（车辆工程专业论文）基于模糊变结构控制的汽车防抱死制动系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文基于模糊变结构控制的汽车防抱死制动系统的研究车辆工程专业研究生王波指导教师予j 啦云汽车防抱死制动系统( a b 鳓是改善汽车主动安全性的重要装置，在汽车日益高速化的今天，它的应用日益广泛。a b s 控制方法是a b s 的核心技术，掌握控制方法的设计和匹配，对于自主开发a b s 和进步开展汽车主动安全性理论和技术研究有着重要的现实意义本论文将滑模变结构控制应用于汽车防抱死制动系统进行研究通过分析获知，在基于趋近率滑模控制中，符号函数的增益参数是系统引起抖振的主要原因。因此，本文提出将模糊控制和变结构控制相结合的混合控制策略，用模糊控制器自适应调节滑模控制器中符号函数增益参数。该方法既能保证滑模控制的鲁棒性，又可以有效的削弱抖振对基于滑移率的a b s 控制系统来说，目标滑移率的获取是实现控制的关键技术。本文提出采用g i e n c 妇，岱模型，应用带遗忘因子的递推最小二乘法实现最佳滑移率的实时在线识别该方法能够适应各种路面的变化，准确判断出汽车的最佳滑移率，从而保证基于滑移率控制的汽车a b s 系统能够迅速追踪最佳滑移率，实现最优的控制在理论分析的基础上，利用m a t l a b 的s i m u l i n k 和模糊控制工具箱，建立单轮车辆模型、控制器模型、最佳滑移率识别模型、模拟路面模型等进行仿真验证仿真结果进一步验证了模糊变结构控制算法及最佳滑移率识别算法的有效性，并为软件编程提供合理的控制逻辑和参数。仿真结果表明，汽车a b s 的模糊变结构控制能稳定的将车轮滑移率控制在目标值附近，使车轮能充分利用路面附着条件，制动时间少，制动距离短，并能有效削弱常规变结构控制的滑模抖振采用基于西华大学硕士学位论文k i e n c k e s 模型的最佳滑移率识别方法，不论在单一路面还是跃变路面条件下，都能较准确的识别出最佳滑移率。汽车a b s 的模糊变结构控制配合该最佳滑移率识别方法，能实现最优的控制。开发以m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 为基础的新代的a b s 控制器的硬件和软件，为实现产品化奠定坚实的基础利用清华大学的h c s l 2 开发工具包，以及实验室信号发生器、示波器等装置，进行了软硬件调试。调试结果分析表明，所设计的电控单元能基本实现控制功能总之，研究结果证明了模糊变结构控制应用于汽车防抱死制动系统的可行性和有效性。配合最佳滑移率的实时在线识别技术，是一种有效的基于滑移率的控制，能稳定的防止车轮抱死，显著提高汽车制动效能这不仅具有理论意义，而且还具有实用价值。关键词：防抱死制动系统，滑模变结构控制，模糊控制，最佳滑移率，递推最d -乘法西华大学硕士学位论文s t u d yo nf u z z yv a r i b l es t r u c t u r ec o n t r o lf o r a b sa n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) i sa n 缸l p o 砌呲m s t a n m e n tf o r 如甲岫略t h ea u t o m o b i l ea c t i v c 鞠危哆w i t ht h ea u t o m o b 丑ch i g hs p e e dt o d a y , i l sa p p l i c a t i o ni sm o a n dm 0 w i d e s p r e a dd a yb yd a y t h ec o n t r o lm e t h o di st h e t e c h n o l o g yo f a b s 。s ot og r a s pt h ed e s i g na n dt h em a t c ho ft h ec o n l m lm e l j dh a st h e 缸i p c 肚咖p r a c t i c a lm e a n i n g 缸d e v e l o p i n ga b si n d e p e n d e n t l ya n df o r 矗腑托筑砌e fa u t o m o b i l e 雹疵es a f e t yt h e o r ya n d 把曲n 0 i 曜莎i nt h i sp a p 日9s l i d i n gm o d ev a r i a b l e 翻玎l d 眦c o n t r o li sa p p l i e df o ra b sr e s e a l c h t h r o u g ha n a l y s i sil e a r nt h a ti nt h es t a gm o d ec o n t r o lo f b a s i n go nt h er e a c hl a w , t h e擘i i n p a r a m e t e r o f s i g n f u n c t i o n i s t h e m a i n r e a s o n t h a t c a u s e s t h e c h a t t e d n g o f t h e s y s t e m s 0i nt h ep a p t h ec o m p o u n dc o n l m ls t r a t e g yw h i c ht m i 6 e st h ef u r yc o n t m la n dt h ev a r i a b l ec o n t r o li sp r o p o s e d , u 茹唱f u z z yc o n l m l l e rt oa d j u s t 恤s i 驴f u n c t i o ng a i np a r a m e t e ro ft h es l i d j 】喀m o d ec o n u o la u t o - a d a p t e d l y t h i sm e t h o d 锄n o to n l y 棚瓣t h e r o b u s t n e s s o f s l i d i n g m o d e c o n t r o l , b u t a l s o c a n w e a k e n t h e c h a t t e r i n g e f f e c t i v e l y ht h ea b sc o n t r o ls y s t e mt h a tb a s e s0 1 1s t i pr a t i oc o n t r o l , h o w 幻g a i nt h eg o a ls l i pr a t i oi st h ek e yt e d m o l o g y 衙般峨m cc o n t r 0 1 ht h i sp a p e 与w i t hk i e n c k e * - sm o d e la n du s i n gt h ei d 例i i s i v cl e a s ts q u a r e sm e t h o dt or e a l i z et h eo p t i m a ls l i pr a t i on ：a l - f i m ea n do n l i n ei d e n t i f i c a t i o ni sp r e s e n t e d t h i sm e t h o d 啪a d a p te a c hk i n do fl e a d 曲衄醇a n dj u d g et h eo p t i m a ls u pr a t i oa c c u r a t e l y a c c o r a i n gt ot h i s , t oi r a c ct h eo p t i m a ls u pr a t i or a p i d l yi nt h ea b sk i s i n go f fs l i pr a t i oc o n l m l 锄b eg u a r a n 喊a n do p e m 正c o n t m lc a b er e a l i z e d 0 nm cb a s eo f 岫a n a l y s i s , u s i n gt h es i m u l i n ka n df u z z yc o n 们lt o o l b o xi ni n西华大学硕士学位论文m a t i a bt oe s t a b l i s hs 0 1 1 1 em o d e l ss u c ha ss i n g l ew h e e lv e h i c l em o d e l , c o n t r o l l e rm o d e l ,o p t i m a l 蛳r a t i oi d e n t i t i e a t i o nm o d e l , m u l a t er o a dm o d e la n ds oo i lf o rs i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ef u l t h c rc o n f i m l e dt h ev a l i d i t yo ft h ef i l z z yv a r i a b l es l l u e t u r ee o n l z o la l g o r i t h ma n dt h eo p t i m a ls h pr a t i oi d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h m b e s i d et h e s e , t h er e a s o n a b l ec o n t r o ll o g i ca n dt h ep a r a m e t e r so ft h es o f e w a r ep r o g r a m m i n gi sp r o v i d e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tl i l z z yv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t l o lo f a b s 啪e o n 血o ls t i pr a t i ot ot a r g e tv a l u es t e a d i l y , a n d 啪m a k ef u l lu s co f t h er o a ds u r f a c ea d h e s i o nc o n d i t i o n , s oi t sh 她t i m ea n db r a k i n gd i s t a n c ci ss h o r t f u r t h e r m o r e , t h i sc o n l r o lm e t h o d 伽w e a k e nt h e 她m o d ec h a t t e r i n go fg e n e r a lv a r i a b l ec o n t z 0 1 w i t ht h co p t i m a ls 印r a t i oi d e n t i f i c a t i o nr n e t b o db a s i n go nk i e n c k e t - sm o d e l , t l a co p t i m a ls l i pr a t i o 啪b ei d e n t i f i e de x a c t l yn o to n l yi nm g l er o a ds u r f a c ec o n d i t i o n , b u ta l s oi nv a r i a b l er o a ds u f a e cc o n d i t i o n w i t ht h i so p t i m a ls l i pr a t i oi d e n t i f i c a t i o nr a c t l l o d , t h e 矗l z z yv a r i a b l es l r u c t u r ec o n t r o lo fa b s nr e a l i z eo p l i m a lc o n t r 0 1 b a s i n go l lm c 9 s 1 2 d p 2 5 6m c l j , t l a en 钾g e n e r a t i o no f a b sc o n t r o l l e r sh a r d w a r ea n d 白 r mi sa c v c l o p e x tt h i sl a yt h es o l i d 自哪i 出面0 啦f o rr c a l i z i n gt l a ep r o d u a u s j i l gh c s l 2 0 f s i n g h u a u n i v 哪i t , j a n d i a b o t a t o r y d e b i c es u c h a s s i g n a l a c e u r a n d o - - l l l o g r a p l a ,s o f t w a r ea n dh a r d w a r e , t e b , , g , g i n gi sd o l l c t h ed e l , u 篷i l l gr e s u l t sa n a l y s i sp i o ”t h a tt h ee c l jt h a th a v e b e e nd c s i l 萨e d 啪i m p l e m e n tt l a cc o n t r o lf u n c t i o nb 8 s i c l y i na l l , t h er c s e a r d ar e s u l t sh a v ep r o v l _ l lt l a cf e a s i b i l i t ya n dt l a ev a l i d i t yo f h z z yv a r i a b l es l m e t u r cc o n t r o lo fa b s w i t ht h eo p t i m a ls i l pr a t i or e a l - t i m eo l l l i l ”i d e n t i f i c a t i o nt e c l m o l o g y , i ti s8 1 1e f f e c l i v ce o l m lm e t h o d i t 锄a v o i dw h e e lt ol o c ks t e a d i l y , a n dc d h a n t h ea u t o m o b i l eh 蛐gc t r l e i e n e yo b v i o u s l y i tn o to n l yh a st h et h e o r ym e a u i n g , b u ta l s oi 啕st h ep l a c t j c a lv a l u e k e y w o r d s ：a n t i - l o c kh a 妯喀s y s t c l n , s l i d i n gm o d ey a h h i es t l - u e t u r ec o n t r o l , f u z z yc o n t r o l ，0 i ，血m ls l i pi a t i o i tr c c i i i s i v cl e a s ts q u a r e si v西华大学硕士学位论文申明本人申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。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含有其他人已经发表过或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学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盔论文中作了明确地说明并表示谢意。本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。作者签名：王嵌即7 年6 月j 日导师签乏乡i ：乞。7 年6 月日西华大学硕士学位论文第一章绪论1 1 课题的研究背景和意义从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现得越来越明显。尤其是制动过程中的方向稳定性和转向能力，已经成为人们关注的焦点。研究显示，在道路交通事故中，大约有1 0 的事故是由于车辆在制动瞬间偏离预定轨道或甩尾造成的，因此完善制动性能是减少交通事故和促进汽车工业发展的重要措施。目前在提高车辆制动性能的各种技术中，最有效的并且得到广泛应用的就是汽车a b s 技术因此，从减少交通事故的角度来说，对汽车a b s 的研究有着明显的社会效益。此外，由于我国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的差距，实际上还处于研制、试验阶段，远未能达到大- ：h t - ! 生产的阶段然而，目前为止，不少汽车使用的a b s 仍然采用进口产品，这一现状亟待改进，否则，必将大大阻碍我国汽车工业的发展。因此，从振兴我国汽车工业，真正实现自主生产的角度来说，对汽车a b s 的研究又有着明显的现实意义虽然，a b s 已发展成为成熟的产品，并在各种车辆上得到了广泛的应用，但目前广泛使用的控制算法仍然是逻辑门限值控制，逻辑门限控制有很多局限性。近年来发展的以滑移率为控制目标的a b s ，是以连续量控制形式，使制动过程中保持最佳的、稳定的滑移率，理论上是一种理想的a b s 控制系统滑移率控制的难点在于确定各种路况下的最佳滑移率，另个难点是车辆速度的测量问题，它应是低成本可靠的技术，并最终能发展成为实用的产品对以滑移率为控制目标的a b s而言，控制精度并不是十分突出的问题，并且达到高精度的控制也比较困难：因为路面及车辆运动状态的变化很大，多种干扰影响较大，所以重要的问题在于控制的稳定性，即系统鲁棒性，应保持在各种条件下不失控。防抱制动系统要求高可靠性，否则会导致人身伤亡及车辆损坏，因此，发展鲁棒性的a b s 控制系统成为关键基于以上，本文提出了采用强鲁棒性的滑模变结构控制与模糊控制相结合的一种新型混合控制策略基于模糊变结构控制的汽车a b s 控制方法该方法将两种控制方法有效结合起来，弥补了单一控制的不足，控制器设计简单，易于实现无论从设计最优的a b s 控制器来说，还是对于变结构控制在实际的应用来说，基西华大学硕士学位论文于模糊变结构控制的汽车a b s 控制器的研究都有着重要的意义。1 2 国内外a b s 应用与发展1 2 1 国外研究历史和现状a b s 的发展可追溯到加世纪初期，早在1 9 2 8 年防抱制动理论就被提出，在2 0 世纪3 0 年代，机械式a b s 就开始在火车和飞机上获得应用。1 9 3 6 年德国r o b e r tb o s c h 公司取得了a b s 的专利权。4 0 年代后期a b s 装置就被应用于飞机着陆制动5 0 年代末，美国f o r d 公司首次把a b s 装置应用于林肯轿车，揭开了汽车应用a b s的序幕。1 9 5 7 年，f o r d 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 年达到了预期的且标这时的a b s 主要是用电磁传感器探测车轮轮速，控制部分用机械机构实现。进入7 0 年代，随着电子技术的发展，数字电子技术、大规模集成电路和微机的应用，为防抱制动系统的实用化奠定了基础。使得电子控制式a b s 日趋成熟，成本不断下降，并具有体积小、质量轻、控制精度高、安全效能十分显著等特点，普遍受到人们的欢迎和认可1 9 7 1 年、1 9 7 2 年美国的q l r y s l c r 公司开发出了四轮控制的a b s 。德国博世公司在1 9 7 8 年率先推出了采用数字电路控制的电子控制装置的防抱制动系统，并将其装备于奔驰轿车上，从而揭开了现代防抱制动系统发展的序幕。踟年代初期，部分轿车开始装用a b s ，欧洲、美国、日本及韩国等国家a b s 装车率大幅度提高。截止到1 9 9 0 年，有2 5 的轿车和轻型载货汽车公司已在其生产的轿车上装备了a b s 截止到1 9 9 4 年，在世界范围内新生产的轿车和轻型载货汽车中已有5 0 以上的车将a b s 作为标准装备或选择装备，在1 9 9 5年新生产的轿车和轻型载货汽车中有9 0 9 扣- 9 5 的车型装备了a b s 此后，欧、美、日的许多制动器专业公司和汽车公司也相继研制出了形式多样的防抱死制动系统b 1 伽目前，国外a b s 技术已日趋完善，其制造成本不断降低，普及率不断提高。据统计1 9 9 5 年美国、德国、日本在轿车上装备a b s 的比率分别达到5 0 ，5 0 ，4 5 。目前，通用、奔驰、宝马和保时捷等公司生产的轿车上已1 0 0 装备了a b s 许多国家己经立法将a b s 装置作为某类型汽车的必须装备，如1 9 8 7 年欧共体颁布法规规定：成员国汽车厂凡申请新车型许可证时该车型必须装备a b s ，并自1 9 9 1年起重型车必须装备a b s ，禁止未装备a b s 的车辆进口目前估计全球己有9 0 以上的车辆装备了a b s 田。2西华大学硕士学位论文1 2 2 国内研究现状我国对a b s 的研究始于8 0 年代初，并逐步制定了一些刹车和安全性方面的法规。中国汽车工业“九五”科技发展规划要点指出，汽车电子控制技术是汽车工业“九五”计划中的重点攻关项目，电子控制防抱死制动系统即a b s 是主要内容之一目前，国家还将车辆装备a b s 系统作为强制性要求在“十五”期间推广圃。随着我国市场经济的不断发展及汽车保有量和车速的不断提高，行车安全问题变得越来越突出a b s 系统的研究在我国成为热门课题，许多高校、科研单位和生产厂家正在加快研究攻关和技术引进步伐国内研制a b s 的单位主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、重庆宏安a b s 有限公司、陕西兴平5 1 4 厂、西安交通大学、西安艾韦机电科技公司等东风汽车公司从上世纪8 0 年代初就开始研究a b s ，现在该公司正在对w a b c o 公司的a b s 产品进行剖析，并在各种路面匕进行试验。重庆公路研究所的第代a b s电子控制单元采用了z s 0 芯片，第二代a b s 产品采用了m c s - 9 6 系列8 0 9 8单片机，控制软件、传感器和执行器都是自行研制的1 9 8 4 年兴平5 1 4 厂研制了第代防拖死制动系统，其主要缺点是不能自动适应不同路况，以后该厂与西安公路交通大学合作研制了第二代防抱制动系统，增设了路面识别功能的电路，但对于长轴距的大客车则不很理想。宏安公司是我国第个批量生产a b s 的厂家。该公司于1 9 9 3 年投产，当年生产a b s5 0 0 0 套中国重型汽车研究中心1 9 9 5 年6 月对自制的a b s 系统进行了道路试验，其生产的a b s 基本上已达到国外同类产品的性能研究a b s 的代表院校和科研机构有：以郭孔辉院士为代表的吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室；以宋健为代表的清华大学汽车安全与节能国家重点实验室：以吴浩硅教授为代表的华南理工交通学院汽车系；以程军为代表的济南程军电子科技公司。清华大学已开发研制了两代a b s ，并在分析b o s c h a b s 和b e n d i x a b s的基础上开发研制了a b s 软件，还进行了b o s c h a b s 与南京i v e c 4 旅行车，以及b e n d i xa b s 与克莱斯勒吉普车的匹配工作此外，2 0 0 5 年由清华大学宋健教授所带领的清华大学汽车学院成功的完成了a b s 自主研发及其产业化，日前已在b j 2 5 0 0 车上装载了亚太a b s ，打破了我国汽车电子基本由外资或合资产品占据的状况此外，青岛、杭州等地在招商引资，但大多数公司是和国外著名a b s 公司合3西华大学硕士学位论文作生产，其产品并非自主研制开发出来的。目前为止，完全自主开发a b s 的国内公司比较有代表性的有：重庆聚能汽车技术有限责任公司；西安博华机电股份有限公司。德国w a b c o 公司于1 9 9 6 年在山东投资与中方合资组建了威明汽车产品有限公司，生产商用车的a b s 及其他产品。r r r 汽车工业公司于1 9 9 4 年和1 9 9 6 年在上海成立了两家合资企业，一家是上海汽车制动系统有限公司，1 9 9 7 年开始生产防抱死制动系统，1 9 9 8 年5 月1 5 日向上海大众和一汽大众提供a b s 产品；另一家是上海汽车电器系统有限公司，生产用于防抱死系统的汽车微电机1 9 9 8 年广州经济开发区成立了广州博世制动系统有限公司，生产b o s c h 公司的a b s 产品从1 9 9 8 年起，国产的奥迪、桑塔纳和富康等轿车，已普遍装t 了a b s 目前，国产别克、帕萨特、广州本田、汽奥迪、捷达、桑塔纳等轿车也已大部分装用了a b s 。预计不久的将来，我国自己生产的汽车上都会装用a b s 。但是，由于我国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很大差距，实际上还处于研究、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，这现状亟待改进。1 2 3a b s 技术发展趋势到目前为止，a b s 系统的总体结构方案已趋于成熟，要进步扩大a b s 在汽车上的应用范围，并把a b s 各方面性能指标提高到最佳状态，今后的研究工作将主要集中在以下几个方面埘：( 1 ) 跟踪路面特性的变化，使a b s 各项性能指标始终处在最佳状态的控制算法，以弥补现今汽车上广泛采用的逻辑控制的不足之处。( 2 ) 提高关键元件的可靠性和性能指标，如现今车上广泛使用的开关阀和调制脉冲宽度实现比例控制，制动过程中不平滑，噪声大，容易引起传动轴的共振。如采用低成本比例阀( v a r i a b l ef l o wv a l v e ) 实现连续控制，可弥补开关阀的缺陷。( 3 ) 减少体积和重量，提高集成度以降低成本和销售价格，并简化安装，扩大a b s 在汽车上的普及率。( 4 ) 实现a b s 系统与整车其它电控系统的综合控制。集防抱死制动系统a b s 、驱动防滑控制系统a s r 、车辆横摆运动控制及四轮驱动控制等功能为一体的车辆稳定性控制系统v s c ( v e h i c l e s t a r r y c o n 舡0 1 ) 将是在基于a b s 上的新的发展方向西华大学硕士学位论文1 3 论文研究的主要内容本论文属于阶段性工作，主要研究内容包括以下几方面：1 查阅大量国内外相关文献资料，了解汽车a b s 的国内外研究现状和发展趋势，学习电子技术、控制理论等相关知识，为后续课题的完成打下基础。2 将滑模变结构控制应用于汽车a b s 进行研究，以趋近率方式设计汽车a b s的滑模变结构控制器3 将模糊控制与变结构控制有效结合，降低变结构的固有缺陷抖振。4 在验证汽车a b s 的模糊变结构控制方法的有效性的基础上，为实现基于滑移率的控制，研究最佳滑移率的在线识别技术。5 在m 觚a 剧s i m u l i n k 6 5 环境下，建立车辆制动系统仿真模型，包括：单轮车辆模型、模拟路面模型、最佳滑移率识别模型、控制器模型，仿真验证控制算法的有效性。给出基于等速趋近率变结构控制、指数趋近率变结构控制、模糊控制器自适应调节趋近率参数的模糊交结构控制的仿真结果，。并进行仿真结果对比分析，为软件编程提供合理的控制逻辑和参数在单一路面和跃变路面条件下，仿真验证最佳滑移率识别算法的有效性6 基于f r e e s c a l e 公司的m c 9 s 1 2 d 单片机，设计汽车a b s 控制器软硬件，并进行相应的调试工作，为后续台架试验验证及产品化奠定坚实的基础硬件方面，基于清华h c s l 2 开发工具包中的最小系统开发板，设计相关功能电路，包括；电源转换电路，轮速、车速信号处理电路，轮缸压力、载荷采集电路，开关阀、比例阀驱动电路；软件方面，在c o d e w m i o r 集成开发环境中，用c 语言编程实现数据采集、数据处理、控制功能等模块程序关键技术模糊变结构控制技术最佳滑移率的实时在线识别技术5西华大学硕士学位论文第二章汽车防抱死制动系统基本理论及车辆动力学模型2 1a b s 的基本原理防抱死制动系统是在传统的制动系统的基础上，采用电子控制技术，在制动过程中，自动调节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最佳制动效能的一种机电一体化装置。一般情况下，司机在紧急制动时，往往会将制动踏板一踩到底，施加全制动但常规的制动系统在全制动状态下，车轮通常会处于抱死状态，即车轮不再滚动，而是在路面上拖滑，这样就会造成很多危险状况和交通事故的发生。从四轮车辆分析可知，如果前轮抱死，会使车辆失去转向控制能力：如果后轮抱死，会使车辆的制动稳定性变差，车辆会出现侧滑、跑偏、甩尾等危险情况。a b s 的引入，使制动过程中车轮处于非抱死状态，从而能充分利用轮胎和路面之间的最大附着力，这样不仅可以防止制动过程中后轮抱死而导致的车辆侧滑甩尾，大大提高制动过程的方向稳定性，同时可以防止前轮抱死而丧失转向控制能力，提高汽车躲避车辆前方障碍物的操纵性和弯道制动力时的轨迹保持能力，而且通常情况下能缩短制动距离，使制动系统的效能得到完全的发挥。2 1 i 滑移率概念汽车利用地面与轮胎之间的摩擦力来减速，制动过程中车轮速度减小，在车速与轮速之问产生个速度差，车速与轮速之间存在着速度差称为滑移现象滑移的程度用滑移率来表示，即s - 毕x 1 0 0 ( 2 - i )v式中；s - 车轮滑移率v 车速r 车轮半径酊车轮角速度当车速= 轮速时，滑移率s - 0 ，车轮自由滚动；当轮速= o 时，滑移率s - 1 0 0 ，车轮完全抱死滑移；当车速 轮速，滑移率0ts 1 0 0 ，车轮既滚动又滑动。6硅华大学硕士学位论文2 1 2 滑移率与附着系数关系纵向附着系数、侧向附着系数和滑移率之间存在着密切的关系，通常具有如图二1 所示的特性即：非制动状态( s - 0 ) 下，纵向附着系数p 。0 ；制动状态下。滑移率s 达到某个数值时如最大，之后随着滑移率的增大芦。反而减小p 。最大时的滑移率s 叫做最佳滑移率s 。当s - - - 0 时，侧向附着系数胁最大，之后随着s 的增大而减小当车轮完全抱死，s = 1 0 0 时，以- 0 ，此时汽车的方向稳定性和转向能力几乎完全丧失h 触1a 曲c s i 强c o e f b c ：i e ma n ds l i pr a t i o 嘲a 妇图2 - i 附着系数与滑移率关系；2 1 3 基于最佳滑移率的a b s 控制机理由图2 - 1 可见，防抱死制动系统的工作原理就是将车轮的滑移率控制在最佳滑移率& 附近，以获得较高的纵向和侧向附着系数( 图中的斜线区域为a b s 控制区) ，使制动过程中车轮处于非抱死状态，从而能充分利用轮胎和路面之间的最大附着力【嘲对于基于滑移率的汽车a b s 系统来说，其本质就是追踪目标滑移率，将车轮的滑移率始终控制在最佳滑移率处，这样不但可以防止车轮抱死，由于始终获得最大的附着力，还可以大大缩减制动距离然而，实际情况下，目标滑移率s k 不是定值，不同的路面条件下刹车时的最佳滑移率是不同的，变化范围在5 3 0 之问，如图2 - 2 所示为几种典型路面的j 岱曲线如何确定这个最佳滑移率是很重要的，如果仅凭经验将最佳滑移率& 设定为它们的平均值，即使将最佳滑移率理想西华大学硕士学位论文的控制在这点上，也无法保证a b s 工作在最佳状态。所以，基于滑移率的各种控制方法必须实时辨识路面特性，确定最佳滑移率否则并不能实现最优控制。sf i g u r e 2 - 2 a d h e s i o nc o e f f i c i e n ta n ds l i pr a t i or e l a t i o n s h i po f d i f f e r e n tr o a ds u r f a c e图2 - 2 不同路面附着系数与滑移率关系2 2a b s 的组成结构和工作过程2 2 1a b s 的基举纽成a b s 系统主要由传感器、电子控制单元和液压调节器( 电磁阀) 三部分组成“o ，其系统原理结构框图如图2 - 3所示。轮速传感器是汽车轮速的检测元件，它能产生频率与车轮速度成正比的脉冲信号，a b s 控制单元根据处理后的信号可计算车轮速度f i g u r e 2 - 3c o m t t i t u e n to f a b s电子控制单元( e c u ) 是图2 - 3 汽车防抱制动系统组成整个防抱死制动系统的核心控帝4 部件，它接收轮速传感器送来的频率信号，遥过计算与逻辑判断产生相应的控制电信号，操纵电磁阀去调节制动压力定性的来说，8西华大学硕士学位论文就是当车轮的滑移率不在控制范围之内时，e c u 就输出个控制信号，命令电磁阀打开或闭合，从而调节制动轮缸压力，使轮速匕升或下降，将汽辑轮滑移率控制在一定范围之内，实现汽车的安全、可靠制动电磁阀是防抱死制动系统的执行部件，在没有控制信号的情况下，该制动系统相当于常规制动系统，直接输出最大制动压力；当e ( 向电磁阀发出控制信号时，电磁阀动作，对轮缸压力进行调节，从而调节车轮的滑移率，使制动力在接近峰值区域内波动，但又不达到峰值制动力，实现最佳制动效率a b s 就是在汽车制动过程中不断检测车轮速度的变化，按一定的控制方法，通过电磁阀调节制动轮缸压力，以获得最高的纵向附着系数，使车轮始终处于较好的制动状态。2 2 2a b s 的工作过程、汽车制动过程中，a b s 通过传感器采集轮速信号来计算判断车轮的滑移状态，e ( 那通过相应的控制算法操纵电磁阀的通断来实现对轮缸的增压、保压、减压控制，使滑移率控制在理想范围内，最大限度的利用了路面附着系数，从而达到防止车轮抱死。当e ( ：u 检测到车轮有抱死的倾向，此时e ( 控制作动系统减小制动压力；当轮速恢复并且地面摩擦力有减小趋势时，e ( 那又控制作动系统增加制动压力。这样使车轮一直处于最佳的滑移率附近，最有效地利用地面附着力，得到最佳的制动距离和制动稳定性a b s 能实时控制作用于车轮上的制动力矩，令滑移率一直保持在理想值范围内，使车辆得到最大的制动力和较大的侧向力，从而保证稳定的制动2 3a b s 的控制方式a b s 为了使制动状态能较长时间停留在稳定区域内( 将滑移率控制在理想滑移率附近的狭小范围之内) ，就要对制动压力进行反复调节，其控制方式如何直接决定a b s 的控制效果，根据现代控制理论和汽车防抱制动车轮动力学的理论分析，可以提出不同的优化设计控制方案，建立各自的控制模型来实现防抱死制动当前出现的a b s 控制策略主要集中在以下几种控制方法上咖嘲咖：l ，逻辑门限值控制法逻辑门限值控制方法是传统的控制方式，采用车轮加、减速度和车轮滑移率门9西华大学硕士学位论文限值为控制目标。这种控制方式有成熟的产品，产品的可靠性也较好。但是逻辑门限值的控制方法比较依赖于门限值的确定，需要配合路面识别技术识别不同路面来确定附着系数和门限值，对不同车型需要匹配的最佳门限值也各不相同。2 、基于制动器耗散功率最大为目标的控制方法清华大学宋健等根据汽车制动过程的物理本质在国际上首次提出了种以制动器耗散功率最大为目标的控制方法。考虑到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。据此推理，如果取制动器的摩擦功率( 或称耗散功率) 最大为a b 5 的控制目标，则有可能兼顾制动稳定性和制动效能。该方法较之门限值方法具有制动稳定性好、效能高、对路面适应性强和控制特征明显等特点3 、基于路面附着系数的控制由轮胎特性曲线( g - s 曲线) 可以看出：各种路面( 除了松雪路面) 都可以通过模式识别将滑移率控制在最佳滑移率附近当等，o 时，需要增加s ，则加压；当a j坐。o 时，需减小5 ，则减压；当竺o 时，需保持s ，则保压( i sd , s4 基于最佳滑移率的控制近年来发展的以滑移率为控制目标的控制方法，是以连续量的控制形式，使制动过程中保持最佳和稳定的滑移率，理论上是一种理想的a b 5 控制方法基于滑移率的汽车a b s 控制方法的难点在于目标最佳滑移率和车速的确定。若将目标滑移率设为定值，即使把滑移率理想的控制在这点上，也无法保证a b 5 工作在最佳状态。可见基于滑移率控制的任何种控制算法，必须实时辨识路面特性，确定它的峰值点& ，并在线修正设定值，否则基于滑移率的控制系统并不能实现最优控制。2 4 车辆动力学模型2 4 1 单轮车辆模型本文重点研究滑模控制在a 粥上的应用效果，所以不计空气阻力、轮胎滚动阻力，忽略纵向惯性力对车轮附加垂向载荷以及路面不平顺对防抱制动系统的干扰和影响，采用简化的单轮车辆模型o ”。如图2 - 4 所示运动方程描述如下：1 0西华大学硕士学位论文车辆方程：m 审一一r ( 2 - 2 )车轮方程：j o b f b r 一瓦( 2 - 3 )车轮纵向摩擦力：r - z f s ( 2 - 4 )式中，m 车辆质量；v - 车速；r 车轮纵向摩擦力；卜- 车轮转动惯量；驴车轮角速l 蔓；一r 车轮有效半径；r 制动力矩；l r 附着系数：玳广车轮对地面法向反力f i g u r e 2 - 4s t u g l e w h e e l m o d e l图2 _ 4 单轮车辆模型2 4 2 z - s 模型滑移率与附着系数是非线性的函数关系，受很多因素的影响，如路面状况、车辆行驶速度及轮胎结构等。目前仿真中多采用简化的z - s 双线性模型、p a 喇k a s模型来表示轮胎模型然而，这些模型在汽车a b s 控制算法的研究过程中，虽然简单实用，但对于基于滑移率的各种控制方法来说，很难实现基于模型的最佳滑移率的实时在线识别为实现最佳滑移率的识别，本文对轮胎模型进行了深入的研究最终，采用基于k i e n c k e 胪s 模型的带遗忘因予的递推最小二乘法来实现最佳滑移率的识别，仿真中采用三参数b u r c k h a r d t * - s 模型模拟路面条件，配合模糊变结构控制方法进行基于滑移率的汽车a b s 控制方法研究1 双线性模型”滑移率与附着系数是非线性的函数关系，受很多因素的影响，如路面状况、车辆行驶速度及轮胎结构等仿真中采用简化的滑移率附着系数双线性模型来简化轮胎模型，如图2 - 5 所示，其关系表达式为：n西华大学硕士学位论文-冬sss 墨吒。硝，t5 5 、，n2 - p s s k 一竺! 二竺s8 8 kt101-s1 - s t 。式中，& 峰值附着系数对应滑移率；s _ 嘈；轮滑移率：# 旷峰值附着系数；纯抱死时的附着系数。2 魔术公式山脚咖纵向附着系数与滑移率s 之间常用一种函数表示为f i g m e 2 , - 5s 呻衄甜p sm o d d图2 - 5 简化p - s 双线性模型p ( s ) 一d s i n c a r c t a n b ( ( 1 - e ) s + 罟羽咖唧) ) 】 ( 2 - 6 )d上式是由p a c q k a 等人提出并发展起来的，它是用三角函数的组合公式拟合试验轮胎数据，用套形式相同的公式就可以完整的表达纵向力、横向力、回正力矩以及纵向力、横向力的联合作用等工况，因而又称之为“魔术公式”公式中d 、c 、b 和e 为待定参数，与路面状态等因素有关。通过改变这些参数，就可以模拟不同的路面附着系数。由式( 2 - 6 ) 可以看出，魔术公式是非线性的特殊函数，尽管拟合精度高，但要实时估计最佳滑移率& 需要先估计出公式中的各个参数，然后再对式( 2 - 6 ) 求极值，因计算量太大并不适用3 & 哦删t p s 模型坍嗍b u r c k h a r d t 等人提出了，岱曲线的另一种表达式，曲线描述如式( 2 - 7 ) 所示：r 它，- c i ( 1 - c 叫) 一c 3 s ( 2 - 7 )表2 - 1 几组典型路面参数值t a b l e 2 - 1p a r a m e t e r v a l u e s o f 噼l r o a ds u r f , e路面qqg干沥青1 2 12 3 9 90 5 2湿沥青0 8 5 73 3 g 硷q ：嫡干水泥1 1 9 7 32 5 1 醴o - 5 3 7 3雪o 1 9 4 69 4 1 2 9o 0 每4 6冰o 0 53 0 6 3 9o d 0 1西华大学硕士学位论文表2 - i 给出了几组典型路面下的三个参数c l ，q ，q 的取值。由式( 2 - 7 ) ，可以利用求极值的方法求得最佳滑移率& 和附着系数最大值雎，如下：厂s 百1 喵百c i c 2( 躺)卜q 一是”l g 争由于踟i d 出a i d t 函数参数是非线性的，求解c i ，g ，白需要用到非线性的参数估计方法，这也给实际应用中实现最佳滑移率的识别带来了困难。因此，仿真中并未使用b u w k h a t d t , # - - s 函数曲线来在线识别最佳滑移率，而是用它来通过改变三个参数的每组值来模拟不同的路面条件。利用公式( 2 - 8 ) 计算的最佳滑移率值作为最佳滑移率的实际值，用来与识别的滑移率进行对比毛k i e n e l m 茚模型嘲嗍。k i c n c i 【e 等人提出的一种实用的s 近似曲线，曲线方程描述如下：郧) 再霹l 霭s( 拍) ( 其中b 是邸曲线斜率，一般取3 0 左右)由式( 2 - 9 ) ，利用求极值的方法同样可以求得最佳滑移率& 和附着系数最大值他，如式( 2 - 1 0 ) 所示仁：墓( 2 - 1 0 )由( 2 - 1 0 ) 等效变换得：k o s 一芦。咕茚：扣。n 】r ( 2 - 1 1 )上式中，时变参数p l 和p 2 可由带遗忘因子的递推最小= 乘算法求解得到，由此根据公式( 2 - 1 1 ) 就可以得到随着路面磊件实时修正的最佳滑移率值& 2 5 本章小结本章简要介绍了防抱死制动系统的基本原理、组成结构、工作过程以及控制方式最后给出仿真相关的车辆动力学模型，其中包括单轮车辆模型及p 6 模型。西华大学硕士学位论文第三章汽车a b s 系统控制算法研究滑模变结构控制的最大优点是其滑动