毕业论文--车辆防抱死制动系统仿真与设计.doc

湖南大学毕业设计(论文) HUNAN UNIVERSITY毕 业 论 文设计论文题目 车辆防抱死制动系 统仿真与设计 学生姓名 学生学号专业班级电子信息工程1102学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长 200 年 月 日IV湖南大学毕业设计(论文) 摘要防抱死制动系统是一种非常重要的汽车行驶中的主动安全系统，对于保证汽车平稳、舒适、安全的停车起到很大的作用，已经越来越受到人们的重视，并普遍应用于汽车当中。为研究ABS的工作原理和验证他的制动效果，本文选用依托于滑移率的车辆防抱死系统进行仿真和实验。在Matlab/Simulink平台下利用系统自带的工具箱构造仿真模型，分别模拟了PID控制以及模糊控制的ABS系统的工作情况，进行了在不同路面上的ABS制动过程的仿真，并与无ABS控制的制动过程进行比较，验证了ABS的制动效果。本文首先从课题研究意义着手，介绍了ABS的历史和发展现状以及国内的ABS研究情况，分析了ABS控制的基本原理、ABS的基本结构和组成，选用单轮汽车模型，用PID控制和模糊控制两种控制策略，对不同的制动过程分别进行深入分析。在Simulink平台下，建立了不同车辆和路况的仿真模型，并将PID控制器模型和模糊控制器模型分别与车辆模型相连接，在不同路况下进行仿真实验，有效的验证了两种制动策略均能提升车辆制动过程的稳定性和效率。通过对不同路况，不同制动策略仿真结果的比较，对比分析不同策略的优缺点和特性，从而针对相应不足提出改进方法。关键词：ABS，Simulink，滑移率，PID，模糊控制IThe design and Simulation of vehicle anti lock braking systemAbstractAnti lock braking system is a significant active safety system for vehicle. It plays a great role in ensuring the car a smooth, comfortable and safe parking. Thus it has attracted more and more peoples attention, and is commonly used in cars.To reveal the mechanism and performance of ABS, this paper chooses slip-ratio based anti-locked brake system as model to conduct research and experiment . After building models in Matlab / Simulink Toolbox, we used two vehicle ABS-controller schemes, namely, PID controller and fuzzy controller. We have conducted various experiments on the different road models about ABS braking process simulation, which were compared with the car has no ABS-controller. It validates that ABS ensures excellent braking performance and steering characteristic in vehicle braking process.Firstly, we start from the significance of ABS research, then introduce the history and current development of ABS as well as the domestic ABS research situation. It illustrates and analyzes the basic structure and composition of ABS-controller, the principle of ABS on the basic of a single wheel model, PID-controller, fuzzy-controller, in-depth analysis of different braking process and so on.In the platform of MATLAB / Simulink, we established different vehicles and traffic simulation model and the model of PID controller and fuzzy controller model are respectively connected with the vehicle model, simulation experiments are carried out in different road conditions, effectively verified the two braking strategies can improve the vehicle braking stability and efficiency. By the comparison of different road conditions, and the simulation results of different braking strategy, we obtained the advantages and disadvantages as well as characteristics of different strategies ,and find some problems to improve method.Key words: ABS; Simulink; Slip ratio; PID; Fuzzy-control目录车辆防抱死制动系统仿真与设计I摘要IThe design and Simulation of vehicle anti lock braking systemIIAbstractII目录III1 绪论11.1 课题研究意义11.2 ABS的发展历程及研究现状21.3 研究目的及主要内容31.4 本章小结42 ABS 控制原理及系统结构52.1 制动过程理论分析52.1.1 制动中车轮受力分析52.1.2 滑移率与道路附着系数62.2 ABS 控制原理82.3 ABS的基本组成与结构82.3.1 ABS的分类92.3.2 ABS的基本组成92.4 本章小结103 ABS控制策略113.1 ABS控制策略概述113.2 PID控制113.2.1 PID控制的基本原理113.2.3 PID控制器的局限性133.3 模糊控制133.3.1 模糊控制器及其组成143.3.2 模糊控制器的结构163.3.3 模糊控制器的设计163.4 本章小结174 汽车动力学模型的研究与建立184.1 汽车建模理论184.2 车辆系统模型184.3 车轮轮胎模型194.4 制动系统模型204.5 本章小结215 ABS的设计与仿真225.1 车辆系统模型225.1.1 输入输出信号225.1.2 参考车速估计225.1.3 多路面参数及车体参数235.2 PID控制模型仿真245.2.1 PID控制器模型建立245.2.2 PID控制器仿真与分析245.3.1 模糊控制器模型建立325.3.2 模糊控制器仿真与分析335.4 数据分析与结论375.5 本章小结38结论与展望39工作总结39课题展望39致谢41参考文献42第 43 页湖大学毕业设计(论文) 1 绪论1.1 课题研究意义随着科学技术发展，以及汽车电子的迅速发展，安全性能在人们观念中占据越来越重要的比例。汽车防抱死系统的创立与进一步研究给广大汽车驾驶者带来了福音，更加受到广大消费者的关注。汽车防抱死系统，（Anti-lock Braking system简称ABS）为一种用来保持汽车方向稳定和转向操纵性能的装置，它可以在紧急制动情况下使汽车安全停下并使制动距离尽可能缩短。它是现代汽车研究方向的重要课题之一，并且也成为汽车在主动安全控制方面的一个主要研究方向，目前已经在广泛应用在各类车辆上。当车轮出现抱死现象时，横向附着系数几乎为零，这意味着汽车即将会丧失行驶稳定性与转向控制能力，其潜在危险是极大的。这是因为当前轮出现抱死现象时，即使汽车能沿直线向前行驶，也会失去转向控制能力。因为丧失了保持前轮转弯时运动能力的横向附着力，汽车依旧会向原来行驶的方向滑行，这可能造成其冲入别的车道和迎面车辆相碰撞或者冲出了路面和障碍物相撞而造成严重的交通事故。如果后轮出现锁死现象，汽车的制动性能就会下降， 对横向外力抵抗能力就会减弱，当后轮稍遇外力（比如侧向风力或地面障碍物阻力）作用就会发生侧滑、甩尾等现象，甚至会出现 180转弯等危险现象。为了获得最佳的制动性能，采用车辆防抱死系统（ABS）就可达到这一目的，ABS 就是为了防止车轮制动时发生抱死而创建的。ABS 通过控制制动力矩，获得较大的减速度，同时又具备优良的抗侧滑能力，通过一个闭环反馈系统把车轮的滑移率维持在最佳滑移率的附近，使车轮具有良好的纵向附着力。在刹车过程当中，安装了 ABS 装置的汽车还能够利用方向盘来控制正常行驶，确保转向系统的功能，以发挥其转向功能来避开障碍物。采用电子控制技术（例如 ABS、SRS 等）的汽车不仅可以提高车辆自身的安全性能，还能够节约燃油、减少排放。汽车 ABS 是一种当代汽车行业中的电子控制装置，它能够按照驾驶者所发出的操作命令来执行相关的动作。汽车在行驶过程中受到控制力矩作用来使车辆停止，这是传统的汽车制动系统的功能。然而在大多数情况下会使车轮抱死，这时候一方面会造成汽车轮胎的严重磨损；另一方面会造成由于前轮的抱死而使车辆失去转向能力，而后轮的抱死就会产生侧滑现象，极其容易使车辆失去稳定性，这些情况都容易造成事故的发生。而安装了 ABS 装置的汽车，不仅可以使汽车在紧急刹车过程中车轮处于非抱死状态，有效地防止了后轮在制动过程中由于抱死而出现车辆侧滑甩尾等现象，提高了汽车制动方向的稳定性，而且可以有效地防止前轮因为抱死而失去转向能力，提高汽车躲避车辆以及前方障碍物的操纵性能和弯道制动时的轨迹保持能力，制动距离往往要比没有安装 ABS 的同类车型的车辆制动距离要短，因此可以得出 ABS 为一种有效的车辆安全装置。ABS 是在传统制动系统的基础上应用了智能电子控制技术，在制动时防止车轮抱死的一种技术。在制动过程中，ABS 就是一种能够提高制动减速度、缩短制动距离，防止车轮锁死，提高汽车制动安全性能，有效地改善汽车的方向稳定性与转向操纵性能的装置，目前在汽车行业中得到了广泛地运用。1.2 ABS的发展历程及研究现状ABS发展至今,其发展史大约可分为3个阶段。第一阶段，1930年至1950年这段时间是ABS诞生和起步的时期。制动防抱死系统起初并不是用在汽车上的,而是最先用在铁路机车上,用来防止火车轮胎制动抱死之后在铁轨上滑行使刹车距离延长,另外造成的局部摩擦,会使车轮、铁轨造成损坏与车轮不可以平稳转动从而产生噪音和振动。后来又将它应用在飞机上,来防止飞机着陆后可能造成的制动跑偏、甩尾和车轮的严重磨损,减短滑行距离。在30年代时，机械式防抱死制动系统便开始在飞机上受到了应用。由于飞机在制动中对方向稳定性要求很高,而ABS的造价占飞机总造价比重较小,机场的路面条件简单,利用尾部机轮能够精确测量到飞机速度,从而能够得到正确的滑移率,实现精准的控制等很多有利条件,使得ABS在飞机上的成功地应用,普及率很快得到提升,然后很快就成为飞机上标准的配备。第二阶段，ABS应用于汽车上始于上个世纪中叶,福特汽车公司首先将它配备在汽车上,这是汽车使用ABS的开端。1969年,林肯大陆牌111型汽车安装了由凯.海斯研发成功的奥托一林纳防抱死装置。装有ABS的汽车在光滑路面刹车时的确提高了稳定性,可是在路况欠佳的路面上制动时,它的制动距离比一般汽车的制动长,另外，由于ABS的体积大、质量大,造价高,销路窄，生产厂家终于在70年代中叶停止了配有ABS的汽车的制造。随着科学技术进一步的发展,欧洲方面随后研制得到由数字计算机组成的比较现代化的ABS。波许公司在1960年左右就开始了ABS的开发工作,在1978年正式制造出出ABSI型车辆防抱死制动系统,后来相继研发出把车辆防抱死制动系统和驱动力自动调节装置联合的ABS/ASR系统。第三阶段,西方国家研发出纯机械式的ABS且少量应用于汽车。到了1960年后,模拟电子技术开始应用于ABS,但因成本颇高,可靠性不够,未能在汽车上广泛使用。70年代后叶出现了数字电子控制的ABS,进而开启了现代ABS发展的新篇章。由于数字化和集成化,使得ABS的组件量大大减少,使成本降低了,可靠性也提高了,欧、美、日的汽车厂商逐步在汽车上应用了ABS。进入70年代后,通过电子技术的发展, 大规模集成电路、数字电子技术的发展与微机的应用,电子控制的ABS日益成熟,成本连续下降,而且质量轻、体积小且控制精度高,它的安全效果非常明显,受到人们的广泛欢迎,为它的迅速推广制造了条件。从20世纪80年代开始，ABS向着提高性价比的方向发展,ABS己经成为汽车上标准配备或选择装置。当今车辆防抱死装置多半是由电子计算机控制的,这也揭示了现代车辆制动朝电子化方向发展的一个趋向。基于滑移率的控制方法易于实现连续控制,并有十分系统的理论来指导,然而目前阻挠其发展的瓶颈便是实现的成本因素。随着价格更便宜、可靠性更高、体积更小的车速传感器的研发,使得将车速传感器加入ABS系统成为了可能,车轮滑移率的确定将变得快速而精准。全电制动控制系统BBW(Brkae一By一Wier)是未来制动控制系统的一个重要发展方向。和传统的制动系统不同,它传递的是电,而非液压油或者压缩空气,可以节省很多传感器与管路,同时缩减制动反应时间,方便改进且维护简单,为未来的车辆智能化控制提供了条件。但是,它还有很多的问题需要解决,比如驱动能源的问题,控制系统失效问题,抗干扰问题等等。如今电制动系统最初应用于混合动力制动系统的车辆上,主要采用液压制动与电制动两种制动系统。1我国在ABS方面最早的研究是从上个世纪80年代开始的。由于当时汽车工业技术水平发展不够，一开始的ABS技术都是从国外引进的。ABS的早期研究走的都是引进、研究消化、仿制、再创新的道路。2清华大学和重庆公路研究院以及位于长春的第一汽车技术中心等通过对博世公司产品的解析研究开发出了试验产品。但这些产品基本都用于科研试验和技术创新，很少实现商业化。总的说来，我国目前的ABS技术水平还处于相对落后的阶段。目前主流的ABS控制是基于逻辑门限的控制方法，此外还有PID控制、模糊控制、最优化控制等新领域等待人们去探索。本文主要研究的是PID控制方法。1.3 研究目的及主要内容本文主要目的是通过对于防抱死制动系统原理、自动控制理论、防抱死制动控制方法的学习，在simulink仿真平台下建立了车辆动力学仿真模型和不同控制方法的模型，开展模拟仿真研究，最后在现有硬件设备上对基于实时滑移率的ABS控制器进行演示。主要工作安排如下： （1） 单阐述ABS的研究背景意义，对ABS发展的历史与发展趋势进行一个介绍，简述国内现阶段在ABS控制理论方面的研究情况。 （2） 对汽车的制动过程及ABS的工作原理进行分析，介绍ABS的基本组成和布置方法。 （3） 根据所得的汽车运动方程与相关系统知识在Simulink平台上建立单轮的车辆动力学模型进行仿真研究。 （4） 分别介绍PID控制和模糊控制的原理，设计对应的控制方案。 （5） 在Simulink下根据不同控制方法构造不同模型，再和车辆模型联合实现模拟仿真，对比分析各方案以及在无ABS控制下的实测数据与控制效果，仿真的结果可以论证ABS能够有效地提高车辆的制动性能。 （6） 对全文工作进行总结并展望。1.4 本章小结本章对ABS的背景知识、研究意义、发展趋势、国内发展现状做了一个简要地介绍，使工作的目的和要求更加明确，并且对后期工作做了一个大概的规划，从而使读者明确了本文的一个结构框架，为文章的后续部分打下了基础。2 ABS 控制原理及系统结构2.1 制动过程理论分析2.1.1 制动中车轮受力分析车辆的制动过程实际上是地面摩擦力与制动力矩对车轮“阻碍滚动”与“保持滚动”的互相作用的过程。在汽车制动时，忽略掉滚动惯性力矩和阻力矩，其受力情况如图2-1所示： 在图2.1 中，半径为R 的轮胎在水平方向上以速度v 向前运动，其滚动轮速为R。在垂直方向，受到支撑车身的重力Mg 和地面的支持力N共同作用。沿着滚动反向上受到制动力矩 作用阻止车轮的滚动，与此同时会受到地面产生的摩擦制动力保持车轮的滚动2。在路面附着状况良好时，根据力矩平衡的公式可以得到：Error! No bookmark name given. （2.1）这代表此时地面的摩擦力与制动力矩和车轮半径的比值相等，所以在汽车制动的过程中地面的摩擦力有非常重要的作用。汽车轮胎在路面上的纵向运动有三种形式：转动、滑转和滑移。在路面附着状况良好的时候，地面的摩擦力能够克服制动力矩使轮胎保持着转动状态。随着制动力矩的增大， 地面摩擦制动力也会增大，但是地面摩擦力最大不可能超过车辆自身的质量在路面上所产生的最大附着力，即： m = = （2.2）式中的 为路面附着系数。 当制动力接近路面最大摩擦力时，地面摩擦力无法使得轮胎能够完全克服制动力矩来保持转动的状态，车轮与地面接触点之间便会出现相对位移但车轮仍然可以保持转动，此时便会进入滑转状态。当制动力达到或超过路面最大摩擦力后，地面摩擦力不足以保持胎转动，车轮便会发生“抱死”，此时进入滑移状态。汽车直线运动时，当车轮抱死便会遇到图2.2所示的情况： 2.1.2 滑移率与道路附着系数将轮胎与地面接触点的线速度定义为轮速。在上述过程中，随着制动力的增加，车速与轮速之间出现差值，车轮的运动状态发生“转动滑转滑移”的变化，转动成分慢慢减少，滑动成分慢慢增加。引入滑移率这样一个概念来表示车轮运动中转动所占比例，滑移率定义如下公式所示：3= （2.3）上式中，S代表滑移率， 代表车速，代表轮速；当车轮处于滚动状态时，=，S=0；当车轮处于抱死状态时，=0，S=100%；当车轮处于滑转状态时，即0S100%，并且，随着滑移率的不断增大，车轮的转动成分逐渐减小。轮胎附着系数 和滑移率S 的变化关系如图2.3 所示。由于车轮自身存在弹性， 滑转状态最早出现在滑移率为20%左右时，在此之前轮胎与地面之间存在的是静摩擦力，其大小随着相对滑移倾向的增加而变大。车轮发生滑转后，轮胎与地面间的摩擦力变成滑动摩擦力，而滑动摩擦力一定比最大静摩擦力小，并随着滑移率的增加而不断减小。车轮抱死之后不再能最大限度的利用路面附着力，这将会造成制动距离的大大增加，并影响制动性能。将车轮与地面间出现最大静摩擦力时的附着系数称为。 由上图可以看出，随着滑移率的增加，不仅纵向附着系数会下降，横向附着系数也会下降，当横向附着系数下降至一定程度时，车子便会对外界作用力失去抵御能力（如横向风）。另外，将附着系数为时滑移率定义为，当滑移率属于（0，）区间时，制动过程比较稳定，把它称作稳定区间，滑移率属于（，1）区间时，制动过程的稳定性差，将其称作不稳定区间。 如图2.4和大量道路的试验研究数据所示，由于路况、材料不同，各类路面附着系数和滑移率关系的曲线也不相同。然而在各路面上，滑移率随道路附着系数的变化基本一致：侧向附着系数则由滑移率增加不断减小，同时纵向附着系数随滑移率增加而先上升后下降，附着系数峰值为，且不同路面的值都不相同，但是一般都在滑移率取值为0.2附近区间。所以在不同道路条件下进行ABS控制时都可以采用相同的控制策略，但这需要根据路面的具体状况选择合适的值来进行控制。2.2 ABS 控制原理由图2-3与2-4可知，在车辆制动时，当滑移率落于（0，）区间时，车辆处于稳定状态，当滑移率落于（，1）区间时，车辆处于滑转的不稳定状态，此时车轮的横向附着力与纵向附着力都会降低，甚至会失去稳定制动与转型能力。所以，ABS设计的一个主要目的便是使车辆的滑移率落于（0，）的稳定区间内，让车子保持较大的纵向附着系数与侧向附着系数，与此同时，还要保证汽车平稳的制动能力和转向能力。通过对传感器采集的数据的处理，ABS控制器可以计算出每个轮胎的滑移率，当得到的数据不在理想的制动区间或者是有此倾向时，ABS系统可以调整制动压力，将其重新落于理想的制动区间；当所得的数据落于理想的制动区间时，可以维持或者小幅度的增加制动压力，以使得到最优的制动效果。通过这样一个不断的循环过程，来使车辆获得最大的稳定性和制动效率。2.3 ABS的基本组成与结构2.3.1 ABS的分类在ABS的发展过程中，系统主要有两种结构，简介如下： （1）机械式ABS：初期的ABS一般都是这一类型。机械式ABS依托安置在轮毂中的，由惯性飞轮与随车轮速度变化的轴向位移设备一起构成的轮速传感器检测轮胎有没有抱死。同时，轴向位移设备可用来调节施于制动管线上的起制动作用的压力，用来实现轮胎抱死时对制动压力进行调整。机械式ABS的结构简易，然而应用场合非常有限，且制动效果不佳，实际情况和预定工况略有不同都将可能造成ABS失效，故而此类结构已经渐渐被淘汰了4。 （2）电子式ABS：差不多所有目前主流的制动产品都隶属于此类。对电子式ABS而言，核心的控制元件和传感元件都被电子元件所代替，其探测精度较高，控制相对灵活，比机械式易于调整得多。按照制动系统能量的来源和传输方式分类，电子式ABS还能够分为气压式ABS、空气液加力式ABS和液压式三种。液压式通常可用于轿车与轻型汽车，而气压式与空气液加力式一般主要用于四轮载重都相对较大的车，例如中、重型载货汽车等等5。 2.3.2 ABS的基本组成不管是气压式ABS还是液压式ABS，它们最基本的组成单元都是类似的，但在制动压力的调节上选取了不同控制方案。几乎全部ABS都可认为是在传统的无反馈的制动系统基础之上增添了车速轮速传感器、电子控制器(ECU)以及制动力调节机构等构成的反馈控制系统。ABS的基本结构如下图2.6所示。 （1）轮速传感器 车速和轮速是构建车辆防抱死控制系统所必需的的实时参数，一般靠车载电子传感器得到这两个信息。二者之中，车速传感器由于精度要求很高并且在车体内部达到对于实时车速的准确测量相对困难且成本较高，故而只用于少数高端车型。如今大部分汽车安置的ABS系统仅安装了轮速传感器获得实时轮速，再通过峰值连线法、最大轮速法、斜率法等方法估算出参考车速从而进行控制 67。 （2）电子控制单元(ECU) 电子控制单元(ECU)是ABS系统核心的部分， ECU根据从传感器接收到的信息，算出轮胎的运动情况和抱死趋势。依照这些数据来调节制动系统并改变给轮毂施加的制动力，从而保证动力输出的最大化并保持轮胎处于滚动状态。 现代ABS的电子控制单元通常都由16位单片机来实现，为了对于汽车制动过程实现有效的控制，它应该具备以下基本特征：超高的运行速度及计算能力、输入端口具有较高的频率响应捕捉率、高工作可靠性并有冗余备份 8。 （3）制动压力调节单元 制动压力调节单元是ABS中的重要组成，它将信号转为实际的制动压力变化，也是最终执行机构。气压制动系统和液压制动系统分别通过改变制动气室气体压力和调节制动液流量的方式调整制动力的大小9。2.4 本章小结本章解释了车轮在制动中的受力情况，认识了车轮滑移率与道路附着系数之间的变化关系，从而从原理上ABS制动存在的必要，此外，还探索了ABS的分类与基本组成，为后续章节奠定了基本知识。3 ABS控制策略3.1 ABS控制策略概述如今应用普遍、成熟的ABS产品采用的都是逻辑门限值控制法。该方法易于实现，技术成熟且可靠性好，然而其控制参数确定困难，需要大量试验数据的积累和调试，另外该方法本身由于门限值的存在，南与控制微小的变化，从而整个控制过程缺乏平稳性。经过长时间来的发展，这一方法的潜力已经得不到更大延拓。因而，目前国内外对于ABS的研究主要转移到滑移率控制上。基于滑移率的控制方法将滑移率作为主要指标，应用现代控制理论，通过实时追踪滑移率变化并及时调整来实现防抱死制动控制。本章将重点介绍基于滑移率的PID控制、模糊控制等控制方案原理及设计。3.2 PID控制3.2.1 PID控制的基本原理现代自动控制技术主要基于反馈调节，包括测量、比较以及执行等3个方面。对关注变量进行测量，和期望比较得出误差，再用所得误差来调整系统响应。 PID 控制的优点是不依托系统的数学模型，其控制原理简单，易于实行，对应用场合没有太多的限制，适用范围十分广泛。 PID 控制器中的控制量u 和误差e 有如下传递函数：10 （3.1）式中：-控制量u的拉普拉斯变换； -控制量e的拉普拉斯变换； ，-比例（P）系数，积分（I）系数，微分（D）系数PID控制的原理框图如图3.1所示： 在闭环控制系统中，控制量u 由误差e 的比例、积分、微分部分线性组合而成，三种分量分别具有着对于系统不同意义的调节作用。误差e 通过给定值r(t)和实际值y(t)相减得到。为了用于进行计算机仿真和电子控制器的设计，将连续的PID 控制律离散化后可得： （3.2）式中：-控制量初值；控制量； 控制误差；-比例积分系数；-积分时间常数；-微分时间常数；采样周期；当取的采样周期值足够小时，即离散化之后的连续数值逼近系统便能够达到和模拟连续系统相比拟的控制精度。采用数字化的PID 时，由递增规律得： （3.3）式中：=-微分系数； =-积分系数；-比例系数；3.2.2 PID控制器设计PID控制实际上是根据误差对系统进行调整的反馈控制过程，其控制效果决定于比例系数、微分系数、积分系数三者的共同作用。这三个系数的设定对于系统控制作用分别如下： (1)比例(P)：使系统响应加快，克服过程中产生的扰动，但将导致系统会出现稳态误差、使系统稳定性下降； (2)积分(I)：消除系统稳态误差，但会加强系统震荡倾向，延长调整时间； (3)微分(D)：缓和系统变化趋势，减小震荡，提高系统动态性能211。 用得较多的PID参数调整方法有： (1)理论计算：当控制系统数学模型存在时，可根据相关理论计算来得出控制参数，然而这种控制参数一般不能直接采用，还需要根据实际应用情况来调整修改； (2)试凑法：参照系统的简易响应模型，例如衰减频率特性、瞬态响应模型等等，根据PID调节规律及工程实际经验反复调试，直到获得达到要求的最佳控制效果； (3)参数自寻优整定：选择一个既能反映系统动态特性的，又能反映其稳定特性的函数当作目标函数，用不同的算法来改进目标函数从而使函数得到最小输出值以实现最佳的控制效果。3.2.3 PID控制器的局限性PID控制的原理简单、易于实现，无需依托系统模型来进行控制，然而其缺点也显而易见，一组参数往往只对单一工况有效，不同情况下需要设定完全不同的参数，系统鲁棒性不好且参数设定过程缺乏有效的理论指导，完全依赖于多次重复调试，不适合变路况系统和复杂系统。如果增加额外的参数匹配方法又会从另一方面提高系统复杂性和降低可靠度。3.3 模糊控制模糊控制（Fuzzy Control）乃是基于模糊逻辑推理、模糊集理论以及模糊语言变量的一种智能的控制方法，它从行为上来模防人的模糊推理与决策过程。模糊控制为一类非线性的智能控制，它在多目标系统、大规模系统、非线性系统及一些没有合适传感器来检测的系统中拥有理想的控制效果。尤其是模糊控制系统具有很强的鲁棒性，干扰和参数变动对控制效果的作用被大大减小，特别适用于非线性的、时变和纯滞后系统的控制。这一方法最初是将专家或操作人员的经验编集构建模糊规则，再对来自传感器的信号进行模糊化处理，然后将模糊化以后的信号当做规则的输入，进而完成模糊推理，最后把推理后所获得的输出量传递给执行器。模糊控制系统和一般的计算机数字控制系统最主要的差别便是应用了模糊控制器。一般来说，模糊控制系统的核心是模糊控制器，对一个模糊控制系统来说，其性能的优劣大部分取决于所选择的模糊控制器的结构和所用的模糊规则，合成推理算法以及模糊决策的方法也有很大影响12。3.3.1 模糊控制器及其组成模糊控制也是计算机数字控制形式中的一种，它具有数字控制系统的一般结构形式，其系统框图如图3.2所示。 1.模糊化接口(Fuzzy Interface)对模糊控制器而言，其输入必须被模糊化才可以用来控制输出，因此，实际上对模糊控制器来说，它只是输入接口，其主要用途是把一个定量输入转化为模糊矢量。以模糊输入量 e为例，它的模糊子集一般能够按划分如下：13 e负大，负小，零，正小，正大NB , NS , ZO , PS ,PB e负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 NB , NM , NS , ZO , PS , PM ,PB e负大，负中，负小，零负，零正，正小，正中，正大 NB , NM , NS , NZ , PZ , PS , PM ,PB把方式用三角形隶属度函数如下表示： 2.知识库(Knowledge Base，KB) （1）数据库（Data Base，DB） 数据库存放的是全部输入和输出变量的所有模糊子集的隶属度矢量值（指讨论域等级经过离散化处理之后所对应的值的集合），如果讨论域是连续域，便是隶属度函数。在推理所使用的模糊关系方程的求解过程当中，提供数据至推理机。 （2）规则库（Rule Base，RB） 模糊控制器规则库是依托于专家的知识或者手动操作人员长时间积累的经验，它是一种依据人的直觉推理的语言表示方式。模糊规则往往由一系列的关系词相连而成，例如if-then ，else，also ，end ，or 等，关系词只有通过“翻译”才可以把模糊规则数值化。用的最多的关系词是 if-then ，also ，对多变量模糊控制的系统来说，还有 and 等。比如，某类模糊控制系统的输入变量是e（误差）与ec（误差变化），它们所对应的语言变量是 E 与EC，给出一组模糊规则如下所示： R1:IF E IS NB AND EC IS NB THEN U IS PB R2:IF E IS NB AND EC IS NS THEN U IS PM 一般把 if 部分称作“前提部”，then 部分叫做“结论部”，它的基本结构能够归纳成 If A and B then C，当中 A 是讨论域 U 里模糊子集中的一个，B 为讨论域 V 里模糊子集中的一个。按照人工控制的经验，可以离线组织它的控制决策表 R，R 为笛卡尔乘积U 里模糊子集中的一个，故而某时刻它的控制量按照下式计算可得1819 上式中，是模糊直积的运算，是模糊合成的运算。规则库存放所有的模糊控制规则，在推理时提供控制规则至“推理机”。按照上述知识可得，规则的数量跟模糊变量的模糊子集划分情况有关，划分越细致，所得条数越多，但并不表示规则库的准确性越高，规则库的准确度还在一定程度上取决于专家知识的准确度。 3.推理和解模糊接口（Inference and DefuzzyInterface） 推理乃是在模糊控制器中，按照输入模糊量，查询模糊控制规则来实现模糊推理以求解模糊关系方程，同时求得模糊控制量的功能那部分。在模糊控制之中，考虑到推理时间，一般选择运算较简单的推理方法。最常用的有 Zadeh 近似推理，主要包含正向推理与逆向推理两种。正向推理经常在模糊控制中使用，然而逆向推理往往用在知识工程学领域的专家系统当中14。得到推理结果则表示模糊控制规则的推理功能已完成。可是，到这里所得到的结果依旧是一个模糊矢量，不可以直接当作控制量，还需要进行一次转换，获得确定的控制量输出，这就是解模糊。一般把输出端具备转换功能的部分叫做解模糊接口。3.3.2 模糊控制器的结构模糊控制分成单变量模糊控制与多变量模糊控制，其中单变量模糊控制又可以分为以为模糊控制器，二维模糊控制器和多维模糊控制器。本文所选择的是单变量的二维模糊控制器。如图3.4所示：在二维模糊控制器中，两个输入变量一般都选用受控变量值和输入给定值的偏差e以及偏差变化ec，因为它能够较真实地反映受控过程之中输出量的动态特征，因此，控制效果要优于比一维控制器，也是眼下广泛应用的一类模糊控制器14。 3.3.3 模糊控制器的设计构建模糊控制器最容易的方法是，将需要的模糊控制规则离线转换为一个查询表（或称作控制表），存储于计算机中以便在线控制时使用。此类模糊控制器不仅结构简单且使用方便，是一种最基本的形式 。模糊控制器的一般设计主要包括 5 个步骤：模糊控制器结构的选取、模糊规则的选择、敲定模糊控制器模糊化及解模糊化的方法、确定模糊控制器的参数、编写模糊控制的算法程序14。3.4 本章小结本章先从整体上大概的介绍了一下ABS的控制策略，然后从原理上介绍了一下本文所采用的两种ABS的控制方法，即PID控制和模糊控制。为之后的控制器设计选定了方向。4 汽车动力学模型的研究与建立4.1 汽车建模理论汽车是由许多不同的模型耦合在一起的复杂共同体，要通过一个模型来反映汽车各方面的指标是很困难的，有时候在研究车辆动力学性能时需要精确和完整的模型，而大多时候，为了研究的有效性，可以提出某些主要特征来建立简化的模型。本文主要是为了验证ABS控制算法的有效性和可行性，所以可以选择相对较简单的单轮汽车模型来进行探究。4.2 车辆系统模型由于本文主要为了研究在ABS的作用下车轮转动的变化情况，所以选择了相对来说比较简单的单轮模型，由2.1.1节中车轮的受力分析可得如下：15车辆运动方程： （4.1）车轮运动方程： （4.2） 车轮纵向摩擦力： （4.3）滑移率计算公式： （4.4）上述公式中：为轮胎转动惯量，为轮胎有效的转动半径，M为车辆总质量，Tb是作用于车轮的制动力矩，是车子的行驶速度，为车轮转速，Fs为车轮所受的纵向摩擦力，N为地面对汽车的支持力。将上述方程整合可得在simulink平台下的单轮模型如图4。1所示： 4.3 车轮轮胎模型单轮车模型的主要作用便在于通过分析制动或驱动时轮胎的转动状态来研究车辆的运动情况。因此，在单轮车模型下，建立一个有效、可靠、有代表性的轮胎模型可用于分析研究是非常重要的。 从动力学角度分析来看，车轮模型是车轮所受的制动力矩，回正力矩，摩擦力等外力作用以及轮胎自身特征等因素综合考虑所得的函数关系式。而其中所受的外力分别由重力载荷、滑移率、侧倾侧偏角、附着系数等因素决定，轮胎自身特征和磨损程度、形变系数等有关16。轮胎模型通常可分为理论模型与经验模型。理论模型经过透彻的剖析以及精确的数学公式描述车轮运动时各种力造成的变化，它是一个在自身变形和外力共同作用下复杂的函数关系模型；经验模型则是通过对大量车轮在不同的工况下的实测数据经过数学分析、方程拟合后建立的可以相对准确反映车轮力学特征的公式。本文选用的是双线性模型，在simulink平台下，可得其在高、中、低附着系数路面上的仿真模型如下： 4.4 制动系统模型 制动系统主要分为气压制动系统和液压制动系统，本文选择液压制动系统为原型建立模型，并将之分为刹车机构模型和液压传动模型两部分。大量实验数据和参考文献都说明，对于任意车辆制动系统，输出制动压力和实际作用于车轮的制动力矩间通过固定的比例系数k 进行转化，该系数由不同车辆的的不同制动系统结构所决定，则输出制动压力与制动力矩函数关系为： （4.5）上式中,为制动力矩，为需要克服的回位压力。参阅文献得，相应的制动器模型如图4-3所示： 输入的制动控制信号取值范围为-1，1；输出制动力矩随着制动控制信号变化而变化，比例系数k的取值 以及设定的系统最大制动力与输出有关。4.5 本章小结 本文根据物理和数学理论知识，对汽车系统进行了简化的建立模型，在simulink环境下，为车辆系统，车轮轮胎，制动系统分别建立了模型，为下一章节的PID控制和模糊控制模型的建立做好了准备工作。 5 ABS的设计与仿真5.1 车辆系统模型 将之前所建立的汽车的单轮动力学模型与所涉及的ABS控制系统相连接就能得到可用于仿真的ABS车辆模型。其中。以下有几点需要注意：5.1.1 输入输出信号 根据基于滑移率的ABS控制原理，对于任意基于这一原理的控制器，它考察的偏差量为系统实时的滑移率和理想滑移率间所存在的误差，将该误差定义为e，其计算公式为2： （5.1）上式中，S是实时滑移率，是理想滑移率，实时滑移率能按（2.3）求得。因为有第二章=0.2，所以当时，。控制系统输出的是辅助制动信号，他与模拟踏板输出的制动信号共同作用于车子，已知输入的制动信号的取值范围是0,1，当紧急刹车时由于驾驶者的紧张情绪，所以我们设定S始终为1。5.1.2 参考车速估计式(2-3)中的为车轮角速度；为实际车速。实际应用时车轮角速度能从安置在轮毂上的轮速传感器中得到。不同于车轮角速度，车速通常并非由传感器直接获得，而是通过轮速依据一定算法估算而得。早期的ABS因为电子技术发展有限，故无法通过传感器获得车辆实际行驶速度，因此只能采用轮速对车速进行估计；随着科技发展，现代技术已经可以制造出能够准确测量车速的传感器，然而由于成本较高，不适于应用到ABS中。因此，现代ABS控制系统中仍然很多采用通过轮速估算实时车速的方法，主要有：斜率法、最大轮速法、综合法。在本文中，我们采用的是综合法。17综合法是将斜率法和最大轮速法结合起来。在制动开始阶段同斜率法一样获取初速度v0 以及平均减速度a，通过式 （5.2）算出实时参考车速。并通过传感器获得四个车轮实时的轮速，取四者中的最大值作为当前时刻所需的轮速。如果某一时刻最大轮速比计算所得参考车速大，便用该最大轮速替换初始速度 重新用式(5.2)计算之后的参考车速，如此循环往复直到车辆停止。20具体的综合法作用过程如图5-1 所示： 综合法结合了之前两种方法的优点，但是他还是依靠路面附着系数进行工作的。5.1.3 多路面参数及车体参数根据不同路面的特点，分别建立了高附着系数、中附着系数、地附着系数三种参数的路面进行仿真。其中，高附着系数路面代表近似