（机械设计及理论专业论文）工程车辆防抱死制动系统的控制算法及仿真研究.pdf

摘要 工程车辆制动系统是保证车辆行驶安全性的重要组成部分，它直接影响车辆的行驶 安全性能。本文介绍了防抱死制动控制系统的发展历史、国内外研究及发展概况；分析 了防抱死制动控制系统的组成、工作原理。 系统的数学模型是进行控制研究的基础，在对车辆制动时动力学及运动学分析的基 础上，建立了制动工况车辆数学模型；对车辆弯道制动时车轮垂直载荷变化和车身侧倾 的影响进行了详细分析。针对电子机械式制动执行器的特点，建立了制动执行器的数学 模型。 防抱死制动控制要求在各种不同路面及不同气候条件下，均能在最少时间和最短距 离内使车辆制动停车。模糊控制则恰好适应t n 动过程中车辆工况的多变及轮胎的非线 性系统的控制，并具有鲁棒性强的优点。本文以车轮滑移率为控制对象，分析了模糊控 制的理论基础，设计了防抱死制动系统的模糊控制器，并在三种不同路面条件下进行了 车辆防抱死特性的仿真分析。本文将传统的模糊控制与经典的p i d 控制相结合，提出了 自适应模糊p i d 控制算法，并进行了仿真研究，提高了模糊控制方法和p i d 控制算法的 实用性。本文还采用了参考模型模糊自适应控制算法，建立了控制器并进行了仿真研究。 对上述三种控制算法与p i d 控制的仿真结果进行了比较，验证了控制算法的有效性。 关键词：工程车辆，防抱死制动，控制系统，数学模型，控制算法，仿真 a b s t r a c t t h ee n g i n e e r i n ga u t o m o t i v eb r a k i n gs y s t e mi sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n tt og u a r a n t e et h e r u n n i n gs a f e t y , a n di ta f f e c t st h es a f e t yp e r f o r m a n c eo fa l lv e h i c l ed i r e c t l y i nt h i st h e s i s ，t h e d e v e l o p m e n th i s t o r y , r e s e a r c ha n dp r e s e n td e v e l o p m e n ts t a t u so ft h ea n t i - l o c kb r a k i n g s y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ec o m p a r i s o no ft h ec o n f i g u r a t i o n ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，p e r f o r m c h a r a c t e r sa n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ea n t i l o c kb r a k i n gs y s t e ma r ea n a l y z e d m a t h e m a t i c sm o d e lo ft h es y s t e mi st h ef o u n d a t i o no ft h er e s e a r c h b a s e do nt h ea n a l y s i s o fd y n a m i c sa n dk i n e m a t i c sw h e nv e h i c l ec o m e rb r a k i n g ，t h em a t h e m a t i c sm o d e l so fv e h i c l e b r a k i n gb e h a v i o ra r ec o n s t i t u t e d ，t h ev a r i a t i o no fv e r t i c a ll o a do nt h ew h e e la n dt h ee f f e c to f b o d yr o l lw h i l ec o m e rb r a k i n gi sa n a l y z e di nd e t a i l t h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h eb r a k e a c t u a t o r w h e nr o t a t i o n c l o g g i n gi ss e tu p t h ea n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) i sr e q u i r e dt os t o pt h ev e h i c l eb yu s i n gt h el e a s t b r a k et i m ea n dt h es h o r t e s td i s t a n c eu n d e rd i f f e r e n tr o a ds u r f a c ea n dc l i m a t ec o n d i t i o n s t h e f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mf i t st h ec o n t r o lo fb r a k i n gp r o c e s s ，w h i c hc o n t a i n sv a r y i n gv e h i c l e b e h a v i o ra n dn o n l i n e a rs y s t e mo ft h et i r e a n dt h ef u z z yc o n t r o la l s oh a sa na d v a n t a g eo fa h i g h e rr o b u s t n e s s t a k i n gt h ew h e e ls l i p - r a t i oa sac o n t r o lo b j e c t ，t h eb a s i ct h e o r yo ff u z z y c o n t r o li sa n a l y z e d ，t h ef u z z yc o n t r o l l e ro f a b si sd e v i s e d ，a n dt h es i m u l a t i o no f a b s c h a r a c t e r i s t i ci sp e r f o r m e du n d e rt h r e ed i f f e r e n tr o a ds u r f a c ec o n d i t i o n s c o m b i n i n gt h e t r a d i t i o n a lf u z z yc o n t r o la n dt h ec l a s s i c a lp i dc o n t r o l ，t h ea d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o lm e t h o d i sp u tf o r w a r d ，t h es i m u l a t i o ns t u d yi sp e r f o r m e d ，a n di te n h a n c e st h ea p p l i c a t i o np e r f o r m a n c e o ff u z z yc o n t r o lm e t h o da n dp i dc o n t r o lm e t h o d t h em o d e lr e f e r e n c ef u z z ya d a p t i v ec o n t r o l a l g o r i t h mi sa l s oa d o p t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a n dt h ec o n t r o l l e ri sb u i l da n dt h es i m u l a t i o ni s p e r f o r m e d 。c o m p a r e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h et h r e e c o n t r o la l g o r i t h mt ot h ep i dc o n t r o l ， t h ev a l i d i t yo ft h ec o n t r o la l g o r i t h mi sv e r i f i e d k e y w o r d s ：e n g i n e e r i n g v e h i c l e ，t h ea n t i l o c kb r a k i n g ，c o n t r o ls y s t e m ，m a t h e m a t i c sm o d e l s ，c o n t r o l a l g o r i t h m ，s i m u l a t i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：0 磊才压竺力哆年二月夕日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：眼掘笙 别雅轹缈飞 。 乙功7 年月多矽日 年月 日 长安大学硕上学位论文 第一章概论 在车辆普遍成为人们代步工具的今天，车辆的安全性不仅与车辆乘用者的安全联系 紧密，也直接影响到其他工具，如自行车、摩托车使用者乃至行人安全。然而，自车辆 工业诞生直至科学技术高度发达的今天，每年因道路交通事故而死伤的人数仍然惊人。 从全世界的统计数字来看，每年因道路交通事故死亡的人数两达5 0 万人，受伤人数达 1 0 0 0 万以上。表1 1 列出了一些国家1 9 9 8 年交通事故的有关数据。表1 2 列出了 1 9 9 0 1 9 9 8 年我国交通事故状况统计。表1 3 列出了我国交通事故主要原因在事故总量 中所占的比例。从表1 1 和表1 2 可以看出，西方发达国家在交通事故总量、死亡人数 和晚车死亡率等指标上大大低于我国。众所周知，这些强烈对比的出现，除了这些国家 道路状况、交通安全设施和大众交通安全意识等方面优于我国，还有一个重要因素，就 是它们的车辆安全技术领先于我国。近1 0 年来，我国机动车保有量、道路里程迅速增 加，道路交通流量不断加大，大大促进了经济发展，但其带来的负面影响也不容忽视， 从表1 2 可知，我国交通事故数量、事故造成的死伤人数、经济损失也在不断增加，成 为制约我国经济持续、快速、健康发展的重要因素之一。从表1 3 种可以看出，起因于 机动车驾驶员的交通事故占到事故总数的8 4 3 ，而如果广泛采用先进的车辆安全技术， 尤其是先进的主动安全技术，可以有效帮助驾驶员纠正、避免一些不恰当的、甚至危险 的操作，或者克复原车辆系统物理特性决定的某些性能上的缺陷和不足，减少事故数量 和事故造成的损失。在发达国家，车辆安全技术经过几十年的发展，已经相当成熟。而 在我国，随着大众交通安全意识的增强，越来越多的专家学者和研究人员投身到研究开 发适合我国国情的先进车辆主动安全技术中来。其中，改善、提高车辆的制动性能是提 高车辆主动安全性能的最直接途径之一，车辆防抱制动系统( a b s ) 就是其中的热点之 一6 表1 11 9 9 8 年一些国家道路交通事故状况 两班牙瑞十法国 意人利 日本 韩国 交通事故次数 9 7 5 7 07 7 9 4 51 2 4 3 8 71 9 0 0 0 08 0 3 1 8 4 夕e 亡人数5 9 5 75 9 78 4 3 7 6 2 0 0 9 2 1 19 0 5 7 受伤人数 1 4 1 3 7 72 7 7 9 01 6 8 5 3 5 2 7 0 0 0 0 9 8 9 2 9 73 4 0 5 6 4 年万下夕e 亡率 2 9 71 3 73 5 1 4 3 1 0 5 6 9 2 第一章概论 表1 21 9 9 0 - - - - 1 9 9 8 年我国道路交通事故状况 年份 事故 死亡受伤年万车1 0 万人 直接经济损 次数人数 人数 死亡率死亡率 失( 万元) 1 9 9 0 2 5 0 2 9 7 4 9 2 7 11 5 5 0 7 23 3 3 84 3 l3 6 3 5 5 1 9 9 12 6 4 8 1 75 3 2 9 2 1 6 2 0 1 93 2 1 5 4 6 0 4 2 8 3 6 1 9 9 22 2 8 2 7 85 8 7 2 91 4 4 2 6 43 0 1 95 o o6 4 4 8 2 1 9 9 3 2 4 2 3 4 36 3 5 0 8 1 4 2 2 5 l 2 7 2 4 5 3 6 9 9 9 0 7 1 9 9 42 5 3 5 3 76 6 3 6 21 4 8 8 1 72 4 2 65 5 41 3 3 3 8 3 1 9 9 52 7 1 8 4 37 1 4 9 41 5 9 3 0 82 2 4 85 9 01 5 2 2 6 7 1 9 9 62 8 7 6 8 57 3 6 5 51 7 4 4 4 72 0 4 16 0 21 7 1 7 6 9 1 9 9 73 0 4 2 1 77 3 8 6 11 9 0 1 2 81 7 5 05 9 71 8 4 6 1 6 1 9 9 83 4 6 1 2 97 8 0 6 72 2 2 7 2 11 7 3 06 2 51 9 2 9 5 1 表1 3 事故主要原因在事故总量中所占比例 事故原冈次数夕匕亡人数受伤人数直接经济损火 机械故障 4 1 5 9 5 2 5 0 机动下驾驶员 8 4 3 7 3 0 8 1 6 9 1 3 非机动车驾驶员 4 o 5 9 4 8 1 2 行人乘车人 4 5 9 3 4 2 1 o 道路o 1 0 2 o 2 o 1 其它 3 0 5 6 3 9 1 5 1 1a b s 防抱死制动系统的历史和发展概况 a b s 制动防抱死的理论最早是1 9 2 8 年由英国人提出来的，3 0 年代最早系统问世， 并安装在飞机上。上世纪5 0 年代，美国的福特公司和克莱斯公司把机械式制动防抱死 系统移植到车辆上，但由于机械式系统获取的轮速信号不精确，压力调节的适时性和精 确性也不高，因此，不能有效缩短制动距离、维持制动的稳定性，到7 0 年代基本停止 了使用。 英、德两囤的车辆工程师是电子制动防抱死系统的先驱。1 9 6 5 年前后，制动防抱死 系统开始路试。1 9 6 8 年，它首先安装在英国一辆半挂拖车机组的牵引车的后轮上，并获 得成功。其后十年问，制动防抱死系统主要安装在铰接车辆上，有效的解决了它们制动 时发生的折转问题。其时，欧洲各国的交通管理部门关注到了制动防抱死系统的优点， 并进行了研究和实验。1 9 7 2 年，欧洲各国开展了关于制动防抱死系统的性能标准的讨论， 形成了关于制动防抱死系统性能的若干规定，并于1 9 7 9 年作为联合国欧洲经济委员会 关于车辆制动性能的第1 3 号法规的1 3 号补充法规颁布实施。1 9 9 2 年的a g b 会议上， 2 长安人学硕上学位论文 德国政府提出的分析报告和建议被采纳，并制定了装用a b s 的时间表。瑞士1 9 6 8 年发 布的f 1 8 安全标准中规定，1 9 7 5 年实施车辆在制动时不得抱死的要求。美国1 9 9 4 年8 月公布了修订的商用车辆a b s 法规。澳大利亚对载货车和牵引车强制性安装a b s 的规 定从1 9 8 9 年1 月1 日开始实行。日本运输部决定实施a b s 法规的时间为1 9 9 1 年1 0 月 1r 起。 制动防抱死技术的发展并非一帆风顺，在早期，它存在着许多性能和可能性方面的 问题，导致人们把制动发面的问题都归咎到制动防抱死系统。结果，制动防抱死系统的 应用迅速减少，其市场也迅速消失。 进入上世纪8 0 年代，制动防抱死系统迎来了它的第二次大发展。制动防抱死系统在家 用轿车和商用货车上的应用使其市场迅速膨胀。这大大刺激了厂家投入更多的力量研制 性能更好、结构更简单、使用更可靠、性能价格比更高的制动防抱死系统。到上世纪9 0 年代，德囡生产的轿车已有2 1 装备了制动防抱死系统；福特公司生产的货车，制动防 抱死系统的配备率达到了9 4 ；通用公司的货车和客车则全部装备了制动防抱死系统。 上世纪9 0 年代初，韩国和巴西a b s 普及率尚不足1 ，到了1 9 9 3 年已上升到1 0 2 0 。 a b s 拓展摸块，如a s r 、v d c 、e b s 和e s p ，以及与悬架和转向系统的联合控制，也 逐步发展起来。世界上现在使用较多的a b s 产品来自b o s c h ，b e n d i x ，d e l c o ，i t t ， t e v e s 和t o y o t a 等公司。 中国车辆工业“九五 科技发展规划要点指出，车辆电子控制技术是车辆工业 “九五 计划中的重点攻关项目，电子控制制动防抱系统即a b s 是主要内容之一。 东风车辆公司从上世纪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，并在各种路面上进行试验。重庆公路研究所的第一代a b s 电子控 制单元( e c u ) 采用了z 8 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。1 9 8 4 年兴平5 1 4 厂研制了第一代防抱制动系统， 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 公司是我国第一个批量生产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。中国重型车辆研究中心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。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 的基础上丌发研制了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。德国w a b c o 。公司于 第一章概论 1 9 9 6 年在山东投资与中方合资组建了威明车辆产品有限公司，生产商用车的a b s 及其 他产品。n t 车辆工业公司于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 海车辆制动系统有限公司，1 9 9 7 年开始生产防抱制动系统，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：另一家是上海车辆电器系统有限公司，生产用于防抱系统 的车辆微电机。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。 、 1 2 工程车辆a b s 制动系统 工程车辆a b s 制动系统主要有以下几种。 1 ) 控制动力缸输入空气压力的a b s 制动系统 此系统采用四个轮速传感器、三个制动压力调节器( 4 s 3 m ) ，前轮低选择，后轮独 立控制方式。制动压力调节器串联在制动总阀与动力缸之问的气路中，根据a b s 电脑 的指令，通过压力调节器输入的动力缸的空气压力，以实现动力动力缸输送到制动轮的 制动液压力的控制。此种系统主要用于2 轴的中型工程车辆上。 2 ) 控制动力缸输出制动液压力的a b s 系统 此系统采用四个轮速传感、四个制动压力调节器( 4 s 4 m ) 四轮独立控制方式。四 个压力传感器分别串联在动力缸与各制动轮缸之间的液压管路中，并分别对各轮进行独 立控制，a b s 电子控制单元( e c u ) 通过电磁阀控制制动压力调节器中的控制气压，进 而控制各制动轮缸的制动压力。与控制动力缸输入空气压力的a b s 系统相比，此种a b s 的制动压力调节器可直接控制各制动轮缸的制动压力，a b s 的控制准确。 3 ) 多轴车气顶液a b s 系统 对于多轴工程车辆，一般采用控制动力缸输入空气压力的a b s 系统。在三轴车中， 有前一轴和前二轴后一轴两种车轮布置形式。这两种布置形式都装有两个气顶液制动 缸。 1 3 工程车辆a b s 防抱死制动的控制算法研究现状 车辆的行驶环境复杂多变，本身又是一个复杂的非线性系统( 比如轮胎特性的非线 性、制动器的非线性和悬架的非线性等) ，又由于轮胎磨损、制动器摩擦片的磨损、车 速变化和载荷变化等因素，使系统呈现很强的时变性。这些都给防抱逻辑的设计带来困 难。 4 长安大学硕： ：学位论文 目前，较实用的a b s 大多采用逻辑门限控制方法。随着车辆的动力学、计算机技 术、电子技术和自动控制理论的发展，国内外很多学者对防抱制动控制中的控制方法的 研究，探索出更为有效可行的控制策略。防抱控制逻辑正向着多元化的方向发展，如 p i d 控制、最优控制、滑模变结构控制、模糊控制和神经网络控制等。但大都处于研究 阶段。下面对各种控制方法做简单的介绍。 1 ) 逻辑门限控制方法 目前的防抱死制动系统基本都是采用这种控制方法，以车轮角加速度为控制对象， 并附加一些辅助门限。 y e he d g ec 等人在非线性系统的相平面分析法研究的基础上，发展了一种分析防 抱制动特性的共轭边界分析法，并对g u n t u r 等人提出的几种a b s 准则产生极限坏的存 在性和稳定性进行了分析。根据简化的单轮模型，确定一些门限值的计算公式，他认为 p 2 r 4 ( p 2 ：一c b c o ) r z ，r 4 ：西( k t ) 边界条件的组合是最佳的防抱逻辑 1 。程军采用 数值计算方法研究表明，p 2 r 4 产生的极限环是十分稳定的，但是边界值和车辆的参数 密切相关，而边界值的选取对极限环的大小和位置有很大的影响，选择不当时，极限环 就会稳定在很小或较大的滑移率处，使得防抱制动效果不理想，由于车辆的时变特性， 边界值的选取很困难，文献 2 】以相平面理论和自行研制的实时硬件闭环模拟系统为工 具，对实际防抱控制算法进行了相平面分析和实验验证。提出了以防抱两循环之间车轮 速度恢复的最高点，作为车体减速度计算点的参考滑移率计算方法；对于防抱第一循环 设计了压力阶梯上升策略，在车轮达到较小减速度门限时进行保压，进入第二减速度门 限，然后继续升压直至达到规定的减速度门限，这样保证第一循环的轮速波动不至于过 大。另外国内外很多学者还提出了一些新的门限控制逻辑算法，适应不同车辆和条件的 需要。 逻辑门限控制方法不涉及系统的具体数学模型，对于非线性系统是一种有效的控制 方法。采用这种控制方法的防抱死制动系统已发展成为成熟的产品，并在各种车辆上得 到广泛应用【3 5 】。但是，逻辑门限控制法虽简单实用，调试却比较困难，采用经验的方 法，不同的车辆门限值亦不同，需要大量的道路试验加以验证；而且从理论上讲，在整 个控制过程中滑移率不是保持在最佳滑移率上，而是在它的附近波动，并未达到最佳的 制动效果，并非最佳的控制方法。另外，车速的波动以及控制压力的波动给驾驶员带来 了不好的感觉。 为了进一步提高防抱死制动的性能，国内外学者们一直在寻找更为合理有效的控制 第一章概论 方法。许多文献都在研究基于滑移率的控制系统，用滑移率作为控制目标容易实现连续 控制，从而提高防抱死制动系统在制动过程中的平顺性，并最大限度地发挥它的制动性 能。 2 ) p i d 控制法 p i d 控制是实现连续控制的最简单的算法，是最早发展起来的控制策略之一，因为 它所涉及的控制算法和控制结构都很简单，便于工程应用。此外，p i d 控制方案并不要 求精确的受控对象数学模型，也不要求系统线性，只要现场整定p i d 参数合适，就会得 到很好的控制效果，因此在工业界得到广泛的应用【6 一】。 图3 1 为采用两个p i 控制构成串级控制系统，内环为压力控制，外环为滑移率控制。 在不同的条件下，采用不同的p i 参数，即增益调试，在压力控制中，低压时采用大增 量，高压时采用小增量。 图1 - 1p i d 串级控制系统 从p i d 的动态调节过程可以看出，用滑移率作为控制目标必须解决这样一个问题， 实时系统辨识路面的附着系数变化情况，自动地改变控制目标以跟踪路面附着系数的变 ， 化，使制动效能始终在最佳状态。由此可见，简单的p i d 控制器不能满足a b s 全工况 的使用要求，它必须具备识别路面特征的辨识功能，并有在线整定控制器参数的功能【8 】。 3 ) 最优控制法 最优控制是一种基于状态空间法的现代控制理论方法。它首选确定控制系统明确的 目标函数，通过_ 定的数学方法计算，寻求满足约束条件的控制矢量，使控制系统从一 个状念转移到另一种状态，且使性能指数为极小。它可以根据车辆地面系统的数学模 型，用状态空间的概念，在时域研究防抱死系统。这是一种基于模型的控制，因而是一 种分析型的系统。该方法根据防抱死系统的各项控制要求，按最优化原理，可得到使计 算出的控制系统控制最优指标。 最优控制在理论上很成熟，有很好的静态精度；能达到很好的防抱死制动控制效果 6 长安大学硕士学位论文 9 - 1 0 】。但这种控制系统要求建立高精度的车辆地面系统数学模型，且要求期望值的设定 值在稳态区域内，因数学模型与实际工况有一定的差距，考虑到风阻、滚动阻力、转动 惯量等参数精度方面的影响，其可操纵性较型1 1 】。 4 ) 模糊控制法 模糊控制是基于经验知识又可以结合数学过程的新型控制方法，它不需要建立控制 过程精确的数学模型，而是完全凭人的经验，用语言变量代替数字变量，利用微机取代 人对被控制对象进行自动控制。 采用模糊控制的防抱死制动控制系统被认为是取代现今采用逻辑门限控制的防抱 死制动系统的下一代控制系统。防抱死制动系统利用模糊逻辑，可通过制动时车辆运动 特征与路面特性问的关系估计路面特征，以确定不同路面的最佳滑移率；根据滑移率和 滑移率误差的变化，确定防抱死制动系统制动执行机构的制动器制动力调节值。由于模 糊控制避免了复杂车辆一路面的数学模型对于控制的实时性不利因素，所以基于这种思 路的防抱死制动控制系统能进一步减小制动距离，鲁棒性好。但它缺少理论基础，没有 h ： 有效通用的计算方法，只能依专家知识构成的控制规则，反复测试，且没有自学习能力。 模糊控制正在被应用于车辆防抱死制动控制系统的设计中【1 2 1 4 】。 5 ) 滑动模态变结构控制法 囡外有的学者提出了防抱死制动的滑动模态变结构控制法【1 5 - 17 1 。它以经典的数控理 论为基础，增强了系统的不确定性及控制器对外部扰动的抗干扰能力，具有很强的内在 自适应性。滑模变结构控制属于一类特殊的非线性控制系统，其结构根据系统当时的状 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， 使系统在滑移曲线很小的邻域内沿滑移换节曲线滑动的控制方式。系统由受控对象和一 个变结构控制器组成。控制器中含有一个逻辑环节，它操纵控制器结构的变更，进入滑 移换节曲线后，就与系统的结构及扰动无关。滑动模态变结构控制的主要缺点是，在换 节线附近切换时，由于系统的惯性，在滑动运动中叠加有一个抖动，但这比逻辑门限控 制中车辆角速度变化幅度要小的多。而引入滑移线邻域边界层的概念，可削弱或消除抖 动现象，这样车辆系统就可以得到比较平衡的制动效果。 6 ) 耗散功率控制方法 1 8 q 9 】 这种控制方法的提出是基于车辆在减速制动的过程中，实质上是将车辆的平动动能 转化为其它形式能量的耗散过程，在强烈制动时一般安装摩擦式制动器的车辆的平动动 能将主要通过两处摩擦力做功的方式转化为热能耗散掉，其是通过路面与轮胎之间做 7 第一章概论 功的方式：其二是通过制动器摩擦力做功的方式。为了提高车辆的制动性能，则应设法 使上述二者的摩擦力功率( 或称耗散功率) 之和为最大。据此推理，如果取制动器的摩 擦力功率最大为防抱死制动的控制目标，则有可能兼顾制动安全性的制动效能。取目标 函数( 泛函) 为制动器平均制动耗散功率 业产= 打r p o x t t ( 1 - ， 由于r 固定，将，( f 。，t 。+ r ) 视为目标函数，预确定“( f 。，t 。+ 丁) 陋c ，i n c ，使日 标函数，( f 。，t 。+ 丁) 取极大值，采用g a 算法直接求解这个最优化问题。式中，p 为制动 力矩；d e c ，i n c 分别为制动力矩下降与上升速度的极限值；缈为车轮转速。 此方法的优点：与门限值方法相比较具有制动稳定性好、效能高、对路面适应性强 和控制特征明显。缺点：与常规的防抱死制动控制方法相比，采用以制动耗散功率最大 为目标的控制方法需要使用压力传感器测量制动压力，导致硬件成本高于常规的防抱死 制动控制系统。 上述各种控制算法各有特点，它们之间的相互组合也不失为一种有效的方法，如模 糊+ p d 、滑模+ p i d 、模糊+ 滑模等，只要选择好它们之间的切换条件就可以使它们之 间相互补充，充分发挥它们之间的优势。另外，随着智能控制理论的发展，神经网络控 制算法、遗传算法、以及它们与模糊控制的相互组合等也在车辆防抱死制动控制理论中 得到了应用【2 0 - 2 3 1 。 1 4 课题的研究内容 研究车辆制动防抱死特性的控制方法，建立基于m a t l a b s i m u l i n k 的四分之一车轮及 车辆仿真模型；以制动时车轮最佳滑移率为控制目标，提出车辆防抱死制动的模糊控制 方法、模糊自适应p i d 控制方法及参考模型模糊自适应控制方法；设计车辆防抱死制动 控制器，进行仿真研究，并对仿真结果进行比较分析。 1 5 本章小结 本章概述了a b s 制动系统的发展历史及国外、国内研究及发展概况。介绍了工程 车辆防抱死制动系统和常用的控制算法发展现状。 长安大学硕匕学位论文 第二章a b s 防抱死制动系统的工作原理和数学模型 2 1a b s 防抱死制动系统的工作原理 2 1 1 车辆制动过程描述 车辆制动过程是车轮制动力矩和地面制动力相互作用的过程，在此过程中，车轮不 仅受到制动器施加的制动力矩的作用，还受到地面纵向制动力和横向摩擦力的影响。制 动过程中车轮所受与地面垂直的平面内的力如图2 1 所示。忽略车轮滚阻力和风阻。 图2 1 车轮受力分析 m 一车身质量；1 ，一车身速度；c 一地面制动力；国一车身角速度：m 。- - n 动捆 矩；一地面垂直反力；r 一车轮滚动半径。 制动时，车轮受车身载荷1 4 r a g 、制动力矩m 矿地面纵向制动力只和地面制动时， 车轮受车身载荷1 4 m g 、制动力矩m 6 、地面纵向制动力c 和地面垂直反力n 作用。与 此同时，车辆上还产生与四轮制动力合力相等、方向相反的惯性力。在均匀路面上直线 制动时，制动力左右对称，车辆沿前进方向制动；制动时转向，路面与车轮之间会产生横 向摩擦力。可以把后轮上的横向摩擦力叫做侧向力，前轮上的横向力叫做侧抗力。侧向 力与轮胎方向成直角，保证行驶方向，侧向力大，车辆方向稳定性就高；侧抗力与轮胎 前进方向成直角，保证转向能力，侧抗力大，车辆操舵性就好。侧向力和侧抗力实际上 都是横向摩擦力e 。制动过程中，左右车轮地面纵向制动力只对称时，车轮受力如图 2 2 所示： 9 第二章a b s 防抱死制动系统的1 二作原理和数学模型 图2 2 左右车轮c 对称时受力分析 图中，一左前轮所受地面纵向径向力；一右前轮所受地面纵向径向力；如 一左后轮所受地面纵向径向力；厶右后轮所受地面纵向径向力。以一惯性力。 制动过程中转向，车轮受力情况如图2 3 所示： 。际一 l 显里 图2 3 制动时车轮所受地面横向摩擦力 图中，一离心力；一左前轮侧抗力；一右前轮侧抗力；一左后轮侧抗 力；一右后轮侧抗力。 c 和e 是车轮载荷和路面附着系数的函数关系。表述如下： c = s n ( 2 1 ) c = 以 ( 2 2 ) 式中，一路面纵向附着系数；以一路面横向附着系数；e 一横向摩擦力；然而 路面附着系数并不是一成不变。它随着滑移率的改变而变化，两者关系见图2 4 。 1 0 长安大学硕? _ = 学位论文 曩 磷 辩 置 图2 4 滑移率一附着系数曲线 图中曲为蜂值地面纵向附着系数对应的滑移率。滑移率定义为2 4 1 ： s ：l 一c o r 1 ， ( 2 3 ) 式中只为车轮滚动半径。 制动初始阶段，制动踏板力较小，车轮滚动，地面制动力c 等于制动器制动力艺， 且与踏板力c 的增长成正比，而横向摩擦力随踏板力的增加往往有所降低；当踏板力赵 到某一值，e 达到地面最大附着力，滑移率j 达到曲，路面纵向附着系数达到，车轮 开始出现抱死拖滑现象；若踏板力再增加，s 越过曲，c 不再增加，反而有所减小，只 则迅速减小。s 越大，则车轮抱死程度越大，c 就越小，车辆操纵稳定性和方向稳定性 越差。f 与制动踏板力的关系田图2 5 。 喜t 薹 曩 崩动蘑扳力 图2 5 地面制动力与制动踏板力的关系1 2 i 又因为均匀路面上对全部车轮均施加制动时，车辆减速度为： 第二章a b s 防抱死制动系统的工作原理和数学模型 , u y9 = g ( 2 4 ) 由上式及图2 4 、图2 5 可知，如果地面制动力c 等于地面最大附着力，此时轮胎 与地面之间的附着系数达到从眦，车辆的制动减速度也就达到最大，制动距离自然最短； 同时，车轮不会抱死，地面可以提供充分的横向摩擦力，保证了车辆的操纵稳定性和方 向稳定性。 。j 2 1 2a b s 防抱死制动系统的工作原理 a b s 工作的目的是把车轮与地面之间的附着系数保持在附近，并使其变化尽可 能的小。这样，理想的制动过程可以表述为，在开始制动时，制动压力剧增，滑移率s 达 n s r ，此时，若s 越过昂，应该立即减小车轮制动力矩m 6 ，让s 减小并接近墨；若s 小 于5 r ，则应增加眠，使s 增加并接近唧。这样，使j 保持在曲附近。值得注意的是， 路面不同，其纵向附着系数和横向附着系数是不一样的。表2 ，l 给出几种典型路面的最 大纵向附着系数。 表2 1几种典型路面的最大纵向附着系数 干沥青路面湿沥青路面冰路面 最人纵向附着系数 o 80 70 2 2 2a b s 防抱死制动系统的组成结构及工作过程 a b s 防抱死制动系统一般由三部分组成：车轮速度传感器、电子控制装置和压力调 节装置。 车轮速度传感器在车轮旋转时，通过齿圈测出与车轮转速成比例的交流频率信号。 传感器由传感头和齿圈组成。齿圈由磁阻较小的铁磁性材料制成，安装在随车轮一起转 动的部件上，如半轴或轮毅，齿数介于4 0 - - 1 0 0 之间；传感头由永磁性磁芯和感应线圈组 成，安装在车轮附近不随车轮转动的部件上，如半轴套管或制动底板上。两者之间间隙 很小，一般为o 5 1 0 m m 。齿圈旋转时，磁通量发生变化，并切割感应线圈的磁场，使 线圈产生周期性交变电压。 有的a b s 上，为了获得车辆的纵向或横向加速度，还装有车身加速度传感器，利 1 2 长安大学硕l 学位论文 用藕合变压原理获得加速度信号，其中的加速度感受元件产生的惯性力与车身加速度成 正比，加速度不同，惯性力就不同，其在线圈中的位置也就不同，输出的电压信号就不 同，车身加速度传感器还可以用来进行路面识别。 电子控制装置( e c u ) 接收车轮速度传感器传来的信号，进行分析放大、计算比较和 判别处理，并通过计算得到滑移率、车轮加减速度，然后按程序产生控制命令并送至压 一力调节器。电子控制装置( e c u ) 还对系统进行检测。 e c u 的基本电路有：输入信号放大电路( 低通滤波器十输入放大器) 、运算电路、电 磁阀控制电路、稳压电源电路、电源监视电路、油系电路和继电器及灯系电路。压力调 节装置的主要元件有电磁阀、电动泵、蓄能器等。它接收e c u 送来的指令，驱动电磁 阀和油泵马达，调节制动压力。 压力调节装置的调压方式有两种：循环式和可变容积式。两者的相同之处在于：a b s 不起作用时，制动主缸和分缸直接相通，由主缸自由增减制动压力。两者的不同之处在 于：a b s 减压时，循环式的制动分缸油液回流油箱，可变容积式油液回流助力活塞室； a b s 增压时，上述油液流向相反。 a b s 制动系统三个组成部分之间的关系如图2 6 所示： 图2 6a b s 各组成部分的关系 a b s 制动时，压力调节装置在三种状态下工作： 1 ) 增压制动过程 此时电磁阀断电，制动主缸和轮缸直接相通，高压制动液直接进入轮缸，增 加制动压力。 2 ) 保压制动过程 此时电磁阀通电，制动主缸和轮缸之间的所有通路都被截断，制动液无法流 动，压力保持不变。 第二章a b s 防抱死制动系统的_ t 作原理和数学模型 3 ) 减压制动过程 此时电磁阀通电，制动轮缸的制动液回流油箱或储液器，压力降低。 a b s 数学模型由轮胎模型、车辆动力学模型、制动器模型和控制系统模型四部分组 成。 2 - 3 轮胎模型 车辆的运动依赖于轮胎所受的力，例如，纵向制动和驱动力、侧偏力和侧倾力、回 正力矩及翻转力矩等，所有这些都是滑移率、侧偏角、垂直载荷、道路摩擦系数和车辆 运动速度的函数。如何精确而有效地表达这种函数关系，一直是轮胎模型所探讨的问题。 轮胎模型的构造一般分为两种，一种是物理模型( 理论模型) ，即通过对轮胎结构 和形变机制的数学描述，建立剪切力和回j 下力矩与相应参数的函数关系。与理论模型相 对照的是经验公式和半经验公式，它是通过对大量的轮胎力特性的实验数据进行回归分 析，将轮胎力特性通过含有拟合参数的公式有效地表达出来【2 5 2 6 1 2 3 1 魔术公式 魔术公式是由p a c e j 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，用一套形式相同的公式就可以完整地表达纵向力、横向力、回正力矩以及 纵向力、横向力的联合作用等工况，故称为“魔术公式”。魔术公式的一般表达式为 y = d s i n ( c a r c t a n ( b ) ) + a s 。 ( 2 - 1 ) = ( 1 一e ) ( x + a s ) + ( e b ) a r c t a n ( b ( x4 - a s ) ) ( 2 2 ) 式中，d 为峰值因子，表示曲线的最大值；b 为刚度因子；e 为曲线曲率因子，表 示曲线最大值附近的形状；c 为曲线形状因子，即曲线是横向力、纵向力还是回正力矩； 瓯为曲线的水平方向漂移；s ，为曲线的垂直方向漂移。 每一个参数又都与载荷有关，为此要将参数表达为载荷的关系，也是用参数拟合的 方式。选择合适的拟合公式，一般选用一种代数多项式，仅曲线的形状因予与载荷无关， 在不同的计算公式中取不同数值，即 计算横向力取c = 1 3 0 计算纵向力 取c = 1 6 5 计算回正力矩取c = 2 4 曲线峰值因子与轮胎载荷f 的关系可以近似表达为 1 4 长安人学硕上学位论文 d = 口l c 2 + 口2 只 ( 2 3 ) 式中，a 。、a ：为参数，可由数据拟合求出。横向力零点处的横向刚度可以用下式表 达： b c d = a 3s i n ( a 4a r c t a n ( a 5 c ) ) ( 2 4 ) 对回正力矩和纵向力则可以用下式表达： b = 垒墨：垫墨( 2 5 ) e 啦f z 刚度因子为b = b c d c d 。曲线的曲率因子可用下式统一表达为 e = a 6 c 2 + a 7 t + a 8 ( 2 6 ) 用同样的方法可以确定侧倾角y 与各个因子的函数关系。 一般侧倾角仅与曲线零点的水平、垂直漂移和刚度因子有关，所以仅对这三个因子 进行修正就可以了。即 a s h = a 9 y ( 2 - 7 ) z k s ，= ( 口l o c 2 + 口l l c ) 7 ( 2 - 8 ) 对刚度的修正用( 1 一口。：i 厂1 ) ；对回正 力矩要对e 进行修正，用( 1 一q ，l7i ) 。 这样用1 3 个参数就可以表达轮胎主要力 分量。 为描述纵向力和横向力联合作用下 的表达式，首选要定义各自的方向。图 2 7 为制动与转弯联合工况的速度及力 矢量。1 ，为滑移速度，1 ，为滚动速度， 其力的方向可以定义为 盯。= v 。v ，= - k ( 1 + 后) 1 7 j ，= 1 ，砂1 ，= 一t a n c r ( 1 + 尼) 。= 网 t a n c r = 一v 掣1 ，j k = 一1 ，。v ， 定义纵向和横向取最大值为 图2 7 转弯和制动时力和速度矢量图 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 第二章a b s 防抱死制动系统的t 作原理和数学模型 仃j = 仃j o x m o y=oy o y m 仃= 盯j 吃+ 矿y 屹 盯肭= 一七。( 1 + 七。) o y m = 一口 其中最大值与载荷的关系可以用多项式拟合得到计算公式 口。= c k l + c k 2 c +