汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计 论论文文 题目 题目 汽车防抱死制动系统的控制方法汽车防抱死制动系统的控制方法 仿真研究仿真研究 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号 0923084 学生姓名 蒋 耀 指导教师 陈炎冬 职称 讲师 职称 II 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计 论文 无锡太湖学院本科毕业设计 论文 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 本人郑重声明 所呈交的毕业设计 论文 汽车防抱死制动系统 的控制方法仿真研究 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果 其内容除了在毕业设计 论文 中特别加以标注引用 表示致谢的内容 外 本毕业设计 论文 不包含任何其他个人 集体已发表或撰写的成 果作品 班 级 机械 92 学 号 0923084 作者姓名 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一 题目及专题 一 题目及专题 1 题目 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 2 专题 二 课题来源及选题依据二 课题来源及选题依据 随着世界汽车工业的迅猛发展 汽车行驶速度的提高 汽车行 驶安全性能越来越受到人们的重视 而汽车的紧急刹车往往造成汽 车的侧翻而对驾驶员造成伤害 ABS 系统就是在这种要求下产生和 发展的 它是提高汽车制动安全性的又一重大进步 但是由于电子 元件的故障导致 ABS 故障率也相对较高 使之不能正常的工作 给 行车带来了极大安全隐患 本课题主要研究 ABS 在控制系统作用下 进行增压 保压 降压操作从而将滑移率控制在一定范围内 保证 车辆在刹车过程中的安全性 三 本设计 论文或其他 应达到的要求 三 本设计 论文或其他 应达到的要求 从实践中选题 了解 ABS 系统的意义 学会搭建正确的车辆制动动力学模型 学习 Matlab simulink 相关知识 掌握其操作过程 学会用 simulink 进行仿真 II 论文中的理论依据 所提出的观点 得出的结论无原则性错误 能对四分之一车辆模型进行正确的受力分析 所完成的论文工作量满足要求 格式正确 规范 四 接受任务学生 四 接受任务学生 机械 92 班班 姓名姓名 蒋 耀 五 开始及完成日期 五 开始及完成日期 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六 设计 论文 指导 或顾问 六 设计 论文 指导 或顾问 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 为了能够准确的了解制动防抱死系统的性能 常常使用计算机仿真技术来进行研 究 本设计采用 Matlab Simulink 模拟汽车在直线制动的运动状态 对 ABS 系统的控制 规律进行计算机仿真 它与常规的试验分析相比 具有分析速度快 精度高 周期短 节省大量的人力物力的优点 ABS 防抱死制动系统模型的建立 是计算机与生产实际相融合的产物 模型的建 立 可以代替危险性试验 提高安全性和经济性 同时可以方便快捷的得到试验所得 到的结果 以此完善设计开发中的产品性能 为 ABS 系统的研制与开发提供一条有效 的方法 本设计简单介绍了制动系统的工作原理 通过建立普通制动系统和 ABS 防抱死系 统的数学模型 提出了基于路面附着系数的 ABS 控制算法 并根据数学模型 利用 Matlab Simulink 软件建立普通制动系统和 ABS 防抱死制动系统的仿真模块 分析普通 制动系统和装有防抱死制动系统 ABS 车辆制动过程中各参数的动态变化规律 通过对 比仿真结果可知 ABS 防抱死制动系统不仅能够达到防止车轮在制动过程时抱死的目的 还能准确控制车轮的运动状态 因此证明本次设计对 ABS 制动过程的仿真分析是有效 的 关键词关键词 制动 防抱死制动系统 仿真 Matlab Simulink IV Abstract In order to accurately understand the anti lock braking system performance often using computer simulation technology to conduct research This design uses Matlab Simulink simulation of the car braking in a straight line movement the ABS system of control of a computer simulation Compared with the common experimental analysis it has fsater analsing speed higher precision shorter period etc besides it saves much labor and material resources The establishment of antilock brake systems is the result of the combination of computer and actual production Model of antilock brake systems can take place of the dangerous experiments improve the safety and save much money At the same time it helps get the result as soon as possible So that the function of the product can be made better in a word it provides an effective method to the reserch and development of the antilock braking system The project briefly introduces the principles of the braking system It gets antilock braking system controlling algorithm according to the establishment of ordinary braking system and methematical antilock braking system On the basis of methematical model it uses Matlab Simulink software to eatablish a simulate template of an ordinary braking system and an antilock braking system to analyses the motional changing regularity of kinds of parameters of vehicle which installed with ordinary braking system and the vehicle with antilock braking system When the results are compared we get to know that antilock braking system can not only prevent the wheels form been braken while braking but also controll the moving condition of them So that this design of the braking process s simulation analysis is effective Key words brake antilock braking system simulation Matlab Simulink V 目目 录录 摘 要 III ABSTRACT IV 目 录 V 1 绪论 1 1 1 课题研究的意义 1 1 2 研究内容 1 2 防抱死制动系统概述 2 2 1 汽车防抱死制动系统 ABS 的功能 2 2 2ABS 制动系统研究的理论状态 2 3 防抱死制动系统基本原理 4 3 1 制动时汽车的运动 4 3 2 滑移率定义 6 3 3 滑移率与附着系数的关系 7 3 4 制动时车轮的受力分析 8 3 5 采用防抱死制动系统的必要性 10 3 6 防抱死制动系统基本工作原理 11 3 7 ABS 控制技术及发展现状 12 4 基于 MATLAB 软件的仿真分析 15 4 1 计算机仿真 15 4 1 1 计算机仿真的分类 15 4 1 2 Matlab 及 Simulink 的简要介绍 15 4 2 制动方程建立 18 4 2 1 盘式制动器制动力矩的计算 18 4 2 2 车轮模型的动力学方程 20 4 3 在 MATLAB 中建立无 ABS 制动的模型 24 4 4 在 MATLAB 中建立汽车 ABS 制动模型 26 4 4 1 开关控制的 ABS 系统仿真 26 4 4 2P I D 控制的 ABS 系统仿真 28 4 4 3 门限控制 ABS 的系统仿真 30 4 5 MATLAB 仿真的参数及结果 31 4 5 1 仿真参数 31 4 5 2 无 ABS 的仿真结果 32 VI 4 5 3 开关控制 ABS 的仿真结果 34 4 5 4 PID 控制 ABS 的仿真结果 36 4 6 不同情况下的组合分析 38 5 总结与展望 41 总结 41 展望 41 致 谢 42 参考文献 43 附录 44 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 1 1 1 绪论绪论 1 1 课课题题研研究究的的意意义义 对车辆的制动过程进行动态的分析研究 可以分析出车辆的性能 帮助车辆的设计 采用实验的方法虽然可以获准确的数据 但成本大 周期长 盲目性大 计算机仿真技 术的发展为车辆制动过程的研究提供了一个有效手段 通过对车辆制动过程全工况动 态仿真 可仿真实际情况中影响车辆制动过程主要因素 为进一步优化车辆的制动系统 缩短新产品的开发周期提供有利的工具 1 2 研研究究内内容容 对汽车制动 过程进行 受力分析 建立 单轮车辆制动过程的动力学数学模型 通过对车辆制动过程全工况动态仿真 来模拟分析 实际情况中汽车制动性能与各相 关参数之间的关系 分析制动过程的特点 得出相关结论和对仿真结果进行处理 模拟出配备防抱死制动系统 简称ABS 的汽车动态制动过程 比较分析影响制动过程的因数 1 有 ABS 与无 ABS 两种情况下的比较 2 有 ABS 不同控制方法程比较 根据以上二种情况对汽车刹车制动过程进行仿真 比较各种不同情况下汽车的制 动距离 滑移率 车速轮速的关系得出结论 无锡太湖学院学士学位论文 2 2 2 防抱死制动系统概述防抱死制动系统概述 2 1 汽汽车车防防抱抱死死制制动动系系统统 ABS 的的功功能能 ABS是根据不同的转差率轮胎附着力性能的地面 控制制动力的汽车制动系统 汽车 制动的过程中 它可以防止车轮制动锁发生 并充分利用地面附着系数和增益高的地面制动 力 减少汽车制动距离 并能保持汽车制动器在处理 这项技术在提高车辆安全 减少 交通事故损失和提高汽车运行的经济发挥了积极作用 是一种最重要的安全技术在汽车 行业 ABS 防抱死制动装置就是为了防止缺陷的发生而研制的装置 它有包括下面几点好 处 1 增加制动稳定性 2 防止方向失控 侧滑和甩尾 3 提高制动效率 缩短制动距离 松软的沙石路面除外 4 减少轮胎磨损 防止爆胎 现代轿车的 ABS 由输入传感器 控制电脑 输出调制器及连接线等组成 输入传感 器通常包括四个车轮的轮速信号 刹车信号 个别车型还有减速度信号 手刹车或车油 面信号 第一个优势是提高ABS汽车制动稳定性 汽车制动 刹车力的四个轮子是不一样的 如 果汽车前轮锁 汽车司机将无法控制行驶方向 这是非常危险的 如果汽车的后轮锁 第一 张幻灯片 摇摆的尾巴就会出现 甚至使汽车整个把严重的事故 ABS能防止四个轮子是完 全锁当制动 提高汽车的稳定性 汽车制造商的研究数据表明 车辆配备ABS 会使车轮侧 滑事故下降了约8 ABS第二个优势是 可以缩短制动距离 这是由于紧急制动在同等条件下 ABS滑移率会 汽车滑动距离 传动比 控制在20 左右 可以获得结果的最大纵向制动力 第三利用ABS是改善磨损条件的轮胎 以防止井喷 事实上 方向盘锁会导致小轮胎磨损 轮 胎胎面损失将不均匀 使轮胎消耗费用的增加 严重时将无法继续使用 因此 配有ABS 具有一定的经济效益和安全 此外 ABS 使用方便 工作可靠 使用 ABS 和普通制动系统使用几乎没有差异 紧急 刹车时 只有脚踩刹车踏板硬 ABS 将进入工作状态根据情况 即使雪和湿滑的道路 ABS 将保持制动状态最佳 ABS 通过计算机控制车轮制动力 可以充分发挥效率的制动 和改善制动减速和缩短制动距离 能有效地提高车辆制动的稳定性 防止车辆侧滑和旋 转 减少交通事故发生的数量 因此被认为是最有效的措施 提高汽车的安全性 高级汽 车的 ABS 已经和公交已经在国内外广泛使用 2 2ABS 制制动动系系统统研研究究的的理理论论状状态态 研究 ABS 在中国从 80 年代初开始 单位和企业从事的工作是开发了很多 ABS 如东 风汽车公司 重庆高速公路研究所 大学西安市公路 清华大学 吉林大学 北京理工 大学 上海汽车制动器有限公司和山东中国重汽集团等 典型的有以下几个 清华大学 国家重点实验室等汽车安全与节能宋健几个博士生导师 教授 拥有强大的技术力量 他们 也有一批先进的仪器和设备的配套 如汽车力学参数综合试验台 弹射式冲击试验床和滚动 试验台 模拟和校准试验台 柯达高速图像运动分析系统 电液振动台 直流电力测功机和发 动机排放分析仪 工况的发动机电子控制系统开发和仿真 计算机工作站和亚当斯 软件 思想 非接触式速度计 噪声测试系统 转鼓试验台 电动汽车电池测试 电机试验台及其 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 3 控制系统等 实验室研究 ABS 制造各种各样的 其中 ABS 控制量 不同的轮速信号抗干扰 处理 轮速信号响应的研究指出 防抱死制动电磁阀动作的研究在国内的领先地位 车动态模拟国家重点实验室的吉林大学为代表的四个院士 研究人员致力于汽车操纵 稳定性 汽车轮胎 汽车操纵动力学模型 汽车轮胎稳态和非稳态回转特性研究 在轮胎 力学模型中 车辆操纵稳定性和人 车闭环控制仿真运动的结果已达到世界先进水平 中国南方学院技术学院的交通为代表的吴教授豪佳女士从事汽车安全与电子技术和 结构设计和计算的研究 在一个独特的特性是ABS技术 建立制动压力函数 通过地面轮制动 力和车辆动力学方程来计算平均汽车制动减速 车的速度 还可以通过计算轮缸等效应力函 数的防抱死制动滑移率时 此外 在滑移率之间的关系和粘附系数 车辆技术条件和试验 方法有独特的见解 济南程军电子科技公司为代表的ABS专家程军 济南程军电子科技公司的ABS控制算法研 究 作者理论与实践的汽车防抱死制动系统 如几本书 特别是在ABS控制算法 是国内 ABS开发者的一个必要的信息 此外 他们都是基于仿真环境MAT2LAB防抱死控制逻辑 基 于VB开发环境对车辆处理的仿真研究 仿真车辆动力学控制方面进行了研究 重庆形状的产品包括汽车 摩托车系列JN111FB空气制动电子单通道 JN144FB空气制 动电子四通道和JN244FB液压电子设备如类型的ABS及其相关零部件30多个品种 ABS产品 已通过国家汽车质量监督检测中心和认定的国家客车质量监督检验中心 国家实用新型 技术专利 并正式列入国家火炬计划项目 西安市BoHua公司主要产品适用于大中型客车 及卡车的四通道气压ABS和适用介质货车液压三通道ABS及其相关组件 包括BH1203 FB 型ABS和BH1101 FB型ABS通过了科技成果鉴定陕西省科学技术委员会和机械行业新产品 鉴定的陕西省 认为该技术已达到国内领先水平 山东重汽集团引进国际先进技术进行的研究也已取得了一些进展 重庆公路研究所研制的适用于中型汽车的气制动 FKX ACI 型 ABS 装置已通过国 家级技术鉴定 但各种制动情况的适应性还有待提高 清华大学开发的适用于介质客车空气制动ABS由于资源价格和性能优势 应用陶瓷材 料将迅速扩大 应用金刚石 立方氮化硼超硬材料将进一步扩大 新的刀具材料的交货时 间会越来越短 品种新品牌的推出将越来越快 人们希望两高速钢 硬质合金强度和韧性 硬度和耐磨性的超硬材料的新的刀具材料是完全可能的 无锡太湖学院学士学位论文 4 3 3 防抱死制动系统基本原理防抱死制动系统基本原理 3 1 制制动动时时汽汽车车的的运运动动 3 1 13 1 1 制动时汽车受力分析制动时汽车受力分析 汽车在制动的过程中主要受到地面给汽车的作用力 风的阻力和自身重力的作用 地面对汽车的作用力又分为 作用在车轮上垂直于地面的支承力和作用在车轮上平行于地 面的力 汽车在直线行驶并受横向外界干扰力作用和汽车转弯时所受到地面给汽车的力 如图 3 1 所示 其中 Fx 为地面作用在每个车轮上的地面制动力 他的大小决定于路面的 纵向附着系数和车轮所受的载荷 所有车轮上所受地面制动力的总和作为地面给汽车的 总的地面制动力 他是使汽车在制动时减速并停止的主要作用力 Fy 为地面作用在每个 车轮上的侧滑摩擦力 侧滑摩擦力的大小取决于侧向附着系数和车轮所受的载荷 当车 轮抱死时 侧滑摩擦力将变得很小 几乎为零 汽车直线制动时 若受到横向干扰力的 作用 如横向风力或路面不平 汽车将产生侧滑摩擦力来保持汽车的直线行驶方向 如 图 3 1 a 所示 图3 1 汽车直线和转弯制动时的平面受力简图 若汽车在转弯时制动或在制动时转弯 也将产生侧滑摩擦力使汽车能够转向 如图3 1 b 所示 地面制动力决定制动距离的长短 侧滑摩擦力则决定了汽车制动时的方向稳定性 这里将作用在前轮上的侧滑摩擦力称为转弯力 将作用在后轮上的侧滑摩擦力称为侧向 力 转弯力和汽车的方向操纵性有关 它保证了汽车能够按照驾驶员的意愿转向 侧向力 和汽车的方向稳定性有关 它保证了汽车的行进方向 转弯力越大 汽车的方向操纵性 越好 侧向力越大 汽车的方向稳定性越好 正如上面提到的 应用适当的制动 可以有效地把车停下来 制动强度太大 是汽车的 主要原因有各种危险的运动状态 因此 汽车 根据冰雪路 坏路 水 湿路 干路 直路 弯曲的道路 道路状况 如根据车辆的速度和方向角的驾驶条件操作 必须刹车 注意不要 让车轮锁 3 1 23 1 2 车轮抱死时汽车运动情况车轮抱死时汽车运动情况 车轮抱死时汽车所受到的侧滑摩擦力将会变的很小 这将使汽车制动时保持方向操 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 5 纵性和方向稳定性的转弯力和侧向力变的很小 使汽车在制动时出现一些危险的运动情 况 对 ABS 系统来说 就是要防止这些危险情况的出现 下面从汽车在一种路面上直线 和转弯制动两方面简单讨论一下当车轮抱死时汽车的运动情况 1 汽车在一种路面上直线运动制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图 3 2 所示 图 3 2 a 为只有前轮抱死时 由于前轮的转弯力基本为零 无法进行正常的转向操作 为 制动时前轮全部抱死而后轮不抱死汽车的运动情况示意 当前轮抱死时转弯力为零 驾 驶员无法控制汽车的方向使汽车转向来避让前方的障碍物 这时由于汽车后轮不抱死 所以汽车仍具有侧向力来维持方向稳定性 图 3 2 b 为只有后轮抱死时 后轮的侧向力接 近于零 汽车仍具有方向操纵性 但会因后轮抱死而失去方向稳定性使汽车侧滑 汽车 不能保持原来的行驶方向 由于离心力和前轮转向力的作用 汽车将一面旋转一面沿曲 线行驶 这种运动叫外旋转 图 3 2 c 为前后车轮全部抱死时时转弯力和侧向力都为零 这种状态很不稳定 路面不均匀 左右轮地面制动力不相等时 即使对汽车施加很小的 偏转力矩 汽车就会产生不规则运动而处于危险状态 在不规则旋转的过程中将制动释 放 汽车就会沿着瞬时行驶方向急速驶出 这也是很危险的 2 汽车在一种路面上转弯制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图 3 3 所示 所有这些运动情况若在制动时出现 都是极其危险的 无锡太湖学院学士学位论文 6 图 3 2 汽车直线制动车轮抱死时的运动情况 图3 3 汽车转弯制动车轮抱死时的运动情况 3 2 滑滑移移率率定定义义 通常 汽车在制动过程中存在着两种阻力 一种阻力是制动器摩擦片与制动鼓或制 动盘之间产生的摩擦阻力 这种阻力称为制动系统的阻力 由于它提供制动时的制动力 因此也称为制动系制动力 另一种阻力是轮胎与道路表面之间产生的摩擦阻力 也称为 地面制动力 地面对轮胎切向反作用力的极限值称为轮胎 道路附着力 大小等于地面对 轮胎的法向反作用力与轮胎 道路附着系数的乘积 如果制动系制动力小于轮胎 道路附 着力 则汽车制动时会保持稳定状态 反之 如果制动系制动力大于轮胎 道路附着力 则汽车制动时会出现车轮抱死和滑移 地面制动力受地面附着系数的制约 当制动器产生的制动系制动力增大到一定值 大 于附着力 时 汽车轮胎将在地面上出现滑移 汽车的实际车速与车轮滚动的圆周速度之间 的差异称为车轮的滑移率 滑移率S的定义式为 3 1 tt t b V rw V VV S 1 0 式中 Sb 滑移率 Vt 汽车的理论速度 车轮中心的速度 汽车车轮的角速度 r 汽车车轮的滚动半径 由上式可知 当车轮中心的速度 即汽车的实际车速 Vt 等于车轮的角速度 和车轮滚 动半径 r 乘积时 滑移率为零 Sb 0 车轮为纯滚动 当 0 时 Sb 100 车轮完全抱死 而作纯滑动 当 0 Sb 100 时 车轮既滚动又滑动 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 7 3 3 滑滑移移率率与与附附着着系系数数的的关关系系 图3 4 给出车轮与路面纵向附着系数和横向附着系数随滑移率变化的典型曲线 当 轮胎纯滚动时 纵向附着系数为零 当滑移率为15 30 时 纵向附着数达到峰值 当滑移 率继续增大 纵向附着系数持续下降 直到车轮抱死 Sb 100 纵向附着系数降到一个较 低值 另外 随着滑移率增大 横向附着系数急剧下降 当车轮抱死时 横向附着系数几乎为 零 从图可以看出 如果能将车轮滑移率控制在15 30 的范围内 则既可以使纵向附着 系数接近峰值 同时又可以兼顾到较大的侧向附着系数 这样 汽车就能获得最佳的制动效 能和方向稳定性 ABS 即是基于这一原理而研制的 图3 4 滑移率与附着系数关系 实验证明 道路的附着系数受车轮结构 材料 道路表面形状 材料有关 不同性 质道路其附着系数变化很大 图3 5给出了不同类型路面上滑移率 纵向附着系数之间的 关系 无锡太湖学院学士学位论文 8 图3 5 不同路面上纵向 侧向附着系数与滑移率关系曲线 由图3 5可以看出 各种路面上的变化的总体趋势是一致的 滑移率和纵向附着系数 之间的关系曲线随路面类型的不同 出现峰值的滑移率的取值也会不一样 并且对应不 同路面类型的滑移率 纵向附着系数曲线在峰值附着系数后曲线下降的速度也不相同 在 干燥的路面上下降的快些 在湿滑的路面上略微有些下降 一般干燥洁净的平整水泥 沥青路面纵向峰值附着系数高达0 8 0 9 而冰雪路面的纵向峰值附着系数低至0 1 0 2 如 果这种差别随路面类型的不同变化比较明显 则在设计ABS系统控制方法时 就必须考虑 到随路面类型的不同而采取不同的控制目标和策略 若汽车在同一种类型路面上制动时 的初速度不一样 车轮的纵向附着系数和滑移率之间的关系曲线也会略有不同 制动时 的车速越高 车轮的纵向附着系数越低 但在同一路面上以不同制动初速度制动时车轮 的附着系数 滑移率关系曲线不会有太大变化 简而言之 制动在路上车 车轮附着系数和滑移率之间的非线性特性是主要因素 汽 车制动性能 事实上 汽车制动过程是一个非线性变化过程和路面之间轮 轮附着系数 与车轮运动状态变化的非线性过程 所以 汽车的制动过程是一种非线性制动过程 制 动时汽车的制动系统通过改变车轮的运动 改变车轮的滑移率 形成整个制动过程的非线 性 3 4 制制动动时时车车轮轮的的受受力力分分析析 汽车在行驶过程中能够实施制动过程的本质原因是由于与轮胎接触的路面给相应车 轮提供了路面制动力 路面制动力是使汽车制动并进行减速行驶的外力 但是路面制动 力取决于两个摩擦副的摩擦力 一个是制动器内制动器摩擦片与制动盘或者制动蹄与制 动鼓之间的摩擦力 制动器制动力 另一个是轮胎与路面间的摩擦力 附着力 路面制 动力 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 9 图 3 6 a 制动时车轮受力情况 图 2 6 a 为车轮在制动时的受力情况示意图 路面制动力可由下式确定 xb M F r 3 2 式中 路面制动力 N xb F 制动器摩擦力矩 Nm M 上式成立的先决条件是路面制动力不超过路面间的附着力 制动器制动力相当于将汽车架离地面 并踩住制动踏板 在轮胎周缘沿切线方向推 动车轮直至它能转动所需的力 可由下式确定 3 3 r M F 式中 制动器制动力 N F 当制动踏板力较小 制动器摩擦力矩不大时 路面与轮胎之间的摩擦力 路面制动 力足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动 显然 车轮滚动时的路面制动力就等于制动 器制动力 且随踏板力的增长而增长 如图 3 6 b 所示 但路面制动力是滑动摩擦的约束 反力 它的值不可能超过附着力 即 图 3 6 b 路面制动力 制动器制动力 以及附着 力的关系 3 4 WFFxb max xb F F 3 5 无锡太湖学院学士学位论文 10 式中 路面附着力 N F 车轮上的垂直载荷 N W 路面附着力系数 图 3 6 b 路面制动力 制动器制动力 以及附着力的关系 当路面制动力达到附着力时 车轮即将抱死不转而出现纯滑移现象 此时 如果继 续增大制动器踏板力 或制动管路压力 制动器制动力将由于制动器摩擦力矩的增大而 继续增长 但是 若作用在车轮上的垂直载荷为常数 路面制动力达到附着力之后就不 再增加 由此可见 汽车的路面制动力首先取决于制动器制动力 但同时又受到路面附着力 系数的限制 所以只有汽车具有足够的制动器制动力 同时路面又能提供足够高的附着 力时 才能获得足够高的路面制动力 足够大的制动减速度和较小的制动距离 提示 影响附着系数的因素很多 如路面的状况 轮胎的花纹 车辆的行驶速度 轮 胎与路面的运动状态等 在诸因素中 车轮相对于路面的运动状态对附着力有着重要的 影响 特别是在湿路面上其影响更为明显 3 5 采采用用防防抱抱死死制制动动系系统统的的必必要要性性 汽车运行在一条直线 紧急制动突然 汽车轮锁和汽车线往前滑 还发出吓人的轮胎 与地面之间的摩擦 车子终于停了 在日常生活中 每个人都可能会遇到这种现象 如 果发生车祸 交通警察是在第一个痕迹总是检查汽车制动器 确定司机在事故中制动而采 取了措施 然后测量制动距离 看看车辆制动效果好 当轮胎滑移率为8 8 轮胎和 她的脸摩擦 附着力 是最大的 如果轮胎滑移率太大 附着力减少相反 如果司机可以控 制轮胎滑移率 所以它总是制动时 8 25 范围内 汽车将停车在较短的制动距离 当车辆转向 如果车辆紧急制动 以及直线驱动轮锁将会出现的现象 因为轮锁 汽 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 11 车侧向附着力变成零 汽车轮胎侧向滑动 汽车能够控制方向的深度 这是非常危险的 车 辆横向附着力和制动力之间的关系非常密切 当没有刹车前 后轮胎的滑动方向是零 那 么车轮侧向附着力是最大的 司机一步动态制动踏板 随着增加制动力 轮胎滑移率增加 小 横向附着力逐渐慢下来 最后 当轮胎滑移率为 100 轮胎锁 这汽车侧向附着力几乎等 于零 把汽车 轮胎侧滑开始出现 在方向盘锁 方向盘已经不能工作 陷入这场困境的 我们无法控制汽车的方向 前轮锁车只有最后停车沿着直线 只有后轮锁车终于停止旋转 的现象 如果前轮和后轮锁 汽车侧边缘直接的最后一站 的各种状态是极其危险的 当 然技术熟练的司机在某种程度上能根据各种条件合理地操作制动 如采用点制动 可是 一旦遇上紧急状态 大多数人都是一脚踏死制动踏板 使轮胎抱死为此 司机不能做许多事情 传感器将能够这样做 传感器数据排序 判断 到执行机构所 需信息 这部分的工作电脑 它非常简单 根据指令执行的计算机操作 它也不会有什么 大问题在机械结构 ABS系统调整到每个车轮制动缸 制动液压力 以防止任何造成刹车 过猛可能当车轮锁 当不再有可能锁车轮 然后回到正常的压力 滑移率控制在一定的范 围内 这样不但提高车辆交通的稳定性 提高车辆方向控制 缩短制动距离 3 6 防防抱抱死死制制动动系系统统基基本本工工作作原原理理 ABS 系统是通过不断变化的根据某些规则当制动压力的制动液不会产生车轮锁状态 这一变化过程的制动液压力实际上是 ABS 系统实施的过程控制方法 下面基于车轮加减 速度逻辑门限控制方法来控制直线制动过程的单个道路为例 简单 基本工作原理 在汽车制动 如果车轮锁滑 横向附着力车轮和路面之间将完全消失 如果只有前轮 转向轮制动锁滑车轮滚滚 车辆将失去动力 如果只有后制动拥抱死亡滑动和前轮轧 甚 至小横向干扰力 也将有一个边车 spin 现象 这些都是容易导致严重的交通事故 汽车 制动时 因此 不希望锁车轮制动滑动 但希望这个车轮制动器到边边滑动状态 图3 7 ABS的工作区域 通过实验 当汽车车轮滑移率为15 15 最大的附着系数之间的轮胎和路面 因 此 为了充分发挥这种潜在轮胎与路面间的附着能力 ABS系统来实现速度控制车轮中心 无锡太湖学院学士学位论文 12 和切线速度 保持滑动率在15 20 之间这个特性 ABS工作领域的现代汽车ABS ABS工 作区域如图所示在制动过程中 控制单元 ECU 在10到12次 秒的频率控制制动压力调节器 增压压力保持一个救援 制动压力调节回路 实现车辆在制动和车轮滑移率控制在纵向附 着系数路面附近之间最大的理想滑动率在较窄的范围内 改善汽车的制动性能和制动时的 方向稳定性 为了实现这一目标 为汽车驾驶道路条件和实现不同的控制过程 目前 广 泛采用逻辑阈值ABS控制方法 即控制参数事先指定并设置相应的控制阈值方法 用于汽车 在 各种速度和路面条件下 通过反复试验获得的数据 当制动器将检测实际参数和ECU设定 阈值比较 及时控制制动过程 基于道路行驶状况 控制过程 对制动ABS可以分为 汽 车高附着系数的路面和低附着系数路面附着系数的路面突变由高到低附着系数路面等三 种制动控制过程 逻辑门限控制方法 ABS控制参数 轮减速 或角减速 加速度 或角 加速度 和车轮滑移率 轮减速和加速通过轮速传感器输出信号从ECU通过车轮滑移率在 实际大多数是ABS制动过程 当车轮的减速控制阈值集的瞬时近似实施控制的ABS轮速的初 始速度 并遵循斜率近似集在任何时间的过程中计算确定制动速度 参考速度 计算出参 考速度和轮速度在任何时刻的过程中制动轮参考滑移率是用于ABS制动过程控制 轮在 ABS控制 如何加 减速度阈值阈值和滑移率 各种综合控制参数 单独使用任何一种阈 值参数有显著的限制来控制 例如 轮只是加 减速度作为控制阈值 当汽车在高速公 路上低附着系数在紧急制动 由于制动驱动轮减速达不到控制阈值 ABS将无法控制轮 因 此会有一个锁现象 如果只车轮滑移率作为控制阈值 由于汽车在不同的路面情况 纵 向附着系数最大的速度变化范围大的滑移 8 30 因此只有通过滑动率的固定阈值 法作为控制阈值 很难保证各种道路条件下可以获得最佳的制动效果 ABS轮更常用的加 因此 进行全面的控制速度和滑动率阈值方法 ABS具有较高能力的自动自适应控制 确 保条件下的各种道路条件和道路表面的制动安全 3 7 ABS 控控制制技技术术及及发发展展现现状状 控股制动系统是一个典型的反馈控制过程 如果车辆系统为控制对象 车轮速度传感 器作为检测元件的反馈量 保持制动系统的基本原理和功能 预防 控制和调整制动管路压 力 控制和调整制动器摩擦制动转矩 使道路制动功率的最大值 即使车轮滑移率是 15 25 范 围内 以确保制动有高附着系数利用率的过程中 为了提高制动效率 满足制动性能的综合要 求 即制动距离短 横向稳定性好 良好的转向控制 保证汽车制动有足够高的安全与舒适 汽车控股制动系统逻辑发展到现在 各种形式的逻辑 因为没有一个统一的逻辑质量 评价指标 只能根据实验结果进行比较 以及各种条件逻辑设计和优化 ABS 带来了很大的不 便 在这之前有许多人进行了研究 有逻辑阈值控制 PID 控制和滑模变结构控制 模糊 控制 开关控制 逻辑门限控制 是一个典型的基于逻辑门限控制方法 它是一个控制方法 历史最悠 久的使用是汽车 ABS 控制方法所采用的一般 一些参数的阈值方法被用来控制 即根据 轮加 减速和参考滑移率限制的增压 减压 压力控制 车轮滑移率的最优滑移率附近 波动 是一种有效的控制方法对非线性系统 该方法系统的可靠性和控制参数少 成分 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 13 简单 但是控制参数的调整需要更多的经验 PID 控制 该方法是基于滑移率 甚至实际滑移率控制在最优滑移率点或接近它 理论 上 这个系统是最好的 但它的实现是困难的 尤其是在最佳滑移率点不容易确定 因此 理论研究和仿真工作更多 但是没有实际的系统控制 滑模变结构控制 基于经典控制理论的数学控制的控制是一类特殊的非线性控制方法 该方法根据系统状态 偏差的导数值 不同的控制区域 在一个理想的方法来切换控制音量 的大小 使系统在开关线相邻区域来回运动 使系统领域内的滑动曲线非常小在滑动沿 着在节曲线 模糊控制方法 它是一种模仿人类的思维方式和控制经验 介绍经验的正规和控制过 程 用严格的数学处理 实现模糊推理 判断决策 以达到令人满意的结果 它首先将数字量 的精确的模糊集隶属函数 然后根据模糊控制规则发展的控制器 模糊逻辑推理 得到 模糊输出隶属函数 根据推理为隶属函数 并使用不同的方法来找到一个精确值的代表 作为控制量 添加到控制执行机构 在上面的几种控制方法 逻辑阈值控制方法是一种控制方法 历史最悠久的使用是汽车 ABS控制方法所采用的一般 这是一种控制模式经验的基础上 它使用一些参数 如加 减 速度 控制阈值的方法 并把一些辅助阈值 它是一种有效的非线性系统控制方法 这种 控制方法的优点是 首先 它不涉及使用特定的控制数学模型 从而消除了大量的数学计算 并且可以提高系统的实时响应 使军备控制复杂的非线性问题简化 第二 它需要更少 的控制参数 特别是消除了速度传感器 该系统结构简单 成本大大降低 此外 它的 执行机构是相对容易实现 其缺点是系统控制逻辑比较复杂 控制不稳定 控制系统在 不同的阈值方法是经过反复试验获得的经验数据 尚未完全根据这一理论 并完成ABS装 置与逻辑阈值方法对穷人兼容性的各种模型 当使用这种控制方法对模型开发新ABS装置 需要更多的时间和大量的实验来确定和调整控制逻辑和控制参数 以达到最佳的制动效果 滑模变结构方法的理论 具有很强的适应性 但滑动运动在剖面线开关抖动由于惯性的 系统当叠加 所以在该方法应用到实际 必须首先解决抖动问题的系统 最优控制方法非常成熟的理论 它将车轮的角速度和角加速度作为状态变量 优化控 制系统 可以实现良好的理论上的制动性能 然而 滑模变结构和最优控制是现代控制理 论的控制方法 其应用的成功 关键在于数学模型是正确的 事实上 几乎不存在或无法控制 动 态模型的参数识别精度的模型本身就是问题 关键的车辆分布 如乘客装载质量和数量和 位置 在实践中也是可选的 和以获得所需的数学模型在相关控制参数和状态变量 它们 都需要准确的实时速度的确定车身的 在车辆制动速度 然而 不平等与车轮的转速 车轮速度来间接计算速度 在实时性 准确性可以满足要求的两个控制方法 目前 以 满足需求的速度传感器 因为它的成本是相对较高的 不能使用 此外 对于这两种控 制方式的电动伺服机制也比较复杂 因此降低了系统的可靠性 采用了在实践中 模糊控制也是一种控制方法基于经验 但其控制基于之前构建一个规则库 同时有很 多控制规则在规则库和隶属度 基于模糊推理和模糊 然后根据控制音量控制 所以 它可 以保持各种复杂工作环境的特点建立了足够的经验规则 共同来控制汽车制动过程 因为 无锡太湖学院学士学位论文 14 每个规则只有一个特定形式的隶属度来影响最终的结果 当外面的世界 当面对只有轻微 影响最终结果 系统的鲁棒性好 并不是基于模糊控制模型 这使得它特别适合解决非 线性问题和复杂的系统 又因为它是一种控制 基于语言特点给机器可以把人们的思维 ABS 具有一定的智能 更能适应不断变化的环境 但模糊控制的计算方法不是有效的一般 只能依靠设计者的经验和多次调试 还需要根据实验 目前实际应用最广泛的和更有效的制动控制武器系统控制方法的逻辑门限控制 该方 法已在国外成熟 一个非常有用的控制方法 因此 有必要开发控制方法应用于制动控 制系统 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 15 4 4 基于基于 MATLAB 软件的软件的仿真分析仿真分析 4 1 计计算算机机仿仿真真 仿真一个单词源自英语 Simulink 是真正的系统 物理 在不破坏的前提下 物理性 质的一种合理简化和高度概括 仿真不仅是计算机应用的一个重要方面 近年来快速发展 的一个新学科 在系统的分析设计过程中 除了使用理论分析和计算进行了系统的实验研究 往往需 要对系统的特点 这个实验的研究一般有两种 一种是在实际的系统 另一个是在模型上 从安全 经济和可能性考虑许多方面 很难做实验在实际系统 所以在早期采用的模型试 验 所谓模拟 就是使用系统模型结合实际或模拟环境条件进行研究 分析或实验方法 其目的是力求在实际系统建立 是近于实际的成果 通过仿真 可以是一个部分的绩效评 估系统 试验一些新的系统的理论假设 等等 4 1 14 1 1 计算机仿真计算机仿真的的分类分类 根据系统模型的仿真系统仿真可分为物理模拟和数值模拟 与物理模型来模拟实际 的系统通常被称为物理模拟 在计算机和数字仿真试验进行了系统模型 也称为计算机 仿真 对于一个真正的系统 因为自己的复杂性 很难用一个物理模型模拟 为了研究 一些复杂的系统设计来创建一个物理模型通常需要一个沉重的代价 周期长 数字计算机仿真是解决困难的模拟计算机仿真 近年来 快速发展的数字集成电路技 术 数字仿真的趋势日益明显 本文还使用在数字仿真 数字仿真通常使用以下三种方法 第一个方法是模拟编程仿真本身 在使用这种方法 要求用户建立良好的系统数学模 型 因此 这种方法通常用于系统简单 仿真本身有一定的建模和编程能力 第二种方法是数学模型由用户自己设置 选择一些常见算法图书馆系统是模拟的 如在应用 Matlab Simulink 仿真 第三种方法是选择专用仿真软件仿真 这个软件通常提供一个建模工具 用户只需要 方式根据原理图仿真数据 专业软件自动建模和仿真输出结果 显然第三的这三种方法是最简单的 它只需要用户输入仿真数据 但它的成本也增 加了 第一种方法的缺点是 模型是更困难的 模拟编程能力要求较高 4 1 24 1 2 MatlabMatlab 及及 SimulinkSimulink 的简要介绍的简要介绍 1 Matlab 简介 Matlab是 MathWorks公司1982年推出高性能的数值计算和可视化软件 它集数值分析 矩阵运算 信号处理和图形显示于一体 构成了一个方便 界面友好的用户环境 Matlab意味着矩阵实验室 矩阵实验室 首先由解包和EISPACK计划开发的 主要用于 方便访问矩阵 是基本元素不必定义维度矩阵 经过多年的改进和扩展 已发展了线性代数 课程标准工具 也是其他课程领域的实用程序 在工业环境中 Matlab是用来解决实际工程 和数学问题 Matlab 包括称为 Toolsbox 装备 的各种应用解决问题的工具 Matlab 工具箱的实际上 无锡太湖学院学士学位论文 16 是扩展应用一系列的 Matlab 函数 称为 M 文件 它可以 用来解决这个问题的每一个特定的纪律 Matlab 软件的特点 在 Matlab 环境下 用户可以方便地进行程序设计 数值计算 图形绘制 输入输出 文件管理等各项操作 现将它的一些重要特色进行如下小结 1 数值与符号的计算功能强大 强大的计算 符号 形式和规模的数值计算可以完成 强大的矩阵运算能力和能力 可以解决大问题的稀疏矩阵 Matlab数值计算功能包括矩阵运算 多项式 有理分式运算 数据分析 数值积分和优化等 2 语言简单易学 Matlab除了命令行交互操作 您也可以通过编程 可以很容易地使用Matlab对C或 Fortran语言几乎所有的功能 包括窗户的设计图形用户界面 并且容易学习的编程语言 Matlab强大的可扩展性 用户可以编辑你的工具箱 3 图形功能强大 Matlab提供了两个级别的图形命令行 一个是低级图形图形命令语句 另一种是基于 低级图形命令先进的图形命令 利用MATLAB高级图形命令可以很容易地绘制2 d 3 d和4 d图形 图形和坐标可进行精细控制 识别 视觉角度和灯光设计 色彩等等 4 应用工具箱特色 Matlab应用程序工具包分为基本的工具箱 工具箱 一般专业工具盒 基本工具 盒子有成百上千的内部功能 是核心部分 通用工具盒主要用于扩大其符号计算 可视化 建模 仿真和文本处理功能等 专业工具盒专业性更强 如控制系统 电力系统 信号处 理 神经网络 优化 如金融工具箱 用户可以直接使用该工具包 用于相关领域的科学研 究 产品组是广泛应用于 Matlab 包括信号和图像处理 控制系统设计 通信 系统仿真 和 许多其他领域 开放的结构使它容易为一个特定的 Matlab 产品组扩大需求 不断深化理 解的问题的同时 提高他们的竞争力 它允许用户设置完成指定功能 M 文件 从而构成了 一套适用于其他领域 对于一个工程师从事特定领域的工作 不仅可以使用函数和基本的 工具箱提供的函数 运用 Matlab 编写 可以很容易地构造的特殊函数 从而大大延长了 Matlab 的应用范围 Matlab 主要产品构成有 Matlab Matlab Toolbox Matlab Compiler Simulink Stateflow Real Time Workshop 等 2 Simulink 简介 仿真软件是Mathworks公司开发的另一个著名的动态仿真系统 它是一个额外的组件 的MATLAB 为用户提供一个建模和仿真的工作平台 因为它的许多功能是基于