（计算机应用技术专业论文）基于整车的汽车abs性能仿真检测研究.pdf

摘要 防抱死制动系统( a b s ) 是在汽车制动过程中防止车轮抱死的闭环控制系统， 最开始应用于火车和民航机上，现如今已经越来越广泛的被汽车所应用。a b s 关系到汽车制动过程中的主动安全，其性能检测也逐渐成为行业研究的重点。 本文主要研究基于整车性能的a b s 仿真检测方法，通过对汽车a b s 制动过 程的模拟，建立制动过程中的各部件模型，并组合为一个闭环控制系统，对a b s 的仿真检测进行研究。本文将制动过程中的主要模块归纳为四部分，车辆动力学 模型、制动系统模型、车辆轮胎模型以及路面系统模型，并分别对其建模仿真。 采用p i d 算法控制制动力的变化，在充分考虑了车辆受力情况以及轮胎与路面 之间相互作用力的情况的基础上，建立车辆系统模型以及运用魔术公式建立地面 制动力与滑移率关系的轮胎模型。因同一车辆在不同路面下的制动性能不同，为 了避免仿真检测的模型远离实际情况，建立了典型的路面参数模型，计算不同路 面下的最佳滑移率，并反馈到系统对滑移率控制。整体仿真实验中，在国家标准 的基础上，首先将检测结果与路试结果进行比较，验证a b s 仿真检测方法的可 行性，然后采用制动性能检测方法的统计参数对系统进行综合评价。 本文完成了开题设计的目标，提出并深入探讨了汽车a b s 性能仿真检测方 法，结果表明，基于整车的a b s 性能仿真检测方法能真实反映汽车的制动状况， 是一种科学合理的检测方法，并且，本仿真模型相对于传统a b s 测试方法有着 价格经济，使用方便的特点，对a b s 的前期开发过程中具有重要意义。 关键词：汽车，a b s ，制动性能，仿真检测，路面模型，车辆动力学模型 a b s t r a c t a na n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) i sac l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mi m p l e m e n t e d i nv e h i c l e sb r a k i n gp r o c e s st op r e v e n tt h ew h e e l sf r o ml o c k i n gu p n o w a d a y si th a s b e e nw i d e l yu s e di nv e h i c l e s ，h o w e v e ri tw a so r i g i n a l l yj u s td e s i g n e df o rt r a i n sa n d a i r p l a n e s t h ep e r f o r m a n c eo fa b si sc r i t i c a lt ov e h i c l e sa c t i v es a f e t yd u r i n gt h e b r a k i n gp r o c e s s ，t h e nt h ed e t e c t i o na n da n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c eo fa b sh a sb e e n b e c o m i n ga ni m p o r t a n tr e s e a r c ha n dd e v e l o pf i e l di na u t oi n d u s t r i a l t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nb u i l d i n gas c i e n t i f i cm e t h o dt os i m u l a t ea n da n a l y z e t h ea b sp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l es y s t e m ar e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa b s s i m u l m i o ns y s t e mi sf o u n dt h r o u g hs i m u l m i n gt h ep r o c e s so fa b sb r a k i n gs y s t e m ， m o d e l i n gs o m ea u t o m o b i l ep a r t sw h i c hh a v es p e c i f i cf u n c t i o n si nb r a k i n gp r o c e s sa n d c o m p o s i n gt h e mt o g e t h e r t h i sp a p e rd i v i d e st h eb r a k i n gp r o c e s si n t of o u rp a r t s ：v e h i c l e d y n a m i c sm o d e l ，b r a k ea c t u a t o rm o d e l ，w h e e ld y n a m i c sm o d e la n dr o a ds u r f a c e r e s i s t a n c em o d e la n dm o d e la l lo ft h e mi nm a t l a bt os i m u l a t e v e h i c l ed y n a m i c sm o d e l i sb u i l df r o mt h ea p p l i c a t i o no fp i dc o n t r o la l g o r i t h ma n dt h ef a c tt h a tt h ev e h i c l e d y n a m i c sw i l lb ea f f e c t e db yt h ei n t e r a c t i o nf o r c eb e t w e e nt i r ea n dd i f f e r e n tr o a d s u r f a c e w h e e ld y n a m i c sm o d e li se s t a b l i s h e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r o u n d b r a k i n gf o r c ea n ds l i pr a t i or e f e r r e db ym a g i ct i r ef o r m u l a d u et ot h ed i f f e r e n t b r a k i n gp e r f o r m a n c eo fav e h i c l ei n d i f f e r e n tr o a ds u r f a c e ，d i f f e r e n tr o a ds u r f a c e r e s i s t a n c em o d e l sa r ee s t a b l i s h e dt of i g u r eo u tt h ep e r f e c ts l i pr a t i oi no r d e rt oa v o i dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ef a rf r o mt h er e a lv a l u e s a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d s ，t h e p r o c e s so fo v e r a l ls i m u l m i o ne x p e r i m e n ti sf i r s tt oc o m p a r et e s tr e s u l t sw i t ht h er o a d t e s tr e s u l t s ，t h e nt og i v eac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na c c o r d i n gt os t a n d a r db r a k i n g p e r f o r m a n c ed e t e c t i o nm e t h o da n di t ss t a t i s t i c a lp a r a m e t e r s ，i nt h ee n dt od i s c u s s w h e t h e rt h ea b ss i m u l a t i o ns y s t e mi sf e a s i b l e t h i sp a p e rh a sr e a c h e dt h eo p e n i n gt i t l ed e s i g no b j e c t i v e s ，p r o p o s e da n dd i s c u s s e d i nd e p t hv e h i c l e sa b ss i m u l a t i o na n dd e t e c t i o nm e t h o d t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o w t h a tt h i sa b sp e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n dd e t e c t i o nm e t h o dc a nt r u l yr e f l e c tt h ec a r s b r a k i n gs i t u a t i o n t h em e t h o dh a sb e e np r o v e dt ob eas c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l e d e t e c t i o nw a y a n dv e h i c l e sp a r a m e t e r sc a nb ep u ti n t ot h ea b ss i m u l a t i o nm o d e lt o t e s td i f f e r e n ta u t o m o b i l e sa b s p e r f o r m a n c ei nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t i th a sf e a t u r e so f e f f i c i e n tf i n a n c ea n dc o n v e n i e n ta p p l i c a t i o nw h i c hi s s i g n i f i c a n t f o re a r l y s t a g e d e v e l o p m e n to f a b ss y s t e m k e y w o r d s ：t h ev e h i c l e ，a n t i l o c kb r e a k i n gs y s t e m ，b r e a k i n gp e r f o r m a n c e ，s i m u l a t i o n i i 论文独创性声明 本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。论文中除了特别加以 标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研 究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表示了谢意。 作者签 论文使用授权声明 日期： o 上、) 艿 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论 文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 锈穆 ? 屯j k导师躲柳芬 慨瑚j 7 9 上海师范大学硕十学何论文 绪论 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景、目的及意义 汽车防抱死制动系统( a n t i 1 0 c kb r e a k i n gs y s t e m ，简称a b s ) 是区别于传统 防抱死制动系统的一种装置，它在传统技术的基础上，采用电子技术对系统进行 反馈控制，调节制动管路的压力，以控制作用在车轮上的制动力，实现制动力的 自我调节，防止车轮在制动过程中抱死川i 。随着世界汽车工业的迅猛发展，安全性、 舒适性日益成为人们选购汽车的重要依据。大部分现代汽车利用防抱死制动系统， 能给予驾驶员较好的驾驶控制能力和较短的制动距离。a b s 防抱死制动系统是一 个带反馈的电子控制系统，当车辆制动时，它能使车轮保持转动，增加驾驶员和 车辆躲避危险的能力。防抱死制动系统通过速度传感器检测车速和轮速，并把速 度信号传送到汽车电子控制单元e c u ，依靠控制策略计算，制动系统通过液压控 制单元，减少或增加车轮上的制动压力，保持车轮转动，防止车轮抱死。在制动 过程中保持车轮转动，不但可以保证控制行驶方向的能力，防止甩尾、车辆失去控 制等情况的发生，而且，在大部分路面情况下，与抱死、锁死车轮相比，能提供 更大的制动力。 a b s 的概念始于二十世纪三十年代，最早应用在飞机和火车上，在汽车上的 应用较晚。铁路机车在制动时如果制动强度过大，车轮就会很容易抱死并在平滑 的轨道上滑行，对火车车轮造成损坏。1 9 3 6 年德国的罗博特博世公司( b o s c h ) 取得了a b s 的专利权，1 9 5 4 年美国福特汽车公司首次把法国生产的民航机上装备 的a b s 应用在林肯轿车上，这次试装虽然以失败而告终，但开创了汽车应用a b s 的先河。同一时期k e l s e yh a y e s 公司与h y d r oa i r e 公司联合生产货车用a b s ，1 9 5 7 年，福特汽车公司与k e l s e yh a y e s 公司开始联合开发a b s ，1 9 6 8 年达到了预期目的 【2 】。自二十世纪7 0 年代，国外许多机构就丌始研究该项技术，8 0 年代中期随着电子 技术的不断发展，a b s 不断完善并得以广泛应用。我国也已从十九世纪九十年代 开始在汽车上安装a b s 装置，近几年来，随着汽车电子技术以及汽车工业的不断 发展，a b s 己逐渐成为汽车的必备装置。 但随之而来的问题是，汽车a b s 的研制费用和检测费用相当昂贵，特别是a b s 的试验检测方法，通常的检测方式是采用道路试验，这种方法一般需要专门的试 验道路，很少有厂家有能力建设专门的试验场道路。也可以采用专门的试验台架 检测方法，但这样一个新产品的试验费用往往在数万元甚至数十万元以上，这给 a b s 性能检测试验带来了困难，也阻碍了国内市场对汽车a b s 产量急速增长的需求 【3 】。 汽车的制动性能是汽车重要的法规与安全性能【4 1 。随着我国经济建设的迅猛发 绪论卜海师范大学硕十学位论文 展，道路条件也日益改善，优良的行驶环境给汽车行驶提供了很大的便利，汽车 的平均速度也随之提高，而且随着汽车专用通道以及高速公路的发展，更为汽车 的高速行驶提供了更大的便利。因此，高速行驶过程中的安全保障，就给汽车的 制动性能提出了更高的要求。由汽车安全性研究的统计资料表明，4 0 的道路交通 事故是因汽车在制动时性能不佳引起的，这其中有1 0 是因为汽车在高速行驶的 过程中或者在不良路面上行驶时突然进行紧急制动时，制动性能不足，汽车车轮 抱死打滑，车体发生侧滑或者偏离行驶道路，使汽车失去操纵性和稳定性引起的。 汽车a b s 作为一种制动过程中的辅助装置，能通过其电子控制单元的自调节功能， 实时控制汽车在制动过程中添加在车轮上的制动力，有效防止车轮抱死，保证车 辆制动时的稳定性和转向操纵性，并且装配有a b s 制动系统的车辆比普通的制动 系统能够获得更短的制动距离，从而提高汽车的主动安全性【5 1 。 1 2 国内外a b s 性能检测技术研究现状 1 2 1 道路试验方法 道路试验的方法在实际使用的道路条件下进行，可全面考核、评价车辆的制 动性能和技术状况，简单易行，是欧美及日本的一些大公司对汽车a b s 性能评价 采用的主要方法【6 】。此种方法普遍适用，检测制动性能的方法直观，能够贴近行车 的实际情况。道路试验方法主要测试方式是“附着系数实验法”，试验道路一般可 以提供不同附着系数的路面条件，将装有a b s 的汽车分别在这些路面上进行紧急 制动试验，并综合几种实验结果对a b s 的制动性能做出整体评价用。 道路试验方法是现阶段a b s 性能测试的主流方法，但实验需要建设专门的跑 道，建设成本昂贵，试验费用高，而且路面状况也易受气候影响，道路条件难以 控制，限制性大，并且试验时需要专业的汽车试车员，性能好坏只能凭借试车员 的感觉判断，带有一定的主观性，检测效率低。路试法只能检测整车的制动性能 的优劣，而对于各轮制动性能的差异无法获得定量数据，试验结果的重复性、可 比性差。对于制动性能不合格的车辆，不易诊断故障原因和部位，制动距离和制 动减速度等性能参数往往因驾驶员操作、路面状况及交通状况而异。 图1 1 所示为典型的日本n a c b o 公司山形a b s 试验场示意图，依据图中所 示，它是由各种不同附着系数的路面组合而成，是整体检测a b s 制动性能的试验 路面【8 】。 2 上海师范大学硕十学化论文绪论 j 。端口= d d 1 ( ) a = o 4 ( w g r ) 棍烃士络 占 打磨混鞭i 路 1r = 0 6 0 ( w s t ) 麓震 缀粼渊 3 0 m 1 0 0 m 。 一 l ij 0 m 。5 妇。 。 1 5 0 m 图l l 典型的a b s 制动性能试验场地路面情况 1 2 2 试验台架检测方法 试验台架检测方法也是常用的一种，与道路试验相比，台架试验耗时短、安 全，不需要专门的试验道路，受外界因素影响小【9 】。而且，台架试验的检测对象是 汽车的制动力，它能详细记录汽车在制动过程中制动力的变化情况，对于制动性 能不足的车辆，能够准确测出有问题的环节，对于汽车制动性能的改进具有指导 意义。 依据不同的分类标准，制动检验台有不同的分类方法。按测试原理可分为反 力式检测台和惯性式检测台两类；按检验台支撑车轮的形式不同，可分为滚筒式 检测台和平板式检测台两类；按检测参数不同，则可分为测制动力式、测制动距 离式、测制动减速度式和综合式四种；按检验台的测量、指示装置、传递信号方 式不同，可分为机械式、液力式和电气式三类【l o 】。目前，国内汽车综合性能检测 站所用的制动检验设备多为反力式滚筒制动检验台和平板式制动检验台。目前已 研制出惯性式防抱死制动检验台，但实验价格昂贵，短期内难以普及应用。 反力式滚筒制动检验台【1 1 1 的结构简图如图1 2 所示。它由结构完全相同的左右 两套对称的车轮制动力检测单元以及指示、控制装置组成。车轮制动力测试单元 是系统的重要组成部分，一般由框架、驱动装置、滚筒组、举升装置、测量装置 等构成，指示及控制单元操作，监测整个系统的运转。 绪论 上海师范大学硕十学位论文 图1 2 滚筒反力式制动力检测台不恿图 这种检测方式的检测步骤为：首先将待检车辆驶上滚筒，摆正位置后，摘入 空挡，启动滚筒，运行两秒钟后测得车轮阻滞力。在随后的制动过程中，仪器将 对制动力增长全过程中左右轮制动力差以及各车轮的最大制动力进行测录，轮胎 抱死的情况也被记录在案。按照国家标准，如果汽车制动力总和与整车重量的比 值在空载时大于6 0 、满载时大于5 0 ，主要承载轴的制动力与该轴的轴荷的比值 在空载时大于6 0 、满载时大于5 0 时，被检测车辆的制动性能就算合格【1 2 】。 平板式制动试验台结构如图1 3 所示。这是一种新型的制动检测设备，汽车低 图1 - 3 平板式制动试验台示意图 速驶上平板后，若突然制动，则会产生惯性力作用，以此来检测汽车的制动效果。 这种检测方法属于动态惯性式制动检测方式，使用此种方法，不仅能检测制动性 能，还可以测试汽车的轮重、悬架性能以及前轮是否侧滑，是一种综合性的试验 检测台。 4 卜海师范大学硕十学位论文绪论 1 2 3 仿真检测方法 路试检测和台架检测方式是现今实际应用比较广泛的方法，但因造价高和检 测的便捷性问题，始终存在一定的局限性。仿真检测方法是运用各种仿真软件模 拟系统，将各项参数进行定量的分析和比较。 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。在汽车a b s 性能检测中，仿真检测方法是模拟a b s 的工作方式，运用仿真软件建立各部件的 系统模型，将各系统部件置于整体的模拟环境中，使之构成一个闭环控制系统。 采用各种数学模型建立系统，利用数值计算各项参数，计算车辆的动力学性能， 并将数值输出给控制器，使控制器的控制环境就像在实际汽车上的环境一样，控 制制动系统的制动压力，作用于车辆系统，车辆的各项参数反馈到控制器进行新 一轮的循环控制。仿真检测方法可以在试验条件下进行各种模拟计算，采用仿真 计算方法，可以通过修改参数，控制各种实验条件，将得出的不同的实验结果进 行比较，试验可以大量进行，也可以通过这种方法对a b s 的控制器进行反复试验 研究1 3 】。 国内外汽车动力学仿真研究基本上由计算机软件完成，现有的汽车动力学仿 真方法主要有m a t l a b 、a d a m s 以及用各种编程语言编制的软件系统进行仿真。a d a m s 软件是一种适用于车辆动力学模拟的工具，它采用多刚体力学的方法，将系统分 成多个刚体，对刚体的质量和各个方向的转动惯量及连接方式进行定义和赋值。 它从物理系统的刚体结构出发，可以在三维状态下建立模型，能比较真实地反映 车辆动力学特性。但是，采用a d a m s 进行仿真的建模过程复杂，所需的参数多， 对用户是不透明的，缺少灵活性。 m a t l a b 是一种功能强、效率高、便于科学和工程运算的交互式软件。它带有 十几个工具箱，可以用于不同的专业领域，其中s i m u l i n k 工具箱可完成系统图形 建模。用m a t l a b 仿真免去了程序代码编程带来的繁琐和低效，但不能开发特殊的 专用系统，尤其是实时系统。针对本文的设计目的，需要详细了解系统的参数输 入以及计算方法，因此选择m a t l a b 作为本文的研究工具。 相比较道路检测方法和试验台架检测方法，仿真检测方法更加简单易行，且 不需要耗费大量资金，只要确定相应的参数，系统的仿真结果可以很接近路试实 验的结果，可靠性高。 1 3 论文的主要工作及创新点 本论文的主要内容是采用计算机软件m a t l a b 模拟汽车a b s 的制动过程， 验证仿真检测方法的可行性，并评估其性能，主要工作内容包括以下方面： 1 分析汽车a b s 的制动过程，建立制动过程中的各部件模型。分析建立车辆 绪论 上海师范大学硕+ 学位论文 动力学模型、制动系统模型、车辆轮胎模型以及路面模型。 2 根据不同的路面条件下，汽车的防抱死特征和控制参数是不一样的，不同 的路面附着系数，制动时的路面附着系数利用率也不同，因此添加不同路面模型 来仿真实际的路况，增d n j , i - 在条件的影响，提高检测的广泛性和准确性。 3 基于国家标准的基础上，综合评价整车的制动性能，附加滑移率均值与方 差、制动压力均值与方差以及附着系数利用率等统计指标作为系统性能的评价参 考。 4 依据建立的系统模型，输出仿真结果，并与路试结果进行对比，验证仿真 检测的可靠性，讨论汽车在不同路面条件下制动性能的差别。 本论文的创新点主要包括以下几个方面： 1 系统性能的评定主要利用与制动性能密切相关的滑移率计算，根据国家标 准，确保结果的准确性。 2 添加了不同的路面参数，运用三种典型的路面模型，分别评估汽车在这三 种路面状态下的制动性能，全面地检测汽车在各种条件下的性能，避免了仿真检 测理想单一的可能性。 3 根据制动性能检测方法，比较了汽车在不同初速度下的各项参数，多角度 整体评估汽车的制动性能。 1 4 论文的结构安排 本文首先阐述了a b s 控制原理的相关知识，然后论述了汽车的制动过程，分 析了仿真检测方法中的影响因素，提出了基于国家标准的综合性能检测方法，并 建立了系统的仿真模型，最后根据实验结果分析不同参数下的制动性能，分析仿 真检测的可行性。论文共分五章： 第一章：绪论。阐述了论文的研究背景、目的及意义，分析国内外研究现状， 并概述论文的主要工作。 第二章：论述a b s 的控制原理及控制方法。阐述了控制的基本原理，列举了 几种典型的控制方法，对现阶段应用普遍的制动方法进行分析，并比较了典型控 制方法的优缺点，选择p i d 控制方法作为本文的应用方法。 第三章：分析制动过程中的影响因素并建立系统仿真模型。首先分析了汽车 的典型制动过程，提出了基于国家标准的综合性能评价方法；然后研究了仿真检 测方法中的影响因素，建立车辆动力学模型、制动系统模型、车辆轮胎模型以及 路面系统模型。 第四章：仿真结果分析。分析不同参数条件下的实验数据，对比路试检测结 果，验证汽车a b s 仿真的可行性，根据国家标准，评价系统的制动性能。 第五章：总结及展望。 6 圭型些堡奎兰堡! ：兰竺堕兰皇墅墼堡型堡堡垒堡型矍塑 第2 章a b s 的控制过程及控制算法 本章分析了汽午a b s 的控制过程，阐述t a b s 的t 要功能部件工作原理。a b s 的核心部件是电子控制单元e c u ，本章对比分析了常用的典型控制方法，并讨论 了各种方法的优缺点，选择p i d 算法作为仿真检测控制器的控制方法。 2 1a b s 的工作过程及实现原理 2 1 1a b s 的工作过程 汽车在制动过程中，当驾驶员踩f 刹车时，制动踏板力的压力通过液压控制 单元调节制动主缸的油压，通过制动器调节施加在车轮上的压力，同时，车轮上 的轮速传感器检测轮速信号，并将信号输出到电控甲元，经电挣单元对信号进行 处理，若发现车轮出现l 临界抱死状态，则产生一个反馈控制信号，利用回液泵减 小制动管路上的压力，防止车轮在制动过程q ，拖死，过程反复执行，直至车速为 零】。a b s 控制过程的模型图如图2 一l 所示。 制自i 制动踏板 电拧* z 渡拧制 目2 一ja b s 的控制过枵 a b s 的控制过程除内部液压的调节外，车速与轮速之间的关系还受地面制动 力的影响。汽车制动过程中的行驶状态比如制动距离和制动稳定性，主要是由 汽车与地面之间的摩擦力决定，因此，汽车与路面之问的相互作用是分析的重点。 汽车与地面之间的作_ 【i j 力_ 丰要分为纵向作用力和横向作用力。由经验可知，在汽 车行驶过程中，增大制动压力的同时，车轮的滚动成分越来越少，滑动成分越来 越多，在轮速与车速之间就存在一定的速度筹，如果车轮速度为0 ，则此时车轮就 a b s 的控制过程及控制算法 上海师范大学硕十学位论文 处于抱死状态，致使行驶中的车辆存在很大危险性。 汽车a b s 的主要功能是防止车轮在制动过程中抱死，当车辆在不稳定路面上 制动时，将轮胎的滑移率保持在一定范围内。汽车制动的理想目标是【1 5 1 ：保持车 辆制动时，车轮的滑移率始终在侧向附着系数较大，而纵向附着系数最大的滑移 率区域，从而使汽车制动时不仅能够保持最大的地面制动力，而且也能保持足够 大的侧向力，以此维持汽车的转向能力和方向稳定性，使汽车避免在制动时因车 轮抱死发生侧滑及甩尾的情况，避免意外的发生。 2 1 2a b s 的控制原理 a b s 的组成通常可以划分为三部分【1 6 】：e c u 、车轮速度传感器和制动压力调 节器，其与车辆系统构成一个完整的闭环控制系统。图2 2 是a b s 的组成框图， 图2 2 a b s 的组成框图 其中e c u 是整个系统的核心部分，它兼具接收信号和发送命令的作用，一方面负 责将传感器的信号通过a d 转换或者直接输送数字信号到处理器进行分析处理， 另一方面将控制命令通过d a 转换或者直接输出数字信号到制动压力调节器。 1 ) 轮速传感器 轮速传感器用于感知车轮的转速，能够产生与车轮转速成正比的电压信号， 并把产生的电压信号传给e c u ，供运算单元计算f j7 】。电磁感应式轮速传感器由磁 感应传感器与齿圈构成，是一种通过磁通量变化而产生感应电压的装置。结构如 图2 3 所示。 8 上海师范大学硕十学化论文a b s 的控制过程及控制算法 图2 - 3 轮速传感器的结构图 齿圈在永久磁铁产生的磁场中运动，齿圈的顶部与缝隙会在传感器附近产生 一个交变的磁场，传感器通过测量磁通量的变化，产生一个交流信号，信号的频 率与车轮速度成正比，交流信号经整形电路整形后以方波形式输出给控制器，运 算单元通过计算信号的上升和下降沿判断车轮的速度。 2 ) 电子控制单元e c u 电子控制单元e c u 是汽车a b s 系统的核心部分，是系统实现自动控制的神 经中枢【1 8 】。它主要由输入放大电路、运算电路、稳压电源、电磁阀控制回路等部 分组成。e c u 单元接收来自传感器的电压信号，通过整形滤波放大，由运算单元 按照控制逻辑计算，并通过电磁阀输出控制指令，控制制动压力调节器运作。目 前，随着电子技术的飞速发展，e c u 一般由集成度和精度很高的电子电路组成。 控制算法的实现现阶段有很多种，根据不同原理均能实现a b s 的控制目的， 但在控制稳定性以及控制精度方面存在一定差别。 3 ) 制动压力调节器 制动压力调节器是a b s 系统中的执行机构，它的主要作用是接收e c u 的控 制指令，直接或问接地控制制动压力的增减，以驱动电磁阀工作，实现对轮缸压 力的调节，调节作用在车轮上的压力值。a b s 是在传统制动基础上添加的一套自 动控制装置，因此，与传统的制动过程相比，防抱死制动控制与常规制动过程有 很大的相似之处。相似之处在于，若汽车车轮未趋于抱死状态，则a b s 与常规制 动过程完全相同，只有当车轮趋于抱死状态时，a b s 才开始调节制动压力，防止 车轮抱死。 压力调节器是一个三位三通阀。在汽车正常行驶时，压力调节器处于常通状 态，在汽车制动的过程中，压力调节器的工作状态一般可以分为三种：保压状态、 增压状态、减压状态。电磁阀断电以后，制动主缸与制动轮缸相连通，主缸端的 制动液流入轮缸，轮缸压力随主缸的压力增加而增加，制动压力上升，此时回液 9 a b s 的控制过程及控制算法上海师范大学硕十学位论文 泵不工作，调节器处于增压状态；当e c u 向电磁阀通入一个较小的保持电流( 一 般为减压状态电流的一半) 时，柱塞的移动位置将所有的通路截断，电磁阀位于 “保持压力”的位置，此时轮缸和回液孔以及主缸之间相互隔离密封，轮缸保持 一定的制动压力，这就是保压状态；当e c u 向电磁线圈通入一个较大电流时，轮 缸与主缸的通路被截断，轮缸与储液器相连，轮缸的制动液流入储液器，此时轮 缸的制动压力降低，调节器处于减压状态。 2 2 汽车控制系统的控制方法比较 a b s 的核心部分是e c u ，e c u 采用不同的控制算法，所产生的控制性能也不 尽相同，汽车防抱死制动系统控制算法的开发是提高a b s 性能的重要途径，因此， 控制算法的应用是系统设计的核心部分，控制算法的选择也是决定制动性能优劣 的关键。 现如今汽车a b s 系统的控制方法很多，主要有逻辑门限值控制方法、滑模变 结构控制方法、模糊控制方法、p i d ( 比例积分微分) 控制方法等。这些方法基 本都是基于车轮加、减速门限及滑移率设计的，控制的精度以及稳定性是系统的 关键。 2 2 1 控制方法概述 1 逻辑门限制控制方法 逻辑门限值控制方法是常使用的一种方式，通过分析汽车制动过程中的加减 速度，设立门限值，实时控制车轮速度。逻辑门限值控制方法是通过设立特殊门 限值以控制变量的方法。通常设立与控制目标密切相关的变量为门限值，根据实 测的数值与门限值进行比较，得出结论。汽车a b s 控制中所用的变量通常为角加 速度、角减速度以及滑移率 2 1 】。一般只用三个参数中的一个并不能保证车辆在各 种行驶条件下都具有良好的性能，因此，多数采用的方法是将角加、减速度作为 主要的控制参数，而将滑移率作为辅助控制参数。控制量综合加、减速度和参考 滑移率，逻辑门限值控制方法的控制理论可以描述为： x o = e + e 彳 ( 2 一1 ) 式中，k 是车轮综合加、减速度；e 、c o 分别为参考滑移率和加、减速度的加权 系数，s 。，是参考滑移率，a 是车轮加、减速度。控制逻辑可以表达为： k 。 + 口， 系统保压 ( 2 2 ) 1 0 上海师范大学硕十学位论文a b s 的控制过程及控制算法 k 一色 系统增压 逻辑门限值控制方法的使用在一定程度上避免了繁杂的理论分析，控制器设 计简单易实现，简化了控制器的设置。 2 滑模变结构控制方法 滑模变结构控制属于一类特殊的非线性控制系统。它根据系统当时的状态、 偏差及其导数值，在不同的控制区域，以理想开关的方式切换控制量的大小和符 号，使系统在滑移率曲线很小的领域内沿滑移环节曲线滑动的控制方式。它是变 结构系统控制的一种控制策略，它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性。 滑模变结构控制可以根据处于不同区域的系统的状态以及偏差等，改变控制量的 大小，以使系统在滑动区域很小的范围内，状态轨迹逐渐滑向控制目树2 3 】。 在a b s 控制中，将制动力矩作为控制变量，记作u ，切换函数为： v = e + c l e ( c l 0 ) ( 2 - 3 ) e = s s o 是实际滑移率相对期望滑移率的偏差，切换条件为： u ：j 一 v 0 ( 2 4 ) 【心+ v 0 滑模变结构控制系统优于其他控制方法之处在于，它能够依靠控制器本身就 能使系统处于较高的控制性能，能够使系统按照设计的滑移面运动，在系统的动 力学以及参数变化方面，滑模变结构控制比其他控制能具有更好的鲁棒性。 3 模糊控制方法 模糊控制是基于经验规则的控制，通过模糊逻辑和近似推理的方法，让计算 机代替人进行有效的控伟1 2 4 1 。对于防抱死控制系统来说，滑移率控制的要求是制 动时使车轮滑移率维持在最佳滑移率点，则系统的误差定义为e = s s o ，误差的 变化率定义为p c = ( 吼- e k 一，) r ，t 为采样间隔，e 、e c 为系统的输入量，控制量u 是制动压力，为输出量，如图2 4 所示。 a b s 的控制过程及控制算法上海师范大学硕十学位论文 图2 - 4 模糊控制器系统框图 带有误差修正因子的模糊控制器，可以将控制过程用解析式的方式表示为： u = 口p + ( 1 一a ) e c ( 2 - 5 ) 式中：口为加权系数，在大误差情况下，e 起主导作用，给口较大的值，控制能量 可以迅速减小误差，阶跃响应快；小误差时需尽快减小误差的变化率，以使实际 值稳定的跟踪期望值。 4 p i d 控制方法 p i d 控制( 即比例积分- 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 i f f e r e n t i a l 的简称) 是一种负反馈控制，它是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种控制方式【捌。 它具有简单的控制结构，各参数物理意义明确，控制参数相互独立，参数的选定 比较简单，不需要了解详细模型，只需要对参数误差进行整定，适用面广，在工 程中较易实现。 p i d 的控制规律可表示为： “= 巧卜丢肛+ 乃去 协6 ， 式中，k 。为比例系数，z 为积分时间常数，乃为微分时间常数，e 为控制误差，u 为控制量。其传递函数为： g “p ( h 专哪 引 各参数对系统响应的影响是： ( 1 ) 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，加大比例系数，一般会加 快系统响应，有利于减小静差，但会使系统有较大的超调。 ( 2 ) 积分环节：可以消除比例调节中残存的静差，提高系统的无差度。积分作 用的强弱取决于积分时间常数，积分时间常数增大，积分作用削弱，系统稳定性 增加，但会减慢消除系统静差的过程。 ( 3 ) 微分环节：反映偏差信号的变化趋势，增大微分时间常数，使微分作用增 1 2 上海师范大学硕十学位论文a b s 的控制过稃及控制算法 强，可加快系统响应，减小超调，提高稳定性。 对于p i d 在防抱死控制系统中的应用，首先要确定期望滑移率，理论上应该 取最优滑移率为期望滑移率，但实际情况中很难确定准确的最优滑移率值，因为 不同的轮胎特性、不同的路况与不同的制动工况其轮胎特性是不一样的，因此需 要估算最佳滑移率，以得到稳定的控制。 将滑移率作为控制量，设滑移率的设定目标为& ，即为系统的期望滑移率， 则定义车轮滑移率误差为： e = s s o ( 2 8 ) 汽车a b s 控制器需要根据不同的路面情况，跟踪附着系数的变化，通过系统 参数整定，确定比例系数、积分系数、微分系数的最佳参数值，根据实测的滑移率 与目标滑移率墨之间的差值，得到控制值u ，输出到车辆系统，保证制动效能达到 最佳状态。 基于滑移率变化差值的p i d 控制系统如图2 5 所示。 匪二 匾 图2 5 基于滑移率变化差值的p i d 控制系统 2 2 2 控制方法的综合性能比较 逻辑门限值控制方法、滑模变结构控制方法、模糊控制方法以及p i d 控制方 法都是比较常用的几种控制方法，这几种控制方法都有各自的优缺点。为了便于 分析，选择一种具有典型的算法作为本文的控制器方法，将几种控制方法的优缺 点进行分析比较，可得到如表2 - 1 中结论。 a b s 的控制过稃及控制算法 二海师范大学硕十学位论文 表2 1 控制方法优缺点比较 逻辑门限值控制 滑模变结构控制 模糊控制 p i d 控制 控制方法简单易行 对于外部变化具有 较强的不敏感性， 适应性好 基于经验规则，灵 活性以及适应性好 不需要了解被控对 象的数学模型，容 易实施 不能稳定维持最佳滑 移率，制动距离较长 难以保证静态精度， 难以实现高可靠性 在刁i 同t 况的变化 下较差 控制效果良好 参数嘲难爹嚣嚣 对被控对象参数变化 比较敏感，响应较慢 控制精度较高，鲁 棒性良好 逻辑门限值控制方法是常使用的一种方式，通过分析汽车制动过程中的加减 速度，设立门限值，实时控制车轮速度，控制方法简单，但由于不同车型、不同 路面，其门限值都不相同，控制效果不够精确，并且需要较长的制动距离。相比 其他制动方法，通过滑模变结构控制可以获得较好的制动效率，但在使用过程中， 如何选定参数是滑模变结构控制的重要方面。模糊控制方法类似于人脑模糊推理 的方法，结合实际经验，能形成一定的控制规则，模糊控制方法中不需要建立精 确的数学模型，具有很好的鲁棒性，相对的，控制精度也难以控制。p i d 控制已经 很广泛的应用到各个领域中，只要选择特定的目标值，通过误差反馈控制，就能 得到较为理想的控制效果。 就防抱死制动过程而言，不同的工况以及行驶条件下，各种控制方法的优缺 点并不完全绝对，各项控制算法都存在一定的优越性，但综合各项性能，由比较 可得，p i d 控制算法在实现方法以及控制精度方面都具有较高的性能，因此本文在 仿真建模中，选择采用p i d 算法实现控制器的设计。 2 3 本章小结 本章首先阐述了汽车制动过程中a b s 的控制过程及其控制原理，分析介绍了 汽车a b s 的各功能部件，然后深入探讨了电子控制单元e c u 的常用控制方法， 并对几种控制算法作了比较，分析了各个方法的优缺点，最后选择p i d 控制作为 控制器系统建模的方法。 1 4 线。 基于蘩车的a b s 性能仿真检测 上海师范大学硕十学位论文 贰l 一鲐壤l ： 。夕 二= = = 一 t ：k 、一一i i 0 l l；i k 。： ，一 i ll j 畸瀚，秒 ( b ) 装有a b s 的汽车直线制动过程 图3 1 汽车的直线制动过程 在汽车的制动过程中，车轮上作用力有制动力和附着力。在制动的初始时刻， 制动压力线性上升，车轮制动减速度绝对值逐步稳定增加，同时附着力矩也增加， 图( a ) 和图( b ) 中车速和轮速分离均不明显，制动过程显稳定状态，此时地面 附着力是附着系数与轮胎载荷之积。图( a ) 中当制动力达到地面附着力极限值时， 车轮进入制动不稳定区域，随着压力的增大，地面所提供的附着力不再增加，附 着力矩下降，使车轮滑移率开始急剧增加，在很短的时间内车轮抱死，滑移率达 到1 0 0 ，即在b 点车轮抱死，并且抱死状态一直维持到制动过程完成。而在图 ( b ) 中，制动减速度在达到最小值后，始终在最小值附近波动，在轮速与车速的 差值增大时，通过调节制动压力，使车速和轮速基本保持相同。 由此可见，装有a b s 的汽车能较好地控制制动过程中车速与轮速的关系，在 即将发生车轮抱死时，通过制动压力的调节，使车速与轮速基本保持相同。 2 车轮抱死时的运动状况 未装a b s 的汽车在制动过程中容易出现抱死，在路面条件不佳的条件下或者 弯道行驶时，抱死可能会使汽车出现侧滑及跑偏的情况，这时汽车会脱离原来的 运动轨迹，失去转向能力，极容易发生危险。 “制动跑偏”是指汽车在制动过程中不受驾驶员的控制，偏离原来的行驶路 线【2 8 】。“侧滑 又称侧向滑移，是指汽车在转弯过程中，由于离心力引起车辆在横 断面方向向曲线外侧滑移，或在倾斜路面上车辆受横向力作用而产生横向的向下 滑动，在行驶中偏离正常行驶方向的滑动。图3 2 显示了汽车在前后车轮分别抱死 1 6 嚣i，蕾磺鼍簿褰 气墨嬲鬻蔗敲瓣 上海师范大学硕士学位论文基于祭的a b s 性能仿真检测 彩 图3 - 2 汽车车轮抱死时的运动轨迹( 左图为i j 仃轮抱死，右图为历轮抱死) 时的运动轨迹。制动过程中塌危险的情况是在高速行驶过秤中制动时，汽车发生 若后轴侧滑，则可能会致使汽车发生不规则的回转运动，严重时町能会导致汽车 掉头，使汽车失去控制，导致意外状况的发生l z “。 3 1 2 滑移率与附着系数 l 滑移率 滑移率是汽车制动过程中的一个重要参数。汽