（光学工程专业论文）汽车abs的控制算法与仿真研究.pdf

| f | i f i iii ii fil l i l r lr , r l l lfill 、t18 8 0 7 2 9 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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 武汉理工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在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：壅! ：萏日期：趔l 堇：鉴 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签触丛丑导师( 签钍健哗吼业珂 摘要 随着汽车工业的飞速发展，汽车车速不断加快，人们对汽车的安全性能越来 越重视。汽车防抱死系统( a b s ) 能够在汽车制动过程中通过对制动力矩的自动调 节来防止车轮发生抱死现象，并使车轮滑移率维持在最佳滑移率附近，从而提高 了汽车的制动效能以及方向稳定性。因此，作为一种有效的汽车主动安全装置， 汽车a b s 的应用越来越普及。但是在实际a b s 产品中采用的逻辑门限值控制方法 并不是一种理想的汽车a b s 控制策略，因此有必要对a b s 的控制策略进行进一步 的研究。 本文首先分析了汽车a b s 的工作原理，并介绍了a b s 的基本组成、布置方式 以及目前比较流行的几种a b s 控制算法。接着利用a d a m s c a r 建立了包含前后悬 架系统、转向系统、制动系统、轮胎模型、动力总成系统以及车身总成系统等的 整车虚拟样机模型。结合模糊控制理论，本文利用m a t l a b s i m u l i n k 中提供的模 糊控制系统专用工具箱设计了基于车轮滑移率的a b s 模糊控制系统，同时为控制 器设计了路面识别系统。然后通过a d a m s c o n t r o l s 模块提供的接口，将在 a d a m s c a r 模块中建立的整车虚拟样机模型与汽车a b s 模糊控制器以及路面识别 系统组成联合仿真模型，并分别在高附着系数路面和高低附着系数对接路面上进 行了直线制动仿真。仿真分析结果表明：本文设计的a b s 模糊控制器在高、低附 着系数路面上都能够将车轮的滑移率控制在相应的最佳滑移率附近，显著地提高 了汽车的制动效能。但是相比较而言，a b s 模糊控制器在低附着系数路面上的控 制过程没有在高附着系数路面上平稳，同时在汽车从高附着系数路面向低附着系 数路面过渡的过程中，车轮滑移率的波动较大，前后车轮都出现了瞬间的抱死现 象。 为了进一步提高a b s 模糊控制器对路面变化的自适应能力，本文通过对模糊 控制器中量化因子和比例因子对系统控制性能影响的分析，提出了a b s 自调整量 化比例因子模糊控制器。通过仿真分析结果表明：a b s 自调整量化比例因子模糊 控制器与普通模糊控制器相比，其对不同的路面具有更好的自适应能力，能够进 一步的提高汽车的制动性能。 关键词：防抱死制动系统( a b s ) ，模糊控制，滑移率，a d a m s ，自适应 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r y ，v e h i c l e sb e c o m ef a s t e ra n df a s t e r , p e o p l ep a ym o r ea u e n t i o n t ot h es a f e t yp e r f o r m a n c eo fv e h i c l e s t h ev e h i c l ea n t i l o c k b r a k i n gs y s t e mo 惦s ) c a na u t o m a t i c a l l yc o n t r o lt h eb r a k et o r q u eo fe a c hw h e e lt o p r e v e n ti tf r o mg e r i n gl o c k e di nt h ep r o c e s so fb r a k i n g , a n dm a i n t a i nt h ew h e e ls l i p r a t i on e a rt h eo p t i m a ls l i pr a t i o i ti m p r o v e st h eb r a k i n gp e r f o r m a n c ea n dd i r e c t i o n a l s t a b i l i t yo fv e h i c l e t h e r e f o r e ，a sa ne f f e c t i v ev e h i c l ea c t i v es a f e t yd e v i c e ，a b si s a p p l i e dw i d e ra n dw i d e r - b u tt h el o g i ct h r e s h o l dc o n t r o lm e t h o dw h i c hi sw i d e l y a p p l i e da b sp r o d u c t si sn o ta ni d e a lv e h i c l ea b sc o n t r o ls t r a t e g y , i ti sn e c e s s a r yt o d of u r t h e rr e s e a r c ho na b sc o n t r o ls t r a t e g i e s f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ea b sw o r k i n gt h e o r y , a n di n t r o d u c e dt h e b a s i cc o m p o n e n t s ，l a y o u ta n ds e v e r a lp r i m a r yc o n t r o ls t r a t e g i e so fa b s t h e nu s i n g a d a m s c a r , am u l t i b o m yv e h i c l ed y n a m i cm o d e lw a sb u i l t ，t h em o d e li n c l u d e d f r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o ns y s t e m ，s t e e r i n gs y s t e m ，b r a k es y s t e m ，t i r em o d e l ， p o w e r t r a i na n dv e h i c l eb o d ym o d e l a c c o r d i n gt of u z z yc o n t r o lt h e o r y , t h ea b sf u z z y c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ew h e e ls l i pr a t i ow a sb u i l tb yu s i n gm a t l a bf u z z y t o o l b o x ，a n dt h er o a di d e n t i f i c a t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e df o ra b s t h ea b sf u z z y c o n t r o ls y s t e m ，r o a di d e n t i f i c a t i o ns y s t e ma n dm u l t i - b o d yv e h i c l ed y n a m i cm o d e l w e r ei n t e g r a t e db yt h ei n t e r f a c eo fa d a m s c o n t r o l s t h e nt h es t r a i g h t l i n eb r a k i n g s i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u to nt h ed i f f e r e n tf r i c t i o nc o e 街c i e n tr o a d s 啊1 es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ea b sf u z z yc o n t r o l l e rc a nm a i n t a i nt h ew h e e ls l i pr a t i on e a rt h e o p t i m a ls l i pr a t i oa n ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h eb r a k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e b u tb yc o m p a r i n gt h er e s u l t s ，w ec a nf e n dt h a tt h ec o n t r o l l e rh a sb e t t e re f f e c to nt h e r o a dw i t hh i 曲f r i c t i o nc o e f f i c i e n t w h e nd r i v i n go nt h er o a d 谢t hm 曲f r i c t i o n c o e f f i c i e n tt ot h er o a dw i 廿ll o wf r i c t i o nc o e f f i c i e n t , t h ef l u c t u a t i o no fs l i pr a t i oi s o b v i o u s ，a n dt r a n s i e n tl o c k i n gp h e n o m e n o na p p e a r s t oe n h a n c et h ea d a p t i v ea b i l i t yo fa b sf u z z yc o n t r o l l e r , a c c o r d i n gt oa n a l y z i n g t h ea f f e c to fq u a n t i f i c a t i o na n ds c a l i n gf a c t o r s ，t h eq u a n t i f i c a t i o na n ds c a l i n gf a c t o r s s e l f - m o d i f i e df u z z yc o n t r o l l e rw a sd e s i g n 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 t c o m p a r e d 、析t 1 1t r a d i t i o n a lf u z z yc o n t r o l l e r , t h es e l f - a d a p t i v ef u z z y c o n t r o l l e rc a n b e t t e ra d a p tt oc h a n g e so fr o a d ，a n dc a nf u r t h e ri m p r o v et h eb r a k i n gp e r f o r m a n c eo f v e h i c l e h k e yw o r d s ：a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) ，f u z z y s e l f - a d a p t i v e 目录 j i 2 i 要i a b s w a g t i i 目录i v 第1 章绪论1 1 1j ；i 言l 1 2a b s 系统的国内外发展概况l 1 2 1 国外a b s 系统发展概况l 1 2 2 国内a b s 系统发展概况2 1 3a b s 系统的发展趋势4 1 4 本文的研究目的和意义5 1 5 本文研究的主要内容6 第2 章汽车a b s 基本理论。7 2 1 汽车a b s 的工作原理7 2 1 1 车轮制动时的受力分析7 2 1 2 汽车制动时滑移率与附着系数的关系一8 2 1 3 汽车a b s 的控制原理1 0 2 2 汽车a b s 的基本组成1 1 2 3 汽车a b s 的布置方案1 2 2 4 汽车a b s 控制算法介绍1 3 2 5 本章小结15 第3 章整车多体动力学模型的建立一1 6 3 1a d a m s 软件概述1 6 3 2a d a m s c a r 建模思路。l8 3 3 整车基本参数的获取。1 8 3 4 整车模型的建立2 0 3 4 1 前悬架系统模型2 0 3 4 2 后悬架系统模型2 1 3 4 3 转向系统模型2l 3 4 4 制动系统模型2 2 3 5 5 轮胎模型2 4 3 4 6 动力系统模型。2 6 3 4 7 车身系统模型2 6 3 4 8 整车模型的装配2 7 3 5 本章小结一2 7 第4 章a b s 模糊控制器的设计及仿真2 8 4 1 模糊控制概述。2 8 4 2 模糊控制基本工作原理2 9 4 2 1 模糊控制系统的组成2 9 4 2 2 模糊控制的基本原理3 0 4 3 模糊控制器的设计过程3 0 4 3 1 模糊控制器的结构设计3 1 i v 4 3 2 精确量的模糊化3 2 4 3 3 模糊控制规则的设计3 3 4 3 4 模糊量的清晰化3 4 4 3 5m a t l a b 模糊逻辑控制工具箱3 4 4 4 汽车a b s 模糊控制器的设计3 5 4 5 汽车a b s 路面识别系统3 8 4 6 汽车a b s 模糊控制系统联合仿真分析3 9 4 6 1 联合仿真介绍3 9 4 6 2a b s 联合仿真控制模型4 0 4 6 3 联合仿真分析4 2 4 7 本章小结。4 8 第5 章自适应模糊控制器的设计及仿真5 0 5 1 常规模糊控制器的不足5 0 5 2 自适应模糊控制概述。5 0 5 3 自适应模糊控制器的结构与原理一5 l 5 4 自调整量化比例因子模糊控制器的设计5 2 5 4 1 量化因子和比例因子对系统性能的影响5 3 5 4 2 量化比例因子自调整控制规则的设计5 3 5 5 系统仿真分析5 5 5 6 本章小结一5 8 第6 章总结与展望。5 9 6 1 全文总结5 9 6 2 展望6 0 致谢6l 参考文献6 2 攻读硕士期间发表的论文6 5 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着汽车工业的飞速发展，汽车数量不断增加的同时车速也在不断加快，因 此汽车的安全性能得到人们越来越多的重视。作为汽车安全性能的重要组成部 分，汽车制动性能的好坏直接关系到驾驶员、乘客以及行人的人身安全。因而提 高汽车的制动性能一直都是汽车研究的重要课题。 我们知道当汽车在紧急制动时不能一脚将制动踏板踩死，而应该以断断续续 的方式进行制动即一踩一松制动踏板，直至最后汽车停下来，否则车轮将很容易 出现抱死拖滑的现象，从而引发一些危险的后果：当只有前轮抱死或者前轮先抱 死时，汽车将会丧失转向能力，从而使其在制动过程中无法避让前方的障碍物； 当只有后轮抱死或者后轮先抱死时，汽车将会出现后轴侧滑的现象。然而对于一 般的驾驶员来说，需要在紧急的制动情况下完成断断续续的刹车过程，这是相当 困难的。所以要想避免汽车在紧急制动过程中出现前后车轮抱死现象，这就需要 借助汽车防抱死制动系统( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ，a b s ) 来协助驾驶员完成 制动过程了。 汽车a b s 作为一种主动安全装置，它能够将汽车前后车轮的滑移率控制在最 佳滑移率附近，使汽车在获得最大地面制动力的同时拥有良好的方向稳定性u 1 。 汽车a b s 的出现大大改善了汽车的制动性能，因而汽车的安全性得到了很大的提 升，这对避免交通事故的发生起到了非常积极的作用。根据美国国家高速公路交 通安全委员会( n h t s a ) 对交通事故相关数据的统计分析表明：装有a b s 装置的汽 车发生翻车事故的概率减少了3 0 - 4 0 ；在干燥的路面上，车祸发生的概率减少 了大约2 4 ；在潮湿的路面或者雪地上，车祸的发生概率减少了大约1 5 。根据 欧洲各国的统计分析表明：当汽车运用了防抱死制动技术后，轿车和轻型货车的 事故发生率减少了8 ，公共汽车的事故发生率减少了4 ，重型汽车的事故发生 率减少了1 0 隋。由此可见，作为汽车主动安全技术的典型代表，汽车a b s 对提 高汽车安全性的作用是非常显著的。 1 2a b s 系统的国内外发展概况 1 2 1 国外a b s 系统发展概况 早在2 0 世纪初，原始的a b s 装置便已经开始被应用到铁路机车上了。到了 武汉理工大学硕士学位论文 3 0 年代的时候，火车上便开始使用机械式的a b s 装置。1 9 3 6 年，德国的博世( b o s c h ) 公司成功地利用电磁式轮速传感器获得车轮转速信号，并将其应用到防抱死制动 装置中，这对a b s 系统的发展来说是一个里程碑似的创新。到第二次世界大战末 期，为了使飞机在着陆时，避免车轮抱死和轮胎严重磨损，以及保持飞机的直线 行驶性能，a b s 装置已经被广泛应用于喷气式飞机上。到了5 0 年代末期，g o o d y e a r 等公司研发生产的防抱制动系统装置，通过利用初期的电子计算机，根据 车轮的实际减速情况阶段性地控制制动管路中的液压来实现防抱死作用，这样使 得a b s 的性能得到了极大的改善。美国f o r d 公司在1 9 5 4 年首次把运用在飞机上 的a b s 系统安装到林肯牌轿车上，虽然这次尝试以失败而告终，但是它揭开了汽 车a b s 应用的序幕。不过由于电子技术的发展水平限制，虽然a b s 已经应用的范 围越来越广，但是其系统控制的精确性以及可靠性都是非常差的，同时其价格也 非常昂贵。 随着近代电子技术的飞速发展，一些利用电子控制的制动防抱系统在6 0 年 代后期便陆续开始进入产品化阶段。但是由于这一时期的a b s 系统采用的是模拟 电路控制器，其控制系统的反应速度比较慢，控制精度也比较低，因而没能达到 人们所预期控制效果。不过到了7 0 年代后期的时候，大规模集成电路和数字式 电子技术的出现为现代a b s 系统的发展奠定了坚实的基础。其中b o s c h 公司最早 成功地开发出了数字式电子控制a b s ，从而揭开了现代防抱制动系统飞速发展的 序幕。从8 0 年代中期开始，a b s 控制器就不断推陈出新，控制器的体积变得越 来越小，功能变得越来越强大，控制逻辑更加趋于合理，并且逐步增加了自适应 和故障自诊断功能，a b s 开始向着高性能低成本的方向发展。到9 0 年代以后， a b s 技术已经日趋成熟，并涌现出了一大批先进的a b s 系统，例如现在汽车上使 用比较广泛的博世( b o s c h ) a b s 、坦孚( i t tt e v e s ) a b s 、德科( d e l c o ) a b s 、本迪 克斯( b e n d i x ) a b s 、日本电装( n i p p o n d e n s o ) a b s 和瓦布柯( w a b c o ) a b s 等晗1 。 目前，在美国、欧洲以及日本等发达国家和地区，汽车a b s 系统已经成为轿 车的标准配置，装车率基本达到1 0 0 ；在客车以及货车上，h b s 的应用也已经日 益普及。 1 2 2 国内a b s 系统发展概况 我国到上世纪8 0 年代才开始对汽车a b s 进行研究，目前从事汽车a b s 产品 开发的单位主要有东风汽车公司、重庆公路科学研究所、重庆聚能汽车技术有限 公司、西安博华机电股份有限公司等等。其中东风汽车公司是我国最早开始从事 汽车a b s 研究的单位之一，他们已经对瓦布柯( w a b c o ) 公司的汽车a b s 产品进行 了很深入的研究并试图自主开发。重庆公路科学研究所目前已经先后开发出了两 代汽车a b s 产品：第一代a b s 产品系统控制单元采用的是z 8 0 芯片；第二代a b s 2 武汉理工大学硕士学位论文 产品为f k x a c l 型，其控制单元采用m c s 一9 6 系列的8 0 9 8 单片机，其中传感器和 执行机构均为自主研制，现在已经在部分车辆上试装。重庆聚能汽车技术有限公 司目前已经在国内推出了一系列电子式a b s 产品，主要包括汽车和摩托车 j n l ll f b 气制动电子式单通道、j n l 4 4 f b 气制动电子式四通道、j n 2 4 4 f b 液压电 子式四通道等类型a b s 装置以及相关零部件3 0 多个品种陆1 。 除了上述单位外，国内一些科研院校对a b s 理论也进行了比较深入的研究， 同时也取得了一定的研究成果。 吉林大学的郭孔辉院士等人阳1 利用汽车动态模拟国家重点实验室在汽车操 纵稳定性、轮胎力学模型以及人一车闭环操纵运动仿真等方面的优势，在汽车 a b s 混合仿真试验台的开发与研究方面进行了比较深入的研究。他们的研究成果 对国内其它汽车a b s 研究机构和开发厂商具有很好的指导意义。 国防科学技术大学的郑伟峰口1 对汽车a b s 逻辑门限值控制策略进行了比较深 入的研究。他利用相平面法得到逻辑门限值控制的边界参数：并通过对汽车运动 载荷的分配以及变化情况的分析，总结出了逻辑门限值控制开发中应该注意的问 题。同时他还详细分析了该算法在不同路面上的控制情况，并通过对实车试验采 集的数据的分析，验证了其算法的正确性。 桂林电子科技大学的蒋顺文、唐焱等人陋1 利用某车单轮模型研究了p i d 控制 在汽车a b s 中的应用，设计出了一种基于最佳滑移率的积分分离p i d 自适应控制 器，并对控制器进行了仿真，结果表明该控制器具有比较好的稳定性、鲁棒性以 及自适应性。最后通过对控制器物理样机的测试验证了其仿真结果的正确性。 西北工业大学的王纪森、杨旭东等人阻3 通过对车轮制动过程的分析，提出了 汽车a b s 自寻最优控制方法。通过仿真分析结果表明：在不同的路面情况下，汽 车a b s 自寻最优控制方法能够取得了比较满意的效果。 东北大学的徐萍n 们结合滑模控制理论设计了基于滑移率的滑模变结构a b s 控制器。通过将控制器在不同附着系数路面上进行仿真，结果表明滑模变结构 a b s 控制器具有很好的鲁棒性，在不同的路面上均能很好的将车轮滑移率控制在 最佳滑移率附近，大大缩短了制动时间和制动距离，制动过程中制动力矩的变化 也比较平稳。 武汉理工大学的陈昌巨等人n ”研究了基于滑移率的汽车a b s 模糊控制器，通 过以重型货车的单轮系统为模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 中的模糊控制系统专用 工具箱设计了a b s 模糊控制器，并对其进行了仿真和分析。仿真结果表明基于滑 移率的a b s 模糊控制系统具有较理想的防抱制动效果。 东北大学的李英顺、薛定宇等人n 2 1 针对简化的汽车纵向双轮模型，提出了参 数自整定模糊p i d 汽车a b s 控制器，该控制器可以根据车轮运动情况自动在线调 3 武汉理工大学硕士学位论文 整参数，从而使控制系统具有较好的稳定性、自适应性以及控制精度。通过仿真 分析结果表明相比常规的p i d 控制器和模糊控制器，参数自整定模糊p i d 控制器 可以达到更好的控制效果。 西北工业大学的赵治国等人n 3 1 利用基于非线性双轮胎模型，通过引入了模糊 学习机制，设计出了a b s 模糊模型参考学习控制系统，并将所设计控制系统在不 同条件的路面上进行了仿真分析。试验结果表明该系统在仿真中具有较强的鲁棒 性和稳定性。 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的陈炯、王会义等人n 钔提出了基于 滑移率和减速度的a b s 模糊控制策略。他们的这种控制方法是通过在a b s 逻辑门 限值控制方法的基础上分析道路的试验数据，然后再利用m a t l a b s i m u li n k 中的 模糊控制系统专用工具箱建立a b s 模糊控制系统。仿真分析结果表明基于滑移率 和减速度的a b s 模糊控制方法相比逻辑门限值控制来说具有更好的自适应能力， 同时减少了道路试验的工作量。 清华大学的宋健等人n 5 3 对几种不同的a b s 控制策略进行了讨论，通过对它们 进行制动仿真分析，得到了不同控制策略的特点。同时，提出以制动器耗散功率 最大为目标的a b s 控制策略，试验分析结果表明利用制动器耗散功率最大为目标 的a b s 控制策略可以使车辆具有很好的制动稳定性以及很高的制动效能，而且该 方法可以根据路面实际情况自动对a b s 策略进行调节。 总体来说，由于我国对汽车a b s 系统的研究起步较晚，因而汽车a b s 系统研 发总体水平和国外还有一定的差距。不过随着国家对汽车自主研发的重视和扶 持，汽车技术研发水平的进步还是比较快的，我们和国外的差距将会越来越小。 1 3a b s 系统的发展趋势 随着2 0 世纪9 0 年代电子技术和汽车技术的迅猛发展，汽车a b s 技术也越来 越成熟，今后汽车a b s 技术将主要向以下几个方面发展n 翻： ( 1 ) 采用现代控制理论进一步完善汽车a b s 系统性能。 目i j 汽车上使用的a b s 系统几乎都是采用的基于车轮加、减速门限值及参考 滑移率的控制策略。该方法虽然简单实用，但是对于不同的汽车需要匹配不同的 门限值，然后还需要在各种不同的道路上加以验证，同时由于对这种控制策略没 有一套统一的评价指标，因此控制参数的选取一般只能凭借经验或是试凑法来确 定，整个调试过程相当困难。因此运用现代控制理论和方法寻找一种更加先进合 理的算法来取代目前的逻辑门限值控制策略成为现在a b s 技术研究的热点。例如 近年出现的增益调度p i d 控制、变结构控制、神经网络控制和模糊控制等方法随 着技术的发展在将来都有可能成为理想的a b s 控制策略。 4 武汉理工大学硕上学位论文 ( 2 ) 提高a b s 的可靠性、自适应性。 汽车制动系统的可靠性直接关系到驾驶员和乘客的人身安全，因此它必须具 备高可靠性。同样作为制动系统的辅助装置a b s 也必须要求高可靠性。为了提高 a b s 系统工作的可靠性，a b s 的电控部分应该使用高性能控制芯片；机械部分则 需要运用结构优化设计、采用新材料等先进技术。同时为了适应汽车工作环境多 变的特点汽车a b s 应该具备优异的自适应能力来保证汽车在不同的工况下都具 备高效的制动性能。 ( 3 ) 提高系统的集成度，减小体积，减轻质量。 现代汽车的各类附加装置越来越多，同时又要追求汽车的轻量化，这样对包 括a b s 在内的各附加装置的体积和质量有了更高的要求。因此汽车a b s 装置必须 向着高度集成化的方向发展，这样既减小了装置的体积、又减轻了质量，同时也 降低了生产成本。 ( 4 ) 增强a b s 控制器的功能，扩大使用范围。 随着现代汽车电子技术的飞速发展，很多a b s 控制器己经开始选用功能强、 速度快、集成度高的1 6 位或3 2 位微处理器，这为进一步完善和扩展汽车a b s 系统构建了一个良好的平台。各种先进的新型汽车安全控制装置将被加入到这个 平台，例如从早期的防滑控制系统( a s r ) ，到如今的电子制动力分配系统( e b d ) 、 电子助力制动系统( e b a ) 、电子控制制动系统( e 1 3 s ) 、电子行驶稳定控制系统 ( e s p ) 、车辆动力学控制系统( v d c ) 等等。这些都说明汽车a b s 作为制动控制的一 个子系统，其功能和使用范围将会随着技术的发展不断扩大。 1 4 本文的研究目的和意义 2 0 1 0 年，我国汽车全年累计产销量超过1 8 0 0 万辆。我国俨然已经成为世界 第一汽车大国，然而汽车大国不等于汽车强国。目前我国很多汽车核心技术都要 依靠外国，其中汽车a b s 就是一个很好的例子。要想从汽车大国向汽车强国转变， 我们就必须依靠自主研发掌握核心技术来打破外国对我们的技术垄断。在“十五” 期间，国家就把a b s 列为重点扶持的汽车电子产品，但是由于我国汽车a b s 技术 起步较晚，因而技术水平还比较低。但是有中国这个广阔的市场作为支撑，随着 国家对自主研发的大力扶持，越来越多的科技工作者投入到汽车a b s 系统的研发 中，相信汽车a b s 的国产化前景是美好的。 汽车a b s 的控制策略作为a b s 系统的核心，当然也是自主研发的重点核心内 容。通过前面的介绍我们知道，实际中使用的防抱死制动系统几乎都是采用的逻 辑门限值控制方法。该方法对于不同的汽车需要匹配不同的门限值，然后还需要 在各种不同的道路上加以验证，同时由于对这种控制策略没有一套统一的评价指 5 武汉理工大学硕士学位论文 标，整个调试过程相当困难，因此逻辑门限值控制并不是理想的a b s 控制策略， 于是需要运用现代控制理论和方法寻找一种更加先进合理的算法来取代目前的 逻辑门限值控制策略。模糊控制作为一种先进的智能控制方法不需要知道被控对 象的精确数学模型，能够很容易地实现对非线性对象进行控制，同时具有较强的 鲁棒性和抗干扰能力能力。到目前为止，模糊控制系统已经被成功地应用到很多 工程领域h 1 。对于汽车是这样一个非常复杂的非线性系统来说，采用模糊控制作 为a b s 控制策略应该是一种比较理想的选择。因此，本文将在前人研究的基础上 对汽车a b s 系统模糊控制策略进行进一步的研究，试图设计出一种稳定性更好， 自适应能力更强的防抱死制动控制策略，这对于汽车a b s 的理论研究以及产品开 发都具有一定的指导意义。 1 5 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 分析汽车a b s 的工作原理，并介绍汽车a b s 的基本组成、布黄方案以及 目前比较流行的几种a b s 控制算法。 ( 2 ) 利用机械系统动力学仿真软件a d a m s 建立包括前后悬架系统、转向系统、 制动系统、轮胎模型、动力总成系统以及车身总成系统等的整车虚拟样机模型。 ( 3 ) 在模糊控制理论的基础上，利用m a t l a b s i m u li n k 中提供的模糊控制系 统专用工具箱设计出基于车轮滑移率的a b s 模糊控制系统，并为a b s 模糊控制器 设计一种路面识别系统。通过a d a m s c o n t r o l s 模块提供的接口将在a d a m s c a r 模块中建立的整车虚拟样机模型与汽车a b s 模糊控制器以及路面识别系统组成 联合仿真系统，并进行相应的仿真分析。 ( 4 ) 结合自适应控制理论设计一种a b s 自适应模糊控制器，将其与整车虚拟 样机模型进行联合仿真，最后将仿真结果与常规a b s 模糊控制器的仿真结果进行 对比分析，以检验a b s 自适应模糊控制器的控制效果。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车a b s 基本理论 2 1 汽车a b s 的工作原理 2 1 1 车轮制动时的受力分析 当汽车在行驶过程中受到与汽车行驶方向相反的外力时，汽车的速度就会开 始减小或者直到停车。这个外力一般情况下只能由地面和空气来提供，但其中由 空气提供的外力相对来说比较小，所以我们只考虑轮胎与地面之间产生的摩擦 力，我们称之为地面制动力。当地面制动力越大时，车辆的制动减速度也就越大， 制动距离就越短。因此，地面制动力大小对汽车的制动性能具有决定性的作用。 下面我们来分析汽车制动过程中车轮的受力情况。 一 、 k 争， vl 、 b jl 一吣 一。 i ，- 1 r f l 乃l 图2 - 1 车轮在制动过程中的受力情况 图2 - 1 为汽车制动过程中车轮的受力情况。图中，g 为车轮的垂直载荷、c 为车轴作用于车轮的推力、e 为地面对车轮的法向反作用力、c 为地面制动力， 它们的单位均为n ；，为车轮的滚动半径，单位为m ；瓦为制动器中摩擦片与制 动鼓或盘之间产生的摩擦力矩，单位为n m 。 很显然，由相对车轮中心的力矩平衡方程得： e ：互 ( 2 一1 ) ， 地面制动力是使汽车减速的外力，但是它的大小取决于两方面的因素：一个 是制动器内制动摩擦片与制动鼓或盘问产生的摩擦力；另一个是轮胎与地面间产 生的摩擦力即地面附着力。 我们把在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需要的力称为制动器制动力，用符 号e 表示。它相当于是把汽车架起脱离地面后再踩制动踏板，然后在轮胎周缘 7 武汉理工大学硕士学位论文 沿切线方向推动轮胎直到转动所需要得力，显然 e ：互 ， ( 2 - 2 ) 由式2 2 可知，制动器的制动力取决于制动器的结构型式、尺寸、制动器的 摩擦系数以及车轮的滚动半径，并与制动管路中的压力，即制动踏板力成正比。 在汽车制动过程中，当制动踏板力比较小，即制动器中摩擦力矩较小时，地 面与轮胎之间产生的地面制动力足以克服制动器中摩擦力矩而使车轮滚动。显 然，此时地面制动力e 与制动器制动力e 相等，且随着制动踏板力的增大成正 比增长( 见图2 2 ) 。但是由于地面制动力f 的大小受到车轮与地面间附着系数的 限制，它不能超过附着力互。，即 c 乞= e ( 2 3 ) 式中：为轮胎与地面间的纵向附着系数。 当制动踏板力增加到某一值，地面制动力e 的大小达到附着力f 。( 如图2 2 中a 点) 时，车轮就会开始抱死。如果此时我们继续增加制动器踏板力，制动器 制动力e 将会继续增加，但是由于作用在车轮上的垂直载荷g 为常数，因而地 面制动力e 将不会继续增加( 如图2 2 的a b 段) 。 踏板力砟 图2 - 2 制动过程中制动器制动力、地面制动力以及地面附着力的关系 由上述分析可知，汽车的地面制动力的大小首先是取决于制动器制动力大 小，同时还受地面附着条件的限制，因此要想汽车获得足够的地面制动力，汽车 必须拥有足够大的制动器制动力，同时还需要地面能够提供高的附着力。 2 1 2 汽车制动时滑移率与附着系数的关系 通过对汽车制动时车轮运动过程的观察，我们会发现车轮的运动是一个从滚 8 武汉理工大学硕j ：学位论文 动到抱死拖滑渐变的过程。随着制动强度的不断增加，车轮滚动的成分会越来越 少，同时车轮滑动的成分将越来越多。我们用滑移率五来说明制动过程中滑动成 分的多少。滑移率的定义是 五：1 , - - ( o r 1 0 0 xu u( 2 4 ) = 一 厶一 ， v 式中，1 ，为车轮中心的速度；r 为车轮的