硕士论文-汽车制动防抱系统研究与演示.pdf

Y7 7 4 0 6 4 分类号： 密级： 单位代码：1 0 0 1 c 学弓：S 0 2 5 8 5 飞嚼差- t 夭等。 学位论文 汽车制动防抱系统研究与演示 S t u d yo n A n t i - L o c kB r a k eS y s t e m ( A B S ) a n d D e m o n s t r a t i n gT e s tS y s t e m 研究生： 鱼盘堑 指导教 师： 龚窒盐耋丝 合作指导教师： 申请学位门类级别： 三堂塑 专业名 称：主堑王猩 研究方向： 堑丝交通 所在学院： 苎芏睦 2 0 0 5 年3 月 摘要 本文首先介纠了汽乍制动防抱( A B S ) 系统的发展历史和趋势，并对A B S 的控制策略进行了 研究和分析。重点设计和开发了A B S 研究与演示实验系统，该实验系统由动力传动部分，A B S 显示 模块，故障诊断模块和数据采集模块组成。 该实验系统主要解决了如下问题： 1 设计的动力传动系统较好的解决T N 动过程难以模拟的问题，具有一定的创新性。 2 开发了基于虚拟仪器技术的数据采集系统，可动态测试和分析制动减速度、制动距离、滑 移率等重要参数，可以对A B S 系统性能进行客观评价，为A B S 控制系统的开发提供了实验和验证 平台。 3 设计和开发了以单片机为控制核心的A B S 动态上作显示系统，全面演示A B S 系统工作过程 中油路、电路的变化过程以及不同的路面附着系数对A B S 系统的影响。 4 ，开发了A B S 故障诊断和测试系统。 通过实车制动试验和实验台制动试验的数据对比，证明该实验系统能较好地模拟实车的制动 过程，达到了设计的要求。 关键词：汽午制动防抱系统( A B S ) ，数据采集和分析，模拟演示 A b s t r a c t T h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h eh i s t o r ya n dt r e n do f A n t i - L o c kB r a k es y s t e m ( A B S ) o f c a ra n dh a d ad e e p l yr e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h ec o n t r o ls t r a t e g i e so fA B S - h e nt h i sp a p e rd e s i g n e da n d d e v e l o p e dt h er e s e a r c ha n dd e m o n s t r a t i n gt e s ts y s t e m ，w h i c hw a sc o n s i s to fp o w e rt r a n s m i s s i o nm o d u l e ， A B Sd e m o n s t r a t i o nm o d u l e ，f a u l td i a g n o s i sm o d u l ea n dd a t ag a t h e r i n gm o d u l e T h i st e s ts y s t e mm a i n l ys o l v e df o l l o w i n gp r o b l e m s ： 1 I t s u c c e s s f u l l ys o l v e dt h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fh a r dt os i m u l a t eb r a k ep r o c e s sb yp o w e r t r a n s m i s s i o nd e s i g n e dr a t i o n a l l y 2 D a t a g a t h e r i n gs y s t e mb a s e do nV i r t u a l I n s t r u m e n tt e c h n o l o g yw a sd e v e l o p e d ，w h i c hc a n d y n a m i c a l l yt e s ta n da n a l y z ei m p o r t a n t p a r a m e t e r ss u c ha sb r a k ea c c e l e r a t i o n ，b r a k ed i s t a n c e ，s l i p p a g er a t i oe t c ， 3 T h eA B S d y n a m i c a l l yd e m o n s t r a t i o ns y s t e mc o n t r o l l e db ym i c r o c o n t r o l l e rw a sd e v e l o p e d ，w h i c h c a nd e m o n s t r a t et h ec h a n g i n gp r o c e s s o f o i lp a t ha n de l e c t r i cc i r c u i ta n dt h ei m p a c t i o no n A B So f d i f f e r e n ta d h e s i o nc o e f f j c i e n t 4 T h es y s t e mo f f a n l td i a g n o s i sa n dt e s tw a sd e v e l o p e d T h et e s ts y s t e mw a sp r o v e dt h a ti tc a np e r f e c t l ys i m u l a t et h eb r a k ep r o c e s so fc a rb yt h et e s td a t a c o m p a r i s o nb e t w e e na c t u a lc a ra n db r a k i n gb e n c ha n dr e a c h e dt h eg o a l so f d e s i g n K e yw o r d s ：向B r a k eS y m m ( A B S lD a t ag a t h e r i n ga n da n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n dd e m o n s t r a t i o n I I 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文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，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。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。 研究生签名： 留腑兖儿7时间：弘印歹年多月够日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：名前艺也， 时间：炒歹年乡月) 步日 铷勰桫磊寻粒 一刖。 f 时间：o ? 一，年3 月鸪日 第一章绪论 1 1 汽车制动防抱系统( A B S ) 概述 随着汽车行驶速度的提高和道路行车密度的增大，对于汽车行驶安全性能的要求也越来越 高，汽午安全行驶系统就是在这种要求_ 卜产生和发展的。目前，汽车安全行驶系统已经成为汽车 向电子化发展的一个重要方面，制动防抱系统( A n t i l o c kB r a k i n gS y s t e m - - A B S ) 是汽车安全 行驶系统的一个重要组成部分。A B S 可在汽车制动时根据车轮的运动状态自动调节车轮轮缸的制 动压力，防l L 车轮抱死，使车轮与地面的摩擦力达到最大，缩短制动距离。同时又可避免后轮 侧滑和前轮丧失转向能力，保持汽车制动时的方向稳定性，以使汽车取得最佳的制动效能”1 。现 己成为中高档轿车、客车、货车的标准装备。 一、A B S 的发展历史 A B S 理论的提出是在1 9 2 8 年，在上世纪3 0 年代机械式制动防抱系统就开始在火车和飞机上 获得应用。当时汽车的行驶速度不高，人们对制动时车轮抱死的危害没有引起足够的重视，所以 车片 A B S 技术发展缓慢。1 9 3 6 年德国R o b e r tB o s c h 公司取得了A B S 专利权。它是由装在车轮上 的电磁式转速传感器和控制液压的电磁阀组成，使用开关方法对制动压力进行控制”“。 2 0 世纪4 0 年代末期，为了缩短飞机着陆时的滑行距离、防止机轮在制动时跑偏、甩尾和轮 胎剧烈磨耗，飞机制动系统开始采用A B S ，并很快成为飞机的标准装备。5 0 年代防抱系统开始 应_ 【I j 于汽车_ r 业。1 9 5 1 年G o o d y e a r 航空公司将A B S 装于载重车；1 9 5 4 年福特汽车公司在林肯 车上装用法国航空公司的A B S 装置。1 9 7 8 年A B S 系统有了突破性发展。B O S C H 公司与奔驰公 司台作研制山三通道四轮带有数字式控制器的A B S 系统，并批量装于奔驰轿车上。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A B S 系统的基础和基本模式。1 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A 1 3 S 系统。A B S 的市场占有率迅速上升。 8 0 年代中划以后，借助于电子控制技术的进步，A B S 的反应更为灵敏、成本更低、安装更方便、 维修更容易、价格也更易被中小型家用轿车所接受p “”。 如今，A B S 在发达国家的应用相当普遍，已经成为许多轿车、卡车年L | 运输危险品的货车、半 挂拖车的标准装备。1 9 8 7 年欧共体颁布一项法规，要求从1 9 9 1 年起，欧共体所有成员国生产的 所有新车型均需装备制动防抱装置，同时规定凡载重1 6 t 以上的货车必须装备A B S ，并且禁止无 此装置的汽车进口。日本规定，从1 9 9 1 年起，总质量超过1 3 t 的牵引车、总质量超过l0 t 的运送 危险品的拖印、在高速公路上行驶的大客车都必须安装A B S p “。 我国对A B S 的研究开始于8 0 年代初。目前，我国政府已制定车辆安全性方面的强制性法规， G B l 2 6 7 6 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性能和试验方法，决定首先在重型车和大客车上安装电子 控制式A B S 。强制要求到2 0 0 3 年时，汽车制动时车轮不抱死1 2 l 。G B 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行 安全技术条什又具体规定了必须安装的车型和时间。 二、A B S 的发展方向 中国农业大学母j 士学位论史第一章绪论 根据国内外的一些研究动态表明，A B S 技术将要按照以_ 卜 几个方面继续发展： 1 ) A B S 利驱动控制装置A S R 一体化。A B S 以防止车轮抱死为目的，A S R ( A n t iS l i pR e g u l a t i o n ) 是防止乍轮过分滑转，A B S 是为了缓解制动，A S R 是为了施加制动。由于二者技术上比较接近， 且都能在低附着路面上充分体现它们的作用，所以可以将二者有机地结合起来。 2 ) 动态控制系统v D c 。V D C ( V e h i c l eD y n a m i c sC o n t r o ) 主要在A B S A S R 基础上解决汽车 转向行驶时的方向稳定性问题。A B S 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控制系统在功能、结构上有机地结合起来。保证汽车在各 种恶劣情况卜行驶时，都具有良好的动态稳定性l l 。 3 ) 自动制动器。在汽车行驶过程中。当检测到前方有障碍物时自动进行制动，与A B S 结合 起来能够进一步提高行驶安全性。 4 ) A B S A S R 系统与A C C ( A d a p t i v eC r u i s eC o n t r 0 1 ) 系统集成形成A B S A S R A c c 集成化系 统。A C C 是车速自适应控制系统，是近剥发展的又一项土动安全技术。它可使汽车保持一定的安 全乍距，主动避免碰撞事故的发生。A C C 是A B S A S R 技术的自然延伸。目前A B S A S R A C C 集成 化系统研究尚未见报道，本实验室目前正在进行这方面的研究，已经取得初步的成果。 5 ) 在A B S 的基础上发展起来的电子制动系统( B r a k i n g b y w i r e ) 1 3 0 1 ”1 可以取得更好的制动 效果。其中，电子机械制动系统( E l e c t r o n i c M e c h a n i c a l B r a k i 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，作动机构是电动机，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”】。 6 ) 在A B S 系统中嵌入电子制动力分配装置( E l e c t r o n i cB r a k eF o r c eD is t r i b u t i o n - - E B D ) ， 构成了A B S + E B D 系统。E B B 的功能就是在汽车A B S 开始制动压力调节之前，高速计算出四个轮胎 与路面间的附着力大小，然后调节制动器制动力，达到制动力与附着力的匹配，进一步提高车辆 制动时的方向稳定性，同时尽可能地缩短制动距离“。 7 ) 在A B S 系统的基础上扩展成车速记录仪( V e h i c l eS p e e dR e e o r d e r - - V S R ) ，义称汽车黑 匣子，该装置通过实时采集的四个车轮轮速信号，再现交通事故发生过程中汽车的实际运行轨迹 和驾驶员对车辆的操作情况。以便于公安交通管理部门能准确判断事故的责任。 三、A B S 的控制方法 汽车制动防抱系统的控制方法是非常关键的一个环节，由于车辆系统本身的复杂性、实际制 动工况的不确定性、控伟0 系统的实时性要求等因素的影响，目前国际上普遍采用的仍是逻辑门限 值控制方法7J J 。逻辑门限值控制方法由于不涉及系统具体的数学模型，对于非线性系统的控制应 用较为简单，但控制系统的各种门限值及其它参数都是经反复试验得出的经验数值，而无充分的 理论根据，对系统的稳定性等品质无法评价。 随着现代控制理论和人工智能等学科的快速发展，近年来许多学者试图将模糊控制理论、神 经网络、最优控制理论等先进控制技术应用到汽车制动防抱系统中，但由于理论的不成熟以及算 法过丁复杂等条件的限制，实际的A B S 产品采用现代控制方法的时机还不成熟，但是围绕其进 行的理论研究仍具有很高的实际参考价值。 四、A B S 的实验研究 目前，基于逻辑门限值控制方法的A B S 控制软件开发均建立在大量的试验基础上，开发周 2 中国农业人学硕士学位论文第一章绪论 划较长，需要花费大量的资金和时间。为此，近年来高速发展的计算机仿真技术在A B S 控制软 什的开发和研究中的运用得到了高度重视，许多学者也开展了相当多的研究工作，将车辆系统、 运行条什及控制逻辑等参数的设置和调试完全移植到计算机上进行，实现复杂J ：况下的仿真研 究。 最近儿年来，国外为了加快A B S 的开发进程，研发了A B S 实验台【“l ，通过台架试验调试 A B S 的控制软件，使A B S 在台架上调试成熟后再进行道路试验，较大程度的缩短了A B S 的开发 周期，减少了开发费用，但台架试验对A B S 的性能考核是不全面的，因此，如何高效、低成本 地进行A B S 控制软件开发仍是研究的一个重点。 而我们国家在开发A B S 实验系统方面起步较晚，目前国内的试验系统主要分为三个层次：最 简单的实验系统主要削于高校的教学，通过制动时液压系统油路的油压表指针的摆动，显示A B S 系统是否发生作用：第二个层次，是在能够显示油压表指针摆动的同时，进行故障设置，验让A B S 的E C U 自诊断功能：最高层次的A B S 实验系统，不但能实物演示A B S 的制动过稗“不抱死”的机 理，而且有单片机控制系统显示油路中油压的变化情况。总之，国内在A B S 的实验台研究方面， 尚停留在纯粹满足教学演示方面，而对A B S 控制方法的试验台研究方面，与国外的差距很大，所 以在本文中尝试一种半物理仿真试验台，既能满足教学中，对A B S 系统_ 上= 作的演示功能，故障设 置，同时义可以进行对A B S 控制软件的研究和开发。 1 2 论文选题的目的和意义 A D S 系统在保持汽车制动时的方向稳定性和有限度地缩短制动距离，提高汽车制动安全性方 面作用明显，使得全世界对A B S 的麻用都非常重视。A B S 作为现代汽车的项关键性技术，它具 有广阔的发展前景。 目前国际上A B S 在汽车上的应用越来越广泛，已成为绝人多数类型的汽车的标准装备，北美 和两欧的各类客车和轻型货车A B S 的装备率已达9 0 以上轿车A B S 的装备率在6 0 左右，运 送危险品的货车A B S 的装备率为1 0 0 。我国有许多轿车也已装备A B S 系统，G B l 2 6 7 6 - - 1 9 9 9 汽 车制动系统结构、性能和试验方法对汽车的制动性能要求严格，具有关于汽车制动时车轮不抱 死的强制要求。我国汽车工业发展规划中把A B S 技术开发应用列为第一条。但都未有自主的知识 产权1 。 面对激烈竞争的国际和国内的汽车市场以及我国汽车工业的现状，我们有必要加强在汽乍专 业教学中对A B S 的学习和认识，而本课题开发出的实验系统，就是学生学习A B S 的结构、原理、 故障诊断的良好平台。我们更有必要引导学生学习开发质优价廉、具有自主知识产权的A B S 系统， 从而提高我国汽车的整体技术含量，提高我们汽车行业从业人员的整体水平，更可以提高中国汽 车同国外汽车的竞争力，扩人市场份额，成为一个新的经济增长点，所以，本文的研究具有显著 的社会意义和经济意义。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文研究的主要内容 本课题的研究对象是汽车制动防抱系统，除了对A B S 进行理论研究外，还开发出了用于教学 实验和A B S 软件开发的实验台系统。本文研究的主要内容包括： 1 ) 分析和研究A B S 的各种控制方法，尤其是现在已经成熟和比较常用的逻辑门限值控制方 法、新出现的模糊控制方法、最优控制方法等，比较各种控制方法的优缺点。 2 ) 研究确定A B S 半物理仿真试验台的设计方案，并加上制作、安装和调试。以满足实验和 开发的需要。 3 ) 自行设计制作单片机控制A B S 工作显示系统并进行安装调试。 4 ) 白行设计制作A B S 试验台的数据采集和分析系统，通过编写的软件，完成对A B S 制动系 统工作过程的数据采集和分析，并进一步研究其控制逻辑。 本实验系统，将A B S 系统上作过程演示和理论研究结为一体，不但能全面演示A B S 系统1 二作 过程中油路、电路的变化过程，不同路面附着系数对A B S 系统的影响，而且作为一个开放的系统， 能够定量的进行A B S 控制过程控制逻辑的研究，从而修正和改进A B S 的控制策略和控制逻辑。 1 4 本课题研究的重点和难点 在以上的工作内容中，重点在二个方面： 一、开发合理的模拟实车制动过程的实验系统? 目前在国外已经有A B S 仿真试验台的介害；f ，但是资料很不全面。我国在A B S 实验台的研究方 面起步较晚，主要还是以演示为主，只能反映A B S 起作用的时候，油压是波动的，但是并不能完 全表现出A B s 不抱死的具体过程，也就是不能进行定量的分析和研究。 1 通过惯性轮设计，模拟实车制动时汽车的质量。使A B S 实验台制动过程延长，便于对A B S 制动过程进行细致的分析。 2 通过可调接触压力的摩擦传动机构，模拟不同附着系数路面对车轮的作用。合理表现出 不同路面对制动过程的影响。 二、如何开发更可靠、精确的数据采集系统? 使本试验台不仅有演示功能而且有研发功能。 无论采用何种控制方法，输入参数都是车轮的速度。控制逻辑根据车轮速度的变化，判断车 轮是否将要抱死，进而施加相应的控制。所以车轮速度采集的精确与否，采集系统是否稳定，都 将直接影响到控制结果的好坏。开发更稳定，采集精度更高的数据采集系统，是此课题中的一个 重点和难点。另外，数据采集结果的分析模块，是最终判定整个实验系统成功与否的关键，所以 软什的编稃也十分重要。 本实验系统采用研华P C i l 7 1 6 数据采集卡，1 6 位A D 转换器，采样速率2 5 0 1 0 1 z 。该采集卡 有较高的采集速率和精度并有强大的数据分析功能，能够满足研发的需要。 4 中国农业大学硕士学位论文第二章A B S 控制技术研究 第二章A B S 控制技术研究 2 1 汽车制动防抱系统( A B S ) 的理论基础 一、轮胎一路面附着特性 在良好的硬路面上制动时汽车车轮受力状况如 图2 1 I l ”所示。图中T “是制动器制动盘与制动钳之 F 问的摩擦力矩；F x b 是轮胎与地面之间作用的地面制 动力；w 是汽车车体作用于车轮的垂直载荷；F 。是 下轴作_ L j 于车轮的推力；F ：是地面对车轮的法向图2 1车轮制动时的受力 反作用力；v 是车体速度；珊是车轮转动角速度，r 是车轮半径。 若定义制动器制动力Fu 为作用于车轮周缘上克服制动器摩擦力矩T “所需要的力，则 L = T 。r ( 2 1 ) 式中，r 为车轮的滚动半径m ；T “为摩擦力矩，N m ；其值由制动器结构参数和轮缸压力 所决定，其人小取决丁- 制动器的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数、制动踏板力等。，。 为制动器制动力，N 。 使汽车减速停止的外力是地面作用于汽车轮胎上的地面制动力F 女。地面制动力取决r 两对 摩擦副的摩擦力：制动器内制动盘与制动钳之间的摩擦力；轮胎与地面间的摩擦力。 汽车被施以制动时的运动方程为： F “xr T “= J ( b ( 2 2 ) 式中，r ，T “的意义同式( 2 - - 1 ) ；F x b 为地面制动力，N ；J 为车轮的转动惯摄，k g m 2 ：西为车 轮的角减速度，r a d s 2 。 二、滑移率五 汽车被施以制动时，车身速度由于轮胎与路面间摩擦力的作_ H j 而减小，7 F 轮角速度由于制动 器的摩擦力矩和地面制动力产生的力矩共同作t j 而减小，车轮与车身产生速度差，制动车轮产生 滑移现象，用滑移率五来表示车轮滑移的程度，即： A ：! 二坐1 0 0 ( 2 3 ) V 式中，五为滑移率；v 为车体速度，m s ；为车轮角速度，r a d s ：r 为车轮半径，m 。 汽车制动时，轮胎所受的纵向力只、侧向力F ，与制动滑移率且之间存在着密切的关系，纵 向附着系数以及侧向附着系数以与滑移率五之间的关系曲线如图2 - 2 所示。 5 中国农业人学顶上学位论文第二章A B S 控制技术研究 丑) 图2 - - 2 附着系数一滑移率曲线 当车轮自由滚动时( = 0 ) ，纵向附着系数为零而侧向附着系数最人，而后随着滑移率增大， 纵向附着系数急剧增大。一般情况下，在丑= 1 0 2 0 时纵向附着系数达到最大值，侧向附着 系数较人，此时的滑移率称作 。，与之对应的最大纵向附着系数叫做峰值附着系数。滑移率 再增加时纵向附着系数有所下降，车轮出现不稳定状态。五= 1 0 0 时，纵向附着系数的值称为滑 动附着系数。侧向附着系数随着滑移率的增大一直F 降，五= i 0 0 时，侧向附着系数较小， 在低附着路面上，侧向附着系数降到很低。 根据附着系数与滑移率的关系可得到如下结论”w ： 1 ) 滑移率五= 1 0 0 时，除疏松雪路面外，纵向滑动附着力没有峰值附着力大，侧向附着能 力较小。在附着状况不好的路面上制动时，往往失去方向稳定性与转向操纵性。汽车在疏松雪路 面上制动时，由于拥雪现象的产生，纵向滑动附着力有所增人。 2 ) 滑移率兄= 1 0 2 0 的范围内( 这一具体范围值与路面状态、轮胎结构、轮胎侧偏状况 等有关) ，可以同时得到较大的纵向和侧向附着力，是安全制动的理想工作区域。汽车A B S 调节 的理想目标就是把车轮滑移率始终维持在侧向附着系数较大、纵向附着系数最大的滑移率值领 域，从而使得： ( 1 ) 有效地利用轮胎与路面间的附着条件。提高制动效能，有限度地缩短制动距离。 ( 2 ) 制动过程中保持转向能力，防止侧滑发生，保证制动时方向稳定性。 ( 3 ) 避免轮胎的拖死拖滑，减少胎面磨损，提高轮胎使用寿命。 3 ) 滑移率从零到最大纵向附着系数对应的滑移率旯。的范围为稳定制动区域。其传递函数 G ( 毋为： 似印2 应 2一i 一( 一4 ) ，。V 式中， 日为制动力矩增长速率，N m s ；，。为车轮转动惯量，k g m 2 ；p 为车体速度，r i g s ；t 为 车轮法向作用力，N ；r 为车轮半径，m ；K 的表达式为： 6 中国农业大学倾I 。学位论文第二章A B S 控制技术研究 K ：堕 2 5 式中，五。为最佳滑移率，：为峰智融着系数。 特征根为： s ：一堡 o ( 2 - 8 ) ， 7 从式( 2 - - 8 ) 可以看出，该系统是不稳定的。五一旦超过丑。后便会很快进入到车轮抱死状 态( 丑= 1 0 0 ) 。根据一些测试数据，这段时间只有0 2 秒左右。 5 ) 实际的轮胎附着系数一滑移率曲线与轮胎构造、道路状况、路面状况、载荷状况和午速 等冈素有关。 汽车的轮胎一路面模型对于汽车制动过穰的理论分析是非常重要的“，国内外学者对轮胎一 路面特性作了大量的研究T 作”“，普通轮胎在潮湿路面、雪路面段结冰路面上制动时，水、雪、 冰等起到润滑作用，轮胎的附着系数显著降低。道路状况除了与路面覆盖物有关外，还与道路走 向有很人关系，在弯道路面上，由于轮胎侧偏角的存在，轮胎附着系数一滑移率曲线的形状发生 改变，侧偏角越大，轮胎峰值附着系数越小，对应的滑移率越大。载荷对轮胎附着一滑移率系数 曲线有一定影响载荷增夫，轮胎峰值附着系数及其对应的滑穆率有所减小。车速对轮胎附着 滑移率系数曲线也有一定影响，速度增高，轮胎峰值附着系数有所减小对应的滑移率有所增大 ”，如图2 3 图2 - 6 所示。 7 中国农业大学硕士学位论文第二章A B S 控制技术研究 图2 3 不同路面纵向附着系数曲线图2 4 侧偏角对路面纵向附着系数的影响 图2 5 车速对路面纵向附着系数的影响图2 6 载荷对路面纵向附着系数的影响 2 2A B S 控制方法【9 】 A B S 的目的就是控制车轮制动滑移率，使滑移率保持在五，的附近，以使车轮与路面的附着 系数保持在峰值区间。当滑移率到达五。之前，制动器制动力迅速增加，以减少到达最大附着系 数的时间。车轮的旋转超过稳定界限( 从稳定区域进入不稳定区域) 时，即滑移率超过旯。后， 迅速并适当减少制动器压力，使制动器力矩稍小于路面提供的力矩，使车轮旋转恢复到接近稳定 界线的稳定区域。车轮的旋转重新达到稳定界限时，一边逐渐提高制动器压力，一边尽量保持车 轮旋转状态接近稳定界限附近。使车轮在较窄的滑转率范围内旋转，充分保证汽车的操纵性和方 向稳定性。 A B S 的控制逻辑有多种，根据现代控制理论对汽车电子制动防抱的控制，可以提出多种先进 的优化控制方案，如“最优化控制方式”和“滑模动态变结构控制方式”等”。根据它们各自的 建立的控制模型及分析计算，用这些控制方式来实现的A B S 系统虽然具有极其优异的制动防抱性 能。但均需要实时的确定车体的运动速度。汽车制动过程中，车体速度与车轮速度并不相等，通 过轮速间接地求取车速，准确性和实用性上都不能满足这些控伟方式的要求。能满足这些要求的 8 中国农业大学坝七学位论文 第一章A B S 控制技术研究 车速传感器( 如多普勒仪) ，由丁其相对成本太高而不可能采用。另外，实现这些控制方式的电 伺服机构也比较复杂。 一、逻辑fJ 限值控制”“】 逻辑f 限值控制方式主要以车轮加速度为控N i 。1 限，开附加一些辅助参考门限是目前广泛 采用的控制方式。德国的B o s c h 公司所使用这种控制方法，在实用的A B S 系统中有较好的制动防 抱效果。逻辑门限值控制方式的优点是： 1 ) 不涉及具体的控制数学模型，从而免去了大量的数学计算，使防擒控制这复杂的非线 性问题得以简化。 2 ) 所需的控制参量较人，省去了车速传感器，使系统结构简单，成本大大降低。 3 ) 执行机构也较易实现。 逻辑门限值控制方式的缺点是：系统的控制逻辑比较复杂，控制不够平稳，且以此方式完成 的A B S 装置各类车型之间的互换性很若。因此，在开发新的A B s 装置时，需要较多的时间和大量 的试验来调整控制参数。 二模仿控制方法”3 。“ 为了进步提高控制性能，使其适应各种车型、各种路面及运输条件，扩大A B S 装置的使用 范围，有人义在逻辑门限值的基础上提出了模仿控制。所谓模仿控制是在控制过程中，记录前一 控制周期即从制动减压到增压中的各种参数，再按照这些参数值规定出下一个控制周期的控 制条件。此种控制方式能更准确地识别各种路面，对每一种制动装置所产生不同的滞后量一即制 动压力和制动力矩之间存在的滞后量能予以相应的修正，同时还能对不同挡位所产生的不同的转 动惯基的影响加以修正。因此无论在什么路面或行驶条件下，都能把车轮的旋转状态控制在非常 狭窄的滑移率变化范围内，实现近似理想制动控制。 三、最优控制方法”“2 ” 最优控制是基于状态空间法的现代控制理论方法。它根据车辆一地面的数学模型，用状态空 间的概念。在时间域内研究防抱系统，因而是一种分析型系统。该方法根据防抱系统的箨项控制 要求，按晟优化原理，可计算出控制系统的最优指标。在最优控制中把一兄曲线峰值处的车轮 速度作为系统的期望输出值。显然，期望值在制动过程中是随时间变化的，因而需要设计跟踪系 统，使系统实际输出的是跟踪期望输出值。最优控制是基于数学模型的控制方法，因而控制系统 的优劣，大大依赖丁- 车辆一地面系统数学模型的精度。因数学模型与实际工况有着一定的差距， 以及风阻、滚动阻力、部件转动惯量以及路面状况等参数精度方面的影响，因而最优控制理论方 法的操纵质量很难把握，在实际应用中有很人的难度，因此现在A B S 控制系统一般不采用这种控 制方法。 四、模糊控制方法“7 2 “ 模糊控制是建立在人类思维模糊性的基础上，模糊控制与传统控制有着本质的区别。它不象 经典控制那样需要用精确数字所描述的数学函数，也不象现代控制理论那样需要用矩阵表示状态 方程。模糊控制的核心是在于它用具有模糊性的语言条件语句，作为控制规则去执行控制。控制 规则往往是由对被控过程十分熟悉的专门人员所给的，所以模糊控制在本质上说是一种专家控 制，这种控制规则充分反映了人的智能活动。模糊控制在A B S 上的应用是A 8 s 控制方法的一个新 的发展方向，它根据制动专家的经验和试验结果，将汽车制动的复杂的过程提炼成语言规则，设 O 薹尘坚呈量呈薹些圭耋尘垒鋈圣詈詈詈詈墨量一 差三耋i ：兰型基銮譬空 计模糊控制器，根据这些语言规则，来进行制动控制。这种控制方法不需要复杂的车辆一地面数 学模型，也不需用人量的试验来确定一大串的门限值，因而在控制实现上有一定的优势。但是由 丁目前模糊控制在理论上不够完善，以及专家经验的不足和控制规则的过于简单，在A B S 的控制 效果E 还是不太理想，尤其是在控制过程持续变化的情况下，模糊控制的适应性和控制的稳定性 都还不能满足A B S 安全性的要求。但是，模糊控制和神经网络控制肯定是A B S 控制方法朱来的发 展趋势”。 再、滑模变结构控制方法”“” 滑模变结构控制方法是以经典的数学控制理论为基础的一种控制方法，这种控制能增强系统 的不确定性雨I 岁 部的扰动对控制器的抗干扰能力，它具有很强的内在白适应性。滑模变结构属于 一类特殊的非线性控制系统，其结构根据系统当时的状态、偏差以及导数值，在不同的控制区域， 以理想的开关的方式切换控制量的大小和符号，使系统在滑移曲线很小的邻域内沿滑移换节曲线 滑动的控制方式。系统由受控对象和一个变结构控制器组成，控制器中含有一个逻辑环节，它操 纵控制器结构的变更，进入滑移换节曲线后，就与系统的结构及扰动无关。 对于防拖系统来说，所选择的滑移换节曲线，是车轮实际滑移率与理想滑移率之差，即 盯= z 厶= 0 。一般汽车制动过程中单个车轮的数学模型可表示为： 1 ，m = M 一胄F4 - M ，( 2 - 9 ) M V = F 。- I - F vL 2 - - 1 0 ) 式中，J 为车轮的转动惯量，k g m 2 ；国为车轮角减速度，r a d s 2 ；M 。制动器制动力矩，N m ； 亓为车轮半径，m ：f 为地面对车轮的水平作用力，N ； ，为地面对车轮的滚动阻力矩，N I n ， 为作用在车轮上的汽车质量，k g ；矿为车体减速度，m s 2 ；F ，为乍体受到的迎风阻力，N 。 滑模变结构的被控对象制动器的制动力矩应满足： 一r 蟛( 盯) 盯 0 ( 2 1 1 ) M ；( 盯) 和M i ( 盯) 分别为由控制器、电磁阀及车轮制动器组成的调节系统所决定的两种不 同的制动力矩状态( 如增加和减少状态) ，实现的控制方式就是通过采用不同的制动力矩使实际 滑移率控制在理想滑移率领域内。 滑模变结构的主要缺点是在换节线附近切换时，由于系统的惯- 睫，在滑动运动中叠加有一个 抖动，影响制动的平稳性。而且此控制方法也是基于模型的控制方法，所以算法比较复杂，在实 际应用中也受到了很大的限制。 2 3 基于车轮角加、减速度门限值的基本防抱逻辑 尽管各种A B S 的结构形式和工作过程不同，但基本工作原理基本相同【9 J ，都是通过轮速传感 器去感知制动轮每一瞬时的运动状态，并根据其运动状态相应地调节制动器制动力矩的大小，避 免车轮的拖死，因而是一个闭环制动系统。其控制原理见闰2 7 。 l O 2 3 1 基本控制策略 囤2 - 7A B S 控制原理 成熟的防抱控制产品采用逻辑门限的方法，其基本的原理是利用车轮加减角速度门限及参考 滑移率构成，防抱逻辑使滑移率在车轮峰值附着系数附近处波动，从而获得较大的车轮纵向和横 向力，使车辆同时具有较短的制动距离和制动稳定性。 制动防抱基本原理如图2 8 。在制动的初始阶段，制动压力上升，车轮产生制动减速度。当 车轮达到某一减速度值( 即A 点) ，说明车轮有抱死倾向，车轮状态己处于不稳定的区域，此时 则命令制动力矩减小。这时车轮由于惯性及机械系统滞后仍有一段制动减速度下降，随后制动减 速度开始上升，最终产生车轮角加速度。这表明车轮已恢复到稳定的车轮特性区域如果继续降 低制动乐力，就会导致车轮附着力减小，并最终使制动力丧失。而当车轮达到稳定区域时，希望 车辆尽可能多地停留在这一区域内，这样制动力和横向力都较大。所以，当车轮运动状态达到一 定的加速度门限后。制动压力进行保持，这时车轮由于惯性的原冈加速度会继续上升一段时间， 然后是F 降趋势。这时如果不改变制动压力状态，维持保压，车轮减速度比较小，达不到峰值附 着系数，则制动距离长。所以当加速度下降到某一门限时，制动压力耍重新开始增加，为使制动 状态能较长肘间地停留在稳定区域内，则采用交替式的增压保压，获得不同的压力增加率，得到 堆优的制动效果。 中周农业大学硕J 二学位论文第二章A B S 控制技术研究 2 3 。2 特征值分析c 9 J I 弋 堡一 、 一一 一氟丢i 一 一 B ，厂j 、 C 人 一一二 。土 A 、 图2 8 汽车防抱控制过程示意图 时间 门限值控制法大多选择加、减速度fJ 限作为主要门限，以滑移率作为辅助门限。冈为如果单 独采用其中的任何一种f 、J 限进行车轮防滑控制都存在着较人的局限性。例如，仅以车轮的加、减 速度作为控制J 限时，当汽车在湿滑路面上高速行驶过程中进行紧急制动时，在车轮的滑移率较 小时，车轮的减速度就可能达到控制门限值，从而影响制动力的充分发挥。如果以滑移率作为单 独的防抱控制门限时，由于路况的不同，最佳滑移率五将在0 0 8 o 3 之间变化，选择一种固定 的滑移率作为门限，就很难在各种路况下得到最佳的控制效果。而对于驱动车轮，如果制动时没 有分离离台器，由于车轮系统存在着很大的转动惯量，义会造成车轮滑移率已进八不稳定区域而 车轮的减速度却仍未达到控制限值，这都会严重地影响控制效果。 因此，需要将两种门限结合起来，以辨识不同路况，进行自适应的控制。在决定滑移率时， 需测车体速度。测车速可用多普勒雷达测速仪或加速度传感器，但费用高。西欧W A B C O 和B O S C H 等公司的防抱系统，都是用车轮转速，通过设定的车体减速度值算出参考车速，再求出参考滑移 率。根据制动过程中加减速度和参考滑移率的变化，以及已经确定的门限值来进行防抱控制。这 样，设定的车体减速度值是否台适，将直接影响控制系统品质的优劣，车体速度需用较多的试验 才能比较准确地估计出。 在A B S 系统的早期发展过程中，B O S C H 公司做了比较多的开发工作，目前的大多数实用的A B S 系统多是以这一系统发展而来的。因而下面以典型的B O S C H 防抱系统为例，说明其| 作过程。首 先设定系统的加减速度门限( a ) ，参考滑移率门限( 五为下限，五，为上限，且以 ) ，分二 种路况进行分析。 一、高附着系数路面的控制 高附着系数路面的控制过程如图2 9 所示。在制动初始时，如果测得的车轮角减速度低于 角减速度门限一a 时，取此刻车轮速度作为车体的初始参考速度v 。，。此后，车体参考速度v 。， 依据车体减速度一j 计算，即”R 。，= o R 。f o j t ，由此可算出任一时刻的参考滑移率。在制动初 始阶段，为使车辆避免在稳定区域内进入降压阶段，这时还要比较滑移率。如果2 咒。，确保 车轮进入芦一丑轮胎峰值附近的不稳定区域。然后，将电磁阀开启到减压状态，进入到第3 个阶 段。由于减压，车轮角减速度开始回升。当车轮角减速度高于一afJ 限时，电磁阀开启到保压位 置进入第4 阶段。由于制动系统的惯性和制动液压系统所保持的压力，使此时车轮速度继续上升， 角减速度由负值增加至4 正值，甚至超过角加速度门限值+ a 。为了适应高附着系数路面附着系数 的突然增加，可咀设定第二角加速度f J 限+ A 。在给定的保压时间内。如果车轮角减速度不能 超过| 、J 跟值+ 8 ，则属于低附着系数路蔼的情况：如果超过门限值+ a ，则继续保压，此时会出现 两种情况一是出现附着系数突然增加的情况，角减速度超过+ A 。门限；二是角减速度再次低 下+ a 门限。对于前者，要进行次增压，以适应附着系数的增加，肓至角减速度低丁+ A 。门限， 再次保压至低于+ a 门限。对于后者，说明车轮进入一五曲线峰值附近稳定区域，并稍有制动 不足。冈此，两种情况的角减速度都可低于+ a 门限，进入稳定区域。由于“一五曲线峰值附近 的附着系数比较大，要使在这一区域内的制动时间尽量延长，因此制动压力采用小的上升梯度， 通常较初始压力梯度小得多。电磁阀以增压一保压的的方式不断切换，直到车轮减速度再次低于 一a 门限。此时，不再考虑fJ 限，进入卜一循环的制动防抱，即这一循环结束。 图2 9 高附警系数路况下的制动防抱控制 二、低附着系数路面上的控制 在低附着系数路面上的控制情况如图2 1 0 所示，其制动防抱过程的第1 、2 阶段与在高附 着系数路面时相同。在进入第3 阶段后，在给定的保压时间内，由于附着系数低，车轮速度回复 很慢，故无法达到+ a 门限。为使系统稳定，采用较小的减压梯度，直到车轮角减速度超过十a 门限，此时进入第4 阶段，进行保压( 与高附着系数路面相同) 。保压至车轮角减速度再次低于 + a 门限，卜一阶段就是采用鞍小梯度的增压方法使车轮减速度再次低于一a 门限，此时就开始 进入F 一循环的制动防抱了。高、低附着系数路面的识别，关键在于保压阶段时在给定的时间段 里车轮角减速度是否能达到+ a 门限值：根据识别出的路况不同，施加不同的防抱控制逻辑。 中国农业大学硕士学位论文第二章A B S 控制技术研究 X I攀“” 吣? 一一钐 游 I卜 l l l I 州 W ! I - ，! i 。J I ； 。 。党3 t ll ： 一lP 图2 - - 1 0 低附着系数路况下的制动防抱控制 三、由高附着系数路面跳跃到低附着系数路面上的控制 在制动防抱过程中，有时会山现路面由高附着系数过渡到低附着系数的情况，如由千柏油路 剑结冰路面。在这种情况下进行制动防抱控制，就要考虑其控制可靠性( 见图2 一I I ) 。假设在制 动防抱的上一循环的晟后阶段结束而卜- 一循环刚开始时，路况突然由高附着系数变化到低附着系 数路面，此时制动油路的压力仍保持在上一制动防抱循环中处于高附着系数路况时的高压。由丁 本循环中的附着系数比较小，因而在第2 阶段( 减压阶段) 就会出现车轮滑移率分别超过五、 五，N 限的情况。因此，在此阶段车轮角减速度从低于一af 、J 限变化到再高于一a 门限时，要判断 一下车轮滑移率是否超过五，。如果超过五，则说明车轮处于一五曲线的不稳定区域，此时 不应进行保压而是继续减压，育至车轮角减速度高于+ a 门限。其后的控制方式与前述相同，即 进行保压阶段，直到车轮角减