汽车制动ABS控制技术分析中期报告.doc

河 北 工 业 大 学毕业设计(论文)中期报告学生姓名： 学 号： 学院： 机械工程学院 专业： 车辆工程 设计(论文)题目： 汽车制动ABS控制技术分析 指导教师： 石维佳 查找资料，了解ABS制动系统的基础原理和工作原理ABS制动系统的基础原理：制动时车轮的受力情况车轮在制动时受力分析汽车行驶速度；地面制动力；车轮垂直载荷；b动器摩擦力矩；地面对车轮的法向反作用图中滚动阻力偶矩和减速时的惯性力、惯性力矩均忽略不计。Mb车轮制动器中的摩擦力矩，单位为N.m，为地面制动力，F为车轴对车轮的推力，F为地面对车轮的法向反作用力，W为车轮的垂直载荷，其单位均为N，r为车轮半径，单位为m。当制动踏板力较小时，由于力矩平衡显然有： 地面制动力是使汽车制动而减速行驶的外力，但是地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摩擦片与制动鼓或制动盘间的摩擦力；一个是轮胎与地面间的摩擦力，即附着力。在轮胎周缘克制制动器摩擦力所需的力称为制动器制动力。相当于把汽车架离地面，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。制动器制动力F可由下式确定： 地面制动力、制动器制动力和附着力的关系图2.2.2 制动过程中地面制动力、制动器制动力以及附着力之间的关系F制动器制动力；附着力；地面制动力 路面附着系数与滑移率的关系车轮接地面在纵向和侧向产生附着能力，两者不尽相同 观察汽车制动过程，可以看出轮胎留在地面上的印痕从车轮滚动到抱死拖滑是一个渐变的过程。随着制动强度的增加，车轮滚动的成分越来越小，而滑动成分越来越大。滑移率就是用来衡量制动过程中滑动成分多少的。典型附着系数一滑移率曲线由该曲线可看出，在制动过程尚未开始时，即s=o时，纵向附着系数0，侧向附着系数最大。制动过程开始以后，纵向附着系数随着滑移率s的增加而迅速上升，当增加到临界滑移率S时(约为10%-30%)，达到峰值附着系数，该段曲线为稳定区域。滑移率s再继续上升，进入不稳定区域，纵向附着系数逐渐下降，S =100%时的附着系数称为滑动附着系数。实际上根据试验求附着系数一滑移率曲线时，、S超过S后车轮立即抱死，采集S100%区间的数据很困难。而侧向附着系数则随着滑移率的增加一直减小，s =100%时接近于零。此时车轮完全抱死，轮胎与路面之间的侧向附着力接近于零，车轮将完全丧失抵抗外界侧向力的能力。此时若车轮上存在外界侧向力的作用(如汽车重力的分力、路面不平度产生的侧向力、侧向风等)，车轮将会在路面上发生侧滑，这是一种极其危险的工况。由图2-13还可以看出，当车轮的滑移率处于临界滑移率附近时，侧向附着系数约为最大侧向附着系数的50-70%。若将车轮的滑移率控制在这一范围内，车轮的纵向附着系数最大，侧向附着系数亦较大。最大的纵向附着系数可使汽车获得制动和驱动所需的纵向附着力最大，而较大的侧向附着系数可使汽车获得转向或防止侧滑所需的侧向附着力。应用建立单论车辆模型制动过程动态仿真模型。（这个是照着别人的教程做的。建立车辆的整车运动模型、轮胎模型、自动器模型及控制器模型，模拟不同路面情况,对的制动过程进行仿真，并对仿真结果进行分析，探讨不同路面对制动过程的影响。）1 车辆的运动模型车辆的整车运动模型可以采用牛顿力学建立各个刚体的运动学方程,然后根据具体的用途不同,确定模型的繁简程度。目前常用的车辆整车运动模型主要有四轮车辆模型、双轮车辆型和单轮车辆模型3 种。四轮模型主要用于描述复杂的动力学性能场合,如横向动力学控制模拟等。双轮模型主要描述车辆的直线驱动场合,如考虑车辆加、减速对车辆动力学模拟和控制的影响分析。单轮模型主要描述制动性能,用于基于模型控制系统的分析和设计等。本文以单轮车辆运动模型来构建仿真系统。单轮车辆模型不考虑车辆侧倾的影响,忽略轮胎的滚动阻力、车辆的空气阻力等。模型的示意图如图所示。MbuMRFsN其数学描述如下:车辆运动方程Mu = - Fs. (1)车轮运动方程I = Fs R - Mb . (2) 车轮纵向摩擦力Fs = N. (3)式中: M 为车辆质量( t ) , u 为车速(m/ s) , Fs 为车轮摩擦力(N) , I 为车轮转动惯量( kgm2 ) ,为车轮角速度( rad/ s) , R 为车轮滚动半径(m) , Mb 为制动器制动力矩(Nm) ,为车轮与地面附着系数, N为车轮对地面法向反力(N) 。2制动器模型制动器模型用于在计算过程中给出各个车轮制动器在一定输入条件下所输出的制动力矩。先建立气压系统的压力模型, 然后再建立制动器的力矩-压力模型(即Mb - p 模型) 。关于气压系统压力p 与制动力矩Mb 的转换特性,可以通过两种途径获得:一种是通过试验来测定;一种是通过计算制动蹄效率系数的方法来计算。本文采用前一种方法。可以得到前后轮的制动力矩为Mb前= K1 p , (4)Mb后= K2 p. (5)式中: K1 、K2 为制动器制动因数。3 轮胎模型地面作用力是通过轮胎作用于汽车上的, 轮胎的力学特性决定了汽车的动态特性,因此,它是整车动力学中非常重要的一部分。影响轮胎力特性的因素很多,如侧偏角、垂直载荷、地面摩擦系数以及轮胎的滑动率等。国内外对此进行了较深入的研究,建立了经验、半经验或理论模型。本文参照有关资料,考虑主要的影响因素,建立了相对精确而又简化的轮胎- 路面动力学模型。将轮胎沿地面的附着力分为纵向和侧向两部分,有R = x Fn . (6)F = yFn . (7)附着系数与滑动率的关系一般为非线性的, 将其分段线性化, 见图下图 。同样将侧向附图xbgOSt1.0纵向附着系数01.0s侧向附着系数x对于纵向附着系数,其计算公式为对于侧向附着系数,其计算公式为y = s (1 - S ) . (9)式中: S t 为最佳滑动率,g 为滑动率为100 %时的附着系数,b 为峰值附着系数,s 为滑动率为0 时的附着系数。1. 4 控制器模型防抱死制动系统仿真分析的控制器模型就是选择合适的控制方法和确定合适的控制策略。这里选择的控制方法是逻辑门限控制法。逻辑门限控制法的比较量一般有以下几个:车轮的角速度、角减速度和角减速度的变化率、角减速度与角速度的比值 / 以及参考滑动率等。通过选择不同的比较量,就可以得到不同的预选、复选条件。所谓预选条件( P 条件) 就是当满足这个条件时车轮有抱死的倾向,应降低制动压力以增加车轮转速;而复选条件(R 条件) 则为满足此条件时车轮避免了抱死的倾向,制动压力会再次升高。本研究选P1R3 逻辑作为模拟计算中的数学模型。对于P1R3 这种控制逻辑,其压力变化的条件为升压:1) A 快速2) - a - a 快速、只在第一循环出现保压:1)1 只在第一循环中出现2) - a a 降压之后3) a A降压:1) - a2) a 在等待时间之后3)1 只在第一循环中出现2 MATLAB/ SIMUL IN K 动态模型仿真2. 1 SIMUL IN K仿真模型SIMUL IN K是MATLAB 中的一种新型的图形建模工具,即可用于动力学模拟也适用于控制系统的设计。应用SIMUL IN K 对车辆制动动态进行模拟的优点在于:控制系统和制动力学系统有机的溶于一体,同时用图形易于表达控制系统的信号流向和逻辑开关控制。在仿真模型中,制动系统模型采用简化一阶模型来表征它的动态特性,输入为制动踏板产生的相应气压,通过制动气室模型和制动器模型转化为制动力矩,输入到车辆模型中,输出为车辆的运动状态量,如车速、轮速等。再将运动状态量输入到轮胎模型中,计算得到滑动率和车轮的角加速度等,通过控制器模型对结果进行调节控制,保持最佳的滑动率,以获得最佳的制动效能和方向稳定性。图4 为用SIMUL IN K 编写的制动系统仿真程序。在此系统中,可根据踏板的输入仿真出制动力矩,然后输入到轮胎模型中,计算出滑动率等参数。图4 制动系统仿真程序图5 为轮胎模型的仿真程序。将制动系统的仿真程序的输出作为轮胎模型的一个输入,然后再与车辆车速等运动参数合成后,通过滑动率的公式计算出滑动率,与控制策略相比较,输入到计算轮胎力的S 函数中,求出此附着条件下轮胎理想的制动力矩,然后通过PID 控制器对制动力进行调节,以获得车辆的最佳制动效能和稳定性。ABS基本工作原理是：汽车在制动过程中，车轮转速传感器不断把各个车轮的转速信号及时输送给ABS电子控制单元（ECU），ECU根据设定的控制逻辑对四个转速传感器输入的信号进行处理，计算汽车的参考车速、各车轮速度及减速度，确定各车轮的滑移率。通过ECU发出指令控制液压控制单元，调节车轮制动轮缸中的制动压力。如果某个车轮的滑移率超过设定值，就发出指令控制液压控制单元，使该车轮制动轮缸中的制动压力减小；如果某个车轮的滑移率还没有达到设定值，ECU就控制液压单元，使该车轮的制动压力增大；如果某个这轮的滑移率接近于设定值时ECU就控制液压控制单元，使该车轮的制动压力保持一定。从而使各个车轮的滑移率保持在理想的范围之内，防止四个车轮完全抱死。ABS电控制防抱死制动系统的组成及控制过程电子控制器（ECU）执行器（制动压力调节器）警示灯制动总泵制动分泵车轮转速传感器ABS防抱死制动系统简图（1）常规液压制动系统：制动总泵、连接油管、制动分泵、车轮制动器等。（2）轮速传感器：第个车轮均设有一个轮速传感器，检测各个车轮的转速。（3）电子控制单元ECU：处理轮速传感器的信号，然后由此计算出车速，判断轮胎和道路情况，控制执行器给每个车轮提供最佳制动力。（4）ABS执行器：ABS执行器根据来自ECU的指令工作，减小或增大制动的液压力，或者视需要而保持制动液压力不变，以控制轮胎的最佳滑移率（1030），避免车轮被抱死。（5）故障指示灯：位地仪表的故障指示灯，打开点火开关时，ECU自检ABS系统时点亮，若系统正常故障指示灯熄灭。行车过程中点亮表明系统存在故障。ABS防抱死制动系统的组成图ABS防抱死制动系统的工作过程： 在常规制动阶段，ABS并不介入制动压力控制，车轮的制动力由驾驶员踩制动踏板的力度决定。同时ECU利用各个轮速传感器检测各个车轮的转速，然后由此计算出车速，判断轮胎和道路情况，当监测到某个车轮的轮速减速过大，滑移率过大时，车轮趋于抱死时，ABS就进入防抱制动压力调节过程。 ECU控制执行器调节此车轮的制动力，以控制轮胎的最佳滑移率（10%30%），避免车轮被抱死。 踩下制动踏板时，ABS不断循环保压降压升压过程，从而便将车轮滑移率控制在设定阈值范围内，防止车轮抱死滑移。ABS保压降压升压循环过程每秒一般进行34次。当制动液从制动总泵流入制动分泵时，制动踏板下沉；当制动液从制动分泵和储液器泵回制动总泵时，制动踏板上升，因此制动踏板振动作用在脚掌上会有抖动感觉。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车轮的滑动率控制，控制轮胎的最佳滑移率范围内，直至汽车速度减小至很低或者制动主缸的输出压力不再使车轮趋于抱死时为止。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。 ABS系统的布置形式ABS系统中，能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。如果对某车轮的制动压力可以进行单独调节，称这种控制方式为独立控制；如果对两个(或两以上)车轮的制动压力一同进行调节，则称这种控制方式为一同控制。在两个车轮的制动压力进行一同控制时，如果以保证附着力较大的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，称这种控制方式为按高选原则一同控制；如果以保证附着力较小的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，则称这种控制方式为按低选原则一同控制。按照控制通道数目的不同，ABS系统分为四通道、三通道、双通道和单通道四种形式，而其布置形式却多种多样。(1)四通道ABS 对应于双制动管路的H型(前后)或X型(对角)两种布置形式，四通道ABS也有两种布置形式，见图2.4.1。图2.4.1 双制动管路的H型(a)及X型(b)两种布置形式为了对四个车轮的制动压力进行独立控制，在每个车轮上各安装一个转速传感器，并在通往各制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置(通道)。由于四通道ABS可以最大程度地利用每个车轮的附着力进行制动，因此汽车的制动效能最好。但在附着系数分离(两侧车轮的附着系数不相等)的路面上制动时，由于同一轴上的制动力不相等，使得汽车产生较大的偏转力矩而产生制动跑偏。因此，ABS通常不对四个车轮进行独立的制动压力调节。(2)三通道ABS 四轮ABS大多为三通道系统，而三通道系统都是对两前轮的制动压力进行单独控制，对两后轮的制动压力按低选原则一同控制，其布置形式见图2.4.2(c)、(d)、(e)。图2.4.2 三通道ABS系统图(c)所示的按对角布置的双管路制动系统中，虽然在通往四个制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置，但两个后制动压力调节分装置却是由电子控制装置一同控制的，实际上仍是三通道ABS。由于三通道ABS对两后轮进行一同控制，对于后轮驱动的汽车可以在变速器或主减速器中只设置一个转速传感器来检测两后轮的平均转速。 汽车紧急制动时，会发生很大的轴荷转移(前轴荷增加，后轴荷减小)，使得前轮的附着力比后轮的附着力大很多(前置前驱动汽车的前轮附着力约占汽车总附着力的7080%)。对前轮制动压力进行独立控制，可充分利用两前轮的附着力对汽车进行制动，有利于缩短制动距离，并且汽车的方向稳定性却得到很大改善。(3)双通道ABS 图2.4.3(f)所示的双通道ABS在按前后布置的双管路制动系统的前后制动管路中各设置一个制动压力调节分装置，分别对两前轮和两后轮进行一同控制。两前轮可以根据附着条件进行高选和低选转换，两后轮则按低选原则一同控制。对于后轮驱动的汽车，可以在两前轮和传动系中各安装一个转速传感器。当在附着系数分离的路面上进行紧急制动时，两前轮的制动力相差很大，为保持汽车的行驶方向，驾驶员会通过转动转向盘使前轮偏转，以求用转向轮产生的横向力与不平衡的制动力相抗衡，保持汽车行驶方向的稳定性。但是在两前轮从附着系数分离路面驶入附着系数均匀路面的瞬间，以前处于低附着系数路面而抱死的前轮的制动力因附着力突然增大而增大，由于驾驶员无法在瞬间将转向轮回正，转向轮上仍然存在的横向力将会使汽车向转向轮偏转方向行驶，这在高速行驶时是一种无法控制的危险状态。图2.4.3 双通道ABS系统图2.4.3(g)所示的双通道ABS多用于制动管路对角布置的汽车上，两前轮独立控制，制动液通过比例阀(P阀)按一定比例减压后传给对角后轮。对于采用此控制方式的前轮驱动汽车，如果在紧急制动时离合器没有及时分离，前轮在制动压力较小时就趋于抱死，而此时后轮的制动力还远未达到其附着力的水平，汽车的制动力会显著