基于参数控制的汽车ABS simulink仿真.doc

毕业设计 论文 基于参数控制的汽车制动 ABS 仿真 THE SIMULATION OF ABS VEHICHE BRAKING BASED ON THE CONTROL OF PARAMETERS 2008 年 6 月 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 页 毕业设计 论文 任务书 班 级 车辆工程五班 学生姓名 刘斌 学 号 20041355 发题日期 2008 年 3 月 5 日 完成日期 2008 年 5 月 15 日 题 目 基于参数控制的 ABS 仿真 1 本论文的目的 意义 车轮抱死是汽车在制动过程中经常遇到的问题 车轮抱死 一方面会造成轮胎的严重磨损 另一方面也会导致汽车在制动过程中丧失方向稳定 性 前轮抱死会使汽车丧失转向能力 后轮抱死则会使车辆产生侧滑 而防抱死制动 系统 ABS 系统 Anti lock Braking System 的引入使制动过程中车轮处于非抱死状 态 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 过程中的方向稳定性 同时可以防止前轮抱死而丧失转向能力 目前模糊控制在汽 车防抱制动中的应用也是越来越广泛 对其的研究也是 ABS 的一个重要方面 同时 针对不同参数进行控制会给 ABS 系统的控制效果带来非常严重的影响 2 学生应完成的任务 车辆工程专业课程设计 学习和掌握 MATLAB Simulink 建模和计算分析方法 根据制动过程中车辆的运动状况建立各子系统的数学模型 建立 ABS 控制模块的数学模型及相应的仿真模型 利用建立的数学模型在 MATLAB Simulink 环境下建立仿真模块 将各子系统的 MATLAB Simulink 连接成一个整体模块 对仿真模型进行调试仿真试验 分析得出的结果 改变仿真模型中相关参数的设置 比较对仿真结果的影响 撰写设计说明书 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 页 3 论文各部分内容及时间分配 共 12 周 第一部分收集资料及调研 1 周 第二部分学习并运用 MATLAB Simulink 下进行仿真设计 1 周 第三部分建立 ABS 仿真模型 2 周 第四部分在 MATLAB Simulink 下进行仿真设计 2 周 第五部分对模型进行仿真试验 3 周 第六部分对仿真结果进行评价分析 2 周 评阅及答辩 1 周 备 注 专业课程设计文档另附 指导教师 年 月 日 审 批 人 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 页 摘 要 汽车防抱死系统 ABS 是一种在制动时能够自动调节车轮制动力 防止车轮抱死 以取得最佳制动效果的制动系统 该系统能够有效的缩短制动距离 提高制动时的 方向稳定性 对汽车的行驶安全具有重要的意义 本论文是为开发基于计算机仿真的汽车 ABS 系统进行建模与模型相关参数影响 的研究 本文首先对汽车防抱死系统作了理论分析 通过对车辆制动过程进行动力 学分析和 ABS 工作规律的分析 建立了适合于计算机仿真的车辆动力学模型 其中 包括整车系统模型 车轮模型 制动器模型 路面模型和防抱死控制模型 为达到 仿真可行性与可信度的统一 本文对模型做了合理简化 另外 本文对汽车制动防 抱死系统基本原理和结构进行了分析 比较了各种控制方法 对逻辑开关控制和 PID 控制进行了建模 利用 Matlab Simulink 建立各个模型的仿真模块 通过仿真实验得到车速 轮 速滑移率 制动距离曲线 并将仿真结果与无 ABS 作用时的制动结果比较 得到了 比较满意的结果 为整车的动力学仿真平台建立打下了基础 利用 Matlab Simulink 对模型进行分析 分别研究了基于高附着系数与低附着系数路面 上 ABS 系统参数的影响 找出主要参数之间的关系 得出如下等结论 1 制动压力的变化频率越大 制动过程车轮越不容易产生抱死 改变制动力的 变化频率大小时 制动距离不会有明显的变化 2 在 ABS 正常工作范围内改变制动压力增益对制动效果的影响较小 通过增大 制动力增益并不能有效地降低制动距离 3 在低附着系数路面如疏松积雪路面上和结冰路面上 滑移率在达大约 0 1 1 0 时 地面附着系数变化不大 在该工况下 防抱死系统不能像在高附着 系数路面上一样能迅速表现出显著响应 但由于制动距离基数一般较大 所 以 ABS 起到的较低制动距离的作用依然可观 更重要的是保持了方向稳定性 综合上述内容 本文基本完成了汽车动力学模型的建立并进行了防抱死仿真研 究 关键词 汽车防抱死 建模 滑移率 仿真 因素影响 汽车专业毕业设计 论文 第 VIIVII 页 Abstract Anti lock braking system ABS is a kind of device which can regulate the wheel s braking force automatically prevent the wheels from locking and acquire the best effect during braking This device is significant to steering safety What the paper focuses on is the basis of development of the ABS system based on computer simulation First of all the theory of ABS was expounded by analyzing the dynamic of ABS braking course and working rule it was established simulation models of ABS including vehicle system model tire model braking system model road model ABS control model All the models are modestly predigested to reconcile simulation feasibility and reliability It studied the basic principle and construction of ABS then compared several control methods of ABS and contributed logic control model and PID control model Then the simulation modules was established by using Simulink the simulation results of wheel velocity and vehicle body velocity wheel slip ratio the results of simulation were compared with the results of braking without ABS were satisfied Using Matlab Simulink to analyze the models established it studied the relationship of parameters base on higher adherence and lower adherence road It was found the relationship among parameters in the models for examples 1 The brake index affects the braking time greatly the bigger the frequency of brake pressure change the more difficult the wheel lock appear changing the frequency of the braking force cannot shorter the braking distance effectively 2 It cannot effectively decrease the baking distance by rising braking force when ABS is working normally 3 On lower adherence road such as loose snowy road and icy road when slip ratio reach to 0 1 1 0 the adherence has not been changed drastically In this situation ABS cannot decrease the baking distance as fast as the higher adherence road But as the braking distance usually is very long so the effect of ABS is remarkable also The most important thing is that it can keeping the direction stability 汽车专业毕业设计 论文 第 VIIIVIII 页 In summary single wheel vehicle dynamics models are set up and the simulation result is reliable KeywordsKeywords Automobile Anti lock Braking System Establishing Model Slippage rate Simulation Factor Analysis 汽车专业毕业设计 论文 第 IXIX 页 目 录 第 1 章 绪 论 1 1 1 国内外 ABS 技术的发展历史和现 状 1 1 1 1 ABS 技术的发展和应用 1 1 1 2 ABS 的发展方向 2 1 2 本论文的研究内容 3 第 2 章 ABS 原理 结构和控制方 式 4 2 1 汽车防抱死制动控制的基本原理 5 2 2 汽车防抱死制动系统的基本结构 6 2 3 ABS 的几种控制方式 6 2 3 1 基于车轮角加速度控制 6 2 3 2 基于滑移率控制 7 第 3 章 汽车 ABS 系统建 模 11 3 1 单轮车辆模型 11 3 2 轮胎模型 11 3 3 制动系统模型 15 3 4 路面模型 16 3 5 控制模型 17 3 5 1 逻辑开关控制方式 18 3 5 2 PID 控制方式 19 第 4 章 仿真模型的建立及仿真分 析 23 汽车专业毕业设计 论文 第 X X 页 4 1 滑移率仿真模块与车速和车轮角速度的计算 23 4 1 1 滑移率计算仿真模块及其分析 23 4 1 2 轮角速度的计算 24 4 1 3 车速的计算 24 4 2 车轮受力仿真模块及个参数对模块影响因素的分析 26 4 2 1 建立车轮受力仿真模块 26 4 2 2 仿真结果分析 27 4 3 车辆系统仿真模块及其各参数对模块影响因素的分析 28 4 3 1 建立车辆系统仿真模块 28 4 3 2 仿真结果分析 28 4 4 路面仿真模块及其分析 29 4 5 建立整体仿真模 块 32 4 6 ABS 仿真试验及其分 析 34 4 6 1 基于高附着系数路面的制动效果对比实验 34 4 6 2 基于高附着系数路面的 ABS 参数影响实验 37 4 6 3 基于低附着系数路面的制动效果对比实 验 42 第 5 章 全文总 结 45 致 谢 47 参考文 献 48 附 汽车专业毕业设计 论文 第 XIXI 页 录 50 汽车专业毕业设计 论文 第 1 1 页 第 1 章 绪论 1 1 国内外 ABS 及其检测技术的发展历史和现状 汽车是当今世界最主要的交通工具之一 而汽车运输的安全性 经济性和 舒适性是人们所关注的焦点 汽车的制动性能是表征汽车行驶安全性的一个主 要指标 重大的交通事故往往与制动距离过长和紧急制动时发生侧滑等情况有 关 随着汽车拥有量和汽车平均行驶速度的不断提高 交通事故给人们带来的 危害日益严重 研究和改善汽车的制动性能成为汽车设计与开发部门的重要课 题 在汽车制动过程中 ABS 会自动调节车轮轮缸的制动压力 把车轮滑移率 控制在一定范围内 防止车轮产生抱死 达到提高汽车制动过程中的操纵稳定 性 并缩短制动距离的目的 ABS 是随着汽车技术和计算机技术的发展而发展 的 而 ABS 的检测技术随着 ABS 的发展自然而然地发展起来的 1 1 1 ABS 及其性能检测技术的发展和应用 1 l 1 1 国外的发展和应用情况国外的发展和应用情况 ABS 最早应用于铁路机车和飞机上 后来才应用于汽车上 最早官方记录 的 ABS 是英国在 1932 年发布的专利 382241 名称是 制动时防止车轮压紧转 动车轮的安全装置 到了上世纪 40 年代末 ABS 被用在波音飞机上 由于 ABS 占飞机成本的比例很小 机场的路况比较单一 可以测量瞬时制动轮胎滑移率 所以 ABS 的应用在飞机上得到了非常大的成功 普及很快 它是客车 ABS 设计 的基础 1951 年 Goodyear 航空公司将 ABS 装于载重车上 1954 年 ABS 被应用 到装备有动力制动系统的林肯 L incoln 车型上 上世纪 60 年代应用电磁阀传 感器检测车轮转速和上世纪 70 年代电子技术和大规模集成电路的应用 使得 ABS 有了很大的发展 1975 年由于美国联邦机动车安全标准 121 款的通过 许多重型卡车和公共 汽车装备了防抱死制动系统 但是由于制动系统的许多技术问题和卡车工业的 反对 在 1978 年这一规则被撤消了 在这一时期之后美国对防抱死制动系统的 进一步研究和设计工作减少了 可是欧洲和日本的制造厂家继续精心研制防抱 汽车专业毕业设计 论文 第 2 2 页 制动系统 由于美国进口车装备有防抱死制动系统 美国汽车制造厂对美国汽车市场 上的 ABS 显示出新的兴趣 微电子技术的进步有助于美国国内汽车厂研制更可 靠的系统控制装置 由于这些进步 1987 年美国大约 3 的汽车装备有非常可靠 的防抱制动系统 根据有些汽车工业分析专家预言 到上世纪 90 年代中期世界 市场上的大多数汽车和卡车将装备 ABS ABS 在国外从上世纪 80 年代开始得到广泛的应用 到目前已是一种较成熟 的技术 ABS 检测分为装车检测与零部件检测两类 装车检测方法有道路试验 方法 室内实验台架模拟试验方法等 目前室内检测方法还不能完全代替道路 试验 零部件检测方法可分为静态与动态两种 静态主要是检测元器件的一些 电参数 动态有计算机仿真检测等 1 1 1 2 国内的发展和应用情况 计算机实时硬件闭环模拟系统是上世纪 80 年代随着计算机技术的发展而兴 起的一种新的研究车辆动力性 制动性等性能的方法 可将 ABS 控制器 ECU 软 硬件置于由计算机组成的实时模拟环境中 构成一个闭环控制系统 在车辆系统 中用计算机模拟车辆模型 采用数值方法计算车辆动力学性能 将计算值通过 I O 接口变成实际的模拟物理量输出给控制器 使控制器控制环境就像在实际 汽车上的环境一样 可以在试验条件下进行各种模拟计算 试验条件可以控制 试验可以大量地进行 可以对控制器的控制方法进行大量研究 建立车辆制动 模拟系统主要是用仿真模型来模拟道路试验 探索车辆的制动性能 研究有效 的控制规律 过去 ABS 试验都是在道路上进行 耗费大量的人力物力 近几年 计算机硬件模拟系统的发展 逐步将道路试验转变为室内试验 有些学者开发 的仿真实验平台主要是进行 ABS 辅助开发 主要采取道路试验方法进行 ABS 性 能检验 本研究开发的 ABS 性能检测系统 通过对 ABS 控制器的仿真 来代替 ABS 道路试验 具有一定的创新性和实用性 1 1 2 ABS 的发展方向 目前 ABS 系统需要进一步完善系统技术性能 降低成本 提高元器件可 靠性和整个装置的价格性能比 主要措施如下 汽车专业毕业设计 论文 第 3 3 页 1 提高硬件技术 在传感器技术方面 可在原来基础上开发和改进传感器 如零频率轮速传感器 横摆动角速度传感器等 在电磁阀方面 应进一步改进 电磁阀的磁路设计和结构设计 提高电磁阀的响应速度 并防止卡阀现象 2 提高软件技术 进一步开发适应复杂情况的控制软件 能够对汽车瞬态 运动状况进行精确定量分析 计算和控制 3 提高集成度 随着微电子技术的发展 采用 16 位 CPU 或 32 位芯片 并 使整个电子控制系统从分散到集成 减少控制系统的体积和质量 4 优化控制方法 随着传感器技术和车用微机控制技术的发展 各种现代 控制算法必然将取代目前使用的基于车轮加 减速度逻辑门限以及参考滑移率 的方法 1 2 本论文的研究内容 本论文主要开展以下几方面的研究 1 建立车辆制动动力学模型 1 建立车辆动力学系统模型 通过对车辆系统的简化并进行力学分析 建立车辆系统模型 建立了车轮 减速度与制动力矩和路面附着系数之间的关系 2 建立车轮模型 轮胎的滑移率是 ABS 逻辑控制中的一个重要控制量 本论文通过对干沥青 路面 潮湿泥路 疏松积雪路面和结冰路面等有代表性路面进行研究 建立路 面附着系数与轮胎的滑移率之间的关系模型 3 建立制动系统模型 建立制动器力矩与制动压力之间的关系模型 该制动系统模型将考虑由于 制动器中各机械部件间存在的间隙 摩擦等因素而造成的制动器滞后强非线性 动态特性等 4 建立路面模型 汽车专业毕业设计 论文 第 4 4 页 对于路面模型 分别对附着系数跳变路面 附着系数分离路面 附着系数 交错路面和附着系数棋格交错路面进行研究 5 ABS 控制模块 对车轮加速度控制方法和基于滑移率控制方法等防抱死系统制动过程控制 方法进行了介绍 2 模型中各因素关系影响的研究 l 利用 Matlab Simulink 软件对所建立的模型在计算机中分别建立车轮受 力模块 车辆系统模块 车轮模块 制动器模块和路面模块等 2 连接各个模块 建成一个基于 Matlab Simulink 系统的整体连接仿真模 块 并可以生成一些相关参数之间的曲线改变模块中相关参数 进行参数对仿 真系统的影响研究 通过相关分析 验证本文所用的模型的正确性 汽车专业毕业设计 论文 第 5 5 页 第 2 章 ABS 原理 结构和控制方式 2 1 汽车防抱死制动控制的基本原理 ABS的基本控制是通过传感器监测制动过程中车辆的制动状态 有电子控 制单元对个车轮轮速 参考车速 加减速度及滑移率等重要参数进行计算 分 析 比较 根据这些参数对制动压力发出增压 保压或减压的控制指令 驱动 调节器调节制动压力来控制汽车制动过程中的车轮运动状态 使车轮保持在最 佳制动状态 获得最佳制动效果 在制动过程中 车轮所受到的地面制动力和滑移率的关系见图 2 1 图中不 同的 Fx 或 Fy 线代表不同的路面 图 2 1 制动力 滑移率曲线 滑移率的定义 1 R s v 2 1 式中 滑移率 车身速度 m s 车轮速度 rad s R sv 车轮半径 m 时 车轮处于纯滚动状态 O s 100 时 车轮处于边滚边滑状态 0s 汽车专业毕业设计 论文 第 6 6 页 s 100 时 车轮处于抱死状态 车轮抱死是一种不稳定的危险工况 汽车防抱 死制动系统是一种防止汽车车轮在制动时抱死的装置 为了防止车轮在制动时 抱死 首先 ABS 通过轮速传感器检测车轮的状态信号 把轮轮状态信号传给电 子控制单 ECU ECU 通过计算判断车轮的状态后 向制动压力调节器发出控制 指令进行控制 压力调节器通过调节轮缸压力控制地面制动力的大小 使车轮 不会处于 s 100 的抱死状态 并且保持 S 在 20 30 左右的峰值附近 以得 到汽车的最佳的制动效果 2 2 汽车防抱死制动系统的基本结构 图 2 2 ABS 基本组成 由图 2 2 可知 一般的 ABS 系统主要由中央控制器 压力调节器 电磁阀 轮速传感器 警示灯以及一些控制继电器组成 车轮转速传感器一般为电磁感 应式 通常安置在被控车轮上 电磁阀既可以设置在制动总泵至制动分泵的制 动管路中形成分离结构 也可与制动总泵合为一体形成整体结构 对制动压力 进行调节 电子控制器是防抱死制动系统的控制中枢 它主要接收车轮转速传 感器和制动灯开关等输入的信号 对制动过程中被控车轮的运动状态进行监测 根据需要对压力调节器进行控制 使压力调节器对被控车轮的制动压力进行保 持 减小和增大等调节 并根据车轮转速传感器反馈的信号修正控制指令 电 子控制器还具有对防抱死制动系统的工作状态进行监测的功能 ABS 报警灯安 置在仪表板上 由电子控制器控制其亮灭 指示防抱死制动系统的工作状态 2 3 ABS 的几种控制方式 近几年 针对汽车防抱死制动系统 ABS 国际上流行的控制方法基于车轮 角加速度的控制和基于车轮滑移率的控制 具体分为逻辑门限值控制 PID 控 汽车专业毕业设计 论文 第 7 7 页 制 滑模变结构控制 最优控制 模糊控制和神经网络控制等控制方法 目前 国内开发 ABS 用的控制方法还主要是最基本的逻辑门限法 2 3 1 基于车轮角加速度控制 目前 国外较为成熟的 ABS 产品中 广泛使用的控制方式为 逻辑门限控 制 方法 这种控制方法是基于车轮角速度变化与制动力矩 附着系数和滑移 率的变化有强烈的敏感性 在制动过程中 车轮抱死总是出现在相当大 ddt 的时刻 因此可以预选一个角速度门限值 当实际的角速度超过此门限值时 控制器发出指令 开始释放制动压力使车轮得以加速旋转 再新选一个角加速 度门限值 当车轮的角速度达到此门限值时 控制器又发出指令 使控制力矩 开始增大 车轮作减速运动 所以可以采用一个车轮角速度传感器作为单轮信 号 同时在电子控制器中设置合理的加 减速度门限值 就可以实现制动防抱 的循环 防抱门限大多选择加 减速度作为主要门限 以滑移率作为辅助门限 因为单独的加减速门限有很大的局限性 在初始和高速紧急制动情况下 有可 能使制动防抱逻辑在后续的控制中失效 因此需要将角加速度和滑移率两个门 限结合起来 以识别不同路况 这种控制方式的优点是 首先不涉及具体的控制数学模型 从而免去了大量 的数学计算 使防抱死控制这一复杂的非线性问题得以简化 另外 它的执行 机构相对来说也较易实现 其缺点是系统的控制逻辑比较复杂 控制不够平稳 逻辑门限控制方法完成的 ABS 系统各类车型之间的互换性不佳 在同一类车型 上使用效果颇佳的 ABS 在另一类车型上的效果并不一定很好 也许会很不理 想这是因为具体的控制参数值的选取往往根据具体车型而定 不同车型 其控 制参数不同 因此 在基于逻辑们限值控制的 ABS 产品中 ABS 安装到汽车上 之前需要进行大量的道路匹配试验 这必然会导致 ABS 产品的开发周期延长 开发成本增加 2 3 2 基于滑移率的控制 基于滑移率的 ABS 控制方法是以车轮滑移率作为控制变量的控制手段 目 前有滑膜变结构控制 模糊控制 PID 控制等 2 3 2 1 滑模变结构控制 基于滑模变结构理论引出的滑模变结构控制 这种控制是一类特殊的非线 汽车专业毕业设计 论文 第 8 8 页 性控制方法 它根据系统当时的状态 偏差及其导数值 在不同的控制区域 以理想开关方式切换控制量的大小和符号 使系统在切换线邻近区域来回运动 直到系统状态的运动成了沿切换线的滑动 其基本原理如下 对于一个典型系 统 12 2 xx xf xg x u t 2 2 设控制问题定义为 跟踪所需的轨迹为 跟踪误差为 误差 1 x d x 1d exx 的动态特性可由一个滑动表面确定 设该面为 设 0m t 2 3 1 m tC ee 如选择合适的和使其满足可达条件 即 1 C u t0mm 控制过程中对系统进行不连续的开关开展 即 u u u 0 0 m m 2 4 则系统在控制过程中 随着开关的不断切换 在相平面中系统状态将沿切 换面滑模变结构控制在制动时可获取较好的效果 但在切换线附近切换时 通 常会产生一个抖动 如何消弱抖动而又不影响控制精度仍有待研究 而且滑模 变结构控制信赖于车辆的数学模型 必须建立状态方程 无法对多体动力学模 型进行控制 来回运动形成滑模运动 最后成为沿切换线的滑动 达到轨迹 1 x 点 d x 2 3 2 2 模糊控制 模糊控制属于智能控制 是一种人类智能的形式 它是在被控对象的模糊 模型的基础上 运用模糊控制器近似推理等手段 实现系统控制的一种方法 模糊模型是用模糊语言和规则描述的一个系统的特性 模糊控制的基本思想是 用机器来模拟人对系统的控制 它是受这样事实而启发 对于用传统控制理论 无法分析和控制的系统 或复杂的无法建立数学模型的系统 有经验的操作者 汽车专业毕业设计 论文 第 9 9 页 或者专家却能取得比较好的控制效果 这是因为他们凭借的是日积月累的丰富 经验 因此人们希望把这种经验指导下的行为过程总结成一些规则 并根据这 些规则设计出控制器 由于人的经验一般是用自然语言来描述的 因此基于经 验的规则也只能是语言化的 模糊的 然而运用模糊理论 模糊语言变量和模 糊逻辑推理知识 可以把这些模糊的语言规则上升为数值运算 从而能够利用 计算机来完成对这些规则的具体实现 达到以机器代替人对某些对象进行控制 的目的 实践表明 模糊控制具有以下几个特点 1 它不需要知道被控对象的数学模型 2 它易于实现对不确定性的对象和具有非线性的对象进行控制 3 它对被控对象特性参数变化有较强的鲁棒性 4 它对于被控对象的干扰具有较强的抑制能力 上述这些特点比较好地适应了防抱死控制系统 无论采用基于车轮滑移率 的控制 还是基于车轮加 减速度门限值的控制 由于轮胎是个较强的非线性 体 导致整个系统的非线性 另外制动工况千变万化 用模型描述和控制十分 困难 即使理论上可以获得很好的模拟结果 在实施时也会不尽人意 模糊控 制恰好适应了这种变工况 非线性系统 因而采用模糊控制器用于 ABS 是一种 有益的尝试 2 3 2 3 PID 控制 在模拟控制系统中 控制器最常用的控制规律是 PID 控制 模拟 PID 控制 系统原理框图如图 2 3 所示 系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成 图 2 3 PID 控制策略 PID 控制器是一种线性控制器 它根据给定值 rin t 与实际输出值 yout t 构 汽车专业毕业设计 论文 第 1010 页 成控制偏差 Error t Rin t Yout t 2 4 PID 的控制规律写成传递函数的形式为 1 1 pD I U s G skT s E sT s 2 5 式中 比例系数 p k 积分时间常数 I T 微分时间常数 D T PID 控制器的各校正环节作用如下 1 比例环节 成比例地反映控制系统的偏差信号 偏差一旦产生 控制器 立即产生控制作用 以减少偏差 2 积分环节 主要用于消除静差 提高系统的无差度 积分作用的强弱取 决于积分时间常数越大 积分作用越弱 反之则越强 D T 3 微分环节 反映偏差信号的变化趋势 变化速率 并能在偏差信号变得 太大之前在系统中引入一个有效的早期修正信号 从而加快系统的动作速度 减少调节时间 在 ABS 中使用的 PID 控制算法是基于滑移率的控制方法 即将实际滑移率 控制在最佳滑移率点或它附近 理论上讲这种系统是最佳的 但它的实施难度 较大 特别是最佳滑移率点不易确定 而且所取的控制参数基本上依靠试凑法 缺乏理论依据 所以这方面进行的理论研究及模拟工作比较多 但鲜有实际系 统的控制 汽车专业毕业设计 论文 第 1111 页 汽车专业毕业设计 论文 第 1212 页 第 3 章 汽车 ABS 系统建模 3 1 单轮车辆模型 汽车动力学建模是个十分复杂的过程 一般有四轮模型 两轮模型 单轮 模型三种 四轮模型主要用于描述复杂的动力学性能 如转弯制动 横向动力 学控制模拟等 双轮模型主要用于描述车辆的直线制动与驱动 考虑车辆加 减 速度的影响 用于车辆动力学模拟和控制分析 单轮模型主要用于描述制动性能 用于基于模型控制系统的分析与设计等 整车受力如图所示 图 3 1 四轮车轮模型图 本研究主要进行车辆的制动性能检测 对于仿真检测实时性要求较高 为 了简化研究问题 采用单轮模型 忽略空气阻力和车轮滚动阻力 模型见下图 其动力学公式如下 图 3 2 单轮模型受力分析 汽车专业毕业设计 论文 第 1313 页 N MvF 3 1 Nb IF RM 3 2 1iiidt 3 3 为汽车质量 为附着系数 为地面的支撑力 R 为汽车轮胎半径 M N F 为汽车制动时的制动力矩 为地面附着力 v 是汽车速度 是轮胎角速 b M s F 度 I 为车轮等效转动惯量 3 2 轮胎模型 车轮模型反映车轮与地面附着系数与滑移率之间关系 如果用两段直线来 近似表示路面附着一滑移率曲线 可以得到分段线性化的附着系数产与车辆滑 移率 S 的关系 即所谓的 Dugoff 模型 如图 3 3 所示 图 3 3 附着系数与滑移率关系 车轮双折线的数学模型如下 稳定区域 3 4 h c S S c SS 汽车专业毕业设计 论文 第 1414 页 不稳定区域 3 5 11 hgchg cc S S SS c SS 式中 为峰值附着系数 h 和为对应的滑移率 c S h 为滑移率为 100 时对应的附着系数 g 以下为根据一些实验数据得出的一些有代表性的特殊路面的双折线模型参 数 本文以干沥青路面代表高附着系数路面 以潮湿泥土路面代表中附着系数 路面 还以结冰路面代表低附着系数路面 表 3 1 几种典型路面的试验数据 根据表 3 1 的数据 分别的出以下几种典型路面的模型 3 2 1 干沥青路面 5 64647 1 002890 25289 s s 0 17 0 17 s s 3 6 汽车专业毕业设计 论文 第 1515 页 图 3 4 干沥青路面滑移率与附着系数的关系 3 2 2 潮湿泥路面 3 7 1 26805 0 460160 01016 s s 0 36 0 36 s s 图 3 5 潮湿泥路面滑移率与附着系数的关系 3 2 3 疏松积雪路面 0 75 0 120 15 s s 0 2 0 2 s s 3 8 汽车专业毕业设计 论文 第 1616 页 图 3 6 疏松积雪路面滑移率与附着系数的关系 3 2 4 结冰路面 1 028 0 106440 03644 s s 0 1 0 1 s s 3 9 图 3 7 结冰路面滑移率与附着系数的关系 3 3 制动系统模型 汽车专业毕业设计 论文 第 1717 页 由于制动器中各机械部件间存在的间隙 运行中存在摩擦等因素而造成了 制动器呈现死区 饱和及滞环一类的强非线性动态特性 给制动器力学分析模 型的建立带来了较大的困难 目前建模的主要手段是根据大量的实验数据进行 拟合建模 求得制动压力 p 和制动力矩之间的对应关系 图 3 8 所示 b M 为经简化的制动压力 P 和制动力矩之间的对应关系 b M 图 3 8 制动压力 P 和制动力矩的对应关系 b M 制动系统可以简化为一个一阶惯性环节 0 11 ppp TT 3 10 制动器方程 b MCp 3 11 建立 Simulink 模型如图 3 9 图 3 9 制动器仿真模型 3 4 路面模型 汽车专业毕业设计 论文 第 1818 页 路面模型可描述为附着系数跳变路面 附着系数分离路面 附着系数交错 路面 附着系数棋格交错路面等 可以把它们统一在下图中模型 图 3 9 路面模型图 i 1 2 3 4 表示每个时刻各个车轮与地面的附着系数 当四个车 i 轮所对应的路面附着系数时 该路面属于附着系数跳变路面 1324 当时 该路面属于附着系数分离路面 变化不同的声可以得到 1324 各种不同的路面 汽车车辆模型是根据牛顿力学建立起来的 本章首先建立了车辆系统的运 动模型 包括车辆模型 轮胎模型 制动模型 车辆模型将整个车体视为一个 物体 通过分析其运行过程中的受力 建立起运动模型 轮胎模型则以每个轮胎 为单位建模 本章采用理论模型进行建模 所建立的模型中充分考虑到了车轮 收到的横向 纵向力的变化 能够较好的反应轮胎制动过程中受力的变化 由 于车辆制动系统较为复杂 且每个型号车辆的制动系统区别较大 因此模型采 用近似方式 选用一阶迟滞系统进行建模 3 5 控制模型 汽车 ABS 系统的工作环境十分恶劣 要求系统本身抗干扰能力强 可靠性高 车轮在紧急制动中的抱死过程很快 约为 0 2 0 55 要求 ABS 系统实时监控 能力强 控制过程迅速 大部分系统的循环都要求毫秒量级 以上特点对研究 可行的 ABS 控制算法有很大的限制 复杂的算法很难实现 如果采用高级的硬 件设备 则系统硬件成本太高 无法满足要求 传统的 ABS 控制方法是基于经验式的逻辑门限方法 每装配一种新的车型都需 要通过大量的道路试验来确定经验参数 产品的发展往往经历了漫长的历史 汽车专业毕业设计 论文 第 1919 页 由于这些因素 汽车电子学的实用化进展并不是像人们预料的那样快速 随着 硬件设备性能飞速提高 在 ABS 算法领域也出现了基于现代控制理论的方法 较为典型的有滑模变结构控制方法 它是一种非线性控制策略 是根据系统状 态偏离滑模面的程度来变更控制器结构 使系统按照滑模面规定规律运行的一 种控制方法 在 ABS 过程中 车轮滑移率的变化也是一个非线性过程 为了达 到控制滑移率的目的 可以用滑模变结构理论进行控制 另一类方法是智能控制的方法 比较典型的方法是模糊控制方法 模糊控 制是基于经验规则又可以结合数学过程的新型控制方法 它与系统的模型无关 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 将语言变量代替 数字变量进行自动控制 ABs 系统利用模糊逻辑可通过制动时车辆运动特征与 路面特性间的关系估计路面特征 根据滑移率和滑移率误差的变化 确定防抱 系统压力调节器的压力调节值 这种方法具有很好的鲁棒性和控制规则的灵活 性 但调试设定参数比较困难 对设计人员经验依赖性很大 本论文采用基于滑移率的控制方法 基于滑移率的控制方法有多种 这里 介绍两种控制方式 开关控制方式和 PID 控制方式 3 5 1 逻辑开关控制方式 开关控制方式是一旦设定好期望的输出门槛值 就使输出的控制量使误差 向减小的方向运动 实际上是一种简单实用的逻辑门限控制方式 汽车防抱死 制动系统开关控制器的门槛值是期望的车轮滑移率 控制器的输入变量是车轮 滑移率误差 即期望车轮滑移率与实际车轮滑移率之差 0 e 3 10 当车轮滑移率误差 e0 时 输出控制量 u 1 汽车 ABS 开关控制器系统框图如图 3 9 所示 汽车专业毕业设计 论文 第 2020 页 图 3 9 车辆系统反馈控制框图 控制就是设计一种反馈控制器 使之在能够满足系统存在系统误差及干扰 的情况下 得到一种稳定的物理可实现的控制器 控制系统的输入为整车模块 计算得到的滑移率 输入的滑移率与最佳滑移率作比较 得到滑移率误差值和 滑移率误差变化率 根据误差值及其变化率得到液压系统应该采取的动作 然 后输出所要采取的动作给执行机构 这样就构成了一个反馈系统 对防抱死系 统 我们期望控制车辆滑移率 跟踪期望的滑移率 控制变量为车轮制动压力 Simulink 模型如图 3 10 所示 图 3 10 3 5 2 PID 控制方式 PID 比例积分微分 控制是连续系统中技术成熟 应用最为广泛的一种 控制方式 它最大的优点是不需要了解被控对象的数学模型 只要根据经验进 行调节器参数的在线整定 即可获得满意的结果 并且实施容易 因而 PID 控 制保持了长久的生命力 它的不足之处是对被控对象参数变化比较敏感 对纯 滞后的被控对象控制效果较差 被控对象的控制量 u 和偏差 e 的传递函数关系是 i pd K U sKK s E s s 3 11 式中 系统控制量 u 和偏差 e 的拉式变换 U s E s 汽车专业毕业设计 论文 第 2121 页 比例系数 积分系数 微分系数 p K i K d K 控制量 u 由 e 的比例 积分和微分部分线性组合而成 故称作 P 比例 I 积分 D 微分 调节器 调节器作为一种校正环节对被控对象校正 使闭环 系统得到预期的控制效果 通过调整比例 积分 微分系数可以得到不同特性 的控制系统 例如 1 增大比例系数久可使系统开环增益加大 从而减小静差 但系统稳定 性下降 系统输出将产生振荡甚至不稳定 2 积分环节的作用是消除稳态误差 对低频分量起较强的调节作用 而 对高频分量却起滤波的效应 但同时将使稳定程皮下陶 振荡倾向加强而使调 整时间加快 积分作用的强弱可通过改变积分常数 xd 来调节超前校正作用 减小超调 把偏差消灭于萌芽状态之中 因而能较好地改善动态性能 微分控 制的缺点是易引进高频干扰 PID 算法即可以采用经典的控制理论在频率域中对被控对象的传递函数进 行校正设计 也可以在 z 域中对离散系统的模型进行设计 可以用上述原则适 当确定各个环节的参数或用调节器零点去消除被控对象的极点 设计出理论上 的控制器 但这要依赖于传递函数模型的精度 显然这对防抱死系统是不适合 的 因而目的实际中 PID 的设计大多采用不依赖于模型的算法 即直接将时间 域的 ND 控制律变为离散控制律 并用计算机直接实现其算法 连续时间控制律为 3 12 0 0 1 t pd i de keedtTu Tdt 式中 u 控制量 控制量初值 比例系数 0 u p k 积分时间常数 微分时间常数 e 控制误差 i T d T 在基于最优滑移率的控制方法中 设定滑移率的目标是 则控制误差为 0 s 0 eSS 3 13 汽车专业毕业设计 论文 第 2222 页 由于所采用的 PID 算法时不依赖于数学模型的 所以为得到最优的 PID 控 制效果就要对参数进行整定 其目的是使系统获得满意的控制效果 及系统稳 定 对给定变化能迅速跟踪 超调小 不同干扰下 系统输出能保持给定值 控制量适中 参数于坏境参数变化时 控制性能保持稳定等 为此可以采用两 种整定方法 1 凄试法 即选定 组参数通过模拟计算得到控制的响应曲线致影响 反复试凑参数 达到满意的结果 各参数对系统响应的影响是 1 增大比例系数 Kp 可加快系统响应 有利于减小静差 但会使系统有较 大的超调振荡 稳定性变坏 2 增大积分时间常数 Kp 使积分作用削弱 对使超困和振荡下降 系统 稳定性增加 但消除系统静差也减慢 3 增大微分时间常数 Ti 使微分作用增强 可加快系统响应 减小超调 提高稳定性 但系统对扰动较敏感 对扰动抑制能力降低 整定步骤是先整定比例部分 再整定积分部分 最后整定微分部分 反复 修改参数 直至获得满意结果 这种方法的盲目性大 初步确定控制算法参数 时则来的快 2 参数自寻优整定 PID 参数整定靠人工试凑比较麻烦 且要依赖于人的经验 而用计算机自 动寻优则有效地解决了这一问题 首先选取一个目标函数 它是控制系统性能 指标的体现 它应当既反映动态持性 又反映稳态特性 本问题中取目标函数 为 2 0 t Jte t dt 3 14 优化 PID 参数使 J 达到最小 本文中采用全量式算法 在其中增加抗积分饱和措施 比例控制值 0 PKbSS 3 15 汽车专业毕业设计 论文 第 2323 页 微分控制值 1 K T ds D Td N s A A A 3 16 积分控制值 dIKVu e dtTiTt 3 17 其中 VSat PID 式中 Td 微分时间常数 N 因子 Tt 抗积分饱和增益 Ti 积分时间常数 b 加权数 K 比例系数 P I D 分别为比例 积分 微分环节计算值 V 输出控制旦饱和值 u 实际输出控制量 s 拉氏 变量 实现这一 PID 的控制算法见图 3 11 汽车专业毕业设计 论文 第 2424 页 图 3 10 PID 控制模块 汽车专业毕业设计 论文 第 2525 页 第 4 章 仿真模型的建立及仿真分析 本研究开发的计算机仿真 ABS 检测系统中包含了车辆动力学 路面 制动 器 控制逻辑等一系列模型 各个模型中均有一些参数需要确定 能否准确地 理解和判断这些模型中的参数之间的变化关系影响到参数的选择 也即影响到 仿真及检测的准确性 本章将运用 Matlab Simulink 建立各个模型的仿真模块 然后对各模块进行分析 找出主要影响因素 4 1 滑移率仿真模块与车速和车轮角速度的计算 ASS 控制逻辑模型中首先要进行比较的门限值是滑移率 S S 是通过车速 和轮角速度进行计算的 下面介绍本研究的计算机仿真 ABS 检测系统中轮v 角速度和车速 v 的计算方法 4 1 1 滑移率计算仿真模块及其分析 根据滑移率的定义公式 建立了计算滑移率仿真模块 见1 R s v 图 4 1 图 4 1 滑移率计算仿真模块 滑移率 s 的计算的准确性直接关系到整个仿真正确性 图 4 1 中的仿真模 块的输入量为车速 v 和车轮角速度山 输出量为滑率 S 车速 v 和车轮角速度 的准确性直接影响到滑移率 s 的准确性 也即 ABS 系统的准确性 本计算机仿 汽车专业毕业设计 论文 第 2626 页 真 ABS 检测系统中轮角速度和车速 v 的计算方采用 4 1 2 4 1 3 中的方法 4 1 2 轮角速度的计算 在 ABS 实际装车运行时轮角速度由轮速传感器检测信号计算得到 本项目 开 发的计算机仿真 ABS 检测系统中 轮角速度通过以下公式计算得到 1iiidt 4 1 式中 第 i 时刻的轮角速度 rad s i 在第 i 1 时刻的轮角速度 rad s 1i 从时刻 i 到时刻 i 1 过程汽车的轮角减速度 rad i 2 s dt 从时刻 i 到时刻 i 1 所用的时间 s 对于轮减速度山由式 3 2 可得 相关参数可分别由式 3 3 式 3 8 式 3 10 和式 3 11 得到 4 1 3 车速的计算 考虑到成本 ABS 一般不装备车身传感器来测量车速度 计算滑移率 S 的 车 速度是用参考车速来代替的 参考车速的准确性影响到整个 ABS 控制的准确性 参考车速的确定有以下 几种方法 1 最大轮速法就是取每一时刻四个轮速传感器检侧得到的最大轮速作为计 算车速的依据 所得的车速为参考车速 2 斜率法随着路面附着状况不同 汽车紧急制动时的平均车身减速度不同 汽车专业毕业设计 论文 第 2727 页 但在同一路面上进行紧急制动时 车身速度几乎均匀变化 通过确定初始制动速 度以及车身减速度 求得参考车速为 0 v v 0 ref vtvvt 4 2 式中 t 制动历经时间 s 该方法的优点是车身参考车速算法简单 不受 弯道制动的影响 缺点是需要对路面状况进行准确识别 以确定车身的减速度 此算