[CAD图纸全套]汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究设计

编号 题目： 汽车防抱死制动系统的控制方法 仿真研究 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 0923084 学生姓名： 蒋 耀 指导教师： 陈炎冬 （职称： 讲师 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日全套 资料 ， 扣扣 414951605 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 无锡 太湖学院 信 机 系 机械工程及自动化 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 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 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， 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 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 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： 从实践中选题，了解 统的意义； 学会搭建正确的车辆制动动力学模型； 学习 关知识，掌握其操作过程，学会用 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： 机械 92 班 姓名 蒋 耀 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 12 日 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 拟汽车在直线制动的运动状态，对 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。 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 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 抱死系统的数学模型，提出了基于路面附着系数的 制算法，并根据数学模型，利用件建立普通制动系统和 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 (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 能准确控制车轮的运 动状态，因此证明本次设计 对 动过程的仿真分析是有效的。 关键词 ： 制动；防抱死制动系统；仿真； n to to of in a BS of of a it it of is of of of of At it as as So of be in a it an to of of It to of On of it to a of an an to of of of we to of So of s is V 目 录 摘 要 . . 录 . V 1 绪论 . 1 题研究的意义 . 1 究内容 . 1 2 防抱死 制动系统概述 . 2 车防抱死制动系统 功能 . 2 动系统研究的理论状态 . 2 3 防抱死制动系统基本原理 . 4 动时汽车的运动 . 4 移率定义 . 6 移率与附着系数的关系 . 7 动时车轮的受力分析 . 8 用防抱死制动系统的必要性 . 10 抱死制动系统基本工作原理 . 11 制技术及发展现状 . 12 4 基于 件的仿真分析 . 15 算机仿真 . 15 算机仿真的分类 . 15 简要介绍 . 15 动方程建立 . 18 式制动器制动力矩的计算 . 18 轮模型的动力学方程 . 20 建立无 动的模型 . 24 建立汽车 动模型 . 26 关控制的 统仿真 . 26 D 控制的 统仿真 . 28 限控制 系统仿真 . 30 真的参数及结果 . 31 真参数 . 31 仿真结果 . 32 开关控制 仿真结果 . 34 制 仿真结果 . 36 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 绪论 题研究的意义 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。 究内容 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 汽车动态制动过程。 比较分析影响制动过程的因数： 种情况下的 比较 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 防抱死制动系统概述 车防抱死制动系统 功能 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 。 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： 滑和甩尾 短制动距离（松软的沙石路面除外） 止爆胎。 现代轿车的 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 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。 提高汽车的稳定性。汽车制造商的研究数据表明 ,车辆配备 使车轮侧滑事故下降了约 8%。 ,可以缩短制动距离。这是由于紧急制动在同等条件下 ,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 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 此外 ， 用 方便 ,工作可靠。使用 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、 进入工作状态根据情况 ， 即使雪和湿滑的道路、 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 动 系统研究的理论状态 研究 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 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 ,电机试验台及其控制系统等。汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 3 实验室研究 造各种各样的 ,其中 ,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 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 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 南程军电子科技公司的 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 国内 外 ,他们都是基于仿真环境 基于 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 类型的 0多个品种 ,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 括 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 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 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 防抱死制动系统基本原理 动时汽车的运动 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。示。其中 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。 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 a）所示。 图 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 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 。 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。汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 5 对 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 示。图 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 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 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 示。所有这些运动情况若在制动时出现，都是极其危险的。 图 车直线制动车轮抱死时的运动情况 无锡太湖学院学士学位论文 6 图 车转弯制动车轮抱死时的运动情况 移率定义 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 10 （ 错误 !未找到引用源。 式中 : 滑移率 ; 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 ) 于车轮的角速度 和车轮滚动半径 r 乘积时 ,滑移率为零 ( 0) ,车轮为纯滚动 ;当 = 0时 , 100 % ,车轮完全抱死而作纯滑 动 ;当 0 值越大。 应当指出，若 扇形的径向宽度过大，衬块摩擦面上各不同半径处的滑磨速度相差太远，磨损将不均匀，因而单位压力分布均匀这一假设条件不能成立，则上述计算方法也就不适用。 制动盘工作面的加工精度应达到下述要求：平面度允差为 面粗糙度为 m，两摩擦表面的平行度不应大于 0 05动盘的端面圆跳动不应大于 常制动盘采用摩擦性能良好的珠光体灰铸铁制造。为保证有足够的强度和耐磨性能，其牌号不应低于 方程 213132234 df p 图 系统 p 型 轮模型的动力学方程 假设单论模型的质量为 m，车轮的转动惯量为 I，车轮的旋转角速度为 w，地面的制动力为 用于车轮的制动力矩为 设向左为速度正方向，逆时针旋转方向为正，忽略 了 空气阻力和滚动阻力，则有以下方程： （ r （ F （ 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 21 为了使问题 进一步简化，可作如下假设： （ 1） 认为车轮抱死得很快，忽略其车速的降低； （ 2） 认为车轮载荷是一个常数， （ 3） 如图所示，附着系数随滑移率变化曲线近似的用两段直线段来表示，即 当 0时， （ 当 1时， ( 1 ) ( )1b p （ 图 着力系数b随滑移率式（ （ 的程序模型： 无锡太湖学院学士学位论文 22 图 子系统bSb的模型 车身速度由下式确定： （ 0（ 车轮速度，即切线速度可由下式确定： （ b 0（ 由（ （ 在 的程序模型如下： 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 23 图 系统 v 的模型 由（ （ 在 的程序模型如下： 图 系统 w 的模型 滑移率公式在 的模型如下： 无锡太湖学院学士学位论文 24 图 系统 v ， w 建立无 动的模型 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 25 *u(1)+001/71/无 置的制动系统的汽车制动过 程的模型 无锡太湖学院学士学位论文 26 建立汽车 动模型 关控制的 统仿真 开关控制模式曾经预期输出 的阈值设置 ,可以使输出的控制量使错误减少的方向运动。汽车防抱死制动系统的汽车开关控制器的阈值是预期车轮滑移率 ,控制器的输入变量是车轮滑移率误差 ,预期的车轮滑移率和实际的不同的车轮滑移率 ： 0当车轮 的 滑移率误差 值 0e 时， 反应后 输出控制 量 1u ； 当车轮 得 滑移率误差 值 0e 时， 反应后 输出控制量 0u ； 当车轮 得 滑移率误差 值 0e 时， 反应后 输出控制量 1u 。 开关控制 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 27 *u(1)+001/71/a）开关控制 型 无锡太湖学院学士学位论文 28 图 b）开关控制器子系统模型 D 控 制的 统仿真 实现连续控制的 制是最简单的算法 ,它只需要适当地设置比例、积分、微分系数。一个滑动率的设定目标 ,控制误差 ： 0则 控制规律可表示为 : 0使用最广泛的一种控制方式。其最大的优点是不需要知道被控对象的数学模型 ,只 要在线设置控制器参数根据经验 ,可以得到满意的结果 ,且易于实现。它的缺乏是控制对象参数变化敏感 ,控制对象和延时控制效果较差。简单的 它必须具有的功能参数设置控制器在线。同时 ,选择 p,增加系统设计的难度。 汽车 根据 统 ,一组最优参数 i,快的方式 ,使车轮滑移率为了接近目标设定 : 0 经过多次调试，得出参数 1111、 2 和 2 汽车 防抱死制动 系统 制的控制规律可 用方程 表示为 : d 212111110 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 29 制 统模型如图所示 : *u(1)+001/01/a） 制 型 无锡太湖学院学士学位论文 30 1P co n t r o -m g 20 . 2S b 01sI n t e g r a t o a i n 212G a i n 1- K -G a i nd u / d tD e r i va t i b） 制器子系统模型 限控制 系统仿真 门限控制 行的是 反馈循环控制，在制动过程中计算出瞬时的滑移率和角加速度数值， 进而 与 设 定的两个 控制门限值进行比较，作为控制信号，及时实施相应的控制，使得车 速与轮速产生 的合理变化，从而 将 滑移率 控制 在 20%左右，获得 轮胎与路面的 较高纵向 附着系数 和较高的侧向附着系数， 充分发挥轮胎与路面间的附着能 力 ，很好的降低了汽车的制动距离。 门限值 控制 统模型如图所示 图 a）门限控制 型 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 31 图 b）门限控制子系统模型 真的参数及结果 真参数 建立汽车动力学模型，为了简化模型 来 进行基本控制策略的研究，在仅 进行 分析 行如下的假设 : (1)车身 、 底盘与所 汽车 运载物体为 整体 ，汽车运动时 不产生 任何弹性形变 ； (2)汽车轮胎没有任何形变 ； (3)轮胎和车轴连接只考虑转动特性 ； (4)路面 是绝对 平整 的； (5)车辆 进行 直线 行驶 ， 没有 偏转， 不产生 侧向运动 ； (6)每个车轮所 承受的力是完全 相等 的。 在以上 的一系列 理想情况的 前提 下 ，为方便研究 我们 在 这边 仅 对 四分之一的车辆模型进行研究分析。 我们 在使用 件 进行仿真时， 对 仿真结果输出 有影响 的因素 包括 仿真 开始的时间、结束 的 时间和 仿真步长。 正常情况下 来讲， 一般汽车 制动后 7此我们这边 初始时间 取 为 0s，结束 的 时间为 仿真 的 步长 50f i n a l s t a r 无锡太湖学院学士学位论文 32 表 4 1 单轮制动仿真参数 参数 符号 单位 数值 车轮质量 M 00 车轮动力半径 r m 轮转动惯量 Iz