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广东工业大学 硕士学位论文 汽车ABS仿真检测建模与模型中相关参数影响的研究 姓名：吴昭润 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：彭美春 20050518 摘要 摘要 汽车防抱死制动系统( A n t i 。l o c kB r a k i n gS y s t e m ，简称A B S ) 是种主动安 全装置，它能够提高汽车的安全性能，减少交通事故的发生率，现在已经成为了 许多车辆的必备装置。近年来我国先后出台了相关法规与标准，强制要求相关的 客车与货车汽车安装A B s 。今后一段时问我国A B s 开发与生产将进入高速增长期， 但我国A B s 的检验主要依靠装车道路实验，需要耗费大量财力、人力与时阳J ，无 高效、准确的室内检测手段，难以满足A B s 生产与开发的需求。 本论文是为开发基于计算机仿真的汽车A B s 检测系统进行建模与模型相关 参数影响的研究。通过对车辆制动过程进行动力学分析与A B s 工作规律的分析， 建立A B s 仿真模型，利用M a d a b s i m u l i n k 对模型进行分析，找出主要参数之间的 关系，提出基于计算机仿真检测的汽车A B s 性能评价方法与七个评价指标，为计 算机仿真汽车A B s 检测系统的开发进行基础研究。具体开展了以下几个方面的研 究工作： 进行了汽车制动防抱死系统基本原理和结构的分析，比较了各种控制方法。 在此基础E 确定了逻辑门限值控制方法为本文建模中的A B s 控制方式。 在对车辆制动过程进行动力学分析后，建立了适合于计算机仿真的车辆动力 学模型，其中包括整车系统模型、车轮模型、制动器模型、路面模型和逻辑门限 值控制方法的A B s 控制逻辑机理。 利用M a t l a b s i I n u l i n k 建立各个模型的仿真模块，通过对仿真模块进行分析得 出了制动器制动力因数制动时间影响显著，制动压力的变化频率越大，制动过程 车轮越不容易产生抱死等结论；还得到了附着系数与制动时间之间的关系和公式； 通过对仿真得到车速、车速曲线与路面试验结果曲线进行比较，得到了比较满意 的结果。 在综合国内外汽车A B s 性能与试验有关法规与标准要求的基础上，结合计 算机仿真的特点，提出了基于仿真检测的A B s 性能定性与定量评价方法及评价 指标。 本研究成果是汽车A B s 仿真检测系统开发项目的基础。所开发的汽车A B s 仿真检测系统可应用于A B s 零部件的检测，也可作为A B s 产品开发提供辅助手 段。 关键词：汽车A B s 仿真检测建模因素分析评价指标 广东1 _ 业大学T 学硕十学位论文 A B S T R A C T A u t o m o b i l eA n d l o c kB r a k i n gS y s t e mi sA na c t i v es a f e t yd e v i c e I tc a nr a i s et h e s a f e t yp e r f o r m a n c ea n dt e d u c ea c c i d e n tr a t e N o wA B Sb e c o m e san e c e s s a r vd e v i c e 。q u i p p e dw i t hi nm a n yV e h i c l e s I n t e r n a lt e l e v a n c el 。g i s l a t i o nh a sb e e nc o m p u l s i v e l y d r a w nu pt oc a nf o rt h es e t t i n go fA B So np a s s e n g e rt f a i na n dw 8 9 0 n C h i n af a c e s a h i g h s p e e dg r o w t ho fd e V e l o p m e n ta n dp t o d u c t i o no fA B Si nn e a rt h ef h t u r e B u tu pt o n o w ，t h et e s t i n go fA B Sm a i n l yd 。p e n d so nt h et o a de x p e r i m e n tt l l a tc 0 8 t sm u c h m o n e V ， t l m ea n dl a b o ri nC l i n a T h e t ei sn oe m c i e n ta n da c c u r a t et e s d n gm e a n si nt h er o o mf o r A B s T h et e s t i n gm e a n sd o e s n ts a d s f yt h ed e V e l o p m e n ta n d p t o d u c t i o nn e e do fA B s i n C h i n a W h a ct h ep a p e ff o c u s e so ni st h eb a s i so f d e V e l o p m e n to f t h eA B S t e s t i n g8 y s t e m b a s e do nc o m p u t e rs i m u l a t i o n B y a n a l y z i n gt h ed y n a m i co fA B Sb t a k i n gc o u r s ea n d w o r k i n gr u l e ，i tw a se s t a b l i s h e d s i 士n u l a t i o nm o d e l so fA B S U s i n gM a t l a b S i m u l i n kt o a n a l y z et h em o d e l se s t a b l i s h e d ，i tw a sf o u n dt h et e l a 七i o n s h i pa m o n gp a r a m e t e r si nt h e m o d e l s I tw a ss t u d i e dt h 。p e r f o r m a n c ee V a l u a t i o nm e t h o d so fA B Sa n db r o u g h to u t7 i n d e x e so fA B Sp e r f o t m a n c eb a s e do nc o m p u t e rs i m u l a d o nt e s t i n gm e a n sd e v e l o p e d D e t a i la n dm a i nc o n c l u s i o na r es h o w e da sf b l l o w s ： F i f s t l y ，i tw a ss t u d i e dt h eb a s i cp r i n c i p I ea n d c o n s t r u c t i o no fA B S 1 tw a sc o m p a r e d a n da n a l y z e ds e V e n lc o n t t o lm e t h o do fA B s A n dt h el o 百cl i m i tv a l u e sc o n t r o lm e t h o d w a sc h o s e nf b re s t a b l i s h i n gm o d e li nt h i sp a p e t B a s e do nd y n a m i ca n a l y s i so fb t a k i f l gc o u r s e ，i tw a se s t a b l i s h e dv e h i c l ed y n a m i c m o d e l st h a tf i tf o rc o m p u t e ts i m u l a t i o n ，i n c l u d i 培v e h i c l e s y s t e mm o d e l ，t i f em o d e l ， p r e s s u f em o d e l ，t o a d sm o d e l ，A B Sc o n t r o ll o g i cm o d e l ，e t c T h e n ，i tw a se s t a b l i s h e ds i m u l a d o nm o d u l e sb yu s i n gM a t l a b S i m u l i n kt h a tc a n a n a l y 2 ct h ef e l a d o n s h i pa m o n gp a r a m e t e r si n 出em o d e l s I tw a sb t o u g h to u tv a l u a b l e f e s u l t s b ya n a l y 2 es i m u l a t i o nm o d u l e s ，。罾t h eb r a k ei n d e xCa f f e c t st h eb r a k i n 异m n e g r e a t l y ，t h eb i g g e tt h ef t e q u e n c yo f b r a k ep t e s s u t ec h a n g e ，t h em o f ed i f f i c u l tt h ew h e e l 1 0 c k3 p p e a r ，e t c A n di tw a sb t o u 曲to u tt e l a d o n s h i pc u r V e sa n df o r m u l ab e t w e e nb t a k e d m ea n da d h e f e n c ei nt h ep a p e r T h es i n l u l a t i o nr e s u l t so fw h e e lv e l o c i t ya n dv e h i c l e I I b o d yv e l o c i t y ，v e r i 丘e db yc o m p a r i n g w i t hr o a dt e s tr e s u l t s ，w e t es a d s 丘e d F i n a l l y ，5 y n t h e s i z i n g r e l e v a n c e l e g i s l a t i o n s o fA B Sp e t f b t m a n c ee V a l u a t i o na n d e x p e r i m e n ti n s i d ea n do u t s i d eo u rc o u n t r y ，a n db a s e d o nt h ep e c u h a r i t yo fs i m u l a t i o n ，“ w a sb r o u g h to u tt h ee v a l u a t i o nm e t h o d sa n d7e V a l u a t i o ni n d e x e so f A B S p e t f o r m a n c e f o fA B Ss l 芏n u l a t i o nt e s t 访gm e a n s T h i ss t u d yi st h eb a s i so fd e v e l o p m e n p r o j e c t “t h ed e V e l o p m e n t o fA B ss i m u l a t l o n t e s t i n g8 y s t e m ”f o ti n s p e c d o no f A B S p f o d u c t sm a n u f a c t u r e d A n dt h eA B S s i m u l a t i o n t e s d n g8 y s t e md e v e l o p e d i sa l s oa na s s i s t a n tm e a n si nt h ed e V e l o p m e n to fA B S K e y w o f d s ： A u t o m o b i l eA n t i l o c k B r a H n gS y s t e m ，S i m u l a t i o nT e s t i n 舀E s t a b I i s h i n g M o d e l ，F a c t o rA n a l y s i s ，E v a l u a d o nI n d e 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外A B s 及其检测技术的发展历史和现状 汽车是当今世界最主要的交通工具之一，而汽车运输的安全性、经济性和 舒适性是人们所关注的焦点。汽车的制动性能是表征汽车行驶安全性的一个主 要指标”，重大的交通事故往往与制动距离过长和紧急制动时发生侧滑等情况有 关，随着汽车拥有量和汽车平均行驶速度的不断提高，交通事故给人们带来的 危害日益严重，研究和改善汽车的制动性能成为汽车设计与开发部门的重要课 题。 在汽车制动过程中，A B s 会自动调节车轮轮缸的制动压力，把车轮滑移率 控制在一定范围内，防止车轮产生抱死，达到提高汽车制动过程中的操纵稳定 性、并缩短制动距离的目的【3 】【4 】。A B s 是随着汽车技术和计算机技术的发展而发 展的，而A B s 的检测技术随着A B s 的发展自然而然地发展起来的。 1 1 1 A B s 及其性能检测技术的发展和应用 1 1 1 1 国外的发展和应用情况 A B s 最早应用于铁路机车和飞机上，后来才应用于汽车上。最早官方记录 的A B s 是英国在1 9 3 2 年发布的专利3 8 2 2 4 1 ，名称是“制动时防止车轮压紧转动 车轮的安全装置”。到了上世纪4 0 年代末，A B s 被用在波音飞机L 。由于 A B s 占飞机成本的比例很小，机场的路况比较单一，可以测量瞬时制动轮胎滑 移率，所以A B s 的应用在飞机上得到了非常大的成功，普及很快。它是客车A B s 设计的基础l ”。 1 9 5 1 年G o o d y e a r 航空公司将A B s 装于载重车上，1 9 5 4 年A B s 被应用到装 备有动力制动系统的林肯( L i n c o l n ) 车型上。上世纪6 0 年代应用电磁阀传感器检 测车轮转速和上世纪7 0 年代电子技术和大规模集成电路的应用，使得A B s 有了 很大的发展。 1 9 7 5 年由于美国联邦机动车安全标准1 2 1 款的通过，许多重型卡车和公共 汽车装备了防抱死制动系统。但是由于制动系统的许多技术问题和卡车工业的 反对，在1 9 7 8 年这一规则被撤消了f 2 1 【“。在这一时期之后美国对防抱死制动系 广东工业大学工学硕上学位论文 统的进1 步研究和设计工作减少了，可是欧洲和日本的制造厂家继续精心研制 防抱制动系统。 由于美国进口车装备有防抱死制动系统，美国汽车制造厂对美国汽车市场 上的A B s 显示出新的兴趣。微电子技术的进步有助于美国国内汽车厂研制更可 靠的系统控制装置。由于这些进步，1 9 8 7 年美国大约3 的汽车装备有非常可靠 的防抱制动系统。根据有些汽车工业分析专家预言，到上世纪9 0 年代中期世界 市场上的大多数汽车和卡车将装备A B s 【6 】。 A B S 在国外从上世纪8 0 年代开始得到广泛的应用。到目前已是一种较成熟 的技术。A B s 检测分为装车检测与零部件检测两类，装车检测方法有道路试验方 法、室内实验台架模拟试验方法等。目前室内检测方法还不能完全代替道路试 验。零部件检测方法可分为静态与动态两种，静态主要是检测元器件的一些电 参数，动态有计算机仿真检测等。 1 1 1 2 国内的发展和应用情况 我国A B s 的发展和应用起步较晚，随着汽车工业的不断发展，汽车制动安 全已经引起了国家的高度重视，早在1 9 9 2 年，国家标准局就颁布了国家标准 G B l 3 5 9 4 1 9 9 2 ”汽车防抱制动系统性能要求和实验方法”的国家标准，并于1 9 9 9 年1 0 月出台了强制性的汽车安全法规( G B l 2 6 7 6 1 9 9 9 ) ，规定：自2 0 0 3 年1 0 月1 日起，总质量超过1 2 吨的M 3 类客车和总质量超过1 6 吨的N 3 类载重车必 须安装符合G B l 3 5 9 4 1 9 9 2 规定的A B s 【”。2 0 0 3 年7 月1 日又发布的G B T 1 3 5 9 4 2 0 0 3 “机动车和挂车防抱制动性能和试验方法”，代替了原来的 G B l 3 5 9 4 1 9 9 2 。2 0 0 4 年7 月1 2 日G B 7 2 5 8 2 0 0 4 “机动车运行安全技术条件”的 颁布，2 0 0 4 年1 0 月1 日开始实施，其中再次做出了要求安装A B s 的类似规定。 根据各大汽车厂的规划预测，2 0 0 5 年，我国汽车工业的总生产能力预计可达 3 8 0 一4 5 0 万辆，将需要气制动A B s 计1 2 万套，液压制动A B s 计8 0 万套H 。由此 可见，汽车防抱制动系统的市场前景是很大的。目前国内有多家单位F 在从事 A B s 的研究和开发工作，但能够提供完整的A B s 系统的厂商还比较少。有上海 汽车制动系统有限公司，为中外合资，生产液压制动A B s ：山东w A B c o 公司， 中外合作生产气制动系统：西安正昌电子有限责任公司，生产气制动的“正昌 第一章绪论 牌”气制动防抱死z Q F B ，I I I 型三轴六通道A B s 和z Q F B v 型4 s 4 M 四通道A B s 系统0 1 ；中囤聚能汽车技术有限责任公司，生产I N l 6 6 F B 和I N l 6 8 F B 聚能气制 动六通道及八通道A B s l l l J ；浙江万安集团公司生产的气制动A B s 1 2 I ；广州市科密 汽车制动技术开发有限公司，生产气制动的“科密”品牌”3 1 等。其中上海汽车制动 系统有限公司为国内唯一一家生产液压制动A B s 的企业，山东w A B c o 公司曾 为国内气制动A B s 销售量最大的厂家，但其市场近年来已逐渐被拥有自主知识 产权的广州市科密汽车制动技术开发有限公司所顶替。广州市科密汽车制动技 术开发有限公司是国内少数几家开发与生产汽车A B s 的厂家之一，已逐渐成为 国内绝大多数整车生产厂商的A B s 标配供应商，已成功为包括一汽、二汽、苏 州金龙、厦门金龙、扬州亚星、亚奔、桂林大宇、丹东黄海等国内绝大多数整 车厂配套”。目前正在拓宽产品系列及开发技术含量更高的轿车液压制动A B s 产品系列，新产品开发与生产都任务十分繁重。 目前A B s 厂家和研究单位基本还是通过装车进行路面试验来完成丌发产品 的试验验证及产品的性能检测，缺乏系统全面的室内检测设备和手段，如广州 科密的A B s 控制单元从生产线下线后需装车，通过道路试验进行质量检测。由 于无资金建设昂贵的试车跑道，只好到实际公路上去试，随机性大，效率低、 可信度低，无法满足目前市场对A B s 批量的需求，及产品质量保证的要求，而 且实验具有一定危险性吲l 】4 】。国外一些机构开发了A B s 室内检测方法，作为道路 试验的部分替代，设备价格也较昂贵，国内还尚未掌握该技术。另外，一些研 究人员研究A B s 零部件检测方法，如吉林大学等利用计算机模拟仿真技术来建 立A B s 虚拟检测系统】。该方面研究成果有一些报道，主要应用在A B s 产品丌 发中，尚未见应用于产品生产检测中。实现计算机模拟仿真首先是要建立车辆 动力学模型，然后利用计算机技术进行仿真。 1 。1 1 3 动力学仿真的发展和应用情况 车辆动力学模拟是一门比较老的学科，但一直处于不断发展之中”1 。特别是 近年来计算机软件的发展给这一学科注入了新的活力，各种动力学建模方法不 断涌现，并应用于不同的领域和对象。计算机车辆动力学模拟的成功取决于多 方面的因素：建模、输入参数、模拟编程及数值方法的精度及稳定性。车辆动 广东工业大学工学硕十学位论文 力学模拟一般包括两个方面的内容：一是建立描述车辆动力学的微分方程组， 即建模；二是采用数值方法解微分方程组，即计算。对这两项工作可以采用不 同的方法，如人工建模和计算、计算机自动建模和计算以及混合方法。 人工建模和计算是一种最传统的方法，即通过对车辆的力学分析建立车辆 运动的微分方程组，并求解此微分方程组1 2 】f 。而现在较先进的计算机软件则使 人们把建模与计算全部交给计算机来完成，即计算机建模与计算，这种建模和 计算完全由计算机软件完成，如著名的A D A M s 软件，A D A M s 采用多刚体力 学图形建模方法近年来被证明是一种十分适于车辆动力学模拟的工具，特别是 描述带有机构的动力学问题如前轴转向系统、各种操纵机构、悬架系统，这些 系统由多个刚体组成，用人工的分析方法描述就比较困难，通过计算机建立工 作模型，赋予相应的物理参数，就可以建立比较完整的车辆模型。混合方法建 模由人工用力学原理推导出车辆运动方程组，再由计算机完成其它的计算工作。 计算机建模方法虽然精确，但建模过程复杂，所需要的参数多，同时它是 以机构为基础来建模的，所以对系统的替代比较困难。对用户不透明，难以适 应于经常变化参数的系统【2 l 。混合方法集成了人工与计算机建模与计算两者的优 点和缺点，它的正确性取决于建模的准确性。人工方法比较灵活，特别是对各 种部件的简化处理比较方便，而当方程的解比较繁琐时，其工作由计算机自动 完成，这样可以大大提高效率。从应用的对象来说，用人工方法建立的简单模 型往往针对车辆的一种动力学特性的研究，而将其它影响较小的因素忽略掉， 使模型简化，可随时改变不同的参数来进行不同的研究，非常灵活。 1 1 2A B S 的发展方向 目前，A B s 的主要发展方向和研究热点有： 1 1 减少体积和重量，降低成本 A B s 正在向小型车普及，但作为附加的安全装置，它会增加整车的重量并 占据安装空间，因此要求其体积和重量尽可能小。减小A B s 体积的主要途径有 优化结构设计( 如减小压力调节器) 及增加集成度。目前，经过优化的A B s 已 可将主缸、压力调节器和电控单元集成为一体，从而大大减小了体积和成本。 2 ) 控制方法的优化 4 第一章绪论 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逻辑门限值控制算法的 A B s t ”。其缺点是控制逻辑比较复杂，调试困难，控制也不够稳定。另外，开发 完成的A B s 装置对各类车型的互换性不好。没有一个统一的A B s 性能评价指标， 控制方法的优劣只能凭经验和一些参数单独的比较。所以对逻辑的评价和优化 是目前A B s 的研究热点m 1 q 。 3 ) 实现多功能综合控制，提高系统的集成度 由于技术的不断改进，A B s 的功能在不断加强。A B s 的作用是通过控制轮 胎的纵向力来提高汽车与地面具有最佳纵向附着系数和较好的横向附着系数， 从而提高汽车的制动性、方向稳定性和操纵性的。与此相类似的是汽车驱动防 滑系统( A s R ) ，其作用是防止汽车在加速过程中打滑，以保证汽车加速时的方 向稳定性、操纵性，其控制机理仍然是通过控制纵向滑移率来控制纵向力，可 见，A B s 和A s R 是密切相关的，因此常将它们结合在一起使用，构成行使安全 系统”0 2 ”。这样，它们可共用许多电子元件和系统部件来控制汽车车轮的运动， 电子控制和保护装置都被装在同一个壳体内。B o s c h 公司早在1 9 8 7 年就推出了 A B s A s R 防滑控制系统。1 9 9 6 年，B o s c h 公司提出了车辆动力学系统( v D c ) 的概念，在A B s A s R 的基础上，加入侧向稳定性控制等新内容，以实现全工况 内的汽车运动最佳状态。 4 ) 建立有效的A B s 性能评价指标和检测手段 目前对A B s 的性能评价只有通过道路试验进行评价，没有统一的评价指标 f 2 M 2 ”，缺乏全面系统的室内在线检测技术与设备，这样对A B s 的生产质量控制 带来不便。每套A B s 产品都要经过道路试验来检验，通过路试来判断或者比较 两个或以上的A B s 的好坏，对人力物力等造成了严重的浪费。面对目前市场越 来越大量的需求，开发A B s 产品室内检测技术与装置，规范A B s 产品质量评价 指标显得卜分迫切。 1 2 本论文研究目的和意义 安全，环保，节能是当前汽车技术发展的三大主题。汽车的安全性、经济 性和舒适性是人们关注的焦点。汽车的制动性能是表征汽车行驶安全性的一个 广东工业大学丁学硕士学位论文 重要指标，良好的制动性能是交通安全的重要保障。重大的交通事故往往与制 动距离过长和紧急制动时发生侧滑等情况有关。随着汽车拥有量和汽车行驶速 度的不断提高，交通事故给人们带来的危害日益严重，研究和改善汽车的制动 性能已成为汽车设计与开发的重要课题。 随着国家颁布相关法规标准，强制要求部分客车和货车安装一定规格的 A B s 。气制动A B s 将有一个广阔的市场，但是目前生产气制动A B s 的厂家的检 测手段主要是通过路面试验进行A B s 检测，这种检测手段难以满足未来市场的 需求。本研究课题来自广州市科技计划项目“汽车防抱死制动系统计算机仿真 研究”，将和气制动A B s 生产厂家合作开发汽车A B s 仿真检测系统。 计算机仿真技术的发展，为汽车制动过程的仿真研究提供了一个极其有效的 方法和手段”。本论文基于汽车制动动力学特性的研究，建立仿真模型，并运 用先进计算机软件研究仿真模型，为仿真编程和检测系统的开发研究提供依据和 指导。汽车A B s 计算机仿真检测系统通过对车辆与道路等的仿真，能模拟道路试 验的状况，指导A B S 产品的设计开发，减少路试的次数，缩短出厂周期，降低产 品费用与实验风险，是A B s 开发生产的有力辅助工具。在生产过程中，利用仿真 检测系统对A B s 部件进行在线检验，可以降低产品的不合格率，提高产品质量和 生产效率，增加企业效益。 A B s 计算机仿真检测系统开发的第一步就是建模问题，建模中参数的选择和确 定影响到模型的准确性，而模型的准确性问题是影响A B s 计算机仿真系统的关键问 题。本论文进行汽车A B s 仿真检测建模与模型中相关参数的研究，为计算机仿真A B s 检测系统的开发进行基础研究。 1 3 本论文的研究内容 本论文主要开展以下几方面的研究： 1 、建立车辆制动动力学模型 1 ) 建立车辆动力学系统模型 通过对车辆系统的简化并进行力学分析，建立车辆系统模型，建立了车轮减 速度与制动力矩和路面附着系数之间的关系。 2 ) 建立车轮模型 6 第一章绪论 轮胎的滑移率足A B s 逻辑控制中的一个重要的门限值之。本论文通过对干 沥青路面、潮湿泥路、疏松积雪路面和结冰路面等有代表性路面进行研究，建立 路面附着系数与轮胎的滑移率之间的关系模型。 建立制动系统模型 建立制动器力矩与制动压力之间的关系模型。该制动系统模型将考虑由于 制动器中各机械部件问存在的间隙、摩擦等因素而造成的制动器滞后强非线性 动态特性等。 4 ) 建立路面模型 对于路面模型，分别对附着系数跳变路面、附着系数分离路面、附着系数交 错路面和附着系数棋格交错路面进行研究。 5 ) A B S 控制逻辑机理 对逻辑门限值方法的控制逻辑进行研究，提供压力调节器对增压、保压和减 压进行控制的逻辑。 2 、模型中各因素关系影响的研究 1 ) 利用M a t l 如s i m u l i n k 软件对所建立的模型在计算机中分别建立车轮受力 模块、车辆系统模块、车轮模块、制动器模块等。 2 ) 连接各个模块，建成一个基于M a t l a b S i m u l i n k 系统的整体连接仿真模块， 并可以生成一些相关参数之间的曲线图；改变模块中相关参数，进行参数对仿真 系统的影响研究。通过相关分析，验证本文所用的模型的正确性。 3 、建立A B s 仿真性能评价指标 目前国内外只有针对整车的制动性能、附着系数利用率等项目的评价方法与 标准，对A B s 产品性能没有统一的评价标准，本论文将通过对国内外A B s 相关规 定和制动性能的有关规定进行研究的基础上，给出计算机仿真检测评价A B S 性能 的一般方法。 7 广+ 东工业大学工学硕上学位论文 第二章A B S 的控制原理、结构和几种控制方式的分 析 汽车防抱死制系统是汽车主动安全部件，是一种防止制动过程车轮抱死的 主动安全装置。它可以保证汽车在制动过程中的有效性、安全性和方向可控性， 缩短制动距离，保证行车安全。A B S 系统在制动过程中通过传感器感知车轮与路 面的滑移状况，由电控单元做出判断，并通过电磁阀组成的作动器，调整制动 力的大小，使轮胎滑移率保持在一个理想的范围，来保证车辆制动时有较大的 纵向制动和抗侧向外力的能力，防止可能发生的后轮侧滑，甩尾，前轮跑偏， 提高汽车在制动过程中的方向稳定和转向操纵的能力，并能提高附着系数利用 率，缩短制动距离，减少轮胎磨损。 本章简单介绍汽车防抱死制动系统的控制原理、基本结构，着重分析几种 A B s 的控制方式，为计算机仿真A B s 检测系统的建模打下基础。 2 1 汽车防抱死制动控制的基本原理 在制动过程中，车轮所受到的地面制动力和滑移率的关系见图2 1 。图中不 同的F x 或F v 线代表不同的路面。 宝 冀 蔼 嚣 O 滑移率S ( 蝴 图2 1 制动力和滑移率曲线 F i g 2 一lR e l a t i o n s h i pb e t w e e nb r a k i n gf o r c ea n ds l i pr a t e 滑移率的定义是：5 ：( 1 一坐) 1 0 0 ( 21 ) V 第二章 B s 的控制原理、结构和几种控制方式的分析 式中：s 一滑移率，；v 一车身速度，m s ；珊一车轮速度，r a d s ；R 一车轮 半径m 。 s = o 时，车轮处于纯滚动状态；0 s 1 0 0 时，车轮处于边滚边滑状态： s = 1 0 0 时，车轮处于抱死状态。车轮抱死是一种不稳定的危险工况，汽车防抱 死制动系统是一种防止汽车车轮在制动时抱死的装置。 为了防止车轮在制动时抱死。首先A B s 通过轮速传感器检测车轮的状态信 号，把轮轮状态信号传给电子控制单元( E i e c t t o n i cc o n t r 0 1u n i t 简称E c u ) ， E c u 通过计算判断车轮的状态后，向制动压力调节器发出控制指令进行控制， 压力调节器通过调节轮缸压力控制地面制动力的大小，使车轮不会处于s = 1 0 0 的抱死状态，并且保持s 在2 5 左右的峰值附近，以得到汽车的最佳的制动效 果吼 2 2 汽车防抱死制动系统的基本结构 汽车防抱死制动系统由轮速传感器、电子控制单元和制动压力调节器三部 分组成3 】【4 】。见图2 2 。 图2 2A B s 基本结构 F i g 2 2A B Ss t r u c t u r e 轮速传感器实时地检测车轮状态信号，并把车轮信号传给E c u ，E c u 通过 计算判断后，发送一个控制信号给压力调节器，压力调节器调节轮缸压力对车 轮进行控制，从而控制车轮不抱死且处于最佳状态。 1 ) 轮速传感器 为了降低成本，一般的A B s 系统只配备轮速传感器，而不配备车速传感器 。通过轮速传感器检测出车轮速度，把信号传给E c u 进行计算和控制。它是 A B s 控制系统的测量元件，目前广泛应用的是磁电式的转速传感器。它是由齿 圈和电磁感应传感器两部分组成，其中齿圈是转动件，它与车轮共同旋转；而 禹 幕一 一 司 扩黼 广东T 业大学工学硕士学位论文 电磁传感器是固定件。齿圈是由磁阻较小的铁磁性材料制成，传感器主要由永 磁铁芯和感应线圈组成。当齿圈随着车轮转动时，齿圈的齿顶与齿隙就交替地 与传感器磁芯部相对，传感器感应线圈周围的磁场随之发生强弱交替变化，在 感应线圈中就会产生类似正弦波的交变电压，交变电压的频率与齿圈的齿数和 转速成正比。因此，转速传感器输出的交变电压频率将与相应车轮的转速成正 比。这种交变电压信号经整形电路的变换后，可以生成A B s 控制器能够处理的 标准方波信号。A B s 控制器根据方波信号的每一个上升和下降沿的发生时问来 计算车轮的回转速度。传感器齿圈和电磁感应头之间的相对位置、传感器信号 和整形信号的相互关系如图2 3 所示。 卜齿暇齿2 一线圈3 永磁体4 一E c u5 一导磁柱6 一磁力线7 齿圈 图2 3 a 轮速传感器的基本结构 图2 - 3 b 轮速传感器产生的感应电压信号图2 - 3 c 整型后的速厦脉冲信号 图2 3 轮速传感器结构及信号处理 F i g 2 3S t r u c t u r ea n ds i g n a l a n a g e e n to fw h e e lv e l o c i t ys e n s o r 2 ) 电子控制单元( E c u ) 电子控制单元是A B s 系统的大脑部分，是A B s 的控制中枢”l 。它接收车轮 传感器的输出信号，经过滤波、放大、计算，按照特定的控制逻辑，分析判断 后输出控制指令，对制动压力调节器进行压力调节控制。目前的E c u 主要是由 集成度、运算精度都很高的数字电路构成，一般包括以下几个基本电路 3 】：输 0 警 第二：章 B s 的控制原理、结构和几种控制方式的分析 入级电路。计算电路。输出级电路。安全保护电路。 3 1 压力调节器 制动压力调节器是A B s 系统中最主要的执行机构。它接收来自E c u 的电压 信号，驱动电磁阀动作，以实现对轮缸压力的调节。一般由电磁阀、蓄能器、 电动泵以及一些辅助阀构成。 压力调节器串联在制动器气路中，它是一个三位三通阀。汽车正常行驶时 无电信号，处于常通状态。紧急制动时接收到控制器信号后，可使制动气室处 于工作的三种状态】。见图2 4 。 减压状态增压状态保乐状态 卜进气口2 一进气阀膜片3 一进气先导阀4 一排气口5 一排气先导阀6 一排气阀膜片7 一出气口 图2 4 压力调节器工作状态 F i g 2 4W o r k i n gs t a t eo fm o d u l a t o r 在汽车正常行驶时，调节器无电信号，进出气膜片和排气膜片关闭，进出 气口和排气口互不相通。当驾驶员轻踩制动时，A B s 系统不干涉制动过程，压 缩空气推开进气膜片到出气口，进入制动气室开始制动。这是增压状态。 当驾驶员重踩制动时，A B s 干涉制动过程，控制器给调节器的进气先导阀 通电进入保压状态，此时进气先导阀打开，进气膜片关闭，进出气口和排气口 互不相通，这就是保压状态。 当A B s 控制器给压力调节器信号进气膜片关闭排气膜片打开，制动气室 压缩空气通过排气口进入大气，这就是减压状态。 2 3A B s 的几种控制方式 A B s 发展到现在，出现了很多种控制形式，虽然控制方式不同，但是控制 根据的基本原理是一致的。由于没有一个统一的逻辑优劣的评价指标，只能根 据实验结果进行多种工况的比较，这个给研究带来了一定的不便。下面介绍几 广东T 业大学T 学硕十学位论文 种控制方式，并进行分析，选择本论文建模需要的控制方式。 2 3 1 传统的控制方式逻辑门限值控制 目前，国内外的A B s 产品主要采取逻辑门限值的控制方法。逻辑门限值控 制法是一种基于大量的道路试验数据，建立一定的门限进行控制的。控制量有 车轮减速度门限值和滑移率门限值，根据定的控制逻辑进行制动压力调节控 制。一般有五个门限值，分别为车轮角减速度门限值一a ，车轮角加速度第一门限 值+ a ，车轮角加速度第二门限值+ A t ( + a S ，时随滑移率的变化更明显，因此根据S 。进行A B s 控制特征更显著。 基于制动器耗散功率最大为目标的A B s 控制的控制理论上效果应该不错，见 表2 1 。 其中s 。为耗散功率最大值对应的滑移率，凤为耗散功率最大值对应的附着 系数。 由式( 2 2 ) 求导得： 只= 庐国+ p 西 ( 2 4 ) 通过或的符号来控制，或 o ，增压； = o ，保压；或 o 时，需要增加s ，则加 压；当等 o 时，需减少s ，则减压；当粤：o 时需保持s ，则保压m ，。 d 6 d J 由单轮系统可得： ：墨挲鲁 求导得： 掣：兰塑量 ( 2 5 ) F ，Rd tF R 其中t 为车轮的垂直载荷，瓦为制动器摩擦力矩。 忽略车速的变化，由式( 2 ，1 ) 求导得：蔓里：型翌；坚堕。一丝 ( 2 6 ) d fV v 所以：粤：攀：一! 尝兰 ( 2 7 ) d sd S f d |F RR 国 由于t 、R 、。都是币数，所以可由一塑譬墨的符号来进行控制判断。控制逻 辑见表22 。 根据表2 ，2 中边界条件可以对各种情况进行计算判断，从而控制电磁阀的状 态：增压、减压或保压。由于此控制算法是基于图2 5 ( a ) 曲线，即以最佳滑移 率s 。作为控制参数，因此，除车轮角速度信号外，无需增加测量信号，就可以使 A B s 装置适应各种路面的变化。 1 4 第二章 B s 的控制原理、结构和几种控制方式的分析 表2 2 基于路面附着系数控制算法的边界条件 T a b l e 2 2B o r d e fc o n d i t i o nb a s co nt h ea d h e t e n c ec o n t f o l 系统当前状态满足边界条件系统改变后的控制状态 面= o 或国= 一毫， 保持压力 增加压力 面 一瓦，增加压力 一丽丽甄再丁、爵匠j 一 保持压力西 0 且面= 0增加压力 基于制动器耗散功率最大为目标的A B s 的控制和基于路面附着系数的控制 方法是两种不需要大量试验来获得门限值等控制参数的控制方法，它们都能够 适应于各种路面的变化，是非常有意义的尝试，为A B s 的研发提供了新的途径。 此外，研究较多的A B s 控制方法还有P I D 控制方法、滑模变结构控制方法、 最优控制以及最近比较热门的模糊控制”1 1 _ I ”1 等方法。这些方法的理论研究比较 多，但是很少有在产品中实现。 随着现代控制理论在汽车防抱死系统中的广泛应用，可将几种控制方法进 行综合，如基于最优控制和滑模变结构控制的最优变结构控制、神经网络与模 糊逻辑相结合的控制、神经网络和滑模控制相结合的神经网络滑模控制等。 本论文目的是为开发计算机防真的A B s 检测系统进行建模研究，而非进行 A B s 控制逻辑研究，因此在本建模中选择传统成熟的逻辑门限值控制方式。 广东T 业大学T 学硕十学位论文 第三章车辆制动动力学仿真模型的建立 汽车A B s 是一套完整的控制系统。控制系统计算机仿真是一门涉及到控制 理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科。这门科学的产生及发展差不 多是与计算机的发明及发展同步进行的。计算机仿真是自从1 9 4 6 年世界上第一 台计算机问世以后，到2 0 世纪7 0 年代初期发展起来的、用来帮助设计人员进行 设计的一种新技术。它包括控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算 机处理m 】。 模型是对所研究的系统在某些特定方面的抽象。通过模型对原型系统进行 研究，系统仿真就是以系统数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验 研究的一种方法。用模型代替实际系统进行实验和研究，使仿真更具意义。 A B s 系统是一个与车辆系统、车轮、制动系统、路面运行条件等密切相关 的非线性控制系统，计算机仿真A B s 检测系统的开发首先需要建立相关的动力 学模型。为了全面地进行A B s 动力学分析，需要建立包括车辆系统模型、车轮 模型、制动器模型、路面模型和E c u 控制等在内的模型。 3 1 车辆系统模型的建立 由于制动系统建模主要研究车轮与地面之间的关系，在研究中侧重于A B s 的应用效果，因此可忽略载荷转移、空气阻力、轮胎滚动阻力和悬架系统、转 向系统的影响，采用简化的单轮模型p l ( 见图3 1 ) 代表车辆，来研究车辆的制动 过程。假设该模型只做纵向直线运动，忽略侧向运动和横摆运动。 图3 1 单轮车辆模型 F i g 3 - 1S i n g l ew h e e l m o d e lo f V e h i c l e 由图3 1 可知，在纵向方向车轮只受地面摩擦力作用，根据牛顿第二定律有： 6 第三章车辆制动动力学仿真模型的建立 M i = 一州 ( 3 1 ) 以车轮转动中心为力矩中心得： ，面= 脚旧一M b ( 3 2 ) M 一汽车质量，k g ；口一汽车加速度，m s 27 一车轮与地面附着系数；N 一轮 胎对地面垂直力，N ；I 一车轮转动惯量，k g m 2 ：面一车轮角加速度，r a d s 2 ；R 一车 轮滚动半径，m ：M 。一车轮制动力矩，N m ：g 一重力加速度，m s 2 ；v 一车速，m s ；翻