（载运工具运用工程专业论文）轻型客车气压abs模糊控制仿真研究.pdf

轻型客车气压a b s 模糊控制仿真研究 摘要 汽车制动防抱死系统，英文简称a b s ( a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m ) ，是在汽车 制动时，用来自动调节制动压力的大小，防止车轮完全抱死，保持车轮最佳滑 移率的一种主动安全装置。本文以某轻型客车为研究对象，对该车制动过程进 行分析，建立了整车模型、单轮模型、轮胎模型和制动器模型等。结合轻型客 车及其气压制动系统的特点，建立基于滑移率控制的模糊控制规则。利用 m a t l a b f u z z y 工具箱设计了气压a b s 的模糊控制器，并用m a t l a b s i m u l i n k 软件 进行了整车制动模拟仿真。仿真结果表明，使用a b s 模糊控制器在不同附着路 面下进行制动，能够有效的防止车轮抱死，且制动时间、制动距离有明显减小。 此外将仿真结果与试验结果进行比较，二者比较吻合，验证了轻型客车气压a b s 的模糊控制仿真的可行性。最后对气压a b s 模糊控制影响因素进行了分析。 关键词：轻型客车气压a b s模糊控制仿真分析 s i m u l a t i o ns t u d y o nt h qa i ra b s 0 nie l i g h t - - d u t yb u s a b s t r a c t f u z z y c o n t r o lo f a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( t h es h o r t e n e df o r mi sa b s ) i sak i n do fa c t i v e s a f e t yd e v i c ew h i c hc a na d j u s tt h eb r a k i n gp r e s s u r ea u t o m a t i c a l l y , p r e v e n tw h e e l f r o mb e i n gl o c k e du p ，a n dk e e pw h e e lo nt h eo p t i m a ls l i p - r a t i o t h i st h e s i ss t u d i e d c e r t a i nl i g h t - d u t yb u s ，w h i c ha n a l y z e db r a k i n gp r o c e s so ft h i sb u sa n db u i l tw h o l e v e h i c l em o d e l ，s i n g l ew h e e lm o d e l ，t i r em o d e la n da r r e s t e rm o d e l a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e ro fl i g h t d u t yb u sa n dt h ea i rb r a k i n gs y s t e m ，t h ef u z z yc o n t r o lr u l e sw e r e b a s e d0 1 1t h ec o n t r o lo fs l i p r a t i o a n du s i n gt h ef u z z yt o o lb o xo fm a t l a bs o f t w a r e ， t h ef u z z yc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e dt ot h ea i ra b s t h e nt h ew h o l ea i ra b sw a s s i m u l a t e di nt h ee n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tu s i n gt h ea i ra b sf u z z yc o n t r o l l e ri nb r a k i n gh a sr e m a r k a b l ee f f e c to nt h e a s p e c to fp r e v e n t i o no fw h e e ll o c k i n ga n di tc a nd e c r e a s et h es t o p p i n gd i s t a n c ea n d t h es t o p p i n gt i m ec o m p a r i n gs i m u l a t i o nr e s u l t st ot e s t i n gr e s u l t s ，w ef o u n dt w o r e s u l t sw e r ec o m p a r a t i v e l ya d j a c e n t ，w h i c hs h o w e dt h a ts i m u l a t i o ns t u d y0 nt h ea i r a b sf u z z yc o n t r o li sf e a s i b l e a tl a s t ，i n f l u e n c ef a c t o r st of u z z yc o n t r o lo ft h ea i r a b sa r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：u g h t - d u t y b u s ；a i r a b s ；f u z z y c o n t r o l ；s i m u l a t i o na n da n a l y s e s ； 插图清单 图2 1 车轮制动受力图6 图2 2 滑移率与附着系数关系7 图2 3 制动时前轮丧失转向能力的行驶路线图7 图2 - 4 典型防抱死系统示意图9 图2 5 轮速传感器的结构示意图9 图2 - 6 电子控制单元( e c u ) 内部结构框图1 0 图3 1 轻型客车受力主视图1 3 图3 - 2 轻型客车受力俯视图1 4 图3 3 车轮受力分析图1 5 图3 - 4 滑移率与附着系数关系图1 7 图3 5 滑移率与侧向附着系数关系图1 7 图4 1 模糊逻辑控制器的基本结构。2 2 图4 2 模糊控制流程图2 2 图4 3 滑移率误差隶属度一2 4 图4 - 4 滑移率误差变化率西隶属度2 4 图4 5 车轮制动气压的改变量尸2 4 图4 6 初始的f i se d i t o r 2 7 图4 7 建立完成的f i se d i t o r 主界面。2 8 图4 8 滑移率误差e s 的隶属度曲线设计2 8 图4 9 模糊规则的建立2 9 图4 1 0 模糊规则观察器2 9 图4 11 曲面浏览器3 0 图4 1 2 基于滑移率的模糊逻辑防抱控制系统框图3 1 图4 1 3a b s 模糊控制器3 1 图5 1a b s 闭环控制流程图一3 2 图5 2 基于逻辑门限控制的a b s 控制器仿真模型3 3 图5 3a b s 滑移率一附着系数模型3 4 图5 4 车速模型3 4 图5 5 左前轮轴重计算模型。3 4 图5 - 6 左前轮轮速模型3 5 图5 7 滑移率计算模型3 5 图5 8 整车制动仿真模型3 6 图5 - 9 仿真参数设置3 7 图5 1 0 采用逻辑门限控制策略的制动仿真结果3 8 图5 1 1 采用模糊控制策略的制动仿真结果3 8 图5 1 2 采用逻辑门限控制策略的制动仿真结果3 9 图5 1 3 采用模糊控制策略的制动仿真结果3 9 图5 1 4 采用逻辑门限控制策略的制动试验结果4 0 图5 1 5 采用模糊控制策略的制动仿真结果4 0 图5 1 6 制动减速度仿真结果对比图4 l 图5 1 7 不带a b s 的制动仿真结果。4 2 图5 1 8 采用逻辑门限控制制动策略的制动仿真结果4 2 图5 1 9 采用模糊控制策略的制动仿真结果4 2 图5 2 0 不带a b s 的制动仿真结果4 3 图5 2 1 采用逻辑门限控制策略的制动仿真结果4 3 图5 2 2 采用模糊控制策略的制动仿真结果4 3 图5 2 3 不带a b s 的制动仿真结果。4 4 图5 2 4 采用逻辑门限控制策略的制动仿真结果4 4 图5 2 5 采用模糊控制策略的制动仿真结果4 4 图5 2 6 制动减速度仿真结果对比图4 5 图5 2 7 带a b s 的制动试验数据处理结果( 高附着系数路面) 4 5 图5 2 8 不带a b s 的制动试验数据处理结果( 低附着系数路面) 4 6 图5 2 9 带a b s 的制动试验数据处理结果( 低附着系数路面) 4 6 图5 3 0 带a b s 的制动试验数据处理结果( 高附着系数路面) 4 7 图5 31 不带a b s 的制动试验数据处理结果( 低附着系数路面) 4 7 图5 3 2 带a b s 的制动试验数据处理结果( 低附着系数路面) 4 8 图6 1 试验样车5 1 图6 2 数据处理计算机框图。5 3 图6 3 试验过程框图。5 4 图6 4a b s 防抱试验数据采集总体布置框图5 4 插表清单 表3 1 各种路面的平均纵向附着系数1 7 表4 1 前轮模糊控制器模糊控制规则表2 5 表4 2 后轮模糊控制器模糊控制规则表2 5 表5 1 某轻型客车基本参数( 满载) 3 6 表5 2 高附着系数路面仿真与试验结果分析表4 8 表5 3 低附着系数路面仿真与试验结果分析表4 8 表5 4 初始车速不同时气压a b s 模糊控制制动效果对比4 9 表5 5 车轮转动惯量不同时气压a b s 模糊控制制动效果对比5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂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谢意。 学位论文作者签名：1灵灭 签字日期：2 衙牛月o e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，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阋。本人授权金月里至些盔堂可 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 1 司确越及叉 导师签名： 签字日期： 瞎年沙月伽日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期沙妒年4 月矽日 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师尹安东副教授的精心指导下完成的。在读研期间，导师对我 的学习及论文工作倾注了大量的心血，在生活上给予了无微不至的关怀。导师 严谨的治学态度、求实创新的开拓精神、诲人不倦、宽以待人的高尚品质给我 留下深刻的印象，这些都将对我以后的学习和工作产生巨大的影响。二年多来， 导师不遗余力地谆谆教诲，不仅保证了学业的顺利完成，而且使本人的专业理 论水平与科研能力得到拓宽和提高，这必将为我今后的工作和学习奠定良好的 基础。 其次要感谢在平时学习和论文创作过程帮助过我的交通工程教研室的所 有老师，特别是张代胜老师，以及本专业的师弟师妹们。尤其要感谢陈加超、 程鹏、胡军义、陈彦夫、田旭旺、李榛、秦炜华等，感谢他们与我一起度过了 美好的研究生时光，在学业上和生活上给予了我很大的帮助。 最后，感谢我的父母对我的支持与鼓励，如果没有家人的理解与支持，我 不可能顺利的完成学业。为此我要衷心的感谢我的家人，谢谢他们无私的关爱。 作者：阎耀双 0 8 年3 月 第一章绪论 1 1论文提出的背景和意义 汽车是现代社会的一种主要交通运输工具，近年来，随着汽车技术的不断 进步和人民生活水平的日益提高，人们对汽车安全性能的关注和要求也达到了 前所未有的高度。汽车制动防抱死系统，英文简称a b s ( a n t i l o c kb r a k i n g s y s t e m ) 是2 0 世纪汽车制动技术的重大成果。它在汽车制动时，能自动控制制 动压力的大小，防止车轮抱死，有效地提高汽车制动时方向的稳定性，保障汽 车的转向操纵能力，同时还能缩短汽车的制动距离，提高轮胎的使用寿命。据 统计，汽车a b s 技术的应用能使交通事故减少2 5 以上【l 】。目前，国外一些发 达国家a b s 已基本普及使用，而我国由于a b s 研究起步较晚，具有自主知识 产权的a b s 产品很少，国内a b s 市场基本都被国外知名a b s 厂商占领，这导 致a b s 的价格比较高，汽车a b s 的整体装车率不高，一般在高档轿车和高档 客车上才使用a b s ，而普通载货汽车、客车和中低档轿车上很少使用。因此， a b s 技术研究目前己成为我国汽车界的重要课题，对我国汽车产业的发展具有 积极的现实意义。 另外，a b s 是汽车主动安全系统的基础性技术，没有成熟的a b s 技术根基，就 很难开发t c s ( 牵引力控制系统) 、a s r ( 加速防滑系统) 、e s p ( 电子稳定装置) 等 更为先进的汽车安全技术。因此，本文对某轻型客车防抱制动系统进行建模控制仿真 和试验研究，具有一定的实际意义。 1 2国内外a b s 发展状况及发展趋势 1 2 1 国外a b s 技术发展与应用现状 基于制动防抱理论的制动系统首先是应用于火车和飞机上。最早官方记录 的汽车防抱制动系统是英国1 9 3 2 年发布的专利3 8 2 2 4 1 ，题目是“制动时防止 车轮压紧转动车轮的安全装置 2 1 。1 9 3 6 年，德国博世公司( b o s c h ) 申请一项 电液控制的a b s 装置专利，促进了a b s 技术在汽车上的应用。汽车上开始使 用a b s 始于2 0 世纪5 0 年代中期的福特汽车公司，1 9 5 4 年福特汽车公司在林 肯车上装用法国航空公司的a b s 装置，这种a b s 装置控制部分采用机械式， 结构复杂，功能相对单一，只有在特定车辆和工况下才有效，因此制动效果并 不理想。机械结构复杂使a b s 装置的可靠性差、控制精度低、价格偏高，a b s 技术在汽车上的推广应用举步艰难。直到7 0 年代后期，由于电子技术迅猛发展， 为a b s 技术在汽车上应用提供了可靠的技术支持。a b s 控制部分采用了电子 控制，其反应速度、控制精度和可靠性都显著提高，制动效果也明显改善，同 时其体积逐步变小，质量逐步减轻，控制与诊断功能不断增强，价格也逐渐降 低。这段时期许多家公司都相继研制了形式多样的a b s 装置。进入9 0 年代后， a b s 技术不断发展成熟，控制精度、控制功能不断完善。现在发达国家已广泛 采用a b s 技术，a b s 装置已成为汽车的必要装备。北美和西欧的各类客车和 轻型货车a b s 的装备率已达9 0 以上，轿车a b s 的装备率在6 0 左右，运送 危险品的货车a b s 的装备率为1 0 0 【3 】。a b s 装置制造商主要有：德国博世公 司( b o s c h ) ，欧、美、日、韩国车采用最多；美国德科公司( d e l c o ) ，美国通 用及韩国大字汽车采用；美国本迪克斯公司( b e n d i x ) ，美国克莱斯勒汽车采用； 还有德国戴维斯公司( t e v e s ) 、德国瓦布科( w a b c o ) 美国凯尔西海斯公司 ( k e l s e y h a y e s ) 等，这些公司的a b s 产品都在广泛地应用，而且还在不断发 展、更新和换代。 1 2 2 国内a b s 技术发展与应用现状 近年来，a b s 技术在我国也正在推广和应用，1 9 9 9 年我国制定的国家强制 性标准g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性能和试验方法中已把装用 a b s 作为强制性法规。此后一汽大众、二汽富康、上海大众、重庆长安、上海 通用等均开始采用a b s 技术，但这些a b s 装置我国均没有自主的知识产权。 国内研究a b s 主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、济南捷特汽车电 子研究所、清华大学、西安交通大学、吉林大学、华南理工大学、合肥工业大 学等单位虽然起步较晚，但取得了一些成果。在气压a b s 方面，国内企业包括 东风电子科技股份有限公司、重庆聚能、广东科密等都已形成了一定的生产规 模。液压a b s 由于技术难度大，国外技术封锁严密，国内企业暂时不能独立生 产，但在液压a b s 方面也在做自主研发，力图突破国外跨国公司的技术壁垒， 已经取得了一些新的进展和突破。如清华大学和浙江亚太等承担的汽车液压防 抱死制动系统( a b s ) “九五”国家科技攻关课题，在a b s 控制理论与方法、电 子控制单元、液压控制单元、开发装置和匹配方法等关键技术方面均取得了重 大成果。采用的耗散功率理论，避免了传统的逻辑门限值研究方法的局限性， 取得了理论上的突破，研发a b s 成功且进入产业化、批量生产阶段。其试样在 南京i v e c o 轻型客车上匹配使用全面达到了国家标准g b l 2 6 7 6 - - 1 9 9 9 和欧洲 法规e e c r l 3 的要求。这对振兴我国汽车工业与汽车零部件业具有划时代意义， 标志着我国汽车液压a b s 国产化已迈出坚实的一步。同时合肥工业大学也研制 出国内具有自主知识产权的气压制动电子防抱系统，率先在某轻型汽车上匹配 使用获得成功。国内液压a b s 技术含量与国外虽有一定的差距，但在政府的大 力支持和国内丰富的入力资源配合下，相信国内可以在较短的时间内在a b s 技 术某些领域赶超国际水平。 2 1 2 3a b s 技术发展趋势 a b s 技术虽然在2 0 世纪9 0 年代初期就已成熟，但随着电子技术和汽车技 术的快速发展，a b s 技术也得到了不断地完善。其功能、可靠性、使用范围都 得到了很大的提升，今后a b s 技术将沿以下几个方面继续发展一1 ： ( 1 ) 采用现代控制理论和方法完善a b s 技术性能。 目前得到广泛应用的是采用门限值控制方法的a b s ，有一定局限性。研究 适应a b s 这种变工况、非线性系统的控制方法，完善a b s 技术性能将是今后 a b s 研究的热点。近几年出现的增益调度p i d 控制、变结构控制和模糊控制等 方法，是以滑移率为目标的连续控制，使制动过程中保持最佳、稳定的滑移率， 理论上是理想的防抱死制动控制系统。 ( 2 ) 提高a b s 的可靠性、自适应性。 a b s 是加装在汽车上的辅助安全装置，它要求高可靠性，否则会导致人身 伤亡及车辆损坏。为了提高a b s 的可靠性，a b s 电控部分应向集成化方向发 展，制作专用的a b s 芯片；机械部分则通过优化结构设计、采用新材料、提高 制造工艺等。a b s 软件部分则采用补偿方法( 针对测量、计算误差) 和自适应控 制算法来提高a b s 的可靠性和自适应性。 ( 3 ) 提高系统的集成度，减小体积，减轻质量。 现代汽车的安装空间都非常紧凑，而a b s 又是提高汽车安全性能的附加装 置，预留的空间非常有限，因此要求a b s 控制器体积尽量小。因此a b s 装置 必须高度集成化，这样既可减小体积、又可减轻质量，同时还可以降低成本。 ( 4 ) 增强a b s 控制器的功能，扩大使用范围。 随着现代电子技术的飞速发展，a b s 技术也在不断地成熟和发展，很多 a b s 控制器已经选用功能强、速度快、集成度高的1 6 位或3 2 位微处理器，甚 至做成专用芯片，为a b s 进一步完善和扩展构建了一个良好的平台。目前对汽 车进行安全控制的装置不断地被加入这个平台，由最初的防滑控制系统( a s r ) ， 到现在的电子制动力分配装置( e b d ) 、电子助力制动装置( e b a ) ，电子行驶稳定 性控制系统( e s p ) 、车辆动力学控制系统( v d c ) 、电子控制制动系统( e b s ) 、车 速记录仪( v s r ) 等瞪1 。a b s 技术已进入全新的发展时期，a b s 作为制动控制系 统的一个子系统，其控制功能和使用范围正在不断扩大。 ( 5 ) 构建制动集中控制系统，实现车辆控制的智能化、安全化p 1 。 随着a b s 技术的进步、a b s 控制器功能的扩展，使得a b s 的控制精度和 可靠性，控制范围都得到提升，建立与汽车安全性有关的集中控制系统，实现 多参数的自动控制就成为可能。未来的汽车中各种控制单元将通过网络传输信 息，全电子制动系统将逐渐代替常规的控制系统，车辆制动控制将实现智能化、 安全化。 1 3a b s 研发的关键技术 加入w t o 后，国外跨国公司把中国汽车制造与零部件置身于其产业链中， 但对发动机电控技术、a b s 技术等关键零部件核心技术实施严格封锁，国内企 业( 包括合资企业) 还无法掌握这些核心技术。为了突破其技术壁垒，国家“九 五”期间组织相关企业、研究所大专院校进行技术攻关，实现自主研发，力求 在较短的时间掌握其核心技术。a b s 核心技术主要包括：a b s 控制理论与方法、 a b s 路面识别技术和a b s 车速测量方法等。 1 3 1a b s 控制理论与方法 汽车a b s 控制系统是非线性系统，轮胎特性变化范围大，车辆模型有各种 不确定性，因此，要建立精确的数学模型很难实现。目前国外广泛应用的a b s 是采用逻辑门限值控制方法，它是基于经验式的控制方法，不涉及系统具体的 数学模型，控制系统的各种门限值及其它参数要依据大量的道路试验来确定， 而无充分的理论根据，存在一定的局限性。如控制逻辑比较复杂，容易发生逻 辑冲突；调试困难；整个控制过程车轮滑移率并不是保持在最佳滑移率上，而 是在它的附近波动，因此并未达到最佳的制动效果，控制过程也不够平稳；另 外，开发完成的液压a b s 装置不具有通用性，不同的车型需要不同的匹配技术。 这种控制方法必须进行大量的试验来确定控制参数的数值，才能达到较理想的 控制效果，开发周期长。随着车用微机控制技术和传感器技术的发展，采用新 的理论( 滑移率理论、耗散功率理论) 和控制方法( 最优控制、p i d 控制、模糊控 制、神经网络控制等) 是克服目前a b s 技术缺陷的关键。耗散功率理论是以制 动器耗散功率最大为目标的控制方法。汽车减速制动的过程，实际上是将汽车 的平均动能转化为其他形式能量的耗散过程，采用制动器的摩擦功率( 或称耗散 功率) 最大为a b s 的控制目标，兼顾了汽车制动时的稳定性和制动效能。该方 法具有制动稳定性好、效能高对路面适应性强等特点，具有良好的推广和应用 前景，是防抱死产品研究和开发的一种新思路。基于滑移率的汽车a b s 模糊控 制方法是近年发展起来行之有效的方法，它无须建立a b s 控制系统的数学模 型，采用模糊逻辑和近似推理方法，遵循一定的控制规则，结合实际经验，对 系统进行动态调控。这种方法的优点就是能适应各种路面的要求，能够控制滑 移率在最佳值附近；同时传感器也较少，只需测量车轮的转速信号而不需要测 定车身的速度另外，该方法所需参数相对也较少，完全克服了逻辑门限值控制 方法过分依赖试验的缺点，同时控制系统具有很好的鲁棒性和较强的抗干扰能 力。随着现代控制理论的发展，p i d 控制、滑模变结构控制和模糊控制等方法 的研究逐渐得到重视，并在防抱制动系统控制中逐渐得到应用，a b s 的性能将 日趋完善。 4 1 3 2a b s 路面识别技术 汽车和路面构成一个复杂的非线性动态系统。不同的路面，制动过程中的 防抱特征不同，其控制参数也不同，因此实时准确地识别路面状况，为a b s 系 统提供合适的门限，关系到a b s 产品的优劣。目前国内外学者对a b s 路面识 别技术已经进行了大量的研究，也取得了一些成果，但离真正的实用化技术还 有一段距离。a b s 路面识别技术将是今后a b s 研究的重点。 1 3 3a b s 车速测量方法 从目前文献资料上来看，参考车速的计算方法有斜率法、最大轮速法、综 合法【7 1 。根据所用传感器情况可以分为两大类：一是只使用车轮角速度传感器； 二是除了车轮角速度传感器外，还使用测量车身加速度传感器或其它，如纵向 加速度传感器、横摆角速度的传感器等。第一类一般都是通过安装车轮角速度 传感器，采集车轮转速信号来估计车速，这种方法存在很大的不确定性，无法 较为准确地确定车身速度，而参考车速估计的准确性直接影响到a b s 的控制效 果。由于此类方法估算车速简单，目前在a b s 上得到了广泛应用。第二类所确 定的汽车参考车速精度有所提高，且对不同路况的适应能力增强。但由于增加 了传感器，参考车速的确定也相应地变得复杂了。这类参考车速的确定很多都 停留在仿真阶段，还不能应用到实际中。能精确测量具体车速的多普勒测速仪， 因价格昂贵，也限制了在汽车a b s 上的应用。因此开发价格低廉、性能可靠、 精度较高的车速传感器将是研发a b s 的又一关键技术。 1 4 论文研究的主要内容 本文结合我校与江淮汽车集团合作的“某轻型客车防滑控制系统( a b s a s r ) 研究科研项目，对该车制动过程进行分析，建立模糊控制模型，并进行仿真 和试验研究分析。本文主要进行以下几方面的工作： ( 1 ) 分析轻型客车在制动过程中的受力情况，建立了整车受力模型、车轮 动力学模型、轮胎模型和制动器模型等。 ( 2 ) 基于模糊控制理论，结合轻型客车及其气压制动系统的特点，建立基 于滑移率控制的模糊控制规则。 ( 3 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 软件内的f u z z y 工具箱设计出了针对气压a b s 的模糊控制器。并在m a t l a b s i m u l i n k 软件环境中对整个气压a b s 进行了模拟 仿真。 ( 4 ) 与常用控制策略( 基于逻辑门限控制策略) 仿真结果进行比较。 ( 5 ) 将仿真结果与带有气压a b s 的轻型客车制动试验结果进行对比分析， 来评价建模仿真的准确性，进而评价模糊控制仿真的可行性，同时对气压a b s 制动效能影响因素进行分析。 第二章a b s 工作原理和控制策略 2 1a b s 控制原理 2 1 1 滑移率的定义 在汽车的实际行驶过程中，车轮在路面上的纵向运动可以有两种形式一一 滚动和滑动，车轮相对于路面的滑动又可分为滑移和滑转两种形式。 汽车在制动过程中，车轮可能相对于路面发生滑移，滑移成分在车轮纵向 运动中所占的比例可由滑移率来表征，车轮的滑移率可通过下式确定p 1 ： s ，：v 0 - - c o 1 0 0 ( 2 1 ) 式中： s ，一一车轮的滑移率； ，一一车轮的自由滚动半径，m5 仞一一车轮的滚动角速度，r a d s5 一一车轮中心的纵向速度，m s 。 i 以 e 图2 1 车轮制动受力图 当车轮在路面上自由滚动即做纯滚动时，车轮中心的纵向速度完全是由于 车轮滚动产生的，此时v o = r c o ，因此车轮是纯滚动与路面没有滑移，故车轮与路 面的滑移率为s ，= 0 。当车轮被制动器到完全抱死在路面上做纯滑移时，即车 轮不转动，车轮中心的纵向速度则完全是由于车轮滑移产生的，此时仞= 0 ，车 轮与路面的滑移率s 。= 1 0 0 。当车轮在路面上边滚边滑移时，车轮中心纵向 速度的一部分是由于车轮滚动产生的，另外一部分是由于车轮滑移产生的，此 时u o r ( o ，因此，0 s ， 氏不稳定区域 3 9 。 1 一s o1 一s o ”。 p 一一纵向附着系数； 1 6 s 一一滑移率； 段一一峰值附着系数； 心一一滑动附着系数； 岛一一峰值附着系数处的车轮滑移率。 纵 向 附 着 系 数 侧 向 附 着 系 数 滑移率s 图3 - 4 滑移率与附着系数关系图 表3 1 各种路面的平均纵向附着系数 路面峰值附着系数滑动附着系数 沥青或混凝土( 干) 0 8 _ 一o 90 7 5 沥青( 湿) 0 5 加70 4 5 0 6 混凝土( 湿)0 8o 7 砾石 0 60 5 5 土路( 干)o 6 8 0 6 5 土路( 湿) o 5 5o 4 _ o 5 雪( 压紧) o 20 1 5 冰0 1 0 0 7 o2 04 06 08 01 0 0 滑移率s 图3 - 5 滑移率与侧向附着系数关系图 而对于侧向滑移率附着系数采用的是单线性模型，如图3 5 示。 1 7 u ，= u t u k s ( 3 一l o ) 式中： “，一一侧向附着系数； “。一一滑移率为0 时对应的最大侧向附着系数； s 一一侧向滑移率。 3 4 轮胎垂直载荷的模型 轮胎的垂直载荷应分为静态载荷和动态载荷两部分。而其动态载荷部分又 分为受纵向加速度影响和横向加速度影响的部分川。所谓轮胎的静态载荷就是 整车在静止或者匀速行驶的情况下，左前、右前、左后、和右后四个车轮各自 所受的地面法向反力；由于整车在制动过程中的纵向加速度对前后轮胎的垂直 载荷的变化产生影响，前轮的垂直载荷增大，而后轮的垂直载荷相对就减小： 在整车受到侧向加速度的时候，左右轮胎之间的载荷必然要受到影响，如果侧 向加速度的方向向右则左边车轮载荷增大，而右侧车轮载荷相应就减小；反之 则反。根据上面对静态垂直载荷以及纵向、横向轮胎动载荷的分析，可以得到 轮胎在制动过程中总的垂直载荷，如下： 左前轮： f ：驾坠二早一募一垒! 丝一一m v y h ( 3 - 1 1 ) t l5 丽一硐一丽一百 右前轮： f ，= m g ，( 1 r - f r e ) 一墼一盈k + 一m v y h ( 3 - 1 2 ) t 2 = 而一硼一丽十百 u 。1 纠 左后轮： 耻甏畀+ 筠- - - x - - + 蒜一等 p t ，2 和丁+ 瓦刁+ 莉一百 u 。1 圳 右后轮： 耻等畀+ 硐m l ? x h + 蒜+ 等 仔 式中： 只。，c ：，c ，c 。分别表示左前轮，右前轮，左后轮，右后轮的轮胎所受地 面的法向反力，表示滚动阻力系数。 而：厂可由下述经验公式近似求得： f = 0 0 0 7 6 + 0 0 0 0 0 5 6 1 8 ( 3 1 5 ) 3 5 制动器模型 对于研究气压制动系统而言，对制动气室和制动器建模是相当重要的部分。在气 压制动系统中，制动气室是制动的第一执行器，气压在这里从压力转变成推力，把制 动摩擦片推向制动轮毅，从而产生制动力矩。为此本文把制动器模型分为制动气室和 制动器两个子模型【3 5 】。 3 5 1 制动气室模型 制动气室建模一般有物理建模和动态系统辨识建模两种方法。物理建模一 般都是根据物理定理和公式，在忽略一些次要因素后，把整个系统用一系列的 方程来表示。例如对制动气室进行物理建模，首先要分析制动气室的工作过程， 在充气时高压空气从进气小孔进入制动气室，推动工作膜片，实现把气压能转 化为机械能：在放气时，高压空气从卸压口流出制动气室，工作膜片回位。根据 过程分析假定整个过程是绝热无摩擦过程，满足能量守恒定律，气体满足理想 气体状态方程和气体流量方程。最后得出充气、放气过程中制动气室内气体压 力一时间的关系方程。物理建模是基于理论的，它的结果比较复杂，但在假设 条件下，精确性很好高。不过在实际中，由于影响制动气室推力输出的因素很 多，假设前提也往往是不现实的，所以它的结果与事实有一定的出入，需要修 正。 另外一种建模方法是系统辨识建模，它对系统内部一般不做过多的分析， 而是研究输入和输出变量之间的对应关系，根据实验得出的输入和输出数据， 用拟合法推演出系统的数学模型，在工业控制过程中，这种建模方法对于有着 复杂内部结构的系统而言是十分适用的。系统辨识根据对研究对象了解程度的 大小可分为全辨识和部分辨识两种，在绝大多数场合由于人们对所研究的对象 多少都有些了解，所以一般它们都是属于部分辨识范围p 。 从理论上讲，在辨识过程中如果能精确测得系统的输入、输出数据，那么 最后得到的模型也是很精确的，但是误差和干扰是不可避免的，因此对于不同 的控制系统，根据其不同的辨识要求，要采用不同的辨识推演方法。 对于对制动气室的建模，为了得到的数学模型足以反映系统的控制本质但 又要尽可能的简单。一般采用一、二阶控制系统来模拟，常用的方法有阶跃响 应法和频率响应法。本文选用阶跃响应法来对制动气室进行辨析建模。一阶系 统的阶跃响应传递函数为： g = 南 ( 3 - 1 6 ) s i s + ij 式中： k 静态放大系数； 1 9 丁系统时间常数。 一阶系统的阶跃响应时域解为： 尸o ) ：k f ，1 一p 嘭、1 ( 3 1 7 ) 本文采用的数学模型为： 升压： 最= 鼻+ ( 只一只) ( 1 一e x p ( - t t ) )( 3 1 8 ) 降压： 只= 鼻e x p ( - 2 t t )( 3 1 9 ) 式中： 只前一时刻对应的压力； 只后一时刻对应的压力； 只制动系统最大压力； 丁系统时间常数。 3 5 2 制动器模型 制动器模型的输入量是制动气室模型的输出量一系统压力，输出量则是制 动力矩。制动器模型通过计算制动器制动效能因数的方法来确定。通过这种方 法，该模型可以用如下公式表达： m = k p( 3 2 0 ) 式中： m 制动器制动力矩； p 系统压力； | j 制动器压力一力矩的转换系数也称制动力矩系数，它与制动器摩擦副的 材料、制动器结构和使用温度等条件有关。 3 6本章小结 本章在查阅大量资料的基础上，结合轻型客车气压制动的特点，建立了各 个数学模型，包括整车动力学模型、车轮动力学模型、轮胎模型和制动器模型。 通过这些数学模型为下面的仿真模型的建立和在各个工况下的制动过程的仿真 与分析提供一个必要的前提条件。 2 0 第四章轻型客车a b s 模糊逻辑控制系统设计 模糊理论起源于美国，但是它在美国却因为传统的习惯力量，其发展不顺 利。同样在欧洲也受到一定程度的抵制。然而现在模糊浑辑控制技术已被越来 越多的美国人和欧洲人所接受，甚至还带有一点狂热。l9 9 3 年i e e e t r a n s a c t i o n so nf u z z ys y s t e m 作为i e e e 神经网络协会的刊物在美国创 刊，这是模糊系统理论已作为一个独立学科发展的标志。 模糊控制系统的设计与仿真都是在计算机环境下进行的，需要用到 m a t l a b s i m u l i n k 软件，m a t l a b 起源于2 0 世纪7 0 年代的“矩阵实验室”( m a t r i x l a b o r a t o r y ) ，是由美国m a t h w o r k s 公司研究开发的，开始主要用于数学计算。 随着软件版本的不断更新，目前已经发展到7 0 版本，其功能涵盖了科学计算、 统计、系统识别、自动控制、系统仿真、优化设计、数字信号处理等各个领域， 是一种在数学、物理、化学、工程、经济各学科上都具有广泛应用前景的计算 机高级编程语言。 m a t l a b 是一种交互式程序设计语言，该软件操作容易，功能强大。它的功 能主要有各种工具箱来实现，其核心工具箱可分为功能性工具箱和学科性工具 箱，功能性工具箱可应用于多个学科，而学科性工具箱是专门针对具体专业的， 一般都是该专业领域内的人员使用。本文后面用到的模糊推理系统工具箱就是 m a t l a b 内一个很实用的工具箱，可以用它建立a b s 的仿真控制器。 s i m u l i n k 是m a t l a b 软件的扩展，它是m a t l a b 内用来对动态系统进行建模、 仿真和分析的一个软件包，它操作简单，使用灵活，支持线性和非线性系统， 能够在连续时间域、离散时间域或者两者的混合时间域里进行建模，而且支持 具有多种采样速率的系统p 。所以本课题采用m a t l a b s i m u l i n k 对a b s 进行模 拟仿真分析。 4 1 模糊控制理论概述 模糊逻辑控制的基础是模糊集合理论和模糊逻辑，模糊逻辑控制器( f l c f u z z yl o g i cc o n t r o l l e r ) 就是用模糊逻辑模仿人的逻辑思维来对无法建立数学模 型的系统实现控制的设备p 引。模糊逻辑控制器一般简称为模糊控制器。 图4 1 给出了模糊逻辑控制器的基本结构图，它包括三大部分：模糊化接 e l 、模糊推理机和解模糊接e 1 。模糊推理机是由知识库( 数据库和规则库) 和推 理决策逻辑来提供模糊推理算法。 要实现语言控制的模糊逻辑控制器，就必须解决三个基本问题。第一是先 通过传感器把要监测的物理量变成电量，再通过模数转换器把它转换成精确的 数字量，精确输入量输入至模糊逻辑控制器后，首先要把这精确的输入量转换 2 l 图4 - 1 模糊逻辑控制器的基本结构 成模糊集合的隶属函数，这一步就称为精确量的模糊化或者模糊量化；其目的 是把传感器的输入转换成知识库可以理解和操作的变量格式。第二个问题是根 据有经验的操作者或者专家经验制定出模糊控制规则，并进行模糊逻辑推理， 以得到一个模糊输出集合即一个新的模糊隶属函数，这步称为模糊控制规则 形成和推理；其目的是用模糊输入值去适配控制规则，为每个控制规则确定其 适配的程度，并且通过加权计算合并那些规则的输出。要解决的第三个问题是 根据模糊逻辑推理得到的输出模糊隶属函数，用不同的方法找一个具有代表性 的精确值作为控制量，这一步称为模糊输出量的解模糊判决；其目的是把分布 范围概括合并成单点的输出值，加到执行器上实现控制。如图4 2 所示。 模糊推理 图4 2 模糊控制流程图 4 2a b s 模糊控制器的结构选取 模糊控制器的结构选择是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量的数 量，结构选择将直接影响模糊控制器的性能。模糊控制器的结构根据输入输出 变量的个数通常可分为维模糊控制器即单输入单输出模糊控制器、二维模糊 控制器即双输入单输出模糊控制器、多维模糊控制器即多输入单输出模糊控制 器和多输入多输出模糊控制器四种。 本文采用了目前广泛使用的二维模糊控制器 引，选取滑移率误差e ，( e ，= 实时滑移率一期望滑移率) 和滑移率误差变化率西为输入变量，输出变量为车 轮制动气室气压的改变量尸。 4 3 a b s 模糊控制隶属度曲线的设计 为了实现模糊控制器的标准化设计，采用玛达尼提出的方法，这是把偏差e 的变化范围设定为 - 6 ，+ 6 区间连续变化量，使之离散化，构成含1 3 个整数元素的 离散集合： 6 , - 5 ，4 ，3 ，2 ，1 ，0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) ，实际上如果是非对称型的也可用一2 8 取代6 - - - + 6 。 在实际工作中，精确输入量的变化范围一般不会是在 6 ，6 之间的，如果其范 围是在 a ，b 】之间的