（机械工程专业论文）车辆防抱死制动系统abs实用化技术控制逻辑与实车试验研究.pdf

车辆防抱死制动系统( a b s ) 实用化技术 控制逻辑与实车试验研究 内容摘要 本报告在总结前人工作的基础上，重点介绍了实际a b s 系统开发涉及到的实车及仿真用 模型、控制方法，控制逻辑，壅墨塑芷昼、e c u 硬件设计、实验台、评价方法、实车参数匹 配试验等方面的内容，主要内容与结论包括： ( 1 ) 固化到芯片中，在实车控制时使用的是国际上比较经典的单轮制动模型；而项目组 开发的八自由度整车模型则用于硬件在环实时仿真分析 ( 2 ) 逻辑门限制控制、! q 蕉剑基实用化a b s 控制的基础，而最优控制，滑动变结构控 制、鲁棒控制、模糊控制和模糊神经网络控制等智能控制方法只能用于局部改善a b s 的控制性能 ( 3 )介绍了预测控制技术、实用模拟控制技术、模仿控制技术，比较详细的阐述了在此 基础上的实用a b s 控制逻辑 ( 4 )详细测试并分析了国际上9 0 年代广泛采用的几种a b s 鎏昼塑芏墨的功能与结构 ( 5 ) 介绍了自主开发的a b s 测试系统及e c u 硬件函趋才方法 ( 6 )简要说明了a b s 静态测试实验台的结构与功能 ( 7 )给出了我们的a b $ 主客观评价方法 ( 8 ) 对实车参数匹配技术作了简要介绍，并对实车试验结果做出较为详细的分析 ， ( 本工作成果既通过了国家验收，也通过了上汽集团评审，证明我们自主开发的a b s 系统 是可以达到实用化目的) ，。衫 p r a c t i c a lt e c h n i q u eo f a n t i - l o c kb r a k es y s t e m ( a b s ) r e s e a r c ho fc o n t r o ll o g i ca n dv e h i c l et e s t a b s t r a c t o nt h eb a s eo ft h ea c h i e v e m e n to fp r e d e c e s s o r s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to f p r a c t i c a la n t i - l o c kb r a k es y s t e m ( a b s ) ，w h i c hi n v o l v et h ev e h i c l et e s t ，s i m u l a t i o nm o d e l ，c o n t r o m e t h o d ，c o n t r o ll o g i c ，h y d r a u l i cc o n t r o l l e r , d e v e l o p m e n to fe c uh a r d w a r e ，e x p e r i m e n tt a b l e e v a l u a t i o nm e t h o d ，e x p e r i m e n to f p a r a m e t e mm a t c h ，e t c t h i sp a p e ri n c l u d e s 1 s i n g l ew h e e lv e h i c l em o d e l ，w h i c hw a ss o l i d i f i e di nc h i p ，h a sb e e nu s e di nt h ep r o c e s so f v e h i c l ec o n t r o l ；e i g h t - d e g r e ev e h i c l em o d e l ，w h i c hw a sd e v e l o p e db yo u rt a s kg r o u p ，h a s b e e nu s e di nt h es i m u l a t i o no f h a r d w a r e - i n - l o o p ( h i l ) 2 v a l u eo fl o g i ct h r e s h o l da n dt h ec o n t r o lo fp i di st h eb a s eo fa b sc o n t r o l ；o nt h eo t h e r h a n d ，o p t i m a lc o n t r o l ，s l i p m o d e lc o n t r o l ，r o b u s tc o n t r o l ，f u z z yl o g i cc o n t r o la n df u z z y n e u r a ln e t w o r kc o n t r o lc a nb eu s e df o r t h ec h a n g e so f a b sc o n t r o ll o c a l l y 3 o nt h eb a s eo ff o r e c a s t i n gc o n t r o lt e c h n i q u ea n dp r a c t i c a ls i m u l a t i o nc o n t r o lt e c h n i q u e t h i sp a p e rm a k eap a r t i c u l a re x p l a n a t i o no f a b sc o n t r o ll o g i c 4 w ep u tu pad e t a i lt e s ta n da n a l y z eas e r i e so fh y d r a u l i cc o n t r o l l e rw h i c hw a sw o r l d w i d e a d o p t e di n1 9 9 0 s 5t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa b st e s ts y s t e mw h i c hw a sd e v e l o p e db yo u rt a s kg r o u pa n dt h e d e v e l o p m e n tm e t h o do f e c uh a r d w a r e 6 w em a k ea ne x p l a n a t i o no f t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no f a b ss t a t i ct e s te x p e r i m e n tt a b l e 7 w ep u tf o r w a r dt h eo b j e c t i v ea n ds u b j e c t i v ee v a l u a t i o nm e t h o do f a b s s y s t e m 8 t h i sp a p e rg i v e sas i m p l ei n t r o d u c t i o no ft h ep a r a m e t e r sm a t c ht e c h n i q u ea n dm a k e sa d e t a i la n a l y s i so fv e h i c l et e s tr e s u l t s t h ea c h i e v e m e n to fo u rr e s e a r c hw o r kh a sp a s s e dt h ec h e c k sa n da c c e p t sb yn a t i o n ，i ta l s o p a s s e st h r o u g ht h ee x a m i n a t i o no fs h a n g h a ia u t o m o t i v ei n d u s t r yc o r p o r a t i o n s ( s a i c ) t h e a c h i e v e m e n tp r o v e st h ea b ss y s t e mw h i c hd e v e l o p e db yo u rt a s kg r o u pc a l la t t a i nt h ep r a c t i c a l g o a l 上海交通大学博士后出站报告 第一章汽车防抱死制动系统( a b s ) 概述 1 1a b s 的发展历史 由于在道路、气候、交通管理及驾驶员素质等因素的影响，汽车行驶时常常需要实施 制动操作。制动过程中，当制动踏板力较大时，将会使被制动抱死。特别是在潮湿、泥泞、 冰雪等附着系数路面上制动时，车轮更容易抱死。此时，汽车会发生侧滑，严重时会调头旋 转。如果是在有车辙的雪路上行驶，左右轮分别行驶在雪地和露出的地面上，产生剧烈旋转 的危险性更大。在这种路面上行驶时若紧急制动，汽车方向会失去控制。若是弯道，就有可 能从路边滑出或闯入对面车道，即使不是弯道也无法躲避障碍物。汽车防抱死制动系统( a b s ) 就是为防止这些危险状况的发生而研制的。 a b s 最早的记载川是1 9 3 2 年英国的一项名为“防止汽车制动时抱死的安全装置”的专 利。而其首先被使用却是在铁路车辆上第二次世界大战后，为了防止飞机降落后起落架上 的轮胎在高速滑行时因抱死而爆炸产生机毁人亡的悲剧而在飞机上也采用了a b s 系统。到 了五十年代初期，法国的g o o d g e a r 公司首次展示了在公路车辆应用a b s 系统的优越性。 从1 9 6 6 年起，一种用于e 机上的名为h y t r o l 的制动防抱死系统经过k e l s e y - h a y e s 公 司的不断完善后被推向市场”。 对a b s 的深入认识及广泛应用始于】9 7 0 年美国国家公路交通管理局( n h t s a ) 所制 订的一项针对汽车制动性能的严格要求的法规的实施。这一法规中对制动距离的要求较苛刻 只有在采用a b s 的条件下才能满足。这种情况促进了a b s 市场的快速扩大。同时随着汽车 工业和公路运输的发展，汽车行驶速度不断提高，由于汽车车轮制动时抱死而使汽车失去控 制所导致的恶性交通事故也不断增加，特别是高速公路上这种状况表现得尤为严重，消费者 于是对于a b s 的信任也明显增加。 在日本，本田公司于八十年代就在其生产的十几种车型上安装了该公司开发研制的防抱 死制动系统。三菱汽车公司和日产汽车公司等也都在他们的汽车上安装了防抱死制动系统。 在欧洲，尤其是英国和德国也相应地制订了严格的法规，政府的措施对a b s 的发展有 很大的影响。德国的b o s c h 公司从七十年代起就一真从事a b s 系统的研究工作并获得了 相当多的专利它是目前世界上最大的a b s 系统生产厂家b o s c h 公司不仅给德国的奔驰、 宝马车系列提供a b s 系统，还给其它国家近三十个汽车厂的五十余种汽车配备a b s 系统。 英国的l u c a s g i r l i n g 公司以生产货车用a b s 系统为主其产品己占欧洲市场的5 0 以 上。 进入七十年代中期以后，数字控制方法取代模拟控制方法使a b s 产品的性能大为提高。 a b s 产品可以完成复杂的控制规律满足较为严格的制动性能要求。进入九十年代后，a b s 产品己在发达国家得到更加广泛的应用不仅在轿车上被采用，在其他车种如面包车、载货 车、拖车等上面也得到使用 在我国，对a b s 系统的研究开始于八十年代初现在己进入产品试制和在车辆上试装阶 段同时，已着手制定车辆安全性方而的法规并使其成为强制性法规。国内a b s 系统的研 究单位主要有：东风汽车公司、长春汽车研究所、交通部重庆公路研究所、重庆宏安a b s 有限公司、济南重型汽车研究所、陕西兴平5 1 4 厂、清华大学、吉林工业大学、西安交通大 学和华南理工大学等。东风汽车公司是我国从事a b s 系统研究较早的厂家之一重庆宏安 a b s 有限公司则是我国较早批量生产a b s 的厂家。无论是生产厂家还是科研院所，目前仍 处_ 试制阶段。要大规模地在各型国产汽车上装备a b s 系统，还需要做大量的工作。 第一章汽车防抱死制动系统( a b s ) 概述 1 2a b s 系统的工作原理及基本构成 1 2 1 路面附着系数与车轮滑移率关系曲线 根据大量试验，人们对车轮相互作用情况及轮胎动力学认识不断加深。研究中人们得 到了如下图i - i 所示的汽车路面附着系数一与车轮滑移率 的关系曲线“”。 一 由图1 1 中曲线可以看出，随着滑移率 的增加，纵向附着系数有一个峰值点“。，其对 应的滑移率为如：而随着滑移率的增加，最大侧向附着系数胁则不断减小，当2 = 1 0 0 时汽 车能抵抗的侧向力接近于零。 由于汽车在紧急状况下进行制动时易发生车轮抱死，即汽车滑移率2 = 1 0 0 ，从而降低 了制动时的汽车侧向附着系数。也就是说，在车辆的车轮被抱死，特别是后轮先抱死的情况 下，只要在车辆的侧向有很小的干扰作用，就会使汽车发生侧向滑动，汽车发生甩尾甚至调 头现象等危险现象。 据统计，车速在8 0 1 0 0 公里，j 、时之间，对人身造成伤亡的所有车辆的4 0 是与汽车侧 滑失控有关。当车速超过计划1 6 0 公里，j 、时，几乎每一起车祸都是由于这种失控而造成的。 事实上，一旦汽车产生侧滑，已不可能再被控制，还往往由于驾驶员的动作不当会使车辆的 失控状态更加严重，在这种情况下，车祸发生是必然的。另外，由于制动时汽车车轮经常被 抱死，导致轮胎局部与路面的急剧磨擦，将会大大降低轮胎的使用寿命【l “。 所以如何充分利用车轮路面附着力以提高制动时的操纵性和稳定性便显得十分重要。 如果制动时车轮运动状态限定在如附近。汽车不仅能获得最好的制动强度，而且更为重要 的是不致使侧向附着降低过多，从而提高制动时的稳定性，避免出现危险工况。 1 2 2 基本工作原理 图1 2 是一个典型的a b s 系统【l ，它根据车轮的转动情况随时调节制动力，从而防l e 汽车车轮抱死。 图1 - 2 一个m 型的a b s 系统示意图 上海交通大学博士后出站报告 车轮回转方t l 汽车运动 圉1 3 车轮受力情况问囝 图i 3 是对制动车轮的力学分析。在回转方向上，车轮的力学平衡方程为： l 。= f x r ，一瓦 ( 1 - 1 ) 式中： r 一地面制动力 t 一制动器制动力矩 ，。一车轮转动惯量 m 一车轮角速度 凡一车轮半径 由上式可知，车轮的运动状态由制动器制动力矩和地面制动力矩共同决定。轮胎与路面 之间的作用力( 包括纵向力和侧向力) 是收附着极限限制的，所以当制动器制动力过大时，车 轮会出现抱死的趋势。 车轮制动时，地面制动力，侧向力与车轮的滑移状态有直接的关系。通常用下式定义车 轮纵向滑移率 来描述制动时车轮的滑移状态。 五：vc-mr1000-2) 。 式中 旷汽车行驶速度 五车轮的滑移率 车轮的转动角速度 汽车防抱死制动系统就是通过自动调节车轮的制动力矩 构。防抱制动系统的优越性表现在以下几个方面： f 1 ) 有效地利用轮胎与路面间的附着条件，提高制动性能 湿路面和冰冻路面上尤其突出。 以达到上述目标而采用的机 缩短制动距离。这一点在潮 ( 2 ) 制动过程中保持转向能力，防e 侧滑发生。有效地减少了事故发生，保证制动安全 性。 ( 3 ) 避免轮胎的抱死拖滑，减少胎面蘑损，提高了轮胎使用寿命。 1 2 3a b s 的基本构成 根据a b s 的控制原理，理想的制动过程是使纵向滑移率始终控制在如上。但在制动时 工况的变化范围很大，影响制动效果的因素较多，这种理想的控制要求难以实现。因此，目 前的a b s 都是将先进的机械和电子技术结合起来，最大限度地发挥机电一体化的优势，开 发出防抱死制动系统，使实际制动过程接近与理想的制动设想成为可能。 第一章汽车防抱死制动系统( a b s ) 概述 汽车制动系统随车型的不同有多种形式，相应的防抱死制动系统也可根据性能、制造 成本方面的差别分为多种形式。图1 4 为一种典型的机、电、液一体化的a b s 产品的系统 结构，它是在常规制动系统的基础上附加轮速传感器，电子控制单元和液压调节器三部分组 成。 ( 1 ) 车轮转速传感器 车轮转速传感器是a b s 控制系统的信息感知元件。目前广泛应用的是磁电式的转速传感 器。它是由与车轮共同旋转的齿圈和固定的电磁感应式传感器两部分组成。齿圈是由磁阻较 小的铁磁性材料制成，传感器主要由永磁性磁芯和感应线圈组成。当齿圈随同车轮转动时， 齿圈的齿顶与齿隙就交替地与传感器磁芯端部相对，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 根据方波信号的每个上升和下降沿的发生时间来计算车轮的回转速度。 圃 。t 。- _ 一 圈1 - 4 一柙 型a b $ 箍庄蓐袭的链构 艇 ( 2 ) 电子控制单元 电子控制单元接收轮速信号发来的电信号，计算出车轮的运动状态。据此对液压调节器发 山控制指令，同时它对其他部件还具有监控功能，当其发生异常时，由警报灯或蜂鸣器给驾 驶员报警，使整个系统停止工作，恢复到常规制动方式。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：轮速传感器的输入放大电路， 运算电路，电磁阀驱动电路，稳压电源、电源监控电路和故障反馈电路。 ( 3 ) 液压系统 a b s 液压系统是防抱死控制系统的执行机构。它接受来自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。 目前应用的大部分的防抱死制动系统是将分离结构的液压调节器( h c u ) 安装于制动主缸 与制动轮缸之间，构成液压系统的控制回路。 液压调节器是a b s 液压系统的核心部件，主要有电磁阀、蓄能器、回油泵，以及些辅 助液压阀等构成。其中，常开阀与常闭阀为两个二位二通电磁阀，常开阀连接在从主动缸到 制动轮缸的管路中，常闭阀连接在制动轮缸与低压蓄能器之间。在防抱制动过程中，是通过 液压调节器电磁阀的开关动作来进行轮缸制动压力的调节。当e c u 判断出当前处于增压状 态时常开阀和常闭阀都处于断电状态，常开阀开放，常闭阀关闭。主缸的高压制动液经由 常开阀进入轮缸而不能进入低压蓄能器：当e c u 判断出当前应处于保压状态时，常开阀通 电，常闭阀断电，轮缸中的制动液被封闭在两个电磁阀之间；当e c u 判断出当前应处于减 4 上海交通大学博士后出站报告 压状态时，常开阀和常闭阀都通电，常开阀关闭，常闭阀打开，轮缸内的制动液经由常闭阀 进入低压蓄能器。回油泵的作用是将低压蓄能器中的制动液泵回主缸。 通过上述的电磁阀开关切换，改变了制动液的通路，从而形成增压、保压和减压三种压力 状态。这种压力调节方式的特点是压力的变化是非连续的，但通常能够实现连续液压调节的 液压伺服阀的成本过高，所以在a b s 中很少采用。目前，a b s 液压系统采用的高速电磁阀 可与脉宽调$ 1 j ( p w m ) 控制技术结合，只要控制脉冲的频率合和脉冲的宽度，就能象液压伺服 阀那样对流量进行近似连续调节。 1 2 4a b s 系统制动压力回路的布置形式 a b s 系统的制动压力回路是指制动压力调节执行器所控制的制动油路。a b s 系统中， 每条制动压力回路都由一个制动压力调节器所控制。针对不同的驱动形式、不同驱动总成的 汽车，其a b s 的制动压力回路应是各不相同的，否则将导致制动压力调节器的浪费和a b s 系统功能的降低。 a b s 根据传感器数量和控制信道数不同可以分为不同的结构形式。首先，根据两个传 感器信号分别控制汽车的两前轮，后轮可采用两种方式控制。一种是分别控制，另一种是将 后轮的两个传感器的信号加以综合处理后同时进行控制的同步控制方式i 。 ( 1 ) 4 信道4 传感船四轮独立控制方式 如图1 - 5 - 1 所示，具有四个传感器和四个控制信道，各个车轮独立控制。即根据各车轮 的需要分别控制制动压力。这种系统的制动距离和操纵性最好，但在不对称路面上的方向稳 定性不太好。 赫芒皿孑雌撇黼售塾算髓 ，i 、。髓髓器l ， ，l 髓徽罄 列1 - 5 - 14 通道4 传感器四轮单独控制型式 图l - 5 24 通t i l u 4 传感器后轮低选控制型式 ( 2 ) 4 信道4 传感胎前轮独立一后轮选择控制方式 以易抱死的车轮即轮胎转矩较小的车轮为标准，给两后轮旖加相等的制动力矩控制车轮 转动。如图t - 5 2 所示。 由于后轮采用了低地控制，偏转力矩减小，可以在一定程度上减小汽车由于左右车轮制 动力不同而引起的旋转。 ( 3 ) 3 信道3 传感器型式 采用两个传感器分别控制汽车两前轮，用一个传感器( 装于差速器上) 和同一条液压管路 控制两后轮。如图i - 5 3 所示。 莳艇：三前p 罐：= 图1 5 3 3 通i 1 1 3 传感器型式 图1 _ 5 43 通道4 传感器型式 第一章汽车防抱死制动系统( a b s ) 概述 ( 4 ) 4 传感器4 信道型式 采用两个传感器分别控制汽车两前轮，把后轮的两个传感器信号加以综合处理后，用同 一条液压管路控制两后轮。如图1 5 - 4 所示： ( 5 ) 4 传感路2 信道型式 采用两个传感器分别控制汽车的两前轮，根报后轮的两个传感器信号计算出基准速度 利用对角前轮的制动液压力控制后轮。如图l 一5 - 5 所示： 挺制遁道 l 轮遗传盛嚣 图1 5 52 通道“传感器型式 德国b o s c h 公司经过多年的实践表明：仅采用轮速传感器这一单参数信号的汽车a b s 系统，其采用的制动压力回路的布置有：4 信道4 传感器、3 信道4 传感器、3 信道3 传感器三种可行度较好的型式，对于其它制动压力回路布置型式，则较难达到全面的a b s 系统制动性能要求。在不惜损失掉部分制动效果以获得较低价格们情况下。也有采用2 信道 的制动压力回路布置型式，此时可采用仅控制单前轮、控制同侧前后轮、交叉控制前后轮的 制动压力布置型式。 1 2 5 后轮a b s 和四轮a b s 工作原理 根据车轮制动时调节压力情况的不同，从功能上，a b s 主要又可分为两大类：后轮a b s 和四轮a b s 。 后轮a b s 后轮a b s 是最简单的a b s 系统，在刹车时它只控制后轮的制动压力，从而到达防止因 后轮推死出现车辆侧滑的目的，保证制动时汽车的方向稳定性。 显然，如果制动力较大或路面附着系数较低，前轮还会抱死，汽车会因前轮抱死失去转 向能力。 四轮a b s 在刹车时，四轮a b s 控制所有四个车轮的制动压力。显而易见，四轮a b s 既克服了后 轮a b s 系统的不足，使汽车在任何路面上制动时，不仅保持方向稳定性，而且具有转向能 力。 幽1 6 示意了三种情况( 没有a b s 、带有后轮a b s 和带有四轮a b s ) 下制动时汽车的 稳定性。 无a b s 情况： 车轮抱死程度视驾驶员技巧而定 无方向稳定性 如果车轮抱死则失去转向控制 无路面变化检测能力 6 上海交通大学博士后出站报告 图1 - 6 ：三种情况下制动时汽车的稳定性 仅有后轮a b s 时： 后轮处于a b s 控制之下 具有良好的直线稳定性 如果车轮抱死则失去转向控制 有路面变化检测能力 对f 四轮a b s ： 所有车轮处于a b s 控制之下 具有良好的方向稳定性 有正常的转向控制能力 有路面变化检测能力 滑移率控制范围 典型后轮a b s 滑移率工作范围 力 力 典型四轮a b s 蒴移率工作范围 图1 7 1 后轮a b s 的滑动率控制范围图1 - 7 - 2四轮a b s 的滑动率控制范围 对于后轮a b s 和四轮a b s ，其滑动率的控制范围也有所不同。 图1 7 1 和图1 7 2 分别给出了在后轮a b s 和四轮a b s 系统中的滑移率控制范围。 图1 8 1 和图1 - 8 2 分别给出了典型的后轮a b s 和四轮a b s 系统的工作步骤。四轮a b s 系统不仅仅是增加了前轮控制，而且控制规律也复杂了很多1 1 2 l 。 第一章汽车防抱死制动系统( a b s ) 概述 典型后轮a b s t 作步骤 图i - 8 1 典型后轮a b s 的工作步骤 图1 8 - 2 典型四轮a b s 的工作步骤 8 圭茎圣塑奎兰兰圭星量塑堡童，。，! ，。 1 3 国内外a b s 研究发展现状 1 3 1a b s 系统研究现状 a b s 是防抱死制动系统( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m 或a n t i s k i db r a k i n gs y s t e m ) 的简称， a b s 可以提高制动过程中的操纵稳定性并同时缩短制动距离，是主动安全性技术的代表。 现今人们除了对汽车的动力性、经济性、舒适性提出更高要求之外，对汽车的安全性也越来 越关心，因此a b s 在汽车上的应用也日益广泛。 德国波许( b o s c h ) 公司在1 9 3 6 年第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获取车轮转 速的a b s 专利权。到了4 0 年代未，a b s 被用于波音飞机上。6 0 年代未，7 0 年代初，美国 三大汽车公司都分别推出了装有a b s 的高级轿车，受到当时技术水平的限制，a b s 采用了 模拟计算计算机与真空作用的压力调节器，a b s 动作缓慢，控制精度差，装有a b s 的汽车 在良好的路面上制动时确实提高了其稳定性，但在不好路面上制动时，其制动距离仅较装有 一般制动系的汽车为长，加上a b s 体积、重量大，价格高，销路很有限。美国汽车制造厂 家于是在7 0 年代停止了a b s 轿车的生产【i 。 之后由于电子技术和液压技术等科技的进步，欧洲研制出由数字计算机与电磁阀调制 器组成的较为现代化的a b s 。数字计算机不易受干扰，速度快，可以把降低、增加液压循 环次数达到每秒钟十余次；用以调制制动液压的电磁阀的开启、关闭时间达到千分之四秒， 其速度可以与数字计算机处理数据的速度相匹配。这种较为现代化的a b s 体积小，重量轻， 动作更快，更准确。因此，7 0 年代未，8 0 年代初，欧洲开始批量生产a b s 并用于商用汽车 上。据报道，1 9 8 5 年前西德有7 0 的大客车与4 0 的重型货车上安装了a b s ，大众公司从 1 9 8 6 年起，在全部轻型货车的后轴上安装了单通道的a b s ，所以有人说，7 0 年代以后a b s 的研究中心转移到了欧洲。 进入9 0 年代，a b s 的发展愈来愈快，欧洲和美国、日本均在高速发展a b s ，到1 9 9 5 年，轿车中装有a b s 的比例，美国、德国、日本分别高达5 5 、5 0 、3 5 ，货车中装有 a b s 的比例分别为5 0 、5 0 、4 5 。与9 0 0 多种客车与轻型车将其作为一种标准或选装设 备。欧洲共同体要求从1 9 9 1 年1 月1 0 日起在总质量超过1 2 吨的大客车上装备a b s 。 德国波许( b o s c h ) 公司为目前世界上最大的a b s 系统生产厂，它为本国奔驰、宝马 车系列提供a b s 系统并为其他国家进3 9 个汽车厂的5 0 余种汽车装备a b s 。到1 9 9 6 年6 月为止已有3 0 0 多万辆汽车装备有b o s c h 公司的a b s 系统。 美国达科( d e l c o ) 公司是通用汽车公司的子公司。它在1 9 9 1 年后研制的轻型、低成 本的a b s ( v i ) 系统己应用于雪佛莱、别克、庞帝克、大艾姆和云雀车系上。美国福特和 克莱斯勒公司也在自己生产的轿车上安装了a b s 系统。 据了解，欧美、日本等发达国家在近年内出台法规，将使a b s 作为标准配置强制安装 在各个汽车生产厂家的产品上。 我国对a b s 的研究起步相对较晚，七十年代中期开始，国内的长春汽车研究所、西安 公路学院、重庆重型汽车研究所、东风汽车公司、重庆宏安公司a b s 有限公司、陕西兴平 5 1 4 厂等单位相继开始进行大客车和载重汽车的气制动系统的防抱死装置的研究f 作。 东风汽车公司从八十年代初就开始研究a b s ，是较早研究a b s 的厂家之一，研究一l i 作 的主要目标是对国外的产品进行消化吸收，如将德国瓦布科( w a b c o ) 公司的a b s 装与e q l 4 5 型车上进行各种实验。现在，东风汽车公司已经能够完全自己生产a b s ，并得到一定程度 的推广。 1 9 8 6 年，航空工业部颁布“客车和货车防抱死行车制动系性能要求和道路实验方法”。 清华大学汽车工程系在8 0 年代开始在轿车类小型汽车进行液压制动的防抱死装置的研究， 在控制、理论模拟方面作了大量的研究。1 9 9 2 年，由国家技术监督局发布了有关防抱死制 9 第一章汽车防抱死制动系统( a b s ) 概述 动系统的国家标准，进一步完善了防抱死装置研究目标。1 9 9 6 年，吉林【业大学汽车动 态模拟国家重点实验室承担了前机械工业部工业技术发展基金项目“防抱死制动系统的动态 仿真和设计方法”，该项目主要研究a b s 的工作原理及控制算法，并取得了一定的成果。 1 9 9 7 年2 月2 4 日，我国第一个a b s 产品m k 2 0 i 在中外合资上海汽车制动系统有限公 司下线，现在它们已经为国内许多汽车生产厂家配套，如上海大众、一汽捷达、上海通用等。 1 9 9 8 年，重庆聚能汽车技术有限公司在国内首家成功推出适合中国国情的系列电子式 a b s 防抱死装置，聚能汽车技术有限公司是研制、开发、生产汽车和摩托车防抱死装置的 专业公司。现已达到年产5 0 万套的生产能力，成为我国国内最大的a b s 生产基地。已开发 成功的聚能a b s 产品包括磁振式a b s 、气制动a b s 、液压制动a b s 、摩托车a b s 等四大 类十多个品种。 1 3 2a b s 系统试验研究现状 作为汽车安全装置，各a b s 系统的生产厂家对a b s 系统的实验研究很重视。最初各 a b s 系统生产厂家对a b s 系统控制规律的确定也是通过不断得实际装车测试之后才逐步 加以完善的。可想而加，对于一种a b s 系统产品，从其构成的确定、回路布置的安排、控制 规律的总结以及各种实验工况下的性能评判等项目，必定会花掉生产者大量的人力、物力和 财力。 为了节省a b s 系统开发过程中的花费，n i s s a n 公司开发了一个基于6 8 0 0 0 通用计算 机的用于电子控制系统设计开发的支持系统。该系统包括一个n a o h 控制器和相应的支持 环境软件。 a b s 系统的主要生产者之一德国i t t - t e v e s 公司则研制了一种功能强大的、轻便的汽 车数字实时仿真器。该仿真器基于一种带有r i s c 处理器的、提供处理器间点到点高速通讯 的t r a n s p u t e r 微处理器，可以用于支持a b s 系统和各种驱动控制的开发，且提供电子 控制系统真实环境的模拟。该仿真器中，许多种类的路面、车辆性能传感器和执行器均可进 行实时仿真。 在国内，济南重型汽车研究所自行研制了气压制动型a b s 系统，并针对重型载货车进 行了实车实验。济南重型汽车研究所建立一个基于p c 微机的实时硬件闭环模拟系统，其思 路是：微机实时计算车辆制动力学模型方程，通过p c 总线上i 0 接口模板将计算出的车辆 轮速转换为相应的频率，即电磁齿圈传感器感应出的脉冲。a b s 控制器接收到脉冲后通过 内部软件的逻辑及算法发出控制命令给电磁阀。电磁阀的信号状态送给真实的气压管路系 统。制动气室的压力被采集输入计算机，通过计算机内的车辆模型、轮胎模型及制动器模型 分别计算出车轮制动力矩及这一瞬时的车辆运动状态，如车速、轮速等，再由i o 端口将 轮速脉冲信号发出。这样不断循环直到a b s 控制过程完成。如下图1 9 所示。 i 0速度脉冲信号 。 p c b s 微机露 接口 控制器 模板勰气压管路系统隈罄 图i 9 气动制动时硬件闭环模拟系统示意图 此外，济南重型汽车研究所还利用a b s 的最简单力学模型进行了控制稳定性的研究。 应用单轮制动模型，并认为制动力矩与制动油压力成正比，车轮一路面模型中滑移率与纵向 1 0 ，! 。，；：。，圭鳖堡查墼圭呈里垫堡重。，：。，：! 。 力系数的关系在制动过程中保持不变。在这些简化条件下使用相平面分析方法分析了各种控 制边界下的单轮滑移率的稳定性，为进一步研究a b s 控制系统的控制稳定性打下了基础。 东风汽车公司对世界上主要a b s 生产厂商大多数9 0 年代生产的a b s 系统进行了剖析， 并将此类a b s 系统安装在e o 一1 4 5 、e q l 0 3 0 、e q 6 4 8 0 、富康轿车等各种类型汽车上，在 各种路况下进行了试验，并作为国家科委“九五”科技攻关项目“a b s 关键技术研究”的 主要参加单位，承担了东风汽车公司轻型车、面包车、轿车等车型的匹配a b s 系统的研究 课题。到目前为止，他们已经开发出两代a b s 系统产品，并在分析b o s c h 公司和l u c a s 公司的a b s 系统的基础上开发研制了a b s 系统软件，进行了多种车型的匹配工作。 进入八十年代，a b s 技术逐渐成效，许多a b s 投入市场，可靠性也得到了提高。这一 阶段，a b s 的研究主要集中于经验性控制逻辑的研究上以及实用a b s 研制开发上。a b s 实 用技术方面的专利很多，主要有：提高汽车控制性能的专利、提高生产率的专利、提高a b s 安装后制动舒适性的专利等等。a b s 实用技术研究取得了很大成就，但它是建立在大量资 金投入和大量实验基础之上的，为了给一种车型安装a b s 至少需要两年试验( 两个夏季、两 个冬季的试验) ，所以周期长，耗资大。 1 3 3a b s 系统理论研究现状 a b s 系统的生产厂家在所给出的文献中很少介绍其a b s 系统的控制率的研究情况。目 前仅能够从几所大学和科研所所发表的文章可以看到a b s 系统理论研究的概况。 制动情况下，汽车的数学模型可用一带有时变参数的十一阶非线性方程表示。通常此情 况下的制动控制很难用古典控制理论来实现。在早期的k e l s e y - h a y e s 公司的a b s 系统 产品开发中，曾借鉴过在飞机制动防抱制动系统上广泛使用过的模型参考自适应控制方法。 后期对a b s 系统的防抱制动率的研究基本上集中于对逻辑门限位控制方式的完善。逻辑门 限值控制方式的不足之处是各种门槛值及系统保压时间均需要经过反复试验才能得出，需要 花费较大的人力、物力和财力，而且，系统的稳定性等品质因素难以评价。随后，针对逻辑 门限值控制方式的不足，最优控制理论及滑动模态变结构控制理论也被用于汽车a b s 系统 控制率的研究上来。 针对汽车制动过程中的强非线性因聚，台湾清华大学动力机械工程系e d g ecy e h 等提 出了用共扼边界法、p o i n c a r e 图法来研究a b s 系统的防抱制动控制率1 1 4 - 1 8 1 在丰田汽车公司，研究人员提出了一种采用车轮加速度与道路摩擦系数之间相互关系的 a b s 系统控制率设计的新算法。车轮加速度的偏差通过带通滤波器以特定的频率检测出来， 然后针对不同的道路状况，根据所计算出的车轮加速度值及轮速值来确定制动压力调节器的 i ：作状况，以便汽车能够在指定的最佳车轮滑移率区域内被制动。 进入九十年代以来，国外a b s 理论研究加大，基于现代控制理论进行研究与设计。如 把最优控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制应用于a b s 控制逻辑的研制与开发， 井试图解决a b s 控制机理问题。现代的a b s 系统也正与其它汽车电子控制系统相融合，并 有一体化的趋向。如a b s 与a s r 体化，a b s 与电子全控式悬挂、电子控制四轮转向、 电子控制自动变速等行使系统和动力传动系统相结合。 近期，美国n e v a d a 州立大学g e o r gf m a u e r 等人对采用模糊控制理论进行控制的a b s 系统进行了理论分析。在其控制算法中，采用了由车轮滑移率来判断道路状况的路况辨识器。 通过针对不同路面情况下，采用连续和离散的执行器模型的仿真，以及与线性p i 控制器效 果的对比仿真分析，结果表明采用模糊逻辑控制方法对汽车a b s 系统进行控制，系统具有 较好的稳定性，且能对系统内部信号噪声干扰不敏感，其对突变路况的响应要比基于模型参 考自适应的按制方法要好得多。 第二章汽车a b s 防抱死制动系统的建模 第二章汽车a b s 防抱死制动系统的建模 2 1 概述 车辆防抱死制动系统建模是系统理论分析及仿真的基础，并用于指导实际控制系统 的开发。模型准确与否直接关系到仿真计算的精度和可信性。所建立的模型必须在反映 系统主要实际特性的基础上和根据所研究的具体问题进行合理抽象和简化。 目前，为满足各自研究需要，国内清华大学、华南理工大学、台湾清华大学等高校 分别建立了自己的、比较有代表性的数学力学模型“，但自由度较多，不利于实车控制 时使用。 在此，我们仅介绍我们实际采用的两种模型，一种是国际上比较经典的单轮制动模 型”“，它的优点是简单实用，便于固化到芯片中，在实车控制时使用；另种是我们 a b s 项目组开发的八自由度整车模型，用于硬件在环实时仿真分析，它的优点是在保证仿 真实时性的同时，有保证了足够的仿真精度。 除整车动力学模型外，本章还简要介绍了涉及到的轮胎模型、制动器模型等等。 2 2 车轮制动力学单轮模型 2 2 1 滑移率与p 一 曲线 汽车在制动过程中，车速与轮速之间产生一个速度差，这种现象称为滑移现象。滑 移的程度可以用滑移率来表示，即： = ( r u v ) v( 2 - 1 ) 式中： 一车轮的滑移率；r 一车轮的滚动半径，i l l ； u 一车轮的转动角速度，r a d s ； v - - 车轮中心的纵向速度，m s 。 从上式可以看出：当车速等于轮速时，滑移率为零。汽车制动时，两者的差别越大， 滑移率越大，当车轮抱死时，轮速为零，滑移率达到1 0 0 。 | | 耋 车轮自由滚动 车轮清移率( 车轮南死 图一( ) ：纵向和横期附着蕉救与滑动翠的美系( 1 0 0 滑动) 1 2 上海交通大学博士后出站报告 制动附着系数u 。、侧向附着系数us 和滑移率 之间存在着密切的关系，典型的u 一 曲线如图2 - 1 所示。在非制动状态下，滑移率x = 0 ，制动附着系数ua = o ；在制动状态 下，滑移率达到某个数值时，us 达到最大，之后随着滑移率的增大ue 反而减小。us 最 大时的 叫做峰值附着系数( o p t ) 。 当 = o 时，侧向附着系数us 最大，之后随着滑移率的增大us 而减小，当车轮完 全抱死时， = 1 0 0 ，侧向附着系数us 。0 ，这时汽车将完全失去方向稳定性和转向能力。 2 2 2 车轮制动力学方程 m 2 - 2 车轮制动过程受力分析 b r 汽车制动时，车轮受力分析如图2 2 所示，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摩擦力使车轮向制动力矩相反方 向旋转的力矩，其大小取决于车轮载荷车轮半径和制动附着系数。车轮制动过程中，力 学方程为： b r = ub f z r ( 2 - 2 ) 式中：b r 一车轮转矩，n ： f r 一车轮载荷，n 。 于是，车轮的制动过程用方程式表示为： j r1 l r = m r + b r ( 2 - 3 ) 式中：j 一车轮的转动惯量，k g m ：； 1 l r 一车轮的旋转加速度r a d s 2 ； m r 制动力矩，n m 。 2 2 3 车轮制动方程的数学解算 为了便于实车应用，对问题作如下简化： a 抱死过程极短，可以忽略车速降低，x = v = 中r 第二章汽车a b s 舫抱死制动系统的建模 b 设轮荷f ：= 常数 c附着系数一滑移率曲线用两条直线近似，如图2 3 所示。 d 车轮制动力与时间成正比，如图2 4 所示。 u= 监工 c 些二竺生z 1 一五c m r = 一c t 式中：c 一常数 t 一时间 0 s 工c 五c s 2 兰1 0 图2 - 3 简化后的“一x 曲线 时间t 解算之后，图2 5 给出结果。 在0 s s c 范围内的解为： 图2 4 制动力矩变化 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) l ( i ) 掣：1 一导【f 一等粤( 1 一去) 】 ( 2 6 ) 华。ph ：r| uh ： e 糕t 其线性部分，近似地为： 丛堕二1 + 0 则角减速度为： c 2 ；j 月妒o ；f ：2 ，2 一 ! 墨 f “h f ：r 1 4 ( 2 7 ) 。_嫂r臀暴 上海交通大学博士后出站报告 a ) 舍 喜 h 群 达到un 时，所需时间 达到un 时，角速度达到 1：0引8 1 2 0 型一一羔生 译n 一“h f ， 一掣迹+ 一 d h f z rb 2 _ p + h p：r c c 吼一刁号 要 8 0 。薹峨4 0 蹦 蛙 o i i 、 1 = ：o 、 l ，j b ) 0 1 吨 吗 1 0 一 d ) 熬 霹k 0 ( 2 8 ) ( 2 9 a ) ( 2 9 b ) 、“、 、h 一 i ? j | j j ：，f； ， l 、 i l i ： e l 、。 、 | j r t 0 j !岫 圈2