基于PLC的汽车防抱死系统模拟

中北大学 2013 届毕业设计说明书第 I 页 共 II 页 目录1 引言 .11.1 课题的研究背景及意义 .11.2 ABS 系统的研究状况 .21.2.1 ABS 在国外的发展状况 .21.2.2 ABS 在国内的研究状况 .21.2.3 ABS 的控制算法研究现状 .31.3 论文内容安排 .42 ABS 防抱死系统的基本原理 .42.1 ABS 防抱死系统的工作过程与原理 .42.2 滑移率的概念 .62.3 ABS 系统的工作原理 .63. 系统模拟方案介绍 .83.1 ABS 防抱死模拟实验系统硬件设计总体思路 .83.2 ABS 防抱死模拟实验的系统结构及其硬件选型 .83.3 ABS 防抱死模拟实验系统的硬件与软件设计 .83.3.1 硬件控制方案 .83.3.2 PLC 与变频器的连接 .94. PLC、变频器、电机及其使用情况 .124.1 变频器的构成 .124.2 变频器调速原理 .134.3 变频器的选型 .154.4 松下 VFO 系列变频器介绍 .154.5 VF0 变频器工作模式及控制方式 .184.6 输入继电器 .194.7 电机的调速 .204.8 PLC 的一般结构 .204.9 PLC 的基本工作原理 .22中北大学 2013 届毕业设计说明书第 II 页 共 II 页 4.10 松下 FP0 系列 PLC 简介 .264.11 松下 PLC 与上位机的连接 .275 系统调试和程序编写 .305.1 ABS 防抱死系统的 PLC 程序设计 .306 总结 .32附录 .33参考文献 .38致谢 .40中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 40 页 1 引言1.1 课题的研究背景及意义随着世界汽车工业的迅猛发展，安全性日益成为人们选购汽车的重要依据。目前广泛采用的防抱制动系统（ABS）使人们对安全性要求得以充分的满足。有人说制动防抱系统是汽车安全措施中继安全带之后的又一重大进展。汽车制动系统是汽车上关系到乘客安全性最重要的二个系统之一。随着世界汽车工业的迅猛发展，汽车的安全性越来越为人们重视。汽车制动防抱系统，是提高汽车制动安全性的又一重大进步。大部分的车都已将 ABS 列为标准配备。如果没有 ABS，紧急制动通常会造成轮胎抱死，这时，车轮与地面的摩擦将变成滑动摩擦，而抱死之前的摩擦力为最大静摩擦力，滑动摩擦比最大静摩擦力要小，制动力大大下降。而且如果前轮抱死，车辆就失去了转向能力；如果后轮先抱死，车辆容易产生侧滑，使行车方向变得无法控制。所以，ABS 系统通过电子或机械的控制，以非常快的速度精密的控制制动液压力的收放，来达到防止车轮抱死，确保轮胎的最大制动力以及制动过程中的转向能力，使车辆在紧急制动时也具有躲避障碍的能力 12。ABS 防抱制动系统由汽车微电脑控制，当车辆制动时，它能使车轮保持转动，从而帮助驾驶员控制车辆达到安全的停车。这种防抱制动系统是用速度传感器检测车轮速度，然后把车轮速度信号传送到微电脑里，微电脑根据输入车轮速度，通过重复地减少或增加在轮子上的制动压力来控制车轮的打滑率，保持车轮转动。在制动过程中保持车轮转动，不但可保证控制行驶方向的能力，而且，在大部分路面情况下，与抱死锁死车轮相比，能提供更高的制动力量。在国内，ABS 的市场需求量很大，但是 ABS 的生产商大都不能自主研制，目前，大多数的 ABS 系统是采用传统的逻辑门限控制控制方法，由于这种控制方法成本较高，而且，ABS 系统的开发涉及到电子液压、机械、汽车建模以及软硬件开发和最终的汽车试验等许多方面，因此开发难度较大。所以，国内自主研发的 ABS 寥寥无几。如果应用计算机或 PLC 模拟汽车防抱死系统即 ABS 系统就可以方便快捷的得到试验所需的结果，并且可以替代危险性试验提高安全性和经济性，还可以对设计开发中的产品估计性能，完善设计。同时，计算机仿真试验可以大量的进行，能够对控制法进行大量的研究，节省大量的人力物力。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 40 页 尽管 ABS 系统不能完全实现汽车的行驶安全，但也使汽车的安全性得到了很大的提高。在我国的汽车工业规划蓝图中，ABS 技术的研发与应用已经成为我国的汽车工业发展的重中之重。1.2 ABS 系统的研究状况1.2.1 ABS 在国外的发展状况ABS 系统的发展可以追溯到上世纪初期，早在 1928 年制动防抱理论就被提出，在 30 年代机械式制动防抱系统就开始在火车和飞机上获得应用，博世（BOSCH）公司在 1936 年第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获取车轮转速的制动防抱系统的专利权。福特（FORD ）公司曾于 1954 年将飞机的制动防抱系统移置在林肯（LINCOIN）轿车上，凯尔塞海伊斯（KELSEHAYES）公司在 1957 年对称为“AUTOMATIC”的制动防抱系统进行了试验研究，研究结果表明制动防抱系统确实可以在制动过程中防止汽车失去方向控制，并且能够缩短制动距离；克莱斯勒（CHRYSLER）公司在这一时期也对称为 “SKIDCONTROL”的制动防抱系统进行了试验研究。由于这一时期的各种制动防抱系统采用的都是机械式车轮转速传感器的机械式制动压力调节装置，因此，获取的车轮转速信号不够精确，制动压力调节的适时性和精确性也难于保证，控制效果并不理想。直到 70 年代后期，由于电子技术迅猛发展，ABS 控制部分采用了电子控制，其反应速度、控制精度和可靠性都得到了明显的进步，制动效果也得到了较大改善，同时其体积不断变小，质量逐步减轻，控制与诊断功能不断增强，价格也逐渐降低。大大提高了 ABS 电子控制器的精度和抗干扰能力，使其在全球范围内得到普及。此后，日、欧、美等许多制动器成产公司和汽车公司均研制了形式多样的 ABS 系统 3。1.2.2 ABS 在国内的研究状况由于上世纪 80 年代 ABS 技术在全球范围内的普及，我国也开始正式引进国外成熟的技术与装置。随着改革开放的深入，我国汽车保有量不断的攀升，使得人们越来越重视汽车的安全性能。近年来国内有关 ABS 系统的研究逐渐增加，主要有交通部、重庆公路研究所、华南理工大学、清华大学、东风汽车公司、吉林大学等单位。虽然起步较晚，但也取得了一些成果。随着中国成为全球第二大经济体，愈来愈多的 ABS 研究机构将他们的研发中心选中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 40 页 择到了中国。预计到了 2015 年，新汽车平均价格增长幅度较小，引进的新技术增加了汽车成本，而为了使每辆新汽车实现 5%的利润，汽车厂商和供应商需要削减 1500 欧元的成本。在成本的压力下，国外的规模较大的 OEM 准备在未来十年把很多研发创新工作外派到汽车消费大国比如中国。这使得 ABS 在中国具有广阔的发展前景。1.2.3 ABS 的控制算法研究现状在车辆的制动过程中，ABS 系统为了把汽车的滑移率控制在理想值附近，同时，汽车还能够得到最大程度的地面制动力与良好的鲁棒性（鲁棒是 Robust 的音译，也就是健壮和强壮的意思。它是在异常和危险情况下系统生存的关键） ，ABS 控制算法的加入是更有效率的控制 ABS 系统的重要手段。现如今由于自动控制理论、车辆动力学、电子技术和计算机技术的不断发展，为了提高控制效率，许多专家和学者都在致力于使用不同的控制算法开发 ABS 系统。大体上可分为：逻辑门限值控制、滑动模态变结构控制、最优控制和模糊控制法 4。1. 逻辑门限值控制逻辑门限控制的重点是：控制、设定于控制变量紧密相关的变量门限阈值，控制器根据实际测到的数值与设定的阈值之间的大小关系进行调节的控制方法。2. 滑动模态变结构控制滑动模态变结构控制系统的特征是具有一套反馈控制律和一个决策规则，决策规则就是切换函数，将其作为输入来衡量当前系统的运动状态，并决定在该瞬间系统所应采取的反馈控制率，结果形成了变结构控制系统。引进这种变结构特性的优势之一是系统具有每一个结构有用的特性，并可进一步使系统具有单独每个结构都没有的新的特性，这种新的特性即是变结构系统的滑动模态。3. 模糊控制法模糊控制法是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。由于模糊控制避免了复杂车辆单一路面的数学模型对于控制的实中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 40 页 施性不利因素，所以基于这种的思路的 ABS 系统能进一步减小制动距离，鲁棒性好。4. 最优控制最优控制是现代控制理论的核心，它研究的主要问题是：在满足一定约束条件下，寻求最优控制策略，使得性能指标取极大值或极小值。1.3 论文内容安排1. 引言；2. 系统模拟方案介绍；3. ABS 原理介绍；4. PLC、变频器、电机及其使用情况；5. 系统调试和程序编写；6. 总结。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 40 页 2 ABS 防抱死系统的基本原理2.1 ABS 防抱死系统的工作过程与原理ABS 防抱死系统的工作过程是根据车轮上安置轮速传感器，将各车轮的转速信号及时的传输到电子控制单元；电子控制单元根据各个车轮轮速传感器输入的信号对各个车轮的运动状态进行监测和判定，并且形成相应的控制指令。制动压力调节装置主要由调压电磁阀，电动泵和储液器等组成一个独立的整体，通过制动管路与制动主缸和各制动轮缸相连。工作过程可以分为常规制动和压力调节制动，后者分为制动压力保持制动，制动压力减小和制动压力增大等阶段。1 常规制动在常规制动阶段，ABS 并不介入制动压力控制，调压电磁阀总成中的各进液电磁阀均不通电而处于开启状态，各出液电磁阀均不通电而处于关闭状态，电动泵也不通电运转，制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于沟通状态，而各制动轮缸至储液器的制动管路均处于封闭状态，各制动轮缸的制动压力将随制动主缸的输出压力而变化，此时的制动过程与常规制动系统的制动过程完全相同。2 压力调节制动在制动过程中，电子控制装置根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮趋于抱死时，ABS 就进入防抱制动压力调节过程。例如，电子控制装置判定右前轮趋于抱死时，电子控制装置就使控制右前轮刮动压力的进液电磁阀通电，使右前进液电磁阀转入关闭状态，制动主缸输出的制动液不再进入右前制动轮缸，此时，右前出液电磁阀仍未通电而处于关闭状态，右前制动轮缸中的制动液也不会流出，右前制动轮缸的刮动压力就保持一定，而其它未趋于抱死车轮的制动压力仍会随制动主缸输出压力的增大而增大；如果在右前制动轮缸的制动压力保持一定时，电子控制装置判定右前轮仍然趋于抱死，电子控制装置又使右前出液电磁阀也通电而转入开启状态，右前制动轮缸中的部分制动波就会经过处于开启状态的出液电磁阀流回储液器，使右前制动轮缸的制动压力迅速减小右前轮的抱死趋势将开始消除，随着右前制动轮缸制动压力的减小，右前轮会在汽车惯性力的作用下逐渐加速；当电子控制装置根据车轮转速传感器输入的信号判定右前轮的抱死趋势已经完全消除时，电子控制装置就使右前进液电磁阀和出液电磁阀都断电，使进液电磁阀转入开启状态，使出液电磁阀转入关中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 40 页 闭状态，同时也使电动泵通电运转，向制动轮缸泵输送制动液，由制动主缸输出的制动液经电磁阀进入右前制动轮缸，使右前制动轮缸的制动压力迅速增大，右前轮又开抬减速转动 56。ABS 通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复而将趋于防抱死车轮的滑移率控制，在峰值附着系数滑动率的附近范围内，直至汽车速度减小至很低或者制动主缸的常出压力不再使车轮趋于抱死时为止。制动压力调节循环的频率可达 320HZ。在该 ABS中对应于每个制动轮缸各有对进液和出液电磁阀，可由电子控制装置分别进行控制，因此，各制动轮缸的制动压力能够被独立地调节，从而使四个车轮都不发生制动抱死现象。制动压力调节装置受电子控制装置的控制，对各制动轮缸的制动压力进行调节，控制车轮不抱死并且处于最佳状态，如同 2.1 可以看出整个系统是一个闭环制动系统。图 2.1 ABS 控制过程2.2 滑移率的概念汽车的制动是依靠轮胎与地面之间的摩擦力来实现减速的。汽车制动时，车轮速度在不断减小，但是由于惯性的原因，车体的速度不会随着轮速的变化而减小，因此轮速与车速之间就会产生了一个速度差，这种由于车速与轮速之间存在着速度差的现象就叫做滑移现象。在实际研究 ABS 的时候，通常研究人员会使用滑移率来检测制动时车轮的滑移程度。车辆的滑移率是指车轮的滑移速度（车轮的实际速度与周向速度之差）与实际速度之比。滑移率的表达式：中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 40 页 10%xwsv（2.1）由式（2.1）可看出，当车 Vx 与轮速 Vw 的值相同时,车辆的滑移率为零，此时汽车在道路上做纯滚动。当汽车制动时，车轮速度和车速差值开始增大，相应的滑移率的值也会增大，当轮速变为零时，滑移率达到最大值 100%，此时车轮完全处于抱死状态，汽车在道路上 100%滑动。当滑移率是 0设定值初速度 末速度N Y图 5.3 判断是否启动 ABS 流程图（2）在实现 ABS 制动的程序中，采用了模糊算法编写程序。在编写 PLC 模糊控制算法程序时，首先将滑移率的输入、输出变量的量化因子置入 PLC 中的数据寄存器中，再将实际的滑移率的数值送人到模糊控制器中，经过模糊控制器可得到期望的滑移率，再通过 PLC 的运算，得到相应的轮速值。既实现了基于PLC 模拟 ABS 系统的模糊控制 29。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 36 页 共 40 页 6 总结随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。从最开始的时候，我之所以选择本论文的题目（基于 PLC 的汽车防抱死系统模拟）是因为我对 PLC 方面的知识和有关汽车方面的知识十分感兴趣，在没有开始做毕业设计时我觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，应该是很简单的，但是随着研究的深入，我渐渐的发现自己的看法完全是错误的。毕业设计不仅仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。面对着一些陌生的问题，必须要通过查阅相关的资料，自己学习，研究，以及和同学相互讨论，互相学习。在此期间，导师给了我很大的帮助，他帮助我了解到了解决论文题目的关键，并且十分耐心的给我讲解我所编的程序的错误，使我顺利的完成了 ABS 汽车防抱死系统得程序编译，他不断地给予我鼓励，让我相信自己会顺利的完成题目。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺，自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低，但是，通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的不管是在工作还是在生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 37 页 共 40 页 附录附录 1 PLC 输出 PWM 脉冲中北大学 2013 届毕业设计说明书第 38 页 共 40 页 附录 2 A/D 转换程序中北大学 2013 届毕业设计说明书第 39 页 共 40 页 附录 3 判断启动 ABS 程序中北大学 2013 届毕业设计说明书第 40 页 共 40 页 附录 4 ABS 控制程序中北大学 2013 届毕业设计说明书第 41 页 共 40 页 附录 5 模糊算法程序中北大学 2013 届毕业设计说明书第 42 页 共 40 页 参考文献01 王波,孙仁云 ,黄伟，姚时音.模糊滑膜控制在汽车 ABS 中的应用研究M.机床与液压,2007:35-38.02 衣娟,郭庆梁 .汽车“防滑控制系统”浅释M.教育与职业.2004:15-20.03 丁坚.模糊 PID 控制研究D. 硕士学位论文.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2009.04 李文娟 .防抱死制动系统控制器的仿真与实验研究D.硕士学论文.哈尔滨：哈尔滨理工大学,2008.05 蒋顺文 ,唐炎.ABS 智能控制器的设计与实现J.桂林电子科技大学学报.2009,29(6):500-502.06 J. 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