ABS建模与仿真毕业论文

哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）I汽车防抱死制动系统建模与仿真摘要随着汽车工业的不断发展，人们越来越重视汽车的安全性问题。汽车防抱制动系统ABS作为一种主动安全装置，能够在汽车制动时自动调节车轮制动力，防止车轮抱死，保证车辆的侧向稳定性和转向操纵性，同时缩短制动距离以取得最佳的制动效果。在汽车日益高速化的今天，它的应用也越来越广泛，而控制方法是ABS的核心技术，对汽车防抱制动系统的研究及汽车制动性能的提高具有重要的现实意义。本文首先分析了ABS的基本原理、组成、布置方式及国内外研究状况等，接着，采用人工图形建模的方法，在MATLAB/SIMULINK中建立了相应的车辆仿真模型，包括车辆系统的四分之一车体模型、轮胎模型和制动系统模型，并进行了不带ABS的系统仿真。然后，建立了BANGBANG控制、PID控制、模糊PID控制、滑移率门限值控制MATLAB/SIMULINK控制器模型，最后，对这几种ABS控制方法进行了详细的仿真研究，讨论了各种控制方法应用于汽车防抱制动系统的车辆制动效果，并进行了认真地分析比较研究。关键词汽车；防抱制动系统；模型；控制方法；仿真哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）IIMODELINGANDSIMULATIONOFTHEAUTOMOTIVEANTILOCKBRAKINGSYSTEMABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFAUTOMOBILEINDUSTRY,MOREANDMOREDEMANDSTOVEHICLEACTIVESAFETYPERFORMANCEARETAKENINTOACCOUNTASANACTIVESAFETYDEVICE,THEANTILOCKBRAKINGSYSTEMABSCANPREVENTTHEWHEELSFROMLOCKINGBYREGULATINGTHEWHEELSBRAKINGFORCEAUTOMATICALLY,SOTHATENSURETHELATERALSTABILITYANDTURNINGSTEERINGATTHETIMEOFBRAKINGBESIDESITALSOCANREDUCETHEBRAKINGDISTANCEANDACQUIRETHEBESTVEHICLEBRAKINGEFFECTWITHTHEINCREASINGLYHIGHSPEEDOFAUTOMOBILE,ABSISAPPLIEDSUCHWIDELYANDWIDELYWHATSMORE,THEABSCONTROLSOLUTIONISTHECOREOFTHEABSTECHNOLOGY,ITISIMPORTANTTOSTUDYTHEANTILOCKBRAKINGSYSTEMANDENHANCETHEBRAKINGPERFORMANCEOFAUTOMOBILEFIRSTLY,THEBASICPRINCIPLE,STRUCTURE,ARRANGEMENTSCHEMEANDTHEPRESENTSITUATIONOFTHEABSAREANALYZEDINTHISPAPERSECONDLY,MAKINGUSEOFGRAPHICALMODELING,AUTOMOTIVESIMULATIONMODELSWITHOUTCONTROLLERINCLUDINGTHEQUARTERVEHICLEMODEL,THETIREMODELANDTHEBRAKINGSYSTEMMODELAREESTABLISHEDANDSIMULATEDINMATLAB/SIMULINKTHIRDLY,FOURCONTROLMETHODSARESTUDIED,SUCHASTHEBANGBANGCONTROL,THEPIDCONTROL,THEFUZZYPIDCONTROL,THELOGICALTHRESHOLDCONTROLANDTHENFOURCONTROLLERMODELSAREBUILTRESPECTIVELYINMATLAB/SIMULINKATLAST,THESIMULATIONTESTSOFTHESEFOURABSCONTROLMETHODSARETAKENANDVEHICLEBRAKINGEFFECTSOFEACHCONTROLMETHODWHICHISAPPLIEDTOAUTOMOTIVEANTILOCKBRAKINGSYSTEMAREDISCUSSEDTHENTHECOMPARISONANDANALYSISAREGIVENINDETAILTOFINDTHECONTROLMETHODWITHTHEBESTPERFORMANCEKEYWORDSAUTOMOBILEANTILOCKBRAKINGSYSTEMSMODELCONTROLMETHODSIMULATION哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）III目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111本课题研究目的和意义112国内外研究现状概述2121国外研究现状2122国内研究现状313本文主要研究内容3第2章汽车防抱死制动系统的组成与基本原理521汽车防抱死制动系统的理论基础5211汽车制动时车轮受力分析5212滑移率622ABS的基本构成及其工作原理723本章小结9第3章汽车防抱死制动系统的建模1031车轮动力学模型研究概况1032汽车防抱死制动系统的数学模型10321车辆动力学模型10322轮胎模型12323制动系统模型1433汽车防抱系统的MATLAB/SIMULINK模型15331单轮车辆子系统15332轮胎模型子系统16333制动模型子系统16334滑移率计算子系统1734不带ABS的汽车制动仿真1735本章小结19第4章汽车防抱死制动系统控制仿真2041BANGBANG控制方法的研究20411BANGBANG控制方法基本原理20412BANGBANG控制器设计20哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）IV413BANGBANG控制的ABS仿真2142PID控制方法的研究23421PID控制方法基本原理23422PID控制器设计23423PID控制的ABS仿真2443模糊PID控制方法的研究26431模糊控制算法26432模糊PID控制器设计2744滑移率门限值控制方法的研究36441滑移率门限值控制方法36442滑移率门限MATLAB仿真3745本章小结39结论40致谢41参考文献42附录44哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）1第1章绪论11本课题研究目的和意义汽车防抱制动系统大致可分为纯机械式和电子控制式两种，通常我们所说的汽车防抱制动系统ANTILOCKBRAKINGSYSTEM，ABS指的是电子控制式防抱制动系统，它是在传统纯机械式制动系统基础上加入电子器件，通过监测制动过程中车轮运动状况，采用电子控制技术，灵活调节车轮制动力，防止车轮抱死的汽车主动安全装置。安全、经济、环保是当今汽车技术发展的三大趋势，在汽车普遍成为人们代步工具的今天，汽车的安全性不仅与车辆乘用者的安全联系紧密，也直接影响到其它交通工具，如自行车、摩托车使用者乃至行人的安全，当汽车以较高的车速在表面潮湿或有冰雪的路面上紧急制动时，很可能会出现这样一些危险的情况车尾在制动的过程中偏离行进的方向，严重的时候会出现汽车旋转掉头，汽车失去方向稳定性，即产生侧滑；另外，在制动过程中驾驶员控制不了汽车的行驶方向，即汽车失去方向可操纵性，若在弯道制动，汽车会沿路边滑出或闯入对面车道，即便是直线制动，也会因为失去对方向的控制而无法避让对面的障碍物。产生这些危险的原因在于汽车车轮在制动过程中产生抱死现象，此时，车轮相对于路面的运动不再是滚动，而是滑动，路面作用在轮胎上的侧滑摩擦力和纵向制动力变得很小，路面越滑，车轮越容易出现抱死现象；同时汽车制动的初速度越高，车轮抱死所产生的危险性也越大。据西方一些国家的统计资料表明1，发生人身伤亡的交通事故中，在潮湿路面上约1/3与侧滑有关；在结冰路面7080与侧滑有关，而侧滑事故中50是由于制动引起的，由此可见在制动时，确保车体方向稳定性和转向性，减少制动侧滑并缩短制动距离是十分重要且必要性的。汽车防抱制动系统ABS是一种主动安全装置，它从防止制动过程中车轮抱死的角度出发，避免车辆后轮侧滑和前轮丧失转向能力，提高车辆对地面附着能力的利用率，从而达到改善车辆制动稳定性、操纵性和缩短制动距离等目的，值得注意的是，在制动时确保车体方向稳定性和转向性是汽车防抱制动系统的主要目的，而缩短制动距离是在达到主要目的时的附带所得3。在制动性能的三项评价指标中，汽车采用ABS装置后，其前两项性能指标都有明显的改善和提高，对避免交通事故的发生能起到很好的作用，1995年美国国家公哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）2路安全局对客车ABS系统的有效性进行了详细的调查得出在潮湿路面上多辆汽车的碰撞中，装有ABS的轿车卷入率下降了1424；与行人和自行车的碰撞危险降低了27；装有ABS的汽车使事故潜在减少了81512，德国汉诺威交通事故研究组对182起商用车交通事故的分析表明使用ABS能够完全避免71的交通事故，减轻139的材料损失和174的人员伤害56。欧洲各国的统计，装有ABS的轿车和轻型货车事故减少8，公共汽车减少4，重型货车减少10，平均减少7578，由此可见，ABS是汽车上十分重要的主动安全装置，它能够提高车辆安全性，具有明显的社会效益和经济效益。我国的道路交通条件较发达国家有一定的差距，事故发生率较高，研制并装用ABS对减少交通事故和减轻事故损失具有重要的意义。12国内外研究现状概述121国外研究现状防抱制动系统最早出现在20世纪初的西方国家，首先应用于火车，主要用来防止火车制动的钢轮抱死而产生局部摩擦，避免造成车轮与钢轨的磨损。之后，防抱制动系统在飞机上得到了应用，提高了飞机在着陆时的行驶方向稳定性，防止了飞机着陆后制动跑偏、甩尾，并缩短了滑行距离。20世纪3050年代，西方国家研制出纯机械式的制动防抱装置，并少量装备于汽车，到了20世纪60年代，模拟电子技术在防抱制动系统上开始应用，但因为成本太高、可靠性较低，未能在汽车上广泛应用。20世纪70年代后期出现了数字式电子控制的制动防抱死系统，从而揭开了现代防抱制动系统大发展的序幕，ABS采用数字式电子技术，反应速度、控制精度和可靠性都显著提高，ABS进入实用化阶段，德国BOSCH公司在1978年首先推出了三通道四轮带有数字式电子控制装置的ABSBOSCHABS2。80年代是汽车ABS研制生产应用迅速发展的阶段，美国HELSEYHAYES公司在1986年推出了EBC型后轮ABS，主要装在客货两用汽车和轻型载货汽车上9。德国戴维斯TEVES公司1984年研制出MKN型整体式ABS。英国格林公司研制生产出DGX型货车用防抱制动装置，美国通用汽车公司的子公司达科公司研制出ABSVI防抱制动系统。进入90年代后，ABS的发展和应用非常迅速，并开发出第五代产品，成为许多汽车，特别是轿车的标准装备，90年代末，世界各国已有300多种汽车装有防抱制动系统ABS，ABS在汽车上的装有率近8010。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）3122国内研究现状我国对汽车防抱制动系统ABS的研究始于20世纪80年代初，现在刚刚进入产品试制和装车试验阶段。汽车防抱制动系统ABS是国家十五规划中重点发展的汽车电子产品。目前，国内研究ABS的院校及机构很多，具代表性的有以郭孔辉院士为代表的吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室，以宋健等多名博导、教授为代表的清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，以吴浩硅教授为代表的华南理工交通学院汽车系，还有以ABS专家程军为代表的济南程军电子科技公司11。其中，吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室致力于汽车操纵稳定性、汽车操纵动力学、汽车轮胎模型、汽车轮胎稳态和非稳态侧偏特性的研究，在轮胎力学模型、汽车操纵稳定性以及人车闭环操纵运动仿真等方面的研究成果均达到世界先进水平，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室在ABS控制量、轮速信号抗干扰处理、轮速信号异点剔除、防抱电磁阀动作响应研究等方面的研究处于国内领先地位。华南理工交通学院汽车系在ABS技术方面有独到之处，能够建立制动压力函数，通过车轮地面制动力和整车动力学方程计算出汽车制动的平均减速度和车速。济南程军电子科技公司对ABS控制算法研究颇深，他们在基于MATLAB仿真环境实现防抱制动逻辑、基于VB开发环境进行车辆操纵仿真和车辆动力学控制的模拟研究等方面也颇有研究。国内生产ABS的公司也不少，但大多数公司是和国外著名ABS公司合作生产，其产品并非自主研制开发出来的。主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所以及重庆宏安ABS有限公司等12。其中，东风汽车公司从80年代初就开始研究ABS是国内较早研究ABS的厂家之一，现研究工作的主要目标是对国外的产品进行消化吸收，如将德国瓦布科公司的ABS装于EQ145型汽车上进行各种试验，交通部重庆公路研究所相继开发出了两代ABS产品，第一代ABS的ECU采用了280芯片，第二代ABS产品为FKXACI型，该装置的ECU中的CPU微处理器采用了美国INTEL的MCS96系列8098单片机。重庆宏安ABS公司是我国批量生产ABS的厂家，该公司生产的ABS121防抱制动系统和ABS141防抱制动系统的年生产能力可达30万套。13本文主要研究内容为了实现汽车制动过程中方向的稳定性和较大的制动力矩，需要控制汽哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）4车滑移率在理想滑移率附近的狭小范围之内13，但是，由于汽车制动过程具有变化快、非线性明显，轮胎路面相互作用关系复杂等特点，使得ABS的控制方法成为整个防抱制动系统的难点和关键。目前，关于汽车防抱制动控制方面的研究主要包括制动控制的理论、方法和技术1415，如前所述，国内外的很多的学者采用各种控制方法对ABS进行了研究16，但是一些控制方法对硬件的要求较高或者控制器过于复杂，调试比较困难，缺乏实用性。因此，本文在对汽车防抱制动系统建模的基础上，重点对不同的控制方法进行仿真分析和比较研究，从而得出较实用且具有较好控制效果的控制方法。本文的主要工作内容有1对汽车理论以及汽车防抱制动系统结构原理等相关文献资料进行阅读、分析、概括和总结，并对ABS的相关控制理论及方法进行调查、研究，初步筛选出实用且具有代表性的控制方法进行深入的学习研究。（2）根据以ABS控制方法的研究分析为主的目的，选择并建立了汽车的单轮车辆模型，制动器模型和车轮模型，并采用MATLAB/SIMULINK对数学模型进行图形建模和仿真分析。（3）分析了BANGBANG控制、PID控制、模糊PID控制、滑移率门限值控制等方法，分别设计了相应的ABS控制器，并对各种控制算法进行MATLAB和SIMULINK编程仿真和研究分析，筛选出具有较好控制效果的控制方法。（4）对所选出的控制方法进行路面状况改变的建模和在线仿真研究分析，从而得到比较简单实用的ABS控制方法。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）5第2章汽车防抱死制动系统的组成与基本原理21汽车防抱死制动系统的理论基础211汽车制动时车轮受力分析汽到与行驶方向相反的外力时，才能从一定的速度制动到较小的速度或直至停车。这个外力只能由地面和空气提供。但由于空气阻力相对较小，所以实际上外力是由地面提供的。我们把制动过程中在地面与轮胎之间产生的与行进方向相反的摩擦力称之为地面制动力F。地面制动力愈大，制动减速度愈大，制动距离也愈短，所以地面制动力对制动性能具有决定性的影响。（1）地面制动力F地面制动力F是使汽车制动而减速行驶的外力，但是它又取决于两个摩擦副的摩擦力17一个是制动器内制动摩擦力与制动鼓或制动盘间的摩擦力，即制动器制动力；另一个是轮胎与地面间的摩擦力，即附着力。（2）制动器制动力制动器制动力是在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力，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。显然，BBTFR（21）式中，制动器的摩擦力矩（单位NM）；R为车轮半径（单位为M）。制动器制动力仅由制动器参数决定，即取决于制动器的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数及车轮半径，并于制动踏板力成正比。（3）附着力附着力是汽车轮胎和道路在接触面上无相对位移时的切向地面反作用力极限值，其大小等于地面对轮胎的垂直反作用力N与附着系数的乘积，即FN（22）地面附着系数越大，附着力也越大，地面附着系数的大小除了与路面哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）6的情况、轮胎的结构和胎面花纹有关外，还与车轮的运动状况即运动中的滑移程度有关。（4）地面制动力F、制动器制动力、附着力三者之间关系在制动时，若只考虑车轮的运动为纯滚动与滑动两种情况，当制动踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面制动力F足以克服制动器摩擦力矩而使轮滚动。虽然，车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力，且随踏板力增长成正比地增长，但地面制动力是滑动摩擦的约束反力，最大值不能超过附着力，因此，地面制动力的最大值即为地面附着力，或者说附着力是地面传递制动力的极限18。212滑移率影响轮胎地面制动力和侧向力的主要因素是车轮在制动时的滑移状态，轮胎的滑移状态通常用滑移率来描述。滑移率的定义如下式S23式中，V车辆前进速度（M/S）；R车轮半径（M）；车轮角速度（RAD/S）。从上式可以看出，当车速等于轮速时滑移率为零。汽车制动时，两者差别越大，滑移率越大。如果车轮抱死，则轮速为零，滑移率将达到100。轮胎滑移率与地面制动力、侧向力之间的关系可以用曲线来描述，其中代表附着系数，如图2119。在制动过程中，由于制动器制动力矩的影响，滑移率将产生变化。从图中可以看出，随着滑移率的不断增大，轮胎的纵向附着系数先增大后减小，而侧向附着系数则是不断减小。当滑移率034基于本设计的研究目的，我们采用双线性模型模拟干燥混凝土路面的曲线，并应用于汽车防抱制动系统的控制仿真模型中。参数2627如下表32所示。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）14表32干燥混凝土路面的实验参数典型路面干燥混凝土路面0209075根据表32的参数，建立了干燥混凝土路面的双线性模型45S0209375018750235323制动系统模型制动系统包括传动机构和制动器两部分。因此，对制动系统的建模也应该包括传动机构建模和制动器建模两部分19。1传动机构建模传动机构包括气压和液压两种，目前，多数ABS产品为液压执行机构，本文采用液压机构。为简化系统，我们忽略电磁阀弹簧的非线性因素及压力传送的延迟，将液压传动系统简化为一个电磁阀环节、一个典型一阶惯性环节的弹簧阻尼系统和一个积分环节，因为电磁阀的时间常数死远远小于弹簧阻尼系统的时间常数L所以本课题仿真时将电磁阀的环节忽略不计。因为电磁阀的响应时间一般小于或等于10MS，故仿真时惯性环节的参数T取001，同时K取100。综上所述，整个液压传动系统的简化模型传递函数为GS1000011（36）2制动器模型制动器模型指制动器力矩与制动液压之间的关系模型。为了便于控制算法研究，我们在进行仿真时假设制动器为理想元件，认为其非线性特性较弱并忽略了其滞后带来的影响。因此，制动器方程为（37）式中，制动器制动力矩（NM）；制动器制动因数（NM/KPA）；P制动压力（KPA）。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）1533汽车防抱系统的MATLAB/SIMULINK模型本节将在上一节的数学模型基础上，利用MATLAB711/SIMULINK对汽车防抱死制动系统的各个子系统进行图形仿真建模，包括单轮车辆模型子系统、轮胎模型子系统、制动模型子系统、滑移率计算子系统。另外，控制器模型子系统将在下一章介绍。基于滑移率控制的ABS各子系统模块的关系如图33所示。S控制V，W信号图33ABS子系统模块的关系331单轮车辆子系统单轮车辆子系统的SIMULINK仿真模型，是根据式31、32、33的数学模型建立起来的图形模块。它以制动器制动力据和纵向附着系数为输入，以车身速度、车轮角速度以及制动距离为输出，并将车身速度和车轮线速度送入滑移率计算子模块进行计算，即，（38）根据公式38，利用SIMULINK工具箱建立单轮车辆子系统仿真模型如图34所示，模型上端分路，实现的是/，模型下端分路，实现的是/，输入力矩和滑移率，计算模块，输出车轮速度和车身速度到滑移率计算模块，并反馈给控制模块实现控制功能。控制器子系统制动模型子系统单轮车辆子系统轮胎模型子系统滑移率计算子系统哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）16图34单轮车辆子系统模型332轮胎模型子系统轮胎模型子系统的SIMULINK仿真模型，是根据式35的双线性数学模型建立起来的图形模块。它以滑移率S为输入，以纵向附着系数为输出，并将纵向附着系数送入单轮车辆子系统进行仿真，仿真模型图如图35所示。图35轮胎子系统模型333制动模型子系统制动模型子系统的SIMULINK仿真模型，是根据式39、310的数学模FVVWRWWDOTFRTB/ITBU1OUT1IN1OUT1SLIP_SUBSYSTEMSTOPSTOPSIMULATIONSCOPE4SCOPE3SCOPE2SCOPE1KNMG1SINTEGRATORLIMITED11SINTEGRATORLIMITED1SINTEGRATORKGAIN31/300GAIN2KGAIN11/12GAINDISPLAY2IN21IN1哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）17型建立起来的图形模块。它的控制器的控制信号为输入，以制动器的制动力矩为输出，并将制动器制动力矩送入单轮车辆子系统进行仿真，如图36。图36制动子系统模型334滑移率计算子系统滑移率计算子系统的SIMULINK仿真模型，是根据滑移率S的定义式23建立起来的图形功能模块。它以车身速度V和车轮线速度为输入，以滑移率S为输出，并将滑移率S送入轮胎子系统模型及控制器模型子系统进行仿真，如下图所示滑移率计算子系统。图37滑移率计算子系统模型34不带ABS的汽车制动仿真本节对不带ABS的汽车模型进行不同路面情况下的制动仿真与分析。其最终仿真模型如图38所示哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）18图38不带ABS的车辆制动仿真模型其仿真参数的选择同表31、32给出的数据。根据仿真实验图形（如图39、310），在干燥混凝土路面上不带ABS的汽车进行制动时，如果初速度为25M/S，则在开始制动后09秒左右车轮出现抱死，此时车身速度13M/S，车辆易发生侧滑甩尾等危险，不带ABS车辆制动距离4382米，总制动时间为345秒。图39不带控制策略的制动滑移率仿真结果FVTBUROAD_SUBSYSTEMIN1OUT1SLIP_SUBSYSTEMIN1OUT1BRAKE_SUBSYSTEMSTOPSTOPSIMULATIONSCOPE1SCOPESATURATIONRAMPKNMG1SINTEGRATORLIMITED11SINTEGRATORLIMITED1SINTEGRATORKGAIN31/300GAIN2KGAIN11/12GAINDISPLAYIN1OUT100511522533500102030405060708091时间T/S滑移率S哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）19图310不带控制策略的制动速度仿真结果35本章小结本章简述了车辆动力学建模的方法和模型概况，并建立了汽车防抱制动系统各个模块的数学模型（包括车辆模型、车轮模型及制动器模型等）和SIMULINK仿真模型，对无ABS的车辆模型进行了制动仿真研究和分析。0051152253350510152025时间T/S速度/M/S车轮速度车身速度哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）20第4章汽车防抱死制动系统控制仿真41BANGBANG控制方法的研究411BANGBANG控制方法基本原理BANGBANG控制是常见最优控制中的一种。早在40年代，人们通过一些工程实践就认识到了开关控制性能优异、方法简单的特点，但并未形成完整的理论。在60年代，自从提出了最大值原理，人们才从统一的高度去研究BANGBANG控制最优化方法。BANGBANG最优控制可以选取两种目标函数，即时间最小和能量最省。通常使用的是基于最小时间控制理论的时间最优BANGBANG控制。这种控制是一种位开关控制，又称为快速控制法，其控制输出只能是离散的数值。它将系统的控制作用维持在极限值上，而且不断的从一个极限值切换到另一个极限值，构成一种最大力量的控制，这样设计出来的系统是在现实基础上最快的系统，从而实现最小时间最优控制28。显然，BANGBANG控制的优点在于能够加快系统的响应速度，且其控制元件仅需要简单的开关通断器件如开关阀即可，这样可以降低实际系统的造价。但在控制量从极大到极小的多次切换中，BANGBANG控制也容易造成超调28这关键在于阀值即开关控制点的选取阀值过大，则系统超调增大；阀值过小，则BANGBANG控制的优点得不到充分发挥，体现不出其作用。因此，我们在选取阀值的时候要兼顾系统的动态响应速度和峰值超调量。412BANGBANG控制器设计本课题设计的BANGBANG控制器是通过SIMULINK数学运算库中的SIGN模块实现的。输入量为滑移率S的误差S，BANGBANG控制的门槛值为最佳滑移率。汽车防抱死制动系统BANGBANG控制器的仿真模型如图41所示，调整增益系数CTR可以有效的调整制动效果。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）21图41BANGBANG控制器仿真模型413BANGBANG控制的ABS仿真带BANGBANG控制器的仿真模型如图42、43，仿真结果如图44、45。图42带BANGBANG控制器部分仿真模图43WHEELSPEED子系统哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）22图44带BANGBNAG控制器速度仿真结果图45带BANGBANG控制器滑移率仿真结果根据图可以得到，初速度为25M/S，带BANGBANG控制算法ABS的车辆在干混凝土路面上制动情况为车轮抱死时的车身速度为028M/S，时间为327S，车辆制动距离为4095M，制动时间为327S，且滑移率在02上下波动，显然，在最佳滑移率已知的情况下，BANGBANG控制器可以达到汽车防抱制动的要求。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）2342PID控制方法的研究421PID控制方法基本原理PIDPROPORTIONALINTEGRALDIFFERENTIAL）控制，即比例积分微分控制是连续系统中技术成熟、应用广泛的一种控制方式。其最大的优点是可以不了解被控对象的数学模型，根据经验进行参数调整，并且容易实施，控制效果良好。在不可能获得被控对象的数学模型或数学模型过于复杂时，宜采用PID控制29。其缺点是对被控对象的参数变化比较敏感，参数修改不方便，对纯滞后的被控对象控制效果较差。PID控制量U和偏差E的传递函数关系式为10（41）式中，US、ES是系统控制量U和偏差E的拉氏变换KP是比例系数，KI是积分系数，KD是微分系数。三个系数对系统有不同的影响，通过调整三个系数，使闭环系统得到预期控制效果。增大比例系数可使系统的开环增益加大，进而减小静态误差，但使系统的稳定性下降，以致系统的输出振荡。积分环节的作用是通过积分作用消除稳态误差，对低频分量起较强的调节作用。微分环节的作用是预测误差的变化趋势，根据当前误差曲线的斜率预测未来误差的变化，提高系统的快速性和稳定性，但容易给系统引入高频干扰。PID控制器的设计，实际上就是确定比例积分微分三个系数。这可以用理论方法，也可通过实验。用理论方法设计控制器的前提是要有被控对象的准确模型，这在工业过程中一般较难做到。即使花了很大代价进行系统辩识，所得的模型也只是近似的，加上系统的结构和参数都在随着时间变化，在近似模型基础上设计的最优控制器在实际过程中就很难说是最优的。因此，在工程上PID控制器的参数常常通过实验来确定，或者通过凑试，或者通过实验结合经验公式来确定。422PID控制器设计设计的PID控制器是以期望滑移率0与实际滑移率S之差为输入，即哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）240（43）PID控制规律为11（44）我们采用仿真实验加试凑的方法，根据ABS的动态特性，确定不同路面条件下和以及和参数如表41所示。另外，我们假设不同路面条件下的最佳滑移率已知，且设定的期望滑移率0等于最佳滑移率。汽车防抱制动系统PID控制器的仿真模型如图46所示。表41PID控制器在干燥混凝土路面各个参数典型路面干燥混凝土8012223图46PID控制器仿真模型423PID控制的ABS仿真本小节对带有PID控制器的汽车防抱制动系统进行控制仿真，路面选择为干混凝土，初速度为25M/S，最佳滑移率为02，仿真时间长度为10S，采样时间为0001S，其他仿真参数同表31、表32及表41。整个系统仿真模型如图47所示，仿真结果如图48、49所示。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）25图47带PID控制器的ABS仿真模型根据图48、49可以得到，初速度为25M/S，带PID控制算法ABS的车辆在干混凝土路面上制动情况为车轮抱死时的车身速度为0M/S，时间为298S，车辆制动距离为3895M，制动时间为298S。显然，在最佳滑移率己知及PID参数整定较好的情况下，PID控制器可以较好地完成汽车防抱制动的要求，且其控制平滑稳定。图48带PID控制器ABS速度仿真结果哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）26图49带PID控制器ABS滑移率仿真结果根据前面的仿真数据，我们知道，本课题设计的BANGBANG控制器在四种典型路面下进行汽车防抱制动仿真时，车轮第一次抱死时车身速度均小于05M/S，其制动时围绕最佳滑移率做小范围的振荡工作，制动性能在四种控制方法中处于中间，可以满足汽车防抱制动的要求。这种控制方法简单，但是，由于本课题在设计BANGBANG控制器时已经假设路面的最佳滑移率可以准确得到，并将BANGBANG控制器的门槛值设为最佳滑移率。而在实际系统中，目前还不可以实现这样的假设。根据前一章的知识，如果门槛值没有设定好，则系统很容易造成超调，在汽车防抱制动系统中，就很容易出现滑移率始终在最佳滑移率附近大范围的振荡，直到仿真结束也没有收敛的趋势，这样会使制动压力始终在不停的正负变化，造成刹车片的磨损加大，因此，如果在实际ABS系统中要利用BANGBANG控制，就必需努力提高路面识别技术。43模糊PID控制方法的研究431模糊控制算法模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊集合论、模糊语言变量及模哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）27糊逻辑推理为数学基础，采用计算机技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统，其基本概念是由美国加利福尼亚大学著名教授LAZADEH首先提出的。采用由模糊数学语言描述的控制律（控制规则）来操纵系统工作的控制方式。按照模糊控制律组成的控制装置称为模糊控制器。在实际工程中，许多系统和过程都十分复杂，难以建立确切的数学模型和设计出通常意义下的控制器，只能由熟练操作者凭借经验以手动方式控制，其控制规则常常以模糊的形式体现在控制人员的经验中，很难用传统的数学语言来描述。模糊控制是一种非线性的智能控制，在大规模系统、多目标系统、非线性系统以及无适当传感器可检测的系统当中具有令人满意的控制效果。特别是模糊控制系统干扰和参数的变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适用于非线性、时变及纯滞后系统的控制3031。模糊控制的系统框图如图410，一般将输入误差E及误差变化率EC作为系统的输入，系统工作时，首先将系统精确输入量E、EC进行模糊化处理，根据建立的模糊控制规则以及模糊控制算法进行模糊推理，得出输出量，后对输出量按照一定方法解模糊化，最终实现对系统的模糊控制30。图410模糊控制推理过程432模糊PID控制器设计模糊PID控制器结构是一类被广泛应用的PID控制器，该控制器一改传统PID控制器的固定参数、的控制策略，提出了可以根据跟踪误差信号等动态改变PID控制器参数的方法，达到改善控制策略，扩大应用范围的目的。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）28本文设计的模糊PID控制器如图411，其中PID模块是基于42节中设计的PID控制器基础上所设计如图412，FUZZYCONTROLLER模块是模糊控制模块，利用MATLAB中的模糊工具箱建立模糊逻辑模块，实现对PID三个参数的控制，从而实现对系统控制的改善。图411模糊PID控制模块图412模糊PID控制器PID模块内详细框图模糊PID控制器设计的关键是模糊控制模块的设计，利用MATLAB模糊工具箱建立模糊控制隶属函数、控制规则，三参数隶属函数如图413、414、415，模糊控制规则表如表42，其模糊推理规则曲面如图416。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）29图413PID模糊控制参数输入变量E隶属函数图414PID模糊控制参数输入变量EC隶属函数图415PID模糊控制参数输出变量EC隶属函数哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）30表42模糊推理规则表EECPBPMPSNSNMNBNBNBNBNBPSPMPBNMZNSNBZPSPMNSPBPMPSPSPMPBZPBPMPSPSPMPBPSPBPMPSPSPMPBPMPMPSZNMNSZPBPBPMPSNBNBNB图416模糊推理规则曲面隶属函数与隶属函数只有EC的隶属函数有所不同，其他二者相同，并采用不同的模糊推理规则，其EC隶属函数如图417，模糊推理规则如表43，其相应的模糊推理规则曲面如图418，隶属函数如图419、420、421，模糊推理规则如表44，模糊规则推理曲面如图422。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）31表43模糊推理规则EECNBNMNSZPSPMPBNBPBPBPBPBPMPBPSNMPBPBPBPMPSZZNSPBPMPSPSZNSNMZNMNSZZZNSNMPSNMNSZPSPSPMPBPMZZPSPMPMPBPBPBZPSPBPBPBPBPB图417模糊PID控制参数输入变量EC隶属函数图418模糊推理规则曲面哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）32图419模糊PID控制参数输入变量E隶属函数图420模糊PID控制参数输入变量EC隶属函数图421模糊PID控制参数输出变量U隶属函数哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）33表44模糊推理规则EECNBNMNSZPSPMPBNBPBPBPBPBPMPSZNMPMPMPSPSPSZZNSPMPSZZZNSNMNZPSPSZZZNMNBPZNBNMZZZPSPMPSNMNSZZZPSPMPMZZPSPMPMPBPBPBZPSPBPBPBPBPB图422模糊推理规则曲面由此建立模糊控制器如图423，将已建立的模糊控制规则导入到工作空间，三个FUZZYCONTROLLER模块添加FIS文件名与相应的导入工作空间的三参数模糊控制名称相同，从而正常工作。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）34图423模糊控制器模型由此建立模糊PID控制的ABS仿真模型，进行仿真，仿真结果如图424、425由仿真结果曲线可知，相对于单纯的PID控制来说，加入模糊逻辑控制的模糊PID控制滑移率超调量微乎其微，并且达到理想滑移率02，可知模糊PID控制的仿真结果比较理想。图424带模糊PID控制的ABS滑移率仿真结果哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）35图425带模糊PID控制的ABS速度仿真结果根据前面的仿真数据，我们知道，如果不考虑硬件条件，就制动效果而言，本课题设计的模糊PID控制器的汽车防抱制动性能是四种控制方法中最好的。主要表现在汽车制动过程中均不出现抱死现象；汽车制动时间和制动距离基本都是最短的；制动时滑移率很快就达到最佳滑移率；PID控制除了前面一小段时间的超调外，均维持在最佳滑移率上，而模糊PID控制基本不出现超调；滑移率控制平滑稳定。因此，这个PID控制器及模糊PID控制器的制动性能很好地满足了汽车防抱制动的要求。但时，本课题设计的PID控制器及模糊PID控制器也是在假设己经知道最佳滑移率的前提下，如果没有这个前提，简单的PID控制器将不能满足ABS全工况的使用要求，因为PID算法只有在系统模型参数为非时变的情况下，才能获得理想的结果，否则就可能出现系统性能变差甚至不稳定，而模糊PID控制不仅依赖于最佳滑移率已知的这个前提，且三个参数的模糊控制规则的编辑在实际操作时依赖于实际经验及专家知识，车辆工况的多变和轮胎的非线性将会导致PID最佳参数匹配的困难。因此，要在实际ABS系统中应用PID控制，就必须提高道路识别技术。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）3644滑移率门限值控制方法的研究441滑移率门限值控制方法门限值控制算法的基本原理是保证车轮滑移率在最理想的范围之内。制动开始后，随着制动压力的升高车轮转速相应减小，车轮出现滑移；当车轮滑移率达到理想范围上限值时，减小制动压力；随着制动压力的减小，滑移率又逐渐减小，直到减小到滑移率下限值时再增大制动压力。循环往复这一过程直至车辆停止。因此，在ABS控制器起作用的过程中，滑移率总保持在理想的范围，从而保证车辆的最佳制动性能及行驶方向的控制的稳定性。现在，防抱死控制成熟的产品采用逻辑门限的方法,这种控制方式的特点是不需要建立具体系统的数学模型,并且对系统的非线性控制很有效,比较适合用于ABS的控制。当其用于ABS的控制时,可以预选一个角减速度门限值,当实测值达到此门限值时,控制器发出指令,减小制动力,使车轮转速提高，再预选一个角加速度门限值,当实测值达到此门限值时,控制器发出指令,增加制动力,使车轮转速降低，以车轮角速度作为单信号输入,如上所述,同时在控制器中设置合理的角加速度角减速度门限值,就可以实现防抱制动循环，因此整个控制过程比较简单,结构原理上比较容易实现，同时,如果控制参数选择合理,则可以达到比较理想的控制效果,能够满足各种车辆的要求。但是逻辑门限值控制本身也存在一些不足，如它的控制逻辑比较复杂、波动较大,而且控制系统中的许多参数都是经过反复试验得出的经验数据,缺乏严谨的理论依据,对系统稳定性品质无法评价等。逻辑门限控制的基本原理是利用车轮加减角速度门限及参考滑移率构成,防抱死逻辑使滑移率在车轮峰值附着系数附近处波动,从而获得较大的车轮纵向力和横向力,使车辆同时具有较短的制动距离和制动稳定性。基于条件所限，采用滑移率门限值控制算法仿真，即设定两个滑移率门槛，通过判定滑移率是否在所设定的门限值范围内进行加压、减压、保压控制过程，使车辆滑移率保持在目标范围内，其控制流程图如图426。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）37图426滑移率门限值控制流程图442滑移率门限MATLAB仿真由图426可以设计MATLAB程序来实现对基于滑移率门限值制动防抱死控制的仿真，仿真程序见附录1。仿真结果如图427、428，可知，初速度为25M/S，滑移率逻辑门限值控制算法ABS的车辆在干混凝土路面上制动情况为车轮抱死时的车身速度为0M/S，时间为311S，车辆制动距离为405M，制动时间为311S，且滑移率在最佳滑移率附近上下波动，显然，滑移率门限值控制算法可较好的实现防抱死制动。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）38图427滑移率门限值控制ABS滑移率仿真结果图428滑移率门限值控制ABS速度仿真结果根据前面的仿真数据，我们知道，本课题设计的滑移率逻辑门限控制器在0051152253000501015020250303504时间/S滑移率0051152253051015202530时间/S速度M/S车身速度车轮速度哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）39干燥路面下的汽车防抱制动性能是四种控制方法中最差的，尽管能够基本满足汽车防抱制动的安全性要求，且系统自动判断出了最佳滑移率值，但系统搜索的范围大，不能充分利用路面特性，影响了制动效能。另外，在制动过程中，车轮多次出现抱死，尽管不是完全抱死，从滑移率逻辑门限控制的滑移率曲线可知，系统基本工作在最佳滑移率的右侧，增大了车轮磨损。现在普遍采用的四相逻辑门限值控制方法比本课题所设计的简单滑移率门限值控制复杂，设定了四个门限值，以实现汽车制动防抱死。目前逻辑门限控制是现有的ABS产品普遍采用的一种方法，四相逻辑门限控制方法是用车轮角减速度与门限值进行比较来确定汽车的工作状态，车轮角速度可以用轮速传感器实际测量得到，因此，此方法具有实际应用的意义，会出现仿真结果与现实应用的巨大反差，主要还是由于门限值的选择，这是四相逻辑门限控制方法最关键的技术。虽然现有理论可以基本确定门限值的范围，但是还是需要研究人员通过多次路面试验选取一组最佳的数值，既满足防止车轮抱死的要求又能在最大程度上利用路面特性，提高系统的制动效能。另外，由于门限值是预先选定的，该方法在应对刹车过程中出现的路面突变等情况时性能会受到较大影响，因此，在现实系统中，如果要采用四相逻辑门限控制，我们必须做尽可能多的路面实验。45本章小结本章分别对BANGBANG控制、PID控制、模糊PID控制、滑移率门限值控制这四种控制方法进行了学习研究，设计了相应的ABS控制器。最后将控制器应用于汽车在干燥混凝土路面时的制动防抱控制，验证了各个控制算法的可行性和有效性。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）40结论本文我们根据单轮车辆模型建立了不带ABS以及带有各种控制方法的ABS控制器，并对干混凝土路面上的汽车防抱死制动进行了仿真，验证了各种算法的有效性，对四种控制方法结果进行比较分析，可知，四种方法种模糊PID控制效果最有效，制动距离、制动时间都是四种控制方法中最少的，滑移率几乎不出现超调，稳定在最佳滑移率，而PID控制方法相对模糊PID简单，控制效果不如模糊PID，滑移率会有超调，最终稳定在最佳滑移率，尽管如此，PID控制效果仍比BANGBANG开关控制、滑移率门限值控制效果要好，BANGBANG控制结构最简单，控制效果较差，由仿真结果图可知，虽然，BANGBANG控制基本实现围绕最佳滑移率上线波动。当路面条件变化时，BANGBANG控制的ABS会出现滑移率最终不收敛的情况，导致汽车抱死，逻辑门限值控制是四者中最差的，滑移率没有达到理想滑移率，制动距离和制动时间都较长，但是，模糊PID控制、PID控制、BANGBANG控制都是基于最佳滑移率已知的情况下实现良好的制动效果，故应用于实际中，必须加路面识别装置，且PID控制三参数为固定值，当路面情况出现变化时，滑移率会出现严重震荡，故现在实际应用最多的是四相逻辑门限值控制，不需要添加路面识别装置即可实现较好的控制效果，只需要进行路面实验确定角加、减速度门限值和滑移率门限值，省却了ECU的研发。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）4