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东北大学硕士学位论文 模糊控制在汽车防抱制动系统中的应用 摘要 论文对模糊控制理论在汽车防抱制动系统( a b s ) 中的应用进行了研究。以a b s 工作原理和模糊控制理论为基础，对基于滑移率的模糊控制算法进行了仿真研究， 并重点研究了基于路面附着系数的模糊控制算法。 采用人工图形建模的方法，在s i m u l i n k 中建立相应的车辆仿真模型，其中包 括车辆系统的四分之一车体模型、轮胎模型和制动系统模型，同时设计了模糊控 制器，进行系统的仿真研究。 普通模糊控制器的设计。首先设计了基本模糊控制器，在阐述模糊控制理论 和模糊控制器基本设计方法的基础上，利用m a t l a b 模糊控制工具箱分别设计了 基于滑移率的基本模糊控制器和基于路面附着系数的基本模糊控制器，并进行仿 真研究。其次，设计了基于查询表在线插值的模糊控制器。针对基本模糊控制器 以及传统模糊查询的缺点，进行了改进，分别设计了基于滑移率查询表在线插值 模糊控制器和基于路面附着系数查询表在线插值模糊控制器，并进行了仿真研究。 自适应模糊控制器的设计。针对普通模糊控制器控制规则不可调整的缺点， 分别设计了基于滑移率智能权函数模糊控制器和基于路面附着系数智能权函数模 糊控制器，并进行仿真研究。 关键词 a b s 滑移率附着系数模糊控制控制通道规则自调整仿真 i i 东北大学硕士学位论文 a b s l r a c t f u z z y c o n t r o l a p p l i c a t i o n o na u t o m o b i l e s a n t i l o c kb r a k es y s t e m a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , f u z z yc o n t r o lt h e o r ya p p l i c a t i o no na u t o m o t i v ea n t i l o c kb r a k e s y s t e mi ss t u d i e d b a s e do na b sp r i n c i p l eo fw o r ka n df u z z yc o n t r o lt h e o r y , f u z z y c o n t r o la l g o r i t h mb a s e do ns l i pr a t ei ss i m u l a t e da n ds t u d i e da n d 购c o n t r o l a l g o r i t h mb a s e do nr o a d - a d b e n s i o nc o e f f i c i e n ti ss t u d i e de m p h a t i c a l l y m a k i n gu s eo fg r a p h i c a lm o d e l i n g ，a u t o m o t i v es i m u l a t i o nm o d e li n c l u d i n go n e f o u r t hc a rb o d y ，t y r ea n db r a k em o d e li se s t a b l i s h e da n df u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e di n s i m u l i n k s y s t e mi ss i m u l a t e d g e n e r a lf u z z yc o n t r o l l e ro fa b si sd e s i g n e d f i r s t l y , b a s i cf u z z yc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d b a s e do nt h es t a t e m e n to ff u z z yc o n t r o lt h e o r ya n df u z z yc o n t r o l l e rb a s i c d e s i g nm e t h o d ，b a s i cf u z z yc o n t r o l l e rb a s e do ns l i pr a t ea n db a s i cf u z z yc o n t r o l l e rb a s e d o nr o a d - a d h e n s i o nc o e f f i c i e n ta r e d e s i g n e d a n ds i m u l a t e d s e c o n d l y , o n l i n e i n t e r p o l a t i o nf u z z yc o n t r o l l e rb a s e do nl o o k - u pt a b l ei sd e s i g n e d l o o k u pt a b l eo n l i n e i n t e r p o l a t i o nf u z z yc o n t r o l l e rb a s e do ns l i pr a t ea n dl o o k - u pt a b l eo n l i n ei n t e r p o l a t i o n f u z z yc o n t r o l l e rb a s e do n r o a d a d h e n s i o nc o e f f i c i e n ta r ed e v e l o p e dt oo v e r c o m e s h o r t c o m i n go f b a s i cf u z z yc o n t r o l l e ra n d t r a d i t i o n a ll o o k u pt a b l ea n ds i m u l a t e d a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d i n t e l l i g e n tw e i g h tf u n c t i o nb a s e do ns l i pr a t e a n di n t e l l i g e n tw e i g h tf u n c t i o nb a s e do nr o a d a d h e n s i o nc o e f f i c i e n ta r ed e v e l o p e dt o o v e r c o m et h es h o r t c o m i n go f g e n e r a l 昀c o n t r o l l e r , w h i c hc a n n o ta d j u s tc o n t r o lr u l e s o n l i n e ，a n ds i m u l a t e d k e yw o r d sa b s ，s l i pr a t e ，a d h e n s i o nc o e f f i c i e n t ，f u z z yc o n t r o l ，c o n t r o lc h a n n e l ， r u l es e l f - a d j u s t i n g ，s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王复印? 日期：妒乡牟明i 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百节匕 1 1a b s 的概念与意义 汽车防抱制动系统( a n t i 1 0 c kb r a k es y s t e m ) 简称a b s 是指在汽车制动过程中， 自动调节车轮轮缸的制动压力，把车轮滑移率控制在一定的范围内，防止车轮抱 死的一种汽车电子控制装置。 汽车在行驶中遇到冠急情况采取紧急制动，有相当多的交通事故是由于汽车 在紧急制动时车轮抱死，从而导致各种非稳定性因素造成的。汽车的a b s 就是为 消除在紧急制动过程中出现的这些非稳定性因素( 如侧滑、跑偏、失去转向操纵能 力) 而研制的。当汽车在行驶过程中一遇到紧急情况，驾驶员通常会猛踩制动踏板 施加全制动以期望取得最强的制动效能，但对装备常规制动器的汽车，它的四个车 轮很快会处于“抱死”状态，即车轮不再滚动而是在路面上拖滑，结果不但不能 带来最佳的制动效能，反而还会带来以下的负效应： 1 ) 由于车轮被抱死，车辆不能实现弯道转向，无法躲避障碍物或行人而造成 交通事故。 2 ) 在非对称附着系数的路面上，车轮抱死将丧失直线行驶稳定性，易出现侧 滑、甩尾及急转等危险现象。 3 1 车轮抱死时的附着力一般低于路面所能提供的最大附着力，车轮在全抱死 状态的制动距离反而有所增加。 4 ) 因为车轮被抱死导致轮胎局部急剧摩擦，降低了轮胎的使用寿命。 由此可见，车轮抱死的常规制动方式，弊端很多。为了提高制动安全性，在 现代汽车上装备a b s 系统己成为必然趋势。 电子防抱死制动系统能把车轮的滑移率控制在一定的范围之内，可充分地利 用轮胎与路面之间的附着力，有效地缩短制动距离，显著地提高车辆制动时的可 操纵性和方向稳定性，以避免车轮抱死时易出现的各种交通事故、使制动器的效 能发挥到最佳状态。故此a b s 是目前世界上普遍公认的提高汽车安全性的有效措 施之一。 在目前所使用的实际防抱死系统中，主要是采用逻辑门限值控制。这种逻辑 门限控制虽然己在商用a b s 中得到比较成功的应用，可是它没有相应的理论作为 指导，控制逻辑复杂，参数的选择只能依靠经验和大量的试验来选取。而且这种 控制方式对于复杂路面的适应能力和抗干扰性都还存在问题。于是人们开始寻求 新的控制方式。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 由于汽车制动是个非常复杂的工况，此时的汽车动力学模型几乎不可能精 确的建立，很难用经典控制理论实现自动控制，所以汽车制动的优化控制一直都 是汽车研究人员非常重视的一个问题。作为基于语言的一种智能控制，模糊控制 越来越受到人们的重视和研究，并将其应用到汽车制动过程的控制策略中。目前 模糊控制在汽车防抱制动系统中的应用也是越来越广泛，对其的研究也是a b s 的 一个重要方面。 1 2 a b s 的发展 1 2 1 国外a b s 的发展概况 2 0 世纪初，原始的a b s 装置就安装在铁路机车上，用于减少车轮的磨损。在 3 0 年代，机械式a b s 开始在火车和飞机上应用，德国博世( b o s c h ) 公司在1 9 3 6 年 第一个获得通过电磁式车轮转速传感器得到车轮转速的制动防抱死专利权，这是 a b s 系统发展史上的一个里程碑 1 1 。 在第二次世界大战的末期，a b s 装置被用于喷气式飞机上，目的在于飞机着 陆时，防止车轮抱死和严重磨损，并保持直线行驶性能。5 0 年代末期，g o o d y e a r 等公司开发出的防抱制动装置，根据车轮的减速情况，阶段性地控制液压，并采 用了初期的电子计算机，使得a b s 的性能得到了很大的改善。1 9 5 4 年美国f o r d 公司首次把民航机上的a b s 应用在林肯牌轿车上，这次试验虽然以失败而告终， 但揭开了汽车应用a b s 的序幕。鉴于当时的电子工业和机械工业的发展水平所限， a b s 的控制性能和可靠性较差，而且价格很高。 随着电子技术的发展，在6 0 年代后期和7 0 年代初期，一些电子控制的制动 防抱死系统开始进入产品化阶段。这一时期的a b s 系统采用的控制器是模拟电路， 驱动装置为电磁阀，控制系统反应速度慢，控制精度低，未达到预期的控制效果。 进入7 0 年代后期，数字式电子技术和大规模集成电路的发展为a b s 的实用化奠 定了基础，b o s c h 公司在1 9 7 8 年开发出数字式电子控制a b s ，揭开了现代防抱死 制动系统发展的序幕雎】。自从8 0 年代中期以来，a b s 控制器不断更新换代，体积 越来越小，功能越来越强，控制逻辑更加台理，并具有自适应性和故障自诊断功 能，a b s 向着提高性能成本比的方向发展。9 0 年代以后，a b s 技术已日趋成熟， 制造成本不断降低，使得a b s 迅速普及。目前，最著名的a b s 开发公司有博世 ( b o s c h ) 、戴维斯( t e v e s ) 、本迪克斯( b e n d i x ) 、德尔科( d e l c o ) 和卢卡斯( l u c a s ) 等川。 目前，在美国、西欧、日本等发达国家和地区，a b s 已经成为轿车的标准设 备，装车率达到1 0 0 ；在大型客车和货车上，a b s 的应用也日益普及。随着车辆 2 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 动力学、计算机技术和电子技术的发展，a b s 一方面向提高性能价格比方向发展： 另一方面，与驱动防滑装置( a s r ) 相集成，并与主动悬架、电子转向控制等系统构 成综合控制装置。 1 2 2 我国a b s 的发展情况 我国对a b s 的研究开始于2 0 世纪8 0 年代初，现在己进入产品试制和在车辆 上试装的阶段，a b s 的研究项目被列入“九五”科技攻关计划。我国检验a b s 产 品的国家标准g b l 3 5 9 4 9 2 汽车防抱制动系统性能要求和试验方法采用了联合 国欧洲经济委员会( e c e ) 的汽车制动法规r 1 3 的附件1 3 采用制动防抱装置的车 辆的试验要求。 目前，国内a b s 的研究单位也有不少，如：东风汽车公司、交通部重庆公路 研究所、重庆宏安a b s 有限公司、陕西博华、西安公路学院和清华大学等。但是， 我国a b s 的研发工作起步较晚，技术水平与先进国家相比还有较大差距，实际上 还处于研制、试验阶段，远未能达到大批量生产的阶段，不少汽车所用的a b s 仍 然采用进口产品，这一现状有待改进。国产a b s 的主要问题是路面识别不够理想、 可靠性较差和性能价格比较差。增强国产a b s 的竞争能力，迫切需要对a b s 的关 键技术( e c u 和控制软件等) 进行深入的研究。 1 2 _ 3a b s 的发展趋势 1 ) 小型轻量化1 2 5 1 为了确保汽车行驶的安全性，同时也为了减轻汽车重量，加之现代发动机的 安装空间非常紧凑，要求尽可能减小a b s 机构的体积和轻量化。目前普遍采用提 高a b s 集成度、改进电池阀的结构与控制方式、优化电子控制器( e c u ) a 部电路 等。 2 1a b s 与驱动防滑转控制等装置形成一体化控制 目前普遍有一种做法，在a b s 原有硬件基础上，通过扩展a b s 的软件内容， 实现电子制动力分配( e b d ) 功能，在a b s 未动作之前，使前、后轮制动力分配更 加合理，使前、后桥的制动力分配要接近理想的制动力分配曲线，以利于汽车行 驶的稳定性和减速行驶。 随着对汽车性能要求的提高，不仅要求在制动过程中防止车轮抱死，而且要 求在驱动过程中( 主要指在起步、加速、特别在非对称摩擦路面行驶时) ，防止驱动 车轮滑转，使汽车在驱动过程中的方向稳定性、转向控制能力和加速性能也都得 到提高，因而开始广泛装用一种驱动防滑转系统( a c c e l e r a t i o ns l i pr e g u l a t i o n ) ，简称 a s r ，也有的译为加速滑转控制( 调节) 系统或加速防滑系统。由于驱动防滑转系统 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 多是通过调节驱动车轮的驱动力( 或牵引力) 实现控制的，因而有的叫驱动力( 或牵 弓 力1 控制系统( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ) ，简称t c s 。可以说a s r ( 或t c s ) 是a b s 的 完善和补充，也可以说是a b s 的延伸。a s r ( 或t c s ) 可以独立设立，但因a s r ( 或 t c s ) 与a b s 两种控制及其类似，多数是组合在一起的，两个系统形成一体化，常 用a b s a s r 或a b s t c s 表示，该系统既具有制动防抱死功能，又具有驱动防滑 功能。 另外，在上述a b s + e b d + a s r ( 或t c s ) 的基础上，有的还增加一种动态稳定 控s f j ( d s c ) 或自动稳定控制( a s c ) 功能，主要作用是防止车辆转弯时引起侧滑，确 保汽车姿态的稳定性，从而形成全面的整合型的主动防撞安全系统，使汽车行驶 更加稳定、安全。 3 ) a b s 与底盘的其它电子控制装置形成紧密联系 随着电子技术的进步及车内高速数字通信系统( 网络) 的发展，a b s 与电子控制 主动悬架( 或半主动悬架) 、电子控制四轮转向、电子控制动力转向、电子控制自动 变速器等底盘电子控制装置，形成紧密联系，可以构成组合控制或联动，通过对 各系统进行协调，使汽车运动保持最佳状态。 4 ) a b s 向自动制动化发展 自动制动系统的实用化，需要在车上装用能够对前方道路上的障碍物或非道 路上障碍物( 如交通管理岗亭) 进行检测或识别装置，如雷达或超声波等。这些装置 与a b s 相配合，在需要制动而驾驶员没有采取制动减速措施情况下，该系统一方 面会自动点亮仪表板上的警示灯或用蜂鸣器警告驾驶员，另一方面会自动实现回 避危险性的制动功能，它将进一步提高汽车行驶的安全性。 1 3a b s 控制理论概述 逻辑门限值控制方法是一种使用历史最长的控制方法，也是目前汽车a b s 一 般所采用的控制方式，这是一种基于经验的控制方式，它采用一些参量( 如加、减 速度) 的门限值进行控制，并附加一些辅助门限，这对于非线性系统是一种有效的 控制方法。这种控制方式的优点是：首先它不涉及具体的控制数学模型，从而免 去了大量的数学计算，可提高系统的实时响应，使防抱死控制这一复杂的非线性 问题得以简化：其次是它所需要的控制参量较少，尤其是可省去车速传感器，使 系统结构简单，成本大大降低：另外，它的执行机构相对来说也比较容易实现。 其缺点是：系统的控制逻辑比较复杂，控制也不够平稳，控制系统中的各种门限 值，都是经过反复试验得出的经验数据，还没有充分的理论根据，而且用逻辑门 限值方式完成的a b s 装置对各类车型的互换性不佳。当用这种控制方式为某一车 4。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 型开发新的a b s 装置时，需要较多的时间和大量的试验来确定和调整控制逻辑与 控制参数，以达到最佳的防抱制动效果。 p i d ( 比例积分微分) 控制是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种控制方 式，它最大的优点是不需要了解被控对象的数学模型，只要根据经验进行调节器 参数的在线整定，即可获得满意的结果，并且容易实施。其不足之处是对被控对 象参数比较敏感，对纯滞后的被控对象控制效果较差。不适用于a b s 这种复杂的 系统，如果采用参数匹配的方法，则会增加复杂性。 最优控制有好的静态精度，可是它要求期望滑移率的设定值在稳定区域内。 一旦设定在非稳定区域时，尽管可以切换非稳定区域里的反馈控制增益，但由于 控制能量的限制及不可实现性( 它要求负的压力) ，会产生比较大的轮速波动。而且 最优控制要求建立比较精确的数学模型，对于汽车制动这种变工况、非线性系统 控制效果不是很好1 3 1 。 模糊控制理论是由美国加利福尼亚大学著名教授l a z a d e h 于1 9 6 5 年首先提 出。它以模糊数学为基础，用语言规则的表示方法和先进的计算机技术，由模糊 推理进行判决的一种高级控制策略。自从1 9 7 4 年英国的e h m a m d a n i 首先把模糊 语言组成的模糊控制器用于控制蒸汽发动机，在以后的二十多年中，模糊控制在 控制领域中的应用越来越广泛，也越来越受到人们的重视。而对于建模困难、参 数复杂的a b s 系统而言，模糊控制是一种很好的选择。 模糊控制是基于语言规则的一种智能控制方法，它可以实现非线性控制，同 时还具有以下特点： 1 ) 使用语言的方法，可不需要掌握过程的精确数学模型。因为对复杂的生产 过程很难获取过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方便的近似； 2 ) 对于具有一定操作经验、而非控制专业的工作者，模糊控制方法易于掌握； 3 ) 操作人员通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句很容易 加入过程的控制环节上； 4 ) 采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规控制，并对过程参数的变化 具有较强的适应性 t 3 1 ； 基于模糊控制的优点，汽车工业开始将模糊控制应用于a b s 的控制规律的研 究。根据制动专家的经验和试验结果，这种复杂过程可以提炼成几条语言规则， 设计模糊控制器，通过不同路面条件下的仿真结果验证a b s 模糊控制的有效性。 采用模糊控制后，制动距离和时间均减小，尤其是制动力的变化幅度小，汽车传 动装置因制动而引起的振动大大减少，制动器的寿命延长。此外，制动过程对于 制动器具体参数的敏感性降低，制动性能比较稳定。 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 计算机仿真技术的应用 计算机仿真技术是研究汽车动力学性能的重要手段。与常规的试验分析方法 相比，它不仅具有分析速度快、精度高、周期短等优点，而且还能解决一般常规 方法不能解决的问题，如危险工况的试验、耐久性试验等。同时它为新产品的研 制、老产品的更新换代提供了性能的快速预估手段。 在研究a b s 这种典型的非线性控制系统时，仿真方法成为最常用的工具。计 算机仿真技术在a b s 的开发和研究中占有重要地位。在防抱死制动的计算机仿真 过程中，可以随意地改变车辆系统、运行条件及控制逻辑的参数设置，并且仿真 过程本身无风险地重复进行。因此，仿真研究具有方便控制逻辑设计、全面评价 a b s 控制性能、指导和简化试验研究等功能。 m a t l a b 是一个高级的数值分析、处理与计算软件。s i m u l i n k 是一个用来进行 动态系统仿真、建模和分析的软件包是m a l l a b 的一个工具箱，它不但支持线性 系统仿真，也支持非线性系统仿真，既可以进行连续系统仿真，也可进行离散系 统仿真或者二者的混合系统仿真，同时它支持具有多种采样速率的系统仿真。 s i m u l i n k 提供了使用系统模型框图进行动态的仿真平台，使用s i m u l i n k 进行 仿真和分析可以像在纸上绘图一样简单。它比传统的仿真软件包更直观、方便。 它是m a t l a b 的进一步扩展，它不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与m a t l a b 、 c 或者f o r t r a n 甚至和硬件之间的相互数据传递，大大地扩展了它的功能。s i m u l i n k 不但可以进行仿真，也可以进行模型分析、控制系统设计等等【5 】。 计算机仿真技术的发展大大促进了a b s 的研究进程，使用s i m u l i n k 已经成为 a b s 产品开发设计必不可少的环节。无论是控制逻辑的确定，还是a b s 关键部件 的设计开发都是先从仿真研究入手，此时的实车试验的应用范围被减小到用于验 证仿真模型的正确性和为改进模型提供数据的最低程度。 1 5 本课题研究的主要内容 随着汽车行驶速度的显著提高和道路行车密度的急剧增大，交通事故的发生 率逐年呈上升趋势，所以全方位、可靠地提高汽车的主动安全性能就成为摆在汽 车设计、开发及科研人员面前一项紧迫而艰巨的任务。丽汽车防抱制动系统控制 算法的研究一直是汽车设计人员研究的焦点。 模糊控制属于智能控制，是一种模拟人类智能的形式，它是在被控对象的模 糊模型的基础上，运用模糊控制器近似推理等手段，实现系统控制的一种方法。 模糊控制很适合变工况、非线性的防抱制动系统。本文在a b s 工作原理和模糊控 制理论的基础上，对a b s 的基于滑移率的模糊控制和基于路面附着系数的模糊控 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 制进行了深入地研究，其主要内容有： 1 ) 在阅读大量文献的基础上，对于国内外a b s 的发展概况，以及发展趋势进 行了简要介绍。同时介绍了a b s 的各种控制方式、工作原理、基本结构、布置方 式及其优缺点。a b s 控肯逻辑是a b s 技术的核心，是决定a b s 性能的关键。a b s 的布置方式对a b s 的性能也有较大影响。 2 ) 针对a b s 仿真计算的需要，采用人工图形建模的方法，使用m a t l a b 软 件建立相应的车辆仿真模型，其中包括车辆系统的四分之一车体模型、轮胎模型 和制动系统模型，进行系统的仿真研究。 3 ) 对a b s 基于滑移率的控制算法和基于路面附着系数的控制算法进行了详 细的阐述。将设计的模糊控制器分别应用于这两种算法之中，进行仿真分析研究。 重点对基于路面附着系数的模糊控制算法进行研究。 4 ) 普通模糊控制器的设计。首先设计了基本模糊控制器，在简要阐述模糊控 制理论和模糊控制器基本设计方法的基础上，利用m a t l a b 模糊控制工具箱分别 设计了基于滑移率的基本模糊控制器和基于路面附着系数的基本模糊控制器，并 进行仿真研究。其次，设计了基于查询表在线插值的模糊控制器。针对基本模糊 控制器的非线性、占用资源多、不适和实时控制的缺点以及传统模糊查询表分档 过粗的缺点，进行了改进，分别设计了基于滑移率查询表在线插值模糊控制器和 基于路面附着系数查询表在线插值模糊控制器，并进行了仿真研究。 5 ) 自适应模糊控制器的设计。在阐述了基于控制规则自调整的自适应模糊控制 的基础上，针对普通模糊控制器控制规则不可调整的缺点，分别设计了基于滑移 率智能权函数模糊控制器和基于路面附着系数智能权函数模糊控制器，并进行仿 真研究。 - 7 东北大学硕士学位论文第二章a b s 的工作原理、基本结构与布置方式 第二章a b s 的工作原理、基本 结构与布置方式 2 1a b s 的工作原理 2 1 1 汽车制动过程的数学描述 汽车受到与行驶方向相反的外力时，才能从一定的速度制动到较小的速度或 直至停车。这个外力只能由地面和空气提供。但由于空气阻力相对较小，所以实 际上外力是由地面提供的，我们把制动过程中在轮胎与地面之间产生的与行进方 向相反的摩擦力称之为地面制动力。地面制动力愈大，制动减速度愈大，制动距 离也愈短，所以地面制动力对汽车制动性能具有决定性的影响。当左右地面制动 力不相等时，绕车辆质心产生一个旋转力矩，会使制动跑偏。 以汽车的单一车轮为例，其制动过程的受力分析如图2 1 。 由上图，可以得出汽车在制动过程中车轮的动力学微分方程组： jm ? 一匕( 2 1 ) i 珊= 一l 4 - 民r 式中m 车轮的承载质量； 巴地面的制动力： e 地面对轮胎的支撑力； c 车轴对车轮的推力； 8 东北大学硕士学位论文第二章a b s 的工作原理、基本结构与布置方式 国车轮角加速度； v 汽车速度； 车轮角速度； r 轮胎的有效转动半径； l 车轮的转动惯量； l 车轮的制动力矩。 当制动踏板力较小时，由力矩平衡显然有 民：墨( 2 2 ) r 地面制动力只。是使汽车制动而减速行驶的外力，但是地面制动力取决于两个 摩擦副的摩擦力：一个是制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘问的摩擦力：另 一个是轮胎与地面间的摩擦力，即附着力。 在轮胎周缘克服制动器摩擦力所需的力称为制动器制动力。相当于把汽车架 离地面，踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至它能转动所需的力。 制动器制动力e 可由下式确定： e ：昱 ( 2 3 ) r 由式( 2 2 ) 可知，e 仅由制动器参数确定，即取决于制动器的形式、结构尺寸、 制动器摩擦副的摩擦系数以及车轮半径，并与制动管路的压力成正比。 下面分析一下地面制动力、制动器制动力和附着力三者之间的关系。在制动 时，若只考虑车轮的运动为滚动与抱死拖滑两种情况，则： 当制动踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎之间的摩擦力即地 面制动力，足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。车轮滚动时的地面制动力就 等于制动器制动力，且随踏板力增长成正比地增长。但地面制动力是滑动摩擦的 约束反力，它的值不能超过附着力，即： 匕e = 只妒 ( 2 4 ) 式中口纵向附着系数； e 纵向附着力。 当制动器踏板力或制动器系液压力p 上升到某值( 图2 2 中为制动系液压力 儿) ，地面制动力吒达到附着力e 值时，车轮即抱死不转而出现拖滑现象a 压力 继续升高时，制动器制动力e 由于摩擦力矩的增长而仍按直线关系继续上升。但 是，若作用在车轮上的法向载荷为常数，地面制动力达到附着力的值后就不再增 加。图2 2 所示为制动过程中三个力之间的关系。 。9 东北大学硕士学位论文第二章a b s 的工作原理、基本结构与布置方式 f f 。f ， p 。 p 踏板力c 图2 2 制动过程中地面制动力、制动器制动力以及附着力之间的关系 f i g 2 2r e l a t i o no f g r o u n db r a k i n gf o r c e ，b r a k eb r a k i n gf o r c ea n da d h e n s i o nw h i l eb r a k i n g 由此可见，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受到地面 附着条件的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供较 高的附着力时，才能获得足够大的地面制动力。因此，从缩短制动距离的角度， 如何充分利用轮胎与路面的最大附着力就十分有意义了。 2 1 2 汽车制动过程的a b s 控制机理 轮胎与地面之间的附着系数与轮胎结构、路面状况、天气条件和车速等诸多 因素有关，是一个变化范围很广的不确定量。理论和试验研究表明，附着系数与 轮胎滑移率( 汽车驱动时称为驱动滑移率，制动时被称为制动滑移率，两者可统称 为滑移率) 有一定关系。关系曲线如图2 1 所示。其中滑移率的定义为： s ：型1 0 0 ) 1 ， 式中 s 轮胎滑移率； v 汽车车身速度； 国车轮角速度； ，- 车轮滚动半径。 由图2 3 可知，当滑移率从0 开始增加时，附着系数也随之急剧增大，当滑 移率达到某一值s 。( 一般介于o 0 8 0 3 之间) 时，纵向附着系数达到峰值附着系数 k ，此后随着滑移率的继续增加，附着系数反而下降。滑移率在0 与，之间， 即曲线的上升段为稳定区：在s 。，与1 0 0 之间，即曲线的下降段为非稳定区，所 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章a b $ 的工作原理、基本结构与布置方式 0 1 0s 图2 3 矿一s 曲线：附着系数与滑移率的关系 f i g 2 3 p sc i , i d i e ：r e l a t i o nc u r v eo fa d h e s i v ec o e f f i c i e n ta n ds l i pr a t e 以车轮的纵向滑移率最好被控制在s 。处。从图中还可看出侧向附着系数在纯滚动 ( s = o ) 时为最大，随着滑移率的增加而迅速地减小，特别是在车轮抱死( s = 1 0 0 ) 时，侧向附着系数下降到零，此时汽车将失去转向操纵能力和抵抗侧向力的作用， 发生甩尾和侧滑，使汽车的方向稳定性变坏。综合考虑纵向和侧向附着系数，在 制动时若能使滑移率s 保持在屯。附近，便可同时获得较大的纵向和侧向附着系 数，此时既可达到最佳制动效能，又不致丧失转向和抵抗侧向力的作用，即处于 最佳的制动状态【，l 。 2 2a b s 的基本结构 a b s 一般由轮速传感器、电子控制单元e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 和制动压 力调节器三部分组成，如图2 ，4 所示。 2 2 1 车轮轮速传感器 车轮轮速传感器的作用是将车轮的转速转变为电信号，输出给控制器，以使 控制器能准确判断制动时车轮是否抱死，能及时控制制动力的大小。车轮转速传 感器的结构形式按工作原理可分为电磁感应式和霍尔效应式两种，目前普遍采用 的是磁感应式车轮轮速传感器的结构【2 4 】。 如图2 5 所示，轮速传感器由传感头和齿圈两部分组成。传感头是一个静止 部件，一般都安装在车轮附近不随车轮转动的部件上，如转向节、半轴套管、悬 架构件等。传感头由永久磁铁、感应线圈、极轴等组成。齿圈多为一带齿的圆环， 一般安装在随车轮一同转动的部件上，如轮毂、制动盘、半轴等。传感头与齿圈 之间的空气间隙很小，通常为o 5 2 m m 。此传感器一定要安装牢固，只有这样才 能保证汽车在制动过程中的振动不会干扰或影响传感器信号，实现正确无误的输 东北大学硕士学位论文g _ - 章a b s 的工作原理、基本结构与布置方式 图2 4a b s 的基本结构 f i g 2 4b a s i cs t r u e t r u r eo f a b s 图2 5 轮速传感器的基本结构 f i g 2 5b a s i cs t r u c t u r eo f v e h i c l ev e l o c i t ys e n s o r 出。为了避免灰尘与飞溅的水、泥等对传感器工作的影响，在安装前可在传感器 上涂敷防锈油。当车轮、驱动轴转动时，传感器中产生与车轮转速成正比的交流 信号，并将此信号传输至电子控制单元e c u 进行运算和处理】。 1 2 东北大学硕士学位论文第二章a b s 的工作原理、基本结构与布置方式 传感器与交流发电机工作原理相同。传感器的永久磁铁具有一定强度的磁场， 其磁力线经极轴一磁隙一齿圈一空间一永久磁铁构成回路。当齿圈在永久磁铁产 生的磁场中旋转时，随着齿圈与传感器磁极之间的间隙发生周期性的变化，这样 就会使齿圈与磁极组成的磁路中的磁阻发生周期性的改变，其结果引起磁通量周 期性地增减，在传感器线圈中就会产生正比于磁通量增减速度的感应电压( 图2 6 ) 。 由电磁感应定律可知： 0 3 - - - - - - 一 a s i n 口一 输 出 电0 压 v o = - m 警一r z i b c o a s i n 0 ( 26 ) 感应电势； 磁通量的变化率： 线圈匝数； 磁场强度； 轴转角速度； 垂直于磁力线的有效面积。 i - 高速时 ? 、r 一低速时 图2 6 轮速传感器的输出电压 f i g 2 6o u t p u tv o l t a g eo f w h e e lv e l o c i t ys e n s o r 由式( 2 6 ) 和图2 6 我们可以看出：交变电压信号的频率与齿圈的齿数和转速 成正比。因齿圈的齿数已定，因而轮速传感器输出的交流电压信号频率只与相应 的车轮转速成正比。所以通过轮速传感器输出的频率信号可以确定车轮的转速。 另外，在传感头与齿圈的间隙一定时，交变电压的幅值也决定于磁通变化率，在 一定范围内，交流电压的幅值也随车轮转速成正比变化。在规定范围内( 一般车 速在1 5 1 6 0 k m h ) ，交变电压的幅值一般在1 1 5 v ( 有的在0 1 9 v ) 内变化。当 车轮不转时，感应电压幅值为零，因而车速过低，其输出电压信号很弱，因无法 测出而失去意义，这也是电磁感应式轮速传感器的一个弱点，但由于电磁感应式 轮速传感器具有结构简单、坚固耐用，特别适用于汽车行驶中的恶劣环境，所以 1 3 二 二 k椰一办q b 中式 东北大学硕士学位论文第二章a b s 的工作原理，基本结构与布王方式 至今仍被广泛应用。 2 2 2 电子控制单元e c u e c u 是a b s 系统的控制中枢。其功能是接受四个轮上传感器送来的轮速信号 及其它传感器输入的信号，进行放大、计算、比较，按照特定的控制逻辑，分析 判断，再由其输出级发出控制信号给制动压力调节器，输出自诊断信号和输出给 a b s 故障指示灯的信号。一般的电子防抱制动系统只有一套运算电路，但为了更 保险，以及在装有多个轮速传感器的情况下，常需装有两套运算电路，同时进行 运算和传递数据，利用各自的运算结果互相比较，相互监视，确保可靠性。 如图2 7 所示，e c u 主要由以下电路组成7 】 2 5 】f 2 6 l ： 1 ) 轮速传感器输入放大整形电路 由车轮速度传感器所发出的信号是一正弦电压波，并且还夹有高频干扰，因 此输入电路一般都要对高频信号进行滤波，同时对正弦波要进行放大、整形，使 之成为方波系列，输送至运算回路，用于车速的计算。 不同的a b s 中，轮速传感器的数目不同，因而轮速传感器输入信号电路数目 也不相同。 图2 7 为具有四个轮速传感器输入信号的电路。为了对轮速传感器进 行监测，依照轮速传感器数目的不同，运算电路还经输入电路输出相应的监测信 号，再经输入电路将反馈信号送入运算电路。 输入电路还接受点火开关、制动开关、液位开关等外部信号。输入电路除了 传送轮速传感器检测信号外，还接受电磁阀继电器、泵电机继电器等工作电路的 监测信号，并将这些信号经处理后送入运算电路。 2 ) 运算电路( c p u ) 运算电路是e c u 的核心，一般由微处理器构成。其功用是根据轮速传感器等 输入的信号，按照软件特定的逻辑程序进行计算、分析、处理，形成相应的控制 命令。运算电路按照特定的逻辑程序，根据轮速传感器输入的轮速信号，计算出 瞬时速度，然后得出初始速度、参考车速、滑移率、车轮加速度等，最后根据加、 减速度和滑移率形成相应的控制指令，向输出级( 电磁阀控制电路) 输出制动压 力减小、保持或增大控制信号。运算电路一般是由两个微处理器组成，其主要目 的是为了保证系统的安全可靠性。有的是有一个控制微处理器和一个安全微处理 器组成，有的是两个完全相同的微处理器组成。两个微处理器接受同样的输入信 号，在进行运算和处理过程中，通过交互式通讯，对两个微处理器的处理结果进 行比较。如果两个微处理器处理结果不一致，微处理器立即使a b s 系统退出工作， 防止系统发生故障后导致错误控制。计算电路不仅能检测自己内部的工作过程， 而且还能检测系统中有关部件的工作状况，如轮速传感器、泵电机工作电路，电 1 4 东北大学硕士学位论文第二章a b s 的工作原理基本结构与布王方式 电磁阀 电磁阀 电磁阀 警告灯 阀继电器 电机继电器 继电器电源 l 一i 图2 7e c u 的基本结构 f i g 2 7b a s i cs l z - u c t u r eo f e c u 磁阀及电磁阀继电器工作电路等。当监测到这些电路工作不正常时，也立即向安 全保护电路输出停止a b s 系统工作的指令。对微处理器主要要求是计算速度快， 并且能够方便地输出控制信号。目前常用1 6 位的i n t e l 微处理器作为主处理器，而 采用一个8 位的微处理器协助运算和监控。 3 ) 输出级电路 图2 7 中的电磁阀控制电路其主要功用是将计算电路输出的数字控制信号， 转换成模拟控制信号，并通过控制功率放大器，向相应的执行器一电磁阀提供各 种控制电流( 博世a b s 的三位三通电磁阀大约分别为0 a 、2 a 、5 a ) ，驱动电磁阀 工作，以实现制动压力增大、保持或减小的调节功能。 4 ) 安全保护电路 安全保护电路有电源监控、故障储蓄、继电器驱动和a b s 警示灯驱动等电路 组成。其主要作用是： 蓄电池供给的1 2 v 电源电压，通过处理变成e c u 内部需要的5 v 电压。该电 路随时监测1 2 v 及5 v 电压是否在规定的适用范围内。由于微处理器具有监测功 1 5 东北大学硕士学位论文第二章a b s 的工作原理、基本结构与布置方式 能，它能在电源接通( 点火开关接通时) ，汽车起步后及行驶过程中，按规定的程序 进行监测。除对计算电路本身进行监测外，还要对轮速传感器输入放大电路、电 磁阀控制电路等进行监测。同时e c u 的安全保护电路具有故障状态外部显示动能。 系统发生故障时，首先停止a b s 工作恢复常规制动状态，使仪表盘上的a b s 警报 灯点亮，提示整个系统处于故障状态，起到失效保护作用。现有的故障显示方式 有通过e c u 内部的发光二极管( l e d ) 的闪烁、仪表盘上的a b s 警报灯的f q 烁、或 者专用的诊断装置加以表示。关闭点火开关后故障显示内容消失，重新打开点火 开关时，若未发现故障，则认为系统正常，a b s 可进行正常控制。 2 2 3 制动压力调节器 制动压力调节器是汽车制动系统中电子控制单元的执行器，其作用是根据 e c u 的指令，迅速、准确地动作，以控制制动压力的大小，使车轮不被抱死，并 处于理想的滑移状态。 制动压力调节器的种类很多，根据制动系统制动压力传递介质的不同有液压 式和气压式。现在应用较普遍的是液压式。液压式制动压力调节器按调压方式的 不同分为循环流通式和变容积式两种。压力调节器安装在制动主缸和制动轮缸之 间，主要由电磁阀、储油器和油泵组成。下面以循环流通式三位三通电磁阀式制 动压力调节器为例说明其工作过程。电磁阀主要由固定铁芯、可动铁芯和线圈组 成。其中两个孔口分别与制动主缸和制动轮缸相连，出油口与储油器相连。电磁 阀是通过改变线圈的电流而改变磁场力，可以控制两铁芯之间的吸引力。该力和 弹簧的张力相反，从而控制可动铁芯的位置。根据电流的大小，可将可动铁芯控 制在三个位置上，电磁阀三个阀口的通路也发生变化。 1 )