一只3 r 3 、。 j 4 西4 = 一m 一只4 r 4 式中 m 。广变速器输出力矩m b r 一车轮制动力矩 f 。广车轮圆周摩擦力j 广一车轮转动惯量 西广一车轮角加速度 r f d - - 驱动桥主减速比 r 广一车轮滚动半径e 广壕动阻力引起的轴法向反力前移距 这一模型重点描述了车辆运动特性，可以应用在制动、操纵以及动力学控制的 模拟研究。 考虑车轮滚动阻力及车辆风阻： 车辆风动阻力按汽车理论： 凡：旦：署等 ( 2 9 ) 式中f u 车辆风阻 c d 一空气阻力系数，对典型轿车阻力系数为0 4 - - 0 6 a 瑚风面积，即汽车行驶方向的投影面积，对一般轿车可取2 m 2 。 车轮滚动阻力按汽车理论其计算公式为：f = e * n 式中：e 壤动阻力引起的轴法向反力前移距 n 轴荷 假定车轮行驶在良好沥青或混凝土路面上，其滚动阻力系数一般取为0 0 1 0 - 0 0 1 8 。对轿车可取为0 0 1 5 。 2 1 2 车轮轮胎模型 汽车运动依赖于轮胎所受的力，例如，纵向制动和驱动力、侧偏力和侧倾力、 回正力矩及翻转力矩等，所有这些都是滑转率、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) ，即通过对轮胎 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。与 理论模型相对照的是经验公式或半经验公式，它是通过对大量的轮胎力特性的实 重庆大学硕士学位论文 2 车辆模型的建立 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。 在此采用理论模型，介绍在纵向力、横向力及联合作用力下的轮胎力及回正 力矩的计算方法。 这一模型中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 s 。：三二堡 o 制动情况 ，“。， ( 2 1 0 ) i s 。：二二生。o 驱动情况 。一7 l 。 式中 v 。一轮胎的圆周速度 v x - 车辆纵向速度 定义横向滑移率为 & 划蕊口j 制戮况 亿 l & = ( 1 一j 置1 ) f t a i l 口j 驱动情况 ”7 式中0 【一车轮侧偏角，定义为 t r ， 口= a r c 留( f y ) v y - 一车辆横向速度 ( 1 ) 车轮轮胎纵向力 下面推导纯纵向力的计算。路面轮胎问的摩擦系数可以近似线性地表达为 x 篙o ( 1 - a s ，、) (212)as = ( 1 _ i o ) l 、7 式中 一滑动速度为零时的摩擦 系数 a 参数，可由两点的摩擦 系数( o ，) 、( s l ，斗1 ) 求得 车轮的法向力f = e j ( 2 1 3 ) 式中c z _ 轮胎径向刚度 图2 3由轮胎滑移率引起的轮胎纵向 力 f i g 2 3l e n g t h w a y sf o r c ec a u s e db yt y r e s l i d er a t e 争轮胎的径向变形 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量有关，在滑 移区域纵向应力接触压力和轮胎的摩擦系数有关( 或称为附着系数) ，见图2 3 ，纵向 应力可以表示为： 卜：。等t e ： 竺，擎l(214)p i盯f = ， ，。告f r 式中 盯一胎胎面的纵向应力 重庆大学硕士学位论文 2 车辆模型的建立 il x 一轮胎与路面间纵向摩擦系数 l - 轮胎接触长度 p 一轮胎与地面间接触压力 k x _ 一轮胎纵向冈度 s s _ 一纵向滑移率的绝对值 e _ 一轮胎的纵向位移变形 1 a _ 轮胎附着区域长度 定义无量纲轮胎接触长度： ln = l 。| ts = s 3 isc l n = 1 一s ， 对轮胎纵向接触应力沿纵向方向积分： r = c 。s 。l ：+ p i t q 一3 圮+ 2 圮、s ， sc f ! = ”：f ： ss 2s c 式中s c - 纵向滑移和弹性区域的分界点，可以表示为 s 。- 半 ( 2 ) 车轮的横向力( 侧偏力) 用同样的方法可以求得横向力的计算方法，最后的计算公式为 = c ：s 。+ ，f a l 3 譬+ 2 譬) 叉 s 。 f n = u 。f ：s ，2 s ： 3 ，c t 5 1 相应的回正力矩 哆。： c o s 。( 一i 1 + i 2 ，。) + 寻f ，e s ： f 譬s。scos 。哆。2 。( 一j + j ，。) + i f ，e s ： f 譬 a 。 m 。4 = 0s 0 2 s c ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 3 ) 纵向力与横向力联合作用 考虑轮胎受纵向和横向作用力，定义车轮的附着系数： a = 乒o ( 1 一a 只。) a = ( 1 一i o ) ，s l( 2 2 0 ) s s 。= s ：+ s ： 式中：i io _ 一轮胎与路面的静态摩擦系数 a 寺征系数，可由轮胎特性的某点“l s l 求得 s 。，一滑移率的联合参数 重庆大学硕士学位论文 2 车辆模型的建立 车轮纵向附着系数为 车轮横向附着系数为 车轮综合附着系数 p ，= , u s ，s ，。= u c o s f l z 。= p s 。ss 。= a s i n f l “= 0 疋+ e 接触区滚动滑动临界点：e 滑移临界点： 侧编临界点 = 壶厄矿丽订 = 等 艮= ：c , 2 _ s f f o 口 定义l 。= l s 。，c 。轮胎纵向刚度，c r 一轮胎横向刚度。 轮胎与路面间的纵向力为 只= e 只e + ，只( 1 3 e + 2 它)s ， n 1 耀时，升档 n n 1 限时，降档 n 门隈即为升档或降档的门限值，每一种 节气门开度下都有一组n 1 龈值，n 门硪值的确定 要根据实践总结出的规律来确定。 1 0 2 ，o 8 3 】 图2 5 单轮液压防抱制动管路简图 f i g 2 5 s k e t c ho fb r a k i n gp i p es y s t e mo f h y d r a u l i ca n t i - b r a c es y s t e mf o rs i n g l ew h e e l 2 2a b s 控制器的s t a t e f l o w 编制 2 2 1a b s 基本原理 车辆在紧急制动的情况下，传统的制动系统，会使制动管路压力急剧增加随之 创动力矩瞬阃很大，使得被制动车轮很容易包死，而抱死的车轮很难再进行转向 操作，因而车辆在抱死的情况下失去了可操纵性，增加了事故发生的概率，特别 是在冰雪混存的滑路面上紧急制动，传统制动系统的车辆很容易发生事故。为增 加车辆的安全性，越来越多的车辆装备了防抱系统( a b s ) 。 图2 5 为制动介质为制动液的车辆单轮a b s 系统制动管路简图。由图可见， 重庆大学硕士学位论文 2 车辆模型的建立 通往制动分泵的管路有进油电磁阀及放油电磁阀，通过a b s 控制器根据轮胎的运 动状态来控制进油阀与放油阀的通断，以控制制动分泵的压力，继而控制制动力 矩的大小，以保证车轮在制动过程中不抱死。 2 2 2a b s 控制逻辑 图2 6 为典型的a b s 控制，控制采用逻辑门限方式，其门限为：车轮减速度 门限屯车轮加速度门限+ b 和车轮参考滑移率门限九l 、九2 。制动开始时制动压力 增加，车轮开始减速，在点i ，车轮减速度超过了车辆整车减速度物理上所能达到 的最大极限值，在这一点以及之前车轮速度与参考速度是相同的，在这点之后参 考速度与轮速分离，参考速度以预定义的车轮减速度减速( 预定义的车辆减速度 值是以干路面上制动时的情况，根据经验估计出来的，以这估计值计算参考速度， 在a b s 控制过程中若车辆在一定的时间t 1 下，车辆加速度始终达不到门限值+ b ， 说明预先给定的减速度值偏大，根据滑移率门限值九进一步降低制动压力，同时 修正预给的减速度值，以重新计算车辆参考速度，直到符合路面附面着系数情况) ， 由这些轮的参考速度找出最大参考速度，把它作为车轮的共同参考速度，每个车 轮相应的车轮滑移率由轮速和车轮共同参考速度计算。在点2 车轮减速度门限被 超过，车轮向轮胎滑移特性曲线u 九( 见图2 6 ) 的不稳定区域移动，这时车轮达 到最大制动力，即制动器制动力矩的再增加时，都将导致车轮减速度的急剧增加 ( 指减速度的绝对值) 。 因此，制动压力应迅速减小，车轮减速度在经过一个短暂的延迟后开始减小， 这个延迟本质上是由车轮制动器的滞后和“九特性曲线的不稳定部分所决定的。 一旦车轮制动器的滞后被克服，制动压力的减小就会导致车轮减速度的减小。 在点3 车轮减速度减小到门限值- b ，这时制动压力开始保持并延时一个规定 的时间t 1 ，通常在这一时间内车轮减速度会恢复为加速度并超过加速度门限+ b ， 例如点4 ，只要车轮减速度超过这一个门限，制动压力就这样维持保持。一般在高 附着系数路面上就是这种现象。但如果在规定的时间t l 内，车轮加速度不能达到 门值+ b ，这种情况往往发生在低附着系数路面，这时应根据参考滑移率门限九l 进 一步降低制动压力，在这一控制循环时不应超过较大滑移率门限九2 。 当车轮加速度不再高于加速度门限+ b 时，这时车轮运动状态处于轮胎特性曲 线“- 九的稳定区域，附着系数的利用率要略低于最大值，这时开始给一个快速的 增压状态，延续时间为t 2 ，以克服制动器的滞后。在随后的a b s 循环中，时间 t 2 要根据上一个a b s 循环的控制情况重新计算，经过这个t 2 时间后，压力以脉 冲的方式进行增加，即交替进行增压和保压。直到车轮减速度再次到达减速度门 限- b ，这样就完成了一个a b s 循环，开始下一轮的a b s 控制循环。 重庆大学硕士学位论文2 车辆模型的建立 鋈萎 轮 强 翟l i 撩 压芒 刀 二- 一j 7 一 、 t i 、 ，7 l + b 、 ， 、l 、，_ i 藏螂 l 越油蛹 一， d f 2 m 2。3 568 2 2 3s t a t e f l o w 工具箱的概念及机理： s t a t e f l o w 是用于解决复杂控制及高级逻辑问题的、功能强大的图形设计和 开发工具，它基于有限状态机理论，结合流程图符号以及状态跳变框图，可以有 效地表达计算机高级语言中的循环语句及条件转移语句，从而进行流程控制，清 晰、准确地描述复杂系统的行为。利用s t a t e f l o w 不仅能够对复杂的交互式系统进 行快速的可视化建模和模拟，设计开发复杂的监控逻辑，而且在设计的任何阶段， 都能非常方便地更改设计思想、评估模拟结果、验证系统性能，直至达到设计要 求。 1 ) s t a t e f l o w 基本特点 s t a t e f l o w 是s i m u l i n k 模块库中一个实时流程模块工具箱，结合流程图符 号以及状态跳变框图，可以有效地表达计算机高级语言中的循环语句及条件转移 语句，从而进行流程控制，清晰、准确地描述复杂系统的行为。它是r e a l t i m e w o r k s h o p 的一个补充，是为复杂控制、监督过程采用绘图、逻辑设计的强有力的 工具，有如下功能： 基于有限状态的机构理论，对复杂反应系统进行建模与仿真； 易于修改设计，评估仿真效果： 培 日 重庆大学硕士学位论文 2 车辆模型的建立 能够准确表达所建系统的逻辑。 状态之间切换的标签传输格式如下：e v e n t c o n d i t i o n 】( c o n d i t i o n a c t i o n ) t r a n s i t i o n a n i o n 即：事件 条件 【口条件作用 口跳转作用。 3 2 ) s t a t e f l o w 编程中需要注意几点： 在一组有传输关系( o r ) 的状态块中，必须有默认传输，即有目标无源头的跳 变。 口s t a t e f l o w 3 中的各块、节点、跳变线均可以进行编辑，如修改字体、颜色及 大小等。 口每个s t a t e f l o w 编制的“c h a r t ”可以从外部输入事件、口数据，亦可以输出事 件与数据。 用口s t a t e f l o w 编制的流程图c h a n ，可从s i m u l i n k z 其他模块中输入事件与数据， 亦可向s i m u l i n k 中其他模块输出数据与事件。灵活运用 3 s t a t e f l o w 是对s i m u l i n k 特别是r t w 的一个有力补充，许多用传统高级语言编程看来非常复杂的问题，只 要搞清楚其内部状态与相互转换的条件，采用口s t a t e f l o w 流程图来完成控制转换逻 辑将变得直观与容易理解，同时也易于调整参数、加快项目开发的进程。本例中， 将车辆模型的滑移率( s r ) 输入到逻辑控制模块中，进行逻辑判断运算，同时向外输 出控制制动系统的阀控制信号d i o 。 首先，将图2 7 所示的m a t l a b 的s t a t e f l o w 工具箱中c h a r t 模块拖入模型建 立界面中，双击该c h a r t 模块，打开s t a t e f l o w 的编辑编程窗口( 图2 8 所示) ，在该 窗口中进行a b s 控制逻辑的编程。 图2 7m a t l a b s i m u l i n k 库中的s t a t e f l o w 工具箱 f i g 2 7s t a t e f l o wt o o l b o xo f s i m u l i n kp o o li nm a t l a b 重庆大学硕士学位论文 2 车辆模氆的建立 图2 , 8s t a t e f l o w 编辑窗口 f i g 2 8 s t a t e f l o we d i tw i n d o w 2 2 4s t a t e f l o w 编写防抱控制逻辑 在图2 9 的a b s 控制模块，首先要确定a b s 控制的4 个状态，将4 个状态由 虚线框框在一起而下一个虚线框为4 个状态之间的循环跳变控制模块，其状态更 换条件、控制逻辑均表示在跳变线上，两个虚线框( 名称分别为： s t a t e 和l og i c ) 在s t a t e f l o w 编程方法定义中，为“与”的关系；在编写s t a t e f l o w a b s 控制框图时必 须清楚a b s 工作原理，输入参数、条件、初始状态等。利用s t a t e f l o w 界面上部菜 单选项、左侧竖栏中的编辑图形、符号等进行逻辑模型。 图2 9 车轮防抱控制的s t a t e f l o w 逻辑图 f i g 2 9 s t a t e f l o wl o g i c a ld i a g r a mo f a n t i - b r a c ec o n t r o lf o rw h e e l s 重庆大学硕士学位论文 2 车辆模型的建立 a b s 控制器，利用m a t l a b s t a t e f l o w 工具箱，对车辆的制动系统以滑移率与 加减速度门限值为控制目标的状态流控制，使车辆轮胎与地面间的附着系数处于 峰值状态，以充分利用路面的附着力，安全的完成快速制动。 下面结合本实例就如何进行s t a t e f l o wa b s 控制器模型编程简述如下：首先要 了解s t a t e f l o w 编辑窗口的组成：图形编辑窗口、菜单及其编程图形工具等。编辑 界面窗口中，左侧图形工具栏自上而下依次为状态块、历史节点、默认触发、节 点、框图大小控制。首先在编辑区添加状态块s t a t e ，每个状态块由以下语句描述： n a m e ：e n t r y ( e n ) ；d u r i n g ( d u ) ；e x i t ( e x ) ；o ne v e n t l l a n l e ，块与块之间关系分“与”( a n d ) 关系与“或”( o r ) 关系。块与块之间由传输跳变( t r a n s i t i o n ) 来建立联系，在表示块之 间的调转事件时，由菜单条中的a d d 的下拉菜单e v e n t 来添加并命名。将a b s 防 抱逻辑分为四个状态，增压s 0 、减压s 1 、保压s 2 及小步长增压s 3 ，而各状态之 间根据防抱要求进行调变转换，s t a t e f l o w 中称之为( e v e n t ) ，由s o 至s l 转变的事件 为s h i f t 01 ，依次为s h i f t l2 、s h i f t 2 3 、s h i f t 31 ；完成事件定义后，要对各个状态 块( s t a t e ) 进行初始状态定义，在增压状态s 0 ，其状态为s t = - o ，而本状态下阀信号 d i o 为o ；在减压状态s 1 ，状态s t = l ，阀状态d i o 为3 ；保压状态s 2 ，状态s t = 2 ，阀 状态为c l i o 为1 ：此三种状态物理定义为“稳态”，阀状态单一，而小步长增压状态 s 3 ，由于其阀的状态不确定，在增压保压状态下切换，称之为“非稳态”，在完成 一次防抱控制过程中，阀状态一直要进行快速切换，这样才能达到a b s 控制的目 的，而状态之间的转换是有条件的，而这些条件就是防抱控制的逻辑判断，从以 上分析中得出，四种状态又分稳态与非稳态，状态在稳态与非稳态之间相互切换， 具体的转换需另建一些条件转换模块，在图2 9 中的下半部分，亦用虚线圈起， 即为条件转换的流程框图程序，块与块之间的跳变，称之为事件( e v e n t ) ，事件分内 部事件、外部事件、输出事件等，传输标签中的变量及数据，亦可分为内部数据、 外部数据、临时数据及工作间数据等等，事件与数据均在编辑菜单a d d 中添加。 由于a b s 是基于经验控制的，也即控制逻辑是条件语句i f , t h e n 形式建立的， 所以s t a t e f l o w 最适合于这种控制逻辑的实现。图2 9 为用s t a t e f l o w 建立的a b s 控 制器模型的控制逻辑，它是采用参考滑移率和车轮加减速度门限作为控制变量， 输出为电磁阀信号d i o ，输出量反馈给整车车辆模型，从而构成闭环控制系统。这 里控制逻辑是a b s 控制器的关键，其是否合理、效率如何直接关系到整个a b s 系统的控制效能。 整个s t a t e f l o w 模块构造成父子级状态模式，在a s rp r e 父状态中，包含名 称分别为s t a t e ( 标号1 ) 及l o g i c ( 标号2 ) 的两个子状态，这两个子状态具有“与” ( a n d ) 的逻辑关系；每个子状态内部也分别是父子级状态模式。这种结构 设计不仅实现了防滑制动控制功能，还使得控制逻辑结构清晰，非常便于调整参 重庆大学硕士学位论文 2 车辆模型的建立 数及观察复杂的状态跳变过程。同时，根据防滑制动控制规律，四个控制阶段， 在s t a t e f l o w 模块中分别表示为四个压力调节状态：s 0 ( 增压状态) 、s 1 ( 减压状态) 、 s 2 ( 保压状态) 、s 3 ( 小步长增压状态) ，其中s 0 、s 1 和s 2 为稳态，在l o g i c 中用 s b 统一表示；s 3 为非稳态，包含s z 和s j 两种子态，分别对应小步长过程中的增 压和保压控制，其在一个小步长循环中相对持续时间的长短，则由参数i 1 来调节。 在s t a t e f l o w 模型运行过程中，对应各状态执行d u r i n g ( 简写d u ) 行为，对电磁阀 信号d i o 赋以不同的值，以实现对制动管路压力的调节，达到防滑制动的目的。在 这里参考滑移率s r 的门限值采用的是经验值( 取值0 _ 2 ) ，可以实现更加精确的防 拖制动逻辑，达到更加理想的控制效果。 2 2 5m a t l a b s t a t e f l o w 工具箱编制a b s 制动控制要点 在防止抱死的制动控制中，制动压力的增加方式为，首次执行增压制动时， 压力的增加为小步长增压，以改善控制过程中的稳定性。具体实现是在图2 9 中设 置以本地变量i 1 ，i l 为无符号整数，其每一个数表示一个程序循环时间步长，本程 序设置增压时i 1 = 3 ，表示增压时间为3 个时间步长：3 x 0 0 0 5 = 0 0 1 5 秒，保压时间 为i l = 3 0 ，表示保压时间为3 0 个时间步长：3 0 x 0 0 0 5 = 0 1 5 秒。 其他三个轮胎的阀信号的s t a t c f l o w 的逻辑模块图，与前面描述的原理是一致 的，各块输出的阀信号通过m u x 整合到输出端口，这样，整个a b s 控制器的输 出信号电磁阀信号已全部由s i m u l i n k 模块完成输出。 这样a b s 控制器模型编制完毕，其作用就是根据车辆模型输入的车速及各 轮转速，经一系列的逻辑运算及判断后，输出控制制动系统压力的阀信号：车辆 模型根据输入的控制制动力的阀信号，来控制车轮转速，使轮胎滑移率达到期望 的摄佳值，从而完成制动防抱的控制功能。 2 2 6a b s 子系统模块的编制 a b s 控制器子系统模块( 图2 1 0 ) 包含有转换子模块( 将轮胎的轮速及车速 转换为轮胎的加减速度及滑移率) 及轮胎的制动防抱控制子模块。输入信号有： 车速、轮速，输出信号有：制动控制的电磁阙信号。 重庆大学硕士学位论文 2 车辆模型的建立 图2 1 0a b s 控制器子模块 f i g 2 1 0 s u b m o d u l co f a b sc o n t r o l l e r 图2 1 0 中的输出信号模拟计算制动控制防抱的阀信号，利用 m a t l a b s t a t e f l o w 工具箱编制了4 个c h a r t l c h a r t 4 状态流模块，以c h a r t l 为例 说明编制方法，图2 9 为s t a t e f l o w 的展开图。 该模块完成的主要功能是根据输入的车速及轮速信号，经一系列的模块逻辑 运算，最终输出控制车辆的制