硕士论文-基于labview的汽车防抱死系统设计与仿真.pdf

华北电力大学（保定） 硕士学位论文 基于LabVIEW的汽车防抱死系统设计与仿真 姓名：杨欣 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：韩庆瑶 20041222 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 汽车制动防抱死系统( 又称A B S ，是A n t i 1 0 c kB r a k i n gS y s t e m 的缩写) ，是一 种在传统制动系统基础上，融合了先进的电子控制技术和液压控制技术的机电液一 体化控制系统。它能够显著提升汽车的制动性能，使整车的主动安全性得到很大提 高。本文对A B S 系统的基本原理、控制方法、工作过程和仿真试验技术做了全面的 分析研究，在此基础上，设计了由前向通道、后向通道和控制单元三部分组成的A B S 系统，以L a b V I E W 图形化编程语言为开发工具，编制了系统控制软件，并对刹车效 果进行了仿真验证。本着“创建一步，测试一步，验证一步”的设计理念，使用本 系统进行A B S 系统的开发，能提高开发效率，缩短新产品的研发周期。 关键词：汽车，防抱死，L a b V I E W A B S T R A C T B a s e do nt r a d i t i o n a l b r a k i n gs y s t e m ，t h eA n t i - l o c kB r a k i n gS y s t e m h a sb e e n d e s i g n i n g a sa na d v a n c e d m e c h a n i c a l - e l e c t r i c a l h y d r o k i n e t i cs y s t e m ，w h i c h s h o u l d e n h a n c et h eb r a k i n gp e r f o r m a n c ea n dt h ea c t i v es a f er e l i a b i l i t yo fv e h i c l e s I nt h i sp a p e g an e wA n t i l o c kB r a k i n gS y s t e mw a sf o u n dt h r o u g hd e t a i l e dd i s c u s s i o no nt h eb a s i c f u n d a m e n t a l ，c o n t r o lm e t h o d ，w o r k i n gp r o c e s sa n ds i m u l a t i n gt h e o r y w h i c hc o n s i s t so f f r o n tc h a n n e l ，r e a rc h a n n e la n dc o n t r o lu n i t T h ec o n t r o ls o f t w a r ed e s i g na n ds i m u l a t i o n w a sf i n i s h e dw i t hL a b V I E W ( L a b o r a t o r yV i r t u a lI n s t r u m e n tE n g i n e e r i n gW o r k b e n c h ) W i t ht h ed e s i g nm e t h o do f “f o u n db yt e s t b yv e r i f y ”o ft h i sd e v e l o p i n gs y s t e m ，t h e d e s i g np e r i o do f A B Sp r o j e c ts h o u l db ev e r ys h o r t e rt h a nb e f o r e Y a n gX i n ( M e c h a t r o n i cE n g i n e e r i n g ) D i r e c t e db yp r o f H a nQ i n g y a o K E Y W O R D S ：v e h i c l e ，A B S ，L a b V I E W 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于L a b V I E W 的汽车防抱死 系统设计与仿真，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之 处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他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。 学位论文作者签名：二轻乙址日 期：立! 堡业 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印，缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盈丕延 导师签名：监! ：焦 臼期：垂! ! ! ：堡：墨 华北电力大学硕士学位论文 1 1 本选题的目的及意义 第一章绪论 汽车在进行制动特别是紧急制动时，往往会使部分或全部车轮停止转动，即车 轮不是在地面上滚动，而是滑动，此时称车轮处于抱死状态。若转向轮抱死，汽车 将失去转向操纵能力，而只能按惯性力方向运动，致使汽车在制动过程中无法躲避 行人、障碍物。如果此时正处于弯道上，汽车就有可能从路边滑出或闯入对面车道。 当后轮抱死时，后轴极易受侧向力干扰而出现侧滑，使车轮制动时的方向稳定性变 差，严重时会使汽车急剧回转甚至掉头。另外，当车轮处于抱死状态时，轮胎与地 面之间的滑动会破坏地面的附着条件，以至地面和轮胎之间无法形成足够大的摩擦 力，从而加大了制动距离，并使轮胎磨损加剧，甚至破裂。汽车防抱死系统，又称 A B S ( A n t 卜l o c kB r a k i n gS y s t e m 的缩写) ，就是为了解决这些问题而设计的一种 自动控制装置。 在汽车制动过程中，A B S 可自动调节各车轮制动压力的大小，防止车轮抱死， 从而有效改善制动性能，提高制动减速度，缩短制动距离，有效提高汽车制动时的 方向稳定性和正常转向能力，防止侧滑和甩尾。由于没有了滑动摩擦，轮胎的局部 磨损也大大减轻，使用寿命得以延长。另外，由于A B S 操纵方便、工作可靠，制动 时只要把脚踩在制动踏板上，就能自动进入工作状态，在下坡时或雨雪天路滑时， 驾驶员再也不需要用一连串点刹方式制动，A B S 系统会自动使制动状态保持在最佳 点，从而减轻了驾驶员的工作强度，提高了乘坐的舒适性，也有效减少了交通事故 的发生。 由于歇美、韩目等汽车生产厂家对A B S 技术实行高度垄断与封锁，既不与发展 中国家企业合资合作，又不进行技术转让，将产品的核心技术牢牢掌握在他们手中， 令国内汽车生产厂家和汽车零部件生产、制造企业对汽车A B S 系统技术可望而不可 及，从而控制了整个产品市场，致使进口A B S 的价格十分昂贵，一套进口A B S 产品 动辄要近万元，对于普通国产车来讲，以这一价格安装A B S 无疑会大大增加整车成 本，也会给消费者购车增加负担。因此，对A B S 系统的研究无论对国家，还是对社 会都是非常有意义的。 1 2 国内外A B $ 技术的发展 汽车防抱死制动系统的开发可以追溯到2 0 世纪3 0 年代，1 9 3 2 年英国人活纳摩 姆首先研制了A B S ，并申请了专利。4 0 年代末，A B S 被应用于波音B 一4 7 飞机上， 该装置利用脉冲进行控制，转速传感器测出车轮开始抱死的时刻，电磁阀动作使液 华北电力大学硕士学位论文 压下降，车轮转动后液压又上升，反复上述动作。 在汽车上应用A B S 的研究始于2 0 世纪5 0 年代。1 9 5 4 年美国福特( F o r d ) 公司 首次把法国生产的民航机用A B S 移植在林肯( L i n c o i n ) 轿车上，这次试装虽然以 失败而告终，但揭开了汽车应用A B S 的序幕。随后福特公司与凯尔赛嗨伊斯( K e l s e y H a y e s ) 公司联合起来，开始对当时被称为“A u t o m a t i c ”的防抱死制动系统进行试 验研究，并于1 9 6 8 年研制成功后轮单通道A B S ，研究结果表明防抱死制动系统确实 可以在制动过程中防止汽车失去方向控制，并且能够缩短制动距离。几乎同时，克 莱斯勒( C h r y s l e r ) 汽车公司与本迪克斯( B e n d i x ) 公司合作研制成三通道A B S ， 装用于1 9 7 1 年生产的I m p e r i a l ( 帝国) 车型上。由于这一时期的各种防抱死制动 系统采用的都是机械式车轮转速传感器和机械式制动压力调节装置，为此，获取的 车轮转速信号不够精确，制动压力调节的适时性和精确性也难于保证，控制效果并 不理想。装用A B S 的轿车在光滑路面制动时确实提高了其稳定性，但在不好路面上 制动，其制动距离较一般制动系的汽车长，加上A B S 的体积、质量大，价格高，销 路很有限。制动厂家终于在7 0 年代中期停止了A B S 汽车的生产。 而与此同时，欧洲的一些主要制动器和电子厂家也相继投入了A B S 的研制和开 发。到7 0 年代中后期，随着电子控制技术及精密液压元件加工制造技术的进步， 逐渐为复杂而精确的A B S 控制技术奠定了基础。由数字计算机与电磁阀调制器组成 的较为现代型的A B S 研制成功。数字计算机不易受干扰、速度快，可以把制动液压 力增减循环的次数增加到每秒十余次。用以调制制动液压的电磁阀的开启、关闭时 间只需要干分之十余秒。其速度完全可以与数字计算机处理数据的速度相匹配。这 种较为现代型A B S 的体积小、质量轻、动作更快、更准确。 博世公司在1 9 7 8 年率先推出了采用数字式电子控制装置的A B s A B s 2 ，并且 装备在奔驰车上，由此揭开了现代A B S 发展的序幕。 瓦布科( W a b c o ) 公司和奔驰公司合作于1 9 8 1 年推出了大客车和载货汽车用的 气压式现代A B S 。 博世公司在1 9 8 4 年推出了在A B S 2 基础上改进的A B S 2 S 型A B S 。A B S 2 S 更适合 于批量生产，而且质量也比A B S 2 小。 梯维斯( T E V E S ) 公司于1 9 8 4 年首次推出了整体式A B s 梯维斯M K I I ，该系 统将防抱死制动压力调节装置与制动主缸和液压制动助力器组合为一个整体，而在 该系统出现以前，所有的A B S 都是将制动压力调节装置作为一个单独的整体，附加 在常规的制动系统中，即采用的都是分离式结构。梯维斯I I 在1 9 8 5 年首先被装备 在福特公司生产的林肯马克型轿车上【”。 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，A B S 向着提高效能成本比的方向发展。博世公司 在1 9 8 9 年对其A B S 2 S 进行了结构简化和系统优化，推出了经济型的A B s 一一A B s 2 E 。 进入2 0 世纪9 0 年代，凭借对制动系统的深入研究，博世公司相继于1 9 9 2 推出了 2 华北电力大学硕士学位论文 A B S 5 0 版本，于1 9 9 5 年推出A B S 0 5 5 版本，于1 9 9 8 年推出了A B S 5 7 版本，随着 版本的提高，A B S 的功能越来越完善，结构越来越紧凑，质量越来越轻，作为一个 独立的附加装置，单体质量已经由A B S 2 的6 2 k g 下降到A B S 5 7 的2 5 k g ，目前正 在进行道路试验的B o s c hA B S 8 版本，单体质量更是低至1 6 k g 。 总的来说，从2 0 世纪2 0 年代英国人发明( A B S ) 控制理论，并从1 9 5 1 年开始 试验以来，A B S 控制系统经历了机械式、分离元件模拟电子式、大规模数字集成电 路式、单片机式等几代的发展，今天随着计算机技术的飞速发展，A B S 系统的研究 也进入了成熟和不断更新发展的时期，由于使用了大量专用集成电路和混合集成电 路，A B S 的电子控制系统己由最初的约1 0 0 0 电子元器件，缩减到不到l o o 个，并且 还采用了1 6 位甚至3 2 位的双C P U 结构，运算速度大大提高，控制和自我诊断能力 不断增强，同时机械结构也越来越简化，成本太幅度降低，从单纯应用于高级轿车 和载重汽车向轻型载货汽车、客货两用车、厢式货车、小行车和微型车上发展，并 且可以作为一个独立的附加装置安装到常规制动系统中，从而降低了A B S 在汽车总 成本中的比重。 据报道，1 9 8 5 年联邦德国已有7 0 的大客车和4 0 重型货车安装A B S ( 指当年 新产品) 。大众公司从1 9 8 6 年l o 月起，在全部轻型货车后轴安装了单通道A B S 。进 入2 0 世纪9 0 年代，A B S 发展愈来愈快，欧洲和美国、日本等地区均在高速发展A B S 。 到1 9 9 5 年，轿车中装用A B S 的比例，美国、德国、日本分别达5 5 、5 0 与3 5 ； 货车中装用f i B S 的比例分别为5 0 、5 0 与4 5 。 目前，国外A B S 系统的研究正朝着以下方向发展，( 1 ) 多传感器：不仅装备有 车轮转速感器，而且还有检测汽车前后或横向减速度的G 传感器( 减速度传感器) 。 ( 2 ) 复合化：形成动力源、油压增压器、总泵、电磁阀及控制部分一体的集中控 制系统。( 3 ) A B S 系统与A S R 驱动控制系统( 或称牵引力控制系统T C S ) 和车辆行 驶稳定程序E S P 共同构成车辆行驶稳定系统。这些程序在车辆行驶过程中始终监控 着车辆的动态变化，并协同“作战”，可以在最大的物理极限内保证车辆行驶的稳 定。 与国外相比，我国A B S 的研究与开发起步较晚，国家于1 9 9 2 年颁布了 G B l 3 5 9 4 9 2 国家A B S 标准，于八五期间成立了“国家安全节能重点实验室”研制 A B S ，在“九五”计划中又把A B S 作为安全节能重点项目进行了研究。1 9 9 9 年国家 颁布了G B l 2 6 7 6 1 9 9 9 标准，从2 0 0 3 年l o 月1 日起所有M 、N 、0 类汽车都强制安 装一类防抱死装置。2 0 0 1 年l O 月由科技部、财政部、国家税务总局颁发的中国 高新技术产品目录中又将A B S 汽车防抱死制动系统列入技术级别最高和最优先发 展项目之一( 目录序号为0 4 0 1 0 8 0 l 三星级) 。2 0 0 2 年l o 月1 4 日中国汽车标准委员 会在济南召开会议，将拖挂车也列入强制加装A B S 的范围。 目前，我国有多家单位在从事A B S 方面的研究，如东风汽车公司、重庆公路科 华北电力大学硕士学位论文 研所和济南重汽集团等企业和科研机构都做了大量有益的探索和试验，清华大学也 承担了国家科委“九五”攻关项目“A B S 关键技术的研究”，在对美国B e n d i XA B S 系统进行研究的基础上，自行开发研制了两代A B S 控制软件，但对各种工况下的适 应性仍有待进一步提高。 由于 B S 在国际上仍属于尖端的机、电、液一体化技术，国外大公司投入了巨 额的财力和大量的人力，所以对于这一技术的封锁相当严密，中国目前只有一家德 国戴维斯( T E V E S ) 公司在中国的C K D 组装A B S 产品的工厂( 上海制动系统有限公 司S A P C ) ，其所组装的所有样车均送国外匹配试验，中方人员无缘参与软硬件设计。 虽然有报道称国内已有几家公司已相继拿出了A B S 样品，并正在进行测试，但可以 认为，在控制技术和液压技术上，国内A B S 的研究在目前还未达到实用化水平。 1 3 本文的主要研究内容 汽车是运动变化的机械，其道路、轮胎、制动力距参数都是随机的，要想得到 正确的控制逻辑来精确地控制汽车制动，就必须通过大量的试验，掌握准确的数据， 找出正确的控制逻辑，在确定逻辑后，编制程序以确保软件对机械执行单元的精确 控制。这就需要精通汽车制动系统的专业人员在试车场进行长期的试验、摸索来确 定防抱死逻辑，而进行这种试验具有很大危险性，经常会因采集某一数据而导致恶 性事故。因此目前在实验室里常采用模拟方法先进行台架试验，待有了初步结果以 后再进行实际的路试。 由于实验室里的台架制作受条件所限很难实现多种情况下的刹车模拟，因此需 要一种新型的虚拟工作平台来模拟各种复杂工况。本文以美国国家仪器公司( N I ) 的L a b V I E W 图形化编程语言( G 语言) 为开发工具，实现A B S 刹车防抱死系统的设 计并对刹车效果进行仿真验证。本文的主要研究内容如下： 1 构建车辆的数学模型。并根据对不同控制方法的分析、比较，选用实用的 逻辑门限值法为本系统的控制方法。 2 完成A B S 系统轮速传感器的选择、液压控制单元的原理设计和电子控制单 元的硬件设计。 3 用L a b V I E W 语言编制系统控制程序和刹车效果仿真程序，对不同工况下的 刹车结果进行仿真。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章A B S 系统的工作原理 2 1 汽车制动的基本概念 2 1 1 汽车制动时的运动分析 2 1 1 1 制动产生的力 对行驶着的汽车施加适当的制动时，汽车就会平稳地停住。这是因为制动过程 中在轮胎和地面之间产生了与行进方向相反的摩擦力。单独把车轮拿出来分析，如 图2 1 所示。图中车轮中心的箭头表示摩擦力，我们把这个力D q 做地面制动力。 与地面制动力相关的摩擦系数叫做制动附着系数或称纵向附着系数。制动附着系数 越大，地面制动力越大，使汽车停下的制动距离越短【l 】。 惯肆力厦心 一；一弋 蒹丽丽i Q 菌 制动力 ： 三 c 三- ! 薪而丽；o 。) 旋转力矩 ： 三一 三_ ： 与各车轮制动力的合力大小相等、方向相反、作用在汽车质心上的力, L t 作惯性 力。当左右车轮地面制动力相等时，汽车能够沿着行进方向停住。当左右车轮地面 制动力不相等时，绕汽车质心会产生一个旋转力矩，使制动跑偏。 2 1 1 ，2 侧滑摩擦力 在轮胎和地面的接触面上还存在着另外一个摩擦力，它与地面制动力不同，是 作用在车轮横方向上，m l 做侧滑摩擦力( 也叫横向力或侧向力) 。如同横向风所产 生的作用在汽车的侧面的不规则力一样，汽车需要克服这些力的影响，才能维持行 驶方向。汽车转弯时，转动方向盘使车轮产生一个转角，相应地产生了侧滑摩擦力， 华北电力大学硕士学位论文 能克服离心力的作用维持汽车的曲线运动。决定侧向力大小的摩擦系数称为侧向力 附着系数或称横向附着系数。本文沿用后一种叫法。 为了便于理解，通常把后轮的侧滑摩擦力叫做侧向力，作用是保持汽车行进方 向；把前轮的侧滑摩擦力叫做转弯力，作用是根据驾驶员的操作而改变汽车行进方 向。严格意义上说，作用在前后车轮垂线方向上的力叫做侧向力；与车轮行进方向 成直角的作用力叫转弯力。不过当转向角度很小时，可以认为两者近似相等。 一般来说，侧向力越大汽车的方向稳定性越好；转弯力越大，操纵性越好。反 之，侧向力和转弯力很小或消失时，汽车就无法按照驾驶员的意图行驶。汽车在冰、 雪道路上制动时，会发生跑偏或调头现象，不能按照驾驶员的操作行驶就是一个例 子。汽车高速行驶或在有水的路面上行驶时，制动强度过大，同样会出现上述情况。 21 1 3 载荷的转移 汽车的重量是靠各个车轮来支承的。在轮胎和路面的接触面上有一个垂直方向 的作用力，叫做轮胎载荷。轮胎载荷随着制动力和转弯时的惯性力( 质量加、减 速度) 而变化，该惯性力是由转弯时的离心力引起的，并作用在汽车质心上。如图 2 - - 2 所示。 1 制动力引起的载荷变化： 汽车制动时根据总制动力的大小作减速运动。制动时所产生的地面制动力等于 车轮载荷与附着系数的乘积。制动时所产生的惯性力与总制动力大小相等、方向相 反，它指向汽车的行驶方向，并作用在汽车的质心上。这两个力将使汽车产生一个 前倾力偶矩，使前轮载荷增加，后轮载荷减少睨。假定制动附着系数为纯、 车重、轴距三、质心高度日，则 碱= 纯矽日J ( 2 Z ) 即质心越高、轴距越短，载荷转移的幅度越大。 7 、7 、 ，7 惯性力、 ， 。、 莓弋未肆向力 犁面i 平啪力年。幸力 J W n Aw t W 。，w 。 W f + 。w 。 W r 6 W - W r6 w 。w ：哥： 图2 2 车轮承载示意图 华北电力大学硕士学位论文 2 离心力引起的载荷变化： 汽车转弯时，由汽车质量W g 、速度v 和曲率半径R 所决定的离心力W v 2 ( g R ) 作用在汽车质心上。如图2 2 所示的侧倾力偶矩产生后，使外侧轮胎载荷增加彤， 内侧轮胎减少彬。假定轮距为曰、离心力所产生的力偶矩对每个车轮平均分配， 则 彬= W V 2 , H ( 2 9 R B ) 上述这种车轮载荷的变化叫做动载荷转移。其变化量与汽车横向纵向的加、减 速度成正比。由于载荷的转移，汽车转弯时前外车轮的制动力最大，后内车轮的制 动力最小。 2 1 1 4 车轮抱死时汽车的运动情况 1 直线行驶：对直线行驶的汽车旌加制动，所有车轮全部抱死的情况如图2 3 所示。车轮抱死后，像后面介绍的那样，侧滑附着系数基本为零，保持方向稳 定性的车轮侧向力也接近于零。这种状态很不稳定，路面不均匀、左右车轮地面制 动力不相等时，即使对汽车施加很小的偏转力矩，汽车也会产生不规则运动而处于 危险状态。图中所示为汽车在结冰路面行驶后轮抱死后，受到横向强风时所发生的 现象。如果在不规则旋转的过程中松开制动，汽车还会沿着瞬时行驶方向急速驶出， 也非常危险t ”。 薹l 回回 回念 + 车轮抱死 图2 3 直线行驶时车轮全部抱死 2 弯道行驶：当只有前轮抱死时，尽管驾驶员在操纵方向盘，但由于前轮维 持汽车转弯运动能力的横向附着力丧失，汽车仍按原来惯性行驶方向滑动，很可能 冲入其他车道或冲出路面，而不按驾驶员的意志行驶，从而失去转向控制能力。此 时汽车的滑行方向为行驶曲线的切线方向，如图2 4 所示。 当只有后轮抱死时，由于横向附着力很小，汽车失去抵抗横向外力的能力，汽 车也不能保持原来的行驶方向，由于离心力和前轮转向力的作用，后轮很容易产生 横向滑移、甩尾、旋转等，如图2 5 所示，一边旋转一边沿着曲线滑行( 这种运 7 华北电力大学硕士学位论文 动叫外旋转) 。 图2 4 弯道行驶时前轮抱死 图2 5 弯道行驶时后轮抱死 所有车轮全部抱死时，转弯力、横向力均接近于零。汽车完全失去操纵性和方 向稳定性，如图2 6 所示，此时兼有前、后轮单独抱死时的两种运动。即一面作 与驾驶无关的不规则运动，一面沿着行驶曲线的切线方向滑行。 乞 图2 6 弯道行驶时前后轮均抱死 ，么 j喳 ) 回一 窿 蕊 华北电力大学硕士学位论文 如上所述，施加适当强度的制动，能够有效地使汽车停下。制动强度过大，是 汽车发生各种危险运动状况的主要原因。因此，汽车行驶时，要根据冰路、雪路、 沙石路、水湿路、干路、直路、弯曲路等道路条件，根据汽车速度、方向转角等行 驶条件进行制动操作，必须时常注意不能让车轮完全抱死。 2 1 2 滑移率 2 1 2 1 滑移率的定义 汽车在未施加制动时，车轮在路面上自由滚动，此时车轮的线速度和汽车车身 移动的速度相等。在制动过程中，车轮既滚动又滑动。或者说制动时车轮速度减小， 在车速和轮速( 车轮回转线速度) 之间产生了一个速度差，称为滑移现象，如图 2 7 所示【”。 仨 图2 - 7 制动时的车速与轮速 度量车轮滑移程度的参数，称之为滑移率，用S 表示。即 s ：V B I - ，V R 1 0 0 ：V BI - ，c o R 1 0 0 ( 2 1 ) “ 公式中 圪一汽车车身前进速度，m s ： K 一车轮回转线速度，m s ； 一车轮角速度，r a d s ； 尺一轮胎滚动半径，I 1 1 。 滑移率主要与以下因素有关：( 1 ) 车轮载荷情况。( 2 ) 前后轴的载荷分布。( 3 ) 轮胎一道路附着系数。( 4 ) 路面种类和路面状况。( 5 ) 制动力大小及其增长率。 21 2 2 滑移率与车轮运动状态的关系 从上式可以看出，当车轮回转线速度和车速相等时滑移率为零。在汽车制动过 华北电力大学硕士学位论文 程中，两者的差别越大，滑移率就越大，车轮运动中的滑动成分就越多。停车之前 车轮完全抱死，轮速为零，滑移率达到1 0 0 。 汽车制动时，车轮的运动从纯滚动状态渐变到既滑动又滚动，到车轮完全抱死 时的纯滑动状态，可由下表形象的表示。 表2 - 1 车轮运动状态与滑移率的关系 车轮运动状态滑移率制动时地面印痕 纯滚动S = 0 槲 既滑动又滚动O S 1 0 0 麓黼 纯滑动一一继蚴 J = 1 0 0 一赣嘲聪艟 ( 车轮完全抱死滑移) 2 1 2 3 滑移率与附着系数的关系 制动力附着系数仇、横向附着系数霞和滑 移率s 之间存在着密切的关系，通常具有图2 吼 一8 所示的特性。即：非制动状态( S = 0 ) 下，制动力附着系数纯等于零；制动状态下， 随着车轮制动能力的增大，滑移率增大，则 制动附着系数迅速增大，滑移率达到峰值只。， 时纯也达到最大值( 此时的制动力附着系数 称为峰值附着系数伊。) ；之后随着S 的增大仇 逐渐减妒一S 小。 图2 8 ( D S 特性曲线 横向附着系数见是研究汽车行驶稳定性的重要指标之一。横向附着系数越大， 汽车制动时的方向稳定性和保持转向控制的能力越强。当滑移率S ：0 ，即车轮在路 面上自由滚动时，仍最大；之后随着车轮滑移率s 数值的增加，横向附着系数仍会 逐渐减小。当车轮完全抱死，即s = 1 0 0 时，仍0 ，此时，如下节所述，汽车的 方向稳定性和转向能力将完全丧失。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 在不同路面情况下，车轮滑移率和制动附着系数以及横向附着系数的关系参见 图2 9 。 制 动 附 着 系 数 ( p 6 图2 9 滑移率与纵横向附着系数的关系 2 1 3 车轮的旋转运动与汽车制动的关系 ( 千) ( 千) ( 湿) 话) 汽车制动时，影响车轮旋转的主要因素是制动，力矩和车轮转矩。所谓车轮转矩 就是作用于轮胎和地面之间的地面摩擦力使车轮向制动力矩相反方向旋转的力矩， 车轮转矩的大小取决于车轮载荷矿、车轮半径R 、和制动附着系数吼。即车轮转 矩= 仇矿R 根据图2 1 0 所示的车轮运动受力情况，可得到车轮旋转运动方程式 J ( 如I d t ) = 钆- 矿R 一瓦 ( 2 2 ) 式中 L ，车轮转动惯量； d o ) I d t 车轮旋转角加速度； 正制动力矩。 轮转矩 制动力【P 6 W 图2 1 0 制动时车轮受力情况示意图 华北电力大学硕士学位论文 在静态下，和R 是定植，车轮转矩与仡成正比。两个力矩的大小决定了车轮 的两种旋转状态。 ( 1 ) 当制动力矩大于车轮转矩时，轮速降低，车轮减速度正比于制动力矩和 车轮转矩的差值。 ( 2 ) 当制动力矩小于车轮转矩时，轮速增加，车轮加速度正比车轮转矩和制 动力矩的差值。 图2 一1 1 是汽车制动后，车轮减速过程与典型的的9 一s 特性的关系。对汽车旌 加制动后，制动压力上升，制动力矩随之增加，车轮速度开始降低，滑移率S 和制 动附着系数仇开始增大，即车轮转矩开始增大。可以认为，在滑移率到达屯。之前， 车轮转矩和制动力矩是同步增长的。因此，一般认为，该阶段车轮减速度和制动力 矩的增长率成正比。但是，继续增大制动力矩，滑移率超过。时，如前所述，反 而下降，车轮转矩随之减小，与制动力矩之差急剧增大。最终使车轮速度大幅度减 小直至车轮抱死。这期间的车轮减速度非常大。根据这个过程可得出如下的结论： 速度 0 O O O 疃 制动开始抱死 图2 1 1 制动时车轮的抱死过程 ( 1 ) 滑移率达到屯。之前，能够通过制动器制动力矩即通过制动压力来稳定地 控制车轮的旋转。超过以后，车轮转速对制动器制动力矩很敏感，不能通过制 动压力控制车轮的旋转，车轮很容易抱死。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 如果把制动过程的滑移率s 控制在处，则纯可以保持最大值，那么制 动距离可以缩短。 ( 3 ) 滑移率始终保持在屯，处，横向附着系数也可保持较大的值，能够确保 汽车方向的稳定性和操纵性。 我4 1 J 把滑移率超过疋。的区域称作非稳定制动区域或非稳定区，把o 瓦。之间的 区域称为稳定区，而把制动附着系数最大时的滑移率足。，称为理想滑移率或最优滑 移率，通常咒。，约为2 0 。如图2 一1 2 所示。 稳定区非稳定区 - r 。o 矮 f 。 参 霰 ，A B s 控制范围 笔 Z 霉 幺 飞 ( ) 图2 1 2 理想滑移率 综合各种路面，理想滑移率在l O 3 0 之间，为了达到最有效的制动控制效 果，应将滑移率控制在这一范围，这正是A B S 系统实现控制的理论基础之一。 2 2 A B S 系统的控制原理及方法 汽车制动过程具有明显的非线性、时变性和不确定性，受外界条件影响很大。 因此不仅要求A B S 系统能够准确识别车辆运动状态和路面状况，还必须迅速准确地 做出恰当的反应。因此，A B S 系统的控制就成为整个系统的重点和难点。 根据前述理论，当轮胎滑移率处于理想滑移率S = 2 0 左右时，轮胎的附着系 数较大，可使制动力最大，制动效果最佳。为了在制动时将滑移率控制在理想滑移 率附近的狭小范围，防抱系统就要对制动系统的压力反复调节，因此，控制方法的 选取将直接影响制动效果。 目前，汽车A B S 系统的控制方法很多，较常采用的有逻辑门限值控制控制法、 P I D ( 比例一积分一微分) 控制法和模糊控制法等等。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 逻辑门限值控制 逻辑门限值控制是通过设定与控制目标密切相关的敏感变量门限，根据实际测 量值与门限值之间的关系而进行调节控制变量的一种方法。在A B S 系统中，可作为 控制门限的变量通常有车轮的角加速度、角减速度和滑移率三种。 由公式可知，车轮的角速度变化对制动力矩、附着系数和滑移率的变化有强烈 的敏感性，实验也表明：在制动过程中，车轮抱死总是出现在相当大的d o l d t 时刻， 因此可以预选一个角减速度门限值，当实际的角加速度超过此门限值时，控制器发 出指令，开始释放制动压力使车轮得以加速旋转；再新选一个角加速度门限值，当 车轮的角加速度到达此门限值时，控制器又发出指令，使制动力矩开始增大，车轮 又开始作减速运动。当然，实际的控制逻辑还要加一些平滑过程。 单独的加、减速度门限控制可以适应不同的路面特性，但当路面附着系数出现 跃变时，就不能快速适应，所以其对快速变化的路面跟踪性能较差。考虑到滑移率 直接反映车轮的抱死状态，实践中大多选择车轮角加、减速度作为主控制门限，把 滑移率作为辅助控制门限，将这两个门限值结合起来，以识别不同路况进行自适应 控制【4 1 【5 】【6 】。 逻辑门限值控制方法在制动时能将车轮的速度控制在一定范围内，使车轮滑移 率围绕理想滑移率波动，这种方法系统可靠，构成也较为简单，不需要建立具体系 统的数学模型，但控制参数的调整需要较多的经验。目前实际的A B S 系统大多采用 这种控制方法。 2 2 2 P I D 控制 随着控制理论的发展，为了进一步提高f i B S 的性能，许多文献都在研究基于滑 移率的控制系统，用滑移率作为控制目标容易实现连续控制，从而提高A B S 在制动 过程中的平滑性，并最大限度地发挥它的制动性能。实现连续控制的最简单算法是 P I D 控制( 即比例、积分及微分控制，P r o p o r t i o n a l I n t e g r a l D if f e r e n t i a l 的简 称) 。常规P I D 控制器的设计因其稳态精度高而被广泛应用于工业过程控制，通过 调节整定P I D 控制器的比例系数、积分系数、微分系数，使其能够适应各种不同的 对象，是一种通用的调节器。只要参数整定合适，就会得到比较好的控制效果。定 义期望的滑移率与实际的滑移率之差作为P I D 的输入，由P I D 控制算法算出控制值 反馈给制动系统。 设滑移率的设定目标为凡，则控制误差为 口= A 一凡 ( 2 3 ) 则P I D 的控制规律可表示为： I t = k p e + k 础“d 鼍( 2 - 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 由式( 2 - 4 ) 可知，汽车A B S 控制器的设计可归结为，根据A B S 动态系统，确定 出一组最佳的参数k 。、皇和，使车轮的滑移率以最快的方式趋近设定目标凡。 但是，P I D 控制算法也有它的局限性和不足，由于P I D 算法只有在系统模型参 数为非时变的情况下，才能获得理想的结果。当被控对象存在着结构非线性、参数 时变性或模型的不确定性时，预先整定的控制参数已完全不能适应系统的变化，系 统的性能会变差，甚至不稳定。而且，在对P I D 参数整定的过程中，P I D 参数的整 定值是具有一定局域性的优化值，而不是全局性的最优值，车辆工况的多变和轮胎 的非线性也导致最佳参数匹配的困难。因此，如何从根本上解决动态特性和稳态精 度的矛盾是P I D 控制算法用于A B S 系统需要考虑的实际问题7 】1 8 1 。 2 2 3 模糊控制 模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的经验形式化、模糊化，使之成 为计算机可以接受的控制模型，让计算机代替人来进行有效的实时控制。模糊控制 是基于经验规则的控制，与系统的模型无关，有很好的鲁棒性和控制规则灵活性， 控制规则符合人的思维规律。 在汽车A B S 系统中，模糊控制器将滑移率误差e 及滑移率误差变化率”作为输 入量，经模糊计算得到的输出量。作为制动器制动缸压力控制信号，确定防抱系统 压力调节器的压力调节值。 由于模糊控制避免了复杂的车辆一一路面的数学模型对于控制的实时性不利 因素，所以基于这种思路的A B S 控制系统能进一步减小制动距离，鲁棒性好，但它 只能依靠设计者的经验和反复调试，没有有效通用的计算方法，特别是对加减速度 模糊控制、控制规则表中的规则、输入变量的论域及隶属度函数参数的选择等等， 还有待进步研究【l 。 从前面的分析得知，基于滑移率的控制方法( 如P I D 法，模糊方法) 具有很好 的防抱控制效果，但由于要准确检测车身的运动速度，系统的实现成本很高，因此 目前的实际应用中大都采用基于车轮加减速度的逻辑门限值方法，并辅以参考滑移 率门限进行A B S 系统的控制。本文采用逻辑门限值方法作为防抱控制算法，计算机 通过数据采集卡采集四个车轮的轮速信号，计算出车轮的转速、加减速度和参考滑 移率，并根据设定的加减速度和滑移率门限，计算出防抱系统的控制逻辑，由数据 采集卡输出控制信号，通过功率驱动回路控制各个车轮制动回路的电磁阀，来实现 系统的增压、保压和减压操作。 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于L a b V IE W 的A B S 系统的设计 本文设计的A B S 系统由前向通道、后向通道、电子控制单元( E C U ，E 1 e c t r o n i c C o n t r o lU n i t ) 和常规制动装置四部分组成，如图3 一l 所示。前向通道包括A B S 系统所需的各种传感器；后向通道指各种执行器，包括液压控制单元( H C U ， H y d r a u l i cC o n t r o lU n i t ) 、液压泵电机和A B S 指示灯等等；电子控制单元主要由 传感器输入接口模块、运算模块、功率驱动模块( 包含泵电机和电磁阀驱动回路) 和其它辅助电路组成。 图3 1M S 系统的组成( 分置式) 1 前轮速度传感器2 液压控制单元( H C U ) 3 A B S 电控单元( E C U ) 4 A B S 警告灯 5 后轮速度传感器6 停车灯开关7 制动主缸8 比例分配阀9 制动轮缸l O 蓄电池 l l 点火开关 运算模块的功能包括轮速信号采集、轮速计算、参考车速计算、滑移率计算、 控制逻辑的计算、控制信号的输出和试验数据的记录等等，全部功能均由车载笔记 本电脑实现。在笔记本电脑中装有用虚拟仪器测控软件L a b V I E W 编写的用户程序， 通过数据采集卡实现对传感器信号的采集和对功率输出模块的控制。整个A B S 系统 的框图如图3 2 所示。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 巴 一： I 传感器接口电路 ： 制 I 记录 笔 数传感器信号 动 l 打印k 记据 本采 ：I 输出接口电路 系 l l 电 U S B 总线集 统 陬玑 脑卡 - 泵电机驱动 【J 功率驱动回路 = 5 陌碉 - 由磁阔鳜动 3 1L a b V lE w 简介 图3 2 基于L a b V I E W 的A S S 系统框图 图形化编程语言L a b V I E W 是著名的虚拟仪器开发平台。L a b V I E W 是美国国家仪 器公司( N a t i o n a lI n s t r u m e n t ) 推出的一种基于图形开发、调试和运行程序的集成 化环境，是目前国际上唯一的编译型的图形化编程语言。在以P c 机为基础的测量 和工控软件中，L a b V I E W 的市场普及率仅次于C + + C 语言。L a b V I E W 开发环境具有 一系列优点，从其流程图式的编程、不需预先编译就存在的语法检查、调试过程使 用的数据探针，到其丰富的函数功能、数值分析、信号处理和设备驱动等功能，都 令人称道。因为它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号 分析工具，而且L a b V I E W 程序还非常容易和各种数据采集硬件集成，可以和多种主 流的工业现场总线通讯以及与大多数通用标准的实时数据库链接。 L a b V I E W 采用图形化编程语言一G 语言，产生的程序是框图的形式，易学易用， 特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可在 很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件 工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样。用 L a b V I E W 设计的虚拟仪器可以脱离L a b V I E w 开发环境，用户最终看到的是和实际硬 件仪器相似的操作面板，同时L a b V I E W 还为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松 的设计环境以及信号处理、系统仿真、P I D 控制等附加工具包，设计者利用它们可 以像搭积木样，轻松组建一个测控系统以及构造自己的仪器面板，而无需进行任 何烦琐的程序代码的编写【1 1 】 1 2 。 本文所有程序均由L a b V I E W7E X P R E S S 编写，并通过数据采集卡和相应的接口 电路进行传感器信号的采集和控制信号的输出【l ”。 华北电力大学硕士学位论文 3 2 数据采集卡的选择 数据采集卡的任务是把模拟信号转换成数字信号，形成计算机能够处理的数 据，并且大多可以直接进行数字信号的输入和输出。 本系统选用实验室现有的北京阿尔泰科贸有限公司生产的外挂式数据采集卡 一u S B 2 0 1 5 ，U S B 2 0 1 5 模板是U S B 总线兼容的数据采集板，可经U S B 接口接入计 算机，构成实验室、产品质量检验中心、野外测控、医疗设备等领域的数据采集、 波形分析和处理系统，也可构成工业生产过程控制监控系统。而且它具有体积小， 即插即用等特点，因此特别适合本系统的车载电脑作输入输出接口。其具体的性能 和技术指标如下【1 4 1 ： ( 1 ) 开关量输入通道：8 路。 ( 2 ) 开关量输出通道：8 路。 ( 3 ) 模拟量输入通道：1 6 路单端，8 路双端模拟信号输入。 ( 4 ) A D 转换分辨率：1 2 B i t ，3 2 KF I F O 存储器。 ( 5 ) 模拟电压输入范围：士1 0 V 。 ( 6 ) 模拟输入阻抗：1 0 0 M F l 。 ( 7 ) 最大采样率：1 0 0 K 。 ( 8 ) 系统测量精度( 满量程) ；0 1 。 本系统主要使用其开关量输入、输出通道和4 路定时计数器通道，所有端口均 满足T T L 电平标准，并经由2 0 脚扁平电缆插座X S 2 、X S 3 引出，通过光电隔离接 口与传感器和功率驱动回路相连。 表3 一l 是输入输出端口分配表。表3 2 是定时计数端口分配表。 表3 1U S B 2 0 1 5 数据采集卡输入输出端口( X S 2 ) 功能分配表 ! 惜嘲- 峙 潮”是婪 特脚墙辩j 矗s 。j t 管1 唯静郴赶戈 章黼功黻 1D 1 0左前轮速传感器1 1D 0 0左前常开电磁阀控制 2D 1 1 右前轮速传感器 1 2D 0 1左前常闭电磁阀控制 3D 1 2 左后轮速传感器 1 3D 0 2右前常开电磁阀控制 4D 1 3 右后轮速传感器 1 4D 0 3右前常闭电磁阀控制 5D 1 4刹车灯开关1 5D 0 4左后常开电磁阀控制 6D 1 5驻车制动开关1 6D 0 5左后常闭电磁阀控制 7D 1 6 电瓶电压监测 1 7D 0 6右后常开电磁阀控制 8D 1 7 主电源电压监测 1 80 0 7 右后常闭电磁阀控制 9D G N D 数字地 1 9D G N D 数字地 1 0D G N D数字地2 0D G N D 数字地 华北电力大学硕士学位论文 表3 2U S B 2 0 1 5 数据采集卡定时计数端口( X S 3 ) 功能分配表 萤瑚警镑瓣定史游辩确轻替蜜蟹铸辫定芟 髓辩臻 鼙 l0 U T 0空1 l