基于模糊控制的汽车ABS系统仿真研究

1、基于模糊控制的汽车ABS系统仿真研究 兰州理工大学硕士学位论文基于模糊控制的汽车ABS系统仿真研究姓名:刘志敏申请学位级别:硕士专业:机械设计及理论指导教师:辛舟20210501硕士学位论文摘要本文从汽车理论和模糊控制理论入手,将两者相结合,对模糊控制理论在汽车防抱制动系统上的应用进行了研究。针对前人仅采用常规模糊控制方法的缺乏,在控制方法上进行了改良和开展,并进行了仿真。首先分析了车辆动力学模型、轮胎模型和制动器模型,在此根底上,结合研究要求和现有条件,去掉轮胎的垂向阻尼,建立了适用于模拟汽车直线制动过程的单轮汽车模型。随后采用软件和模块建立了汽车直线制动时的系统模型包括车辆模型、轮胎模型和

2、制动器模型,设计了根本模糊控制器,进行了单轮车辆模型系统制动的计算机仿真:四分之一车体模型的制动仿真验证了根本模糊控制器的正确性。在设计模糊控制器中采用基于车轮滑移率的防抱控制理论,根据车速、轮速来计算车轮滑移率。由参考滑移率计算出滑移率的误差、误差变化率并作为控制器的输入变量,制动压力作为输出量,完成了模糊控制的模糊化、模糊推理和模糊判决。在模糊推理中,考虑不同的误差等级,采用不同的修正因子,以实现对模糊控制规那么的自调整。仿真结果说明,模糊控制器在制动过程中有较好的自适应能力,使滑移率的变化更趋近于理想变化。关键词:汽车制动防抱死系统;模糊控制;滑移率;建模;仿真基于模糊控制的汽车系统仿真

3、研究 , ,., ., ,. ,. . :. , , , ,. ,. ,.:; ; ;硕学位论文图表索引图.道路交通平安性?。图.车轮在制动时的受力图图.制动过程中地面制动力、制动器制动力及地面附着力的关系图.制动时车速与轮速?图.制动时附着系数与滑移率的关系?.图.汽车制动跑偏时的受力.图.汽车侧滑时的运动图.抱死时的运动情况.图.汽车系统轮缸降压过程.图.汽车系统轮缸保压过程?一图.汽车系统轮缸增压过程?.图.在高附着系数的硬路面上的制动过程?.图.没有的制动过程?.图.在低附着系数的路面上的制动控制过程?.图.系统构成图图.无源转速传感器原理图.图.无源转速传感器输出信号电压。图.有源转

4、速传感器剖视图?.图.三传感器三通道方式?.图.模糊控制器的设计流程?图.梯形和三角形隶属函数?.图.参考滑移率法识别最正确滑移率的框图?.图.隶属函数图.图.执行机构子系统模型?一图.车辆子系统模型图.车轮子系统模型?.基于模糊控制的汽下系统仿真研究图. 系统框图?。一关系曲线图?.图.高附着系数开关控制仿真结果图?.图.低附着系数开关控制仿真结果图.图.隶属函数图.表.模糊控制规那么表。兰州理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研

5、究做出重要奉献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:吾?磊锹 日期:卵年月油日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保存、使用学位论文的规定,同意学校保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或局部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于、保密口,在?年解密后适用本授权书。、不保密日。请在以上相应方框内打“钌作者签名: 日期: 吖年月日导师签名: 日期:戋;¨。夕年多月/口日廿伊:.,.

6、硕十学:论文第章绪论.的概念与意义.汽车行驶的平安性影响汽车行驶平安性的因素有很多,例如:汽车状况,如汽车的配备程度、轮胎状况和磨损现象等;天气、道路和交通状况,如侧向风、铺装路面状况、交通流量;驾驶员素质,即驾驶员的能力和健康状况。较早的汽车行驶平安性除了依靠汽车照明外,还主要依靠制动踏板的制动装置以保证汽车行驶平安性所需要的制动力。如今不断有更多的平安系统参与到制动系统中。制动系统是汽车平安行驶不可缺少的重要部件¨。在汽车低速行驶和交通密度很小的汽车开展史的初期,对制动系统的要求很低。随着时间的推移,制动系统不断开展。今天的汽车能高速行驶是因为汽车即便在危险的行驶情况下,制动系统

7、仍能将汽车制动直至停车。所以制动系统是汽车平安性系统中的重要组子技术才能实现。.主动平安系统主动平安性系统可防止交通事故,为汽车道路交通平安做出奉献。汽车主动行驶平安系统有:防抱死制动系统。驱动防滑转控制系统。电子稳定性程序。这些主动平安性系统可稳定汽车在危险状况下的行驶状态,并保证汽车的操控性。.被动平安性系统被动平安性系统指是汽车在交通事故中保护乘员免受伤害和减轻事故后果的系统。被动平安系统包括交通法规要求的平安带和平安气囊等。.汽车系统防抱死制动系统属于汽车的主动平安系统。汽车防抱死制动系统?是指在传统的制动系统根底上采用的电子控制技术,在制动时防止车轮抱死的一种机电一体化系统【。.汽车

8、系统的意义汽车在行驶中遇到危急情况采取紧急制动,有相当多的交通事故是由于汽车在紧急制动时车轮抱死,从而导致各种非稳定性因素如侧滑、跑偏、失去转向能力而研制的。当汽车在行驶过程中一遇到紧急情况,驾驶员通常会猛踩制动踏板,施加全制动以期望取得最强的制动效能,但是对装备常规的制动器的汽车来说,结果不但不能带来最正确的制动效能,反而还会带来以下危害【:由于车轮抱死,车辆不能实现弯道转弯,无法躲避障碍物或行人而造成的交通事故;在非对称附着系数的路面上,车轮抱死将丧失直线行驶稳定性,易出现侧滑、甩尾急转等危险现象;车轮抱死时的附着力一般低于路面所能提供的最大附着力,车轮在完全抱死状态的制动距离反而有所增加

9、;车轮抱死导致轮胎局部急剧摩擦,降低了轮胎的使用寿命。由此可见,常规制动的弊端很多,为提高制动平安性,在汽车上安装系统已成为汽车开展的必然趋势。系统的配置,既可有效防止紧急制动时车轮抱死打滑现象的发生,同时还可以保持车辆制动过程中的转向操纵性,从而大大增强了行车平安性。系统通过轮速传感器对相应车轮的转速进行实时监测,当某一车轮出现抱死倾向硕士学位论文时系统立即响应,通过减小相应车轮的制动力来消除即将发生的抱死现象。.汽车系统的开展.国外系统的开展状况最早出现在世纪初的西方国家,开始应用于铁路机车上,主要用来防止火车制动时车轮抱死而产生局部摩擦。年.设计了第一套系统,并安装在铁路机车上。年德国

10、公司将电磁传感器用于测量车轮速度,当传感器探测到车轮抱死时,在各条制动管路上的电动机动作控制阀口的大小,从而调节制动压力。这一专利被认为是形成中的里程碑,其原理一直沿用至今【。年德国 公司开始丌发用于飞机着陆制动系统,飞机体积和重量大,速度快,制动防抱死系统应用在飞机上,不但提高了飞机在着陆时行驶方向的稳定性,而且降低了轮胎的严重磨损【引。年美国.公司对制动防抱死系统进行了试验研究,研究结果说明:制动防抱死系统确实可以在制动过程中提高汽车的行驶稳定性,并且能够缩短汽车的制动距离。年美国.公司又研制生产了.两轮制动防抱死系统,该系统由电子控制装置根据电磁式轮速传感器输入的后轮转速信号,对制动过程

11、中后轮的运动状态进行判定,通过控制由真空驱动的制动压力进行调节丌。汽车上最早采用技术的是福特汽车公司。将最初的车用系统装备在年款的林肯.大陆牌轿车上。日本丰田公司也紧随其后,该公司研制的最早装备在年款的丰田.皇冠牌轿车上【。年德国 公司推出了采用数字式电子控制装置的制动防抱死系统一 ,并且装备在.轿车上,由此揭开了现代防滑控制系统开展的序幕【训。 采用的是附加式方案,即在常规制动系统上附加一个装置,构成的制动防抱死系统,也称为分置式。公司和公司以及公司等车型批量装用了系统。年美国公司推出了更为经济的四轮制动防抱死系统 ,主要装备于美国公司的多种车型上 。年代以后,技术已日趋成熟,制造本钱不断降

12、低,使得迅速普及。目前,最著名的开发公司有、和等。在美国、西欧、日本等发达国家和地区,已经成为轿车的标准设备,装车率到达%;在大型客车和货车上,的应用也日益普及。随着车辆动力学、计算机技术和电子技术的开展。一方面向提高性能价格低的方向开展,另一方面,与驱动防滑装置相集成,并与主动悬架、电子转向控制等系统构成综合控制装置。基于模糊控制的汽车系统仿真研究.国内系统的开展概况我国对的研究开始于世纪年代初,的研究工程被列入“九五科技攻关方案。我国检验产品的国家标准.?汽车防抱制动系统性能要求和试验方法?等效采用了联合国欧洲经济委员会的汽车制动法规的附件采用制动防抱装置的车辆的试验要求川。目前,国内研究

13、的院校及机构很多,具代表性的有以下几个。.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郭孔辉院士是中国工程院首批院士,其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一车闭环操纵运动仿真等方面的研究成果均到达世界先进水平】。目前,该实验室也已经投入至开发的理论和实验研究,在汽车混合仿真试验台的开发与研究中也颇有成就。该实验室研究成果很多,其大局部成果对国内其他研究机构、开发厂家有很大的指导意义和借鉴性。.清华大学汽车平安与节能国家重点实验室清华大学汽车平安与节能重点实验室有宋健等多名博导、教授,有很强

14、的科技实力,他们还配套有一批先进的仪器设备,如汽车力学参数综合试验台、汽车弹射式碰撞试验台及翻转试验台、模拟人及标定试验台、电机及其控制系统试验台等。该实验室针对做了多方面研究,其中,在控制量、轮速信号抗干扰处理、轮速信号异点剔除和防抱死电磁阀动作响应研究等方面的研究处于国内领先地位。很多开发商都希望能够和该实验室合作,将该实验室的成果产品化。.华南理工交通学院汽车系以吴浩硅教授为代表从事汽车平安与电子技术及汽车结构设计计算的研究,在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;还可以通过轮缸等效压力函数计算防抱死制动时的滑移率。

15、另外,在滑移率和附着系数之间的关系、汽车整车技术条件和试验方法方面也有独到见解。.济南程军电子科技公司以专家程军为代表的济南程军电子科技公司对控制算法研究颇深,著有?汽车防抱死制动系统的理论与实践?等专著几本,专门讲述控制算法,是国内开发人员的必备资料之一。另外,他们在基于仿真环境实现防抱死控制逻辑、基于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【】。硕士学位论文.防抱死系统的特点防抱死系统的特点主要有以下个:制动时的稳定性可防止四个轮子制动时被完全抱死,从而提高了汽车在制动过程中的稳定性。安装的汽车制动性得到显著改善,交通事故也因此有所下降【】。美国国家高速公路交通平

16、安委员会根据交通事故统计分析说明:装有的汽车翻车事故减少%;在枯燥的公路上,能减少大约%的车祸;在湿地或雪地上,能减少大约%的事故;与行人和骑自行车者相撞的事故降低了%。能缩短制动距离在紧急制动的状态下,能使车轮处于既滚动又拖动的状况,拖动比例占%左右,这时轮胎与地面的摩擦力最大,即最正确制动区域。普通制动系统无法到达这一点。经研究证明,汽车制动时,车轮边滚动边滑动,当滑移率保持在%之间时车轮抱死的滑移率为%,便可获得较大的附着系数,汽车有较好的制动性【。以此制动系统进行检探,很容易就能实现这个要求。曾进行过一项试验,使用专业驾驶员来测试装上后对汽车性能和方向控制方面的影响,在除了砂砾路面以外

17、的所有路面上,的制动距离均短于或等于不装的汽车制动距离【。防止轮胎过度磨损经测定,汽车在紧急制动时车轮抱死所造成的轮胎累加磨损费,已超过一套防抱死制动系统的造价。使用方便,工作可靠系统的使用与普通制动系统的使用几乎没有什么不同,制动时只要把脚踏在制动板上进行正常的制动即可。遇到雨雪路滑,驾驶员再也没有必要用一连串的点刹车方式进行制动,会使制动保持在最正确点【。而且装有的汽车在制动后仍然能受控行驶。系统工作十分可靠,并有自诊断能力。.控制理论概论技术的一个核心问题就是控制算法的研究。由于系统是非线性系统,因此探索一种有效的控制方法是系统开展的关键。近年来,国内外学者对的控制算法进行了很多理论研究

18、,主要有以下几种控制方法【。.逻辑门限值控制基丁模糊控制的汽车系统仿真研究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,比拟适合用于的控制。当其用于的控制时,可以预选一个角减速度门限值,当实测值到达此门限值时,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,当实测值到达此门限值时,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拟简单,结构原理上比拟容易实现。同时,如果控制参数选择合理,那么可以到达比拟理想的控制效

19、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缺乏。如它的控制逻辑比拟复杂、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。.滑模变结构控制由汽车防抱死制动的根本原理可知,其制动过程的本质问题是把车轮的滑移率控制在附着系数的峰值点,那么滑动模变结构根据系统当时的状态、偏差及其导数值在不同的控制区域,以理想开关的方式切换控制量的大小和符号,以保证系统在滑动区域很小的范围内,状态轨迹沿滑动换节曲线滑向控制目标,。通常取制动力矩为控制变量,切换条件为:;: ,式中“从;肘分别代表由调节系统所决定的制动力矩减少、增加两种

20、不同的状态;,;,为切换函数,?为实际滑移率相对目标点的偏差引。.最优控制最优控制方法是基于状态空间法的现代控制理论方法。它可以根据车辆一地面系统的数学模型,采用状态空间的概念,在时间域内研究汽车防抱死制动系统。最优控制方法和门限值控制方法不同,它是一种基于模型分析的控制方法。其思路是根据防抱死制动系统的各项控制要求,按照最优化的原理来求得制动防抱死系统的最优控制目标。这种控制方法的优点是考虑了控制过程中状态变化的历程而使控制过程平稳;缺点是控制效果的优劣主要依赖于系统的数学模型,控制质量难以准确把握。.控制控制方法的最大优点是不需要了解被控制对象的数学模型,只需要根据经验进行调节器参数的整定

21、,这个特点正好满足了控制系统建模比拟困难的特点【引。显然,对于单一路面期望滑移率固定的路面来说,控制的特点决了它的实用性很强,但是我们很难确定一种准确的轮胎模型来实时确定不同制开工况下的期望滑移率,所以在实际产品中并不适用。目前,许多研究者把研究硕士学位论文的重点放在建立准确的轮胎模型或者通过其他的方式来谚别路况的方法上,以期望和控制方法联合起来应用于,并且己经取得了局部研究成果,但还不能进入实用阶段。.模糊控制模糊控制是基于经验规那么的控制,具有不依赖对象的数学模型,便于利用人的经验知识,具有鲁棒性强和简单实用等优点。控制规那么符合人的思维规律。缺点是没有有效通用的计算方法,只能依靠设计者的

22、经验和反复调试。.模糊技术与汽车系统.模糊控制技术国内外开展现状年,美国加州大学的自动控制理论专家.提出了模糊集合论,从而开创了模糊逻辑理论的历史【。年,英国的首次用模糊逻辑和模糊推理实现对蒸汽机的自动控制,并且取得了比直接数字控制更好的控制效果。这成功标志着人们采用模糊逻辑进行工业控制的开始,从而宣告模糊控制的诞生。此后,美国、日本、英国等先后将模糊控制理论应用于机器人、航天、生产过程等领域,并且取得了令人满意的效果【】。.日本模糊控制技术的应用与开展这项技术的主导国家。在模糊技术的应用研究方面日本己走在世界的前列【们。年,世界上第一个模糊集成电路由日本熊本大学的山川烈试制成功。从年到现在,

23、日本在神经元模糊学习等法和自组织模糊控制等取得了很多成果。据不完全统计,年日本模糊按制产品就占全球市场的%左右,在世界上遥遥领先】,可以说,日本差不多垄断了整个模糊控制产品的市场。.美国模糊控制技术的应用与开展年月在美国德州休斯顿约翰逊航天中心召开第一届神经网络和模糊逻辑应用技术研讨会,这预示了美国政府对模糊技术开始重视。年美国北卡罗莱纳州微电子中心和德州仪器公司生产出万的模糊集成电路【。糊推理加速插件也试制成功,并可用于微机系统【 。年,美国的公司把多种模糊集成电路投入市场,其中最引人注目的是模糊控制器,投入市场标志着模糊单片机己进入实用阶段。.德国模糊控制技术的应用与开展德国政府对模糊控制

24、技术的开发应用极为重视,并已投入大量资金进行模糊基下模糊控制的汽车系统仿真研究逻辑及相关技术的研究。公司是其主要研究单位之一,第三代产品被称为制的【。德国是生产和使用轿车的大国,因此对于汽车驾驶的模糊控制特别感兴趣。年春,在汉诺威工业博览会上展出的模糊逻辑操纵的模型汽车,尽管其重量只有.,发动机功率仅马力,然而它的速度可达/】。这辆模型汽车是为用模糊逻辑研究复杂动态问题的控制作用而制作的。预计德国在汽车上应用模糊控制技术将会有更多的开展。.我国模糊控制技术的应用与开展我国模糊控制理论及其研究工作是从年开始的,是当今世界上公认的模糊理论大国之一,己被模糊理论创始人歹为与日本、美国、欧洲齐肩的模糊

25、研究的四个主要国家,并对国外产生一定影响。年代中期,我国在模糊理论研究的同时开始了模糊控制技术的研制开发工作。年月由北京师范大学汪培庄教授及其博士生张洪敏等研制成功的“模糊推理机别离元件样机,成功地实现了控制倒摆实验【】。年代初,北京模糊工程中心的陈水义教授等先后研制开发了玻璃拉管线模糊逻辑控制器。电冰箱模糊控制器,可编程模糊逻辑控制器.系列产品,水泥厂矿石破碎机的模糊控制系统,并都已形成产品投入运行。特别值得一提的是,北方工业大学模糊控制研究所与广东省高州市模糊控制技术集团公司共同研制开发推出的“。汽车平安行驶防撞电脑模糊控制器,该产品已于年通过部级鉴定,鉴定认为该产品“在国际汽车平安行驶技

26、术领域内尚无先例,属世界首创【】。目前,模糊控制技术已被列为国家重点开发工程。由于模糊控制技术是当今世界最先进的控制技术之一,目前己被列为国家重点开展工程。国家经委、国家技术监督局决定推进中国模糊技术现代化。.模糊控制应用在汽车系统的研究和意义在控制过程中,许多被控对象由于其本身受干扰的因素多,因而对象的时变性和非线性等差异很大,所以其数学模型很难建立,用现代控制理论对这类复杂被控对象进行分析和综合非常困难。由于系统是非线性系统,因此探索一种有效的控制方法是系统开展的关键【】。目前实用中的产品大多采用逻辑门限值控制方法这种控制方法简单,可实施性好,但其门限值的获得需要通过大量试验,而且不同的车

27、辆需要不同的匹配技术,控制过程中车轮滑移率也不是保持在最正确滑移率上,逻辑门限值总是处于波动状态,因此控制效果不是很好,制动距离也稍长。基于模糊控制技术的汽车模糊控制方法无须对受控对象建模,有快速、简单的特点,通过模糊逻辑和近似推理方法,把人的经验形式化与模型化,变成计算机可以接受的模型,让计算机代替人进行有效的实时控。而且硕十学位论文基于滑移率的与模糊控制的防抱制动系统较之传统的门限方法控制更加平稳,结合车辆动力学控制后,它将是一个有效的控制方法。模糊控制通过把专家的经验或手动操作人员长期积累的经验总结成的假设干规那么,采用简便、快捷、灵活的手段来完成那些用经典和现代控制手段难以完成的自动化

28、和智能化的目标。传统广泛用于控制过程中,具有算法简单,可靠性高、稳态误差小等优点,但是参数的整定困难,即使当时整定好了,当被控系统由于外界干扰等的原因改变了那么控制效果不理想。一般的二维模糊控制器具有调节功能,但缺少积分功能,因而稳态时有静态误差。模糊控制器将模糊控制和控制的各自优点结合起来,取长补短,能在复杂的工况下具有适应能力强,反响快,鲁棒性好,稳态误差小,杭干扰弥等优点【。上海交通大学的李君、喻凡等提出了汽车转向制动时防抱制动系统基于优化目标滑移率模糊控制的策略,该策略根据路面附着条件以及车辆所处的运动状态实时计算出车轮优化目标滑移率,作为防抱死控制系统的目标,并利用模糊推理理论进行了

29、模糊控制器设计【。莫友声、朱荣、李思恩、沈莉针对汽车的防抱死制动系统工作特点和性能要求,在模糊自适应控制和神经网络控制的根底上,采用模糊神经网络控制方案对汽车控制系统进行了研究【。郭孔辉、王会义在?在汽车防抱制动系统中的应用?中针对简化的汽车模型,设计了普通模糊控制器和一种自适应模糊控制器,并通过仿真取得了良好效果。,在.中设计了一个模糊控制器和一个鲁棒控制器,前者用来模仿理想控制器,后者用来补偿理想控制器和模糊控制器之间的估计误差【引。.在】设计了一个模糊控制器和一个判决逻辑模块,后者用来进行路面识别【。,? ,? 在?.文中设计了一个控制器,其功能包括:预测滑移率、路面识别、求取优化滑移率

30、和模糊神经网络控制器。., .等在文中提出了模糊模型参考自学习控制的方法,采用学习机制和参考模型方法来解决外界条件变化的问题【。.论文主要的研究内容本文主要研究汽车在制动过程中,汽车制动踏板力对汽车制动的作用影响的研究。首先分析了汽车制动的整个过程,建立了汽车制动的数学模型汽车动力基下模糊控制的汽乍系统仿真研究学模型、制动器模型、轮胎模型、控制模型,然后在/软件中建立汽车系统的仿真控制模型,同时应用模糊控制模块设计模糊控制器,使汽车在制动过程中的滑移率到达最正确值,制动效能到达最好状态。在设计模糊控制器中,通过轮胎的滑移率误差和误差的变化率作为输入变量控制量,制动压力为输出量,制定模糊控制规那

31、么;随后加载到中进行仿真。在本文中首先采用了简单的开关控制器来控制汽车制动防抱死系统,并进行模拟仿真,比照三种路面的仿真结果,开关控制器过于简单。此后,利用模糊控制器对汽车系统进行控制,并进行仿真,仿真结果证明,在三种路面下,模糊控制都发挥了较好的控制作用,使汽车到达了最正确的制动状态。硕学位论文第章汽车制动的根本原理汽车制动性能是汽车的主要性能之一,是指汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向的稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力。汽车制动性能直接关系到汽车的行驶平安性,其不仅取决于汽车制动系统的性能,还取决于与汽车的行驶性能、轮胎的机械特性、道路的附着条件以及与制动操作有关的人体工程特性

32、密切相关。汽车制动时,受到由地面提供的与汽车行驶方向相反的外力称之为地面制动力。地面制动力越大,制动减速度愈大,制动距离也愈短。.车轮制动时受力分析弋 、 一?一一/、 厂/,/厂 /图中:形一汽车作用在车轮上的重力,;耳一汽车作用在车轮轴上的惯性推力,;厂一车轮半径,;兄一地面对车轮的法向支持力,;瓦一地面制动摩擦力,;。一制动器制动力矩,?册。.对车轮中心,由力矩平衡方程得:尹赫一厂地面制动力取决于两方面的因素:一个是制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘问的摩擦力;一个是轮胎与地面间的摩擦力一附着力。在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力称为制动器制动力。制动器制动力由制动器结构参数所决定,如

33、制动器的型式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数以及车轮半径,并与制动踏板力,即制动系的液压或空气压力成正比【。基于模糊控制的汽车系统仿真研究.地面制动力、制动器制动力与附着力的关系在汽车制动过程中,假设只考虑车轮的运动为滚动与抱死拖滑的两种状况【:当制动器踏板力较小时,制动器摩擦力矩不大,地面与轮胎之间的摩擦力即地面制动力,足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。显然,车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力,且随着踏板力的增长成正比增长如图.的?段。此时制动器制动力等于氏一。一,随着制动器踏板力的不断增加,地面制动力随着制动器制动力的增加而增加,但是地面的制动力凡受到地面与车轮之间的附着系数限制

34、,即% 一成,式中:足一地面提供最大附着力,;一轮胎与地面间附着系数。当制动器踏板力或制动器压力增加到某一值如图.点,地面制动力到达最大地面附着力,车轮抱死不转,而出现拖滑现象。踏板力图.制动过程中地面制动力、制动器制动力及地面附着力的关系继续增加制动器踏板力砟,制动器制动力,。继续增加,假设车轮上的法向载荷疋为常数,那么地面制动力瓦不再增加如图.的段,此时车轮完全抱死拖滑。地面制动力、制动器制动力变化如图.所示。由此可见,汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力,但同时又受地面附着条件的限制,所以只有汽车具有足够的制动器制动力,同时又能提供高的附着力时,才能获得足够的地面制动力,才能保障较高的

35、制动效能。.汽车制动时滑移率与附着系数的关系汽车制动时是利用地面与轮胎之间的摩擦力来减速的。制动时车轮速度减小,这样就在车速与轮速之间产生一个速度差如图.所示。硕十学何论文?、车聋?制车速与轮速之间存在着速度差的现象称为滑移现象。经常用滑移率来衡量制动时车轮的滑移程度,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。即:滑移率.垒兰鱼% .由上式可以看出,当车速圪等于轮速圪。时滑移率为零,此时车轮在道路上作纯滚动。汽车制动时,两者速度差异越大,滑移率越大,轮速为零,滑移率达到%,此时车轮完全抱死,汽车在道路上%拖滑。当%时,汽车边滚边滑,这说明滑移率是车轮运动中滑移成分所占的比例

36、:滑移率越大,滑动成分越多。纵向附着系数钆、侧向附着系数驴,和滑移率存在着密切的关系,通常具有如图.所示的关系。从图中可以看出,在非制动条件下?,纵向附着系数%一,在制动开始后,纵向附着系数%随着滑移率的提高快速增长,滑移率到达某一数值时纵向附着系数%最大,之后随着滑移率的增大纵向附着系数%反而减小,纵向附着系数最大时的滑移率为,此时的纵向附着系数讫称为峰值附着系数驴。当一时,侧向附着系数仍最大,之后随着的增大而减少,当车轮完全抱死,即%时,侧向附着系数劬很小,汽车的方向稳定性和转弯能力将几乎完全消失,此时车辆最为危险。基于模糊控制的汽车系统仿真研究西.%.汽车制动车轮抱死时的运动状况分析没有

37、的汽车或不起作用的汽车在制动过程中,有时会出现跑偏、后轴侧滑或前轮失去转向能力而使汽车控制离开原来的行驶方向,此时极易发生危险。制动时汽车自动向左或向右偏称为“制动跑偏。侧滑是指制动时汽车的某一轴或两轴同时发生横向移动,最危险的情况是在高速制动时发生的后轴侧滑,此时汽车常发生不规那么的急剧回转运动而失去控制,严重时可使汽车调头【扪。如图.所示为转向车轮制动力不相等而引起的跑偏分析,由于转向系各处的间隙及零部件的弹性变形,转向轮仍产生一向左转动的角度而使汽车有轻微的转弯行驶一跑偏,同时由于主销有后倾,。使转向车轮产生一同方向的偏转力矩,这样也增大了向左转动的角度,加剧了制动时跑偏。硕士学位论文前

38、轴侧滑 后轴侧滑图.是前轮抱死而后轮滚动,此时汽车处于一种稳定状态,但因此时侧向力系数为零,不能产生任何地面侧向反作用力,汽车无法按原弯道行驶而沿切线滚动,由图可知此时由于离心力和前轮转向力的作用而加剧了汽车侧滑。因此后轴侧滑是一种不稳定的、危险的工况如图.所示。从以上的分析可知,从保证汽车方向稳定性的角度出发,首先不能出现只有后轴车轮抱死或后轴车轮比前轴车轮先抱死的情况,以防止危险的后轴侧滑。其次,尽量少出现只有前轴车轮抱死或前后车轮都抱死的情况,以维持汽车的转向能力。最理想的情况是防止任何车轮抱死,前后轮都处于滚动状态,这样可确定制动时方向稳定性。此时,制动防抱死系统就显示其重要性了,它可

39、以防止制动时车轮抱死,提高汽车制动时方向稳定性。基丁模糊控制的汽车系统仿真研究前轮抱死时的运动情况 后轮抱死时的运动情况.本章小结本章从汽车地面动力力学方面,阐述了汽车制动过程理论知识,分析了汽车制动器制动力、地面制动力、附着力三者的关系,同时深入分析了汽车制动附着系数和滑移率的关系,最后阐述了汽车抱死时的汽车受力理论和运动状况。硕士学位论文第章的工作原理、根本机构与布置方式.的工作原理对于同一辆汽车来说,纵向附着系数越大,那么制动时地面所能提供的制动力就越大,制动减速度也越大,制动距离就越小;侧向附着系数越大,那么制动时地面所能提供的侧向力就越大,汽车抵抗侧向干扰的能力就越强,不易出现侧滑。

40、试验证明:当车轮滑移率为%左右时轮胎与地面之间具有最大纵向附着系数,并且具有较大的侧向附着系数,此时制动性能最正确。制动防抱死系统就是通过压力调节装置调节制动管路中制动压力的大小,是整个制动过程中车轮始终不会抱死,并且滑移率一直保持在。附近。如图.所示。.汽车制动过程的数学描述过程。图. 单轮模型设单轮模型质量为,车轮的转动惯量为,车轮旋转的角速度为,地面的制动力为,作用于车轮的制动力距为,忽略空气阻力与滚动阻力,那么可以列出微分方程如下:.疋妒。.,导一民心为了使问题进一步简化,可做如下假设:认为车轮的抱死过程很快,忽略其车速的降低;基丁模糊控制的汽车系统仿真研究认为车轮的载荷是一个常数,兄

41、;附着力滑移曲线可以用两直线段来近似,即,驴%专:铒、掣:制动力矩是日羽线任幽致,砹牛托制明器制明舣日匕囚双刀牛世币刭轮缸推力产生的制动器摩擦力,制动轮缸的压力一,其中表示液压增长斜率,制动器的制动力矩.?遮。,其中只表示轮缸面积,表示制动器摩擦力的等效作用半径。令?虹&,那么毛。根据这些假设来解微分方程,当 时,警吧寺疋卜砧,而扣竿小芳小詈,删,出。詈憎卜廿琢令?。曰、?。,那么方程可变为.日旦:?,解方程得:. 。一等一善一鲁警罢一一号?一一鲁】忽略过渡捌嚣小挚卜等,扣知等日:一因为一一罢,所以一日所峨告,噜一警等当,矿一【纯皇二掣】,竹,:一瓦. 、。?一一。一。¨胁程

42、舳六尝? 舡一% 上 考哒嫩后坝址仃影响的,小变忽略,所队,拦嘉甓署篆。我们不做介绍。汽车制动过程的控制机理配备系统的汽车制动时,控制过样分为凹个阶段:常规制动过程、降、过程,雠:过程和增爪过;。常规制动过辊系统求入作状态,?:聪阀不通. 控制啦元挖制,输?寸芙钾,输入阀川通.¨塞处吲示的位科,轮缶的;蹦棚通,缸叮咀随时挖制制功的增减,如图 所。图汽车系统常规制动过程轮缸降过程轮连传蝣器榆测刮乍轮有抱死信号,感应交流电雎增人,电磁阀通入较大电流,输入闷关闭,输阀开通。托摩移垒罔小的似胃,土与轮缸的通路被截断。轮缸卿储液器接通,轮缸力下降。与此刊时,驱动电动机¨动,带动液压泉

43、作,把流川储液器的制动液“瓜后送入缸¨。为一制动过程做好准备。如图基丁模糊控制的汽乍系统仿“宄所图 汽车系统轮缸降压过程轮缸保压过程轮缸减胜过程巾,轮速传感器产生的电压信弓较埘,磁阀通入较小的乜流图 汽车系统轮缸保压过程轮缸增过程侏压过槐中.车轮轮速趋零,感应交流电压办趋零.电磁阀断电,输】。:,论卫阎.输?阀笼川,主缸与轮缸汕路玖州通,剐的“三制山液新进入轮是轮抽油挑叫。乍轮义越:接近拖北状态。叫 所示图 汽车系统轮缸增压过程通过分析町咀看到,车轮的角速度、角加速、滑动率是说明车轮运动状态的乖要参数。对轮速信息的处理就是计算午轮的珀加速度值、车辆的参考车述咀段轮的滑动丰。图为典型的

44、逻辑门限值控制的制动过程。存高附精系数的硬路 .的制动榨制?始制动时.轮缸中的制功爪力和乍轮圆川减述艘增加。第阶段结求,乍轮删州减速度高于设定的车轮删川减速度阀值矾这时与该车轮相关的控制地磁阀在“保持爪力位置,制动、儿还小能降低。吲为在附着系数一制动滑转率曲线的稳定范内轮圆周减速度已鲐高它的;值一。这样制动距离进要延一段。时.设定的路血坡度后参考速度降。山参考速度“臣算出制础滑转率的摔删值。,作第阶段鲇束,车轮到同速度低。制功转辛的控制阔值所对应的牟轮述度。【:轮柑戈的磁叫以“降低力似胃,制动几三力降低直争车轮圆周减速度低丁它的阀值氓在第阶段结束,乍轮圆周减速度义低。州值一,并丌始定时的制动脉

45、力保持。订?压力保持这段时叫内冲圆周加琏度急剧增加,片超:轮嘲埘加速度的阀值口,制动爪/继续保持小变。在阶段结束,车轮圆周加述度人人地超过它的阀值,制动力肖增在第阶段制动压力重新保持不变,因为车轮圆周加速度还高于车轮圆周加速度阀值,在第阶段结束,车轮圆周加速度低于车轮圆周加速度阀值。这说明车轮在附着系数一制动滑转率曲线稳定范围转动,并有些缺乏制动。第阶段是制动压力进入渐进增加过程,直至这阶段结束,车轮圆周减速度低于车轮圆周减速度阀值一,制动压力马上降低而不会产生制动滑转率控制阀值九信号。,。?忒 葛、,、?、.。一弋./,。一。汽车行驶速度 、?/厂、吣/ “,/ /、. 厂、.夕车轮圆周加速

46、度酚段 ?.,./ 、/?籼/糊动压力./咋一汽车速度;瓜一参考速度:秒置一车轮圆周速度;厶一滑转率控制阀值;开关信号:.一车轮圆周加速度阀值;一车轮圆周减速度阀值:一卸曲一制动压力降低下列图为汽车在完全制动、没有的制动过程时与上面的制动过程比较。硕学位论文汽车行驶速度车轮圆周速度制动压力,时间?卜在低附着系数光滑路面上的制动控制与硬路面不同,轻踩制动踏板常足以使车轮抱死,这些车轮需要更长一点时间从制动滑转率大的情况下重新加速。电控单元中的控制逻辑可以识别各种路面状况,并使的控制特性与路面状况匹配。下列图所示在附着系数小的路面上的典型制动控制。图中、和阶段的制动控制与附着系数大的硬路面上的制动

47、控制一样。第阶段开始短暂的制动压力保持。在很短的时间内将车轮速度与制动滑转率控制阀值对应的车轮速度比拟。因为车轮圆周速度要比滑转率控制阀值对应的车轮速度低,所以在短的、固定的时间内降低制动压力。接着是短暂的制动压力保持,然后在将车轮圆周速度与制动滑转率控制阀值对应的车轮圆周速度比拟,并在短的、固定的时间内降低制动压力。在接下来的制动压力保持阶段,车轮再次加速,齿轮圆周加速度超过它的阀值。制动压力一直保持到车轮圆周加速度再次低于它的阀值一口,到第阶段结束。在第阶段制动压力按预设的、渐进式增加直至第阶段制动压力降低,进入新一轮的控制循环。基于模糊控制的汽车系统仿真研究在上面所述的制动控制循环中可知

48、控制逻辑为制动压力降低后,还需要两次制动压力的渐降,是车轮加速。车轮在较大的制动滑转率范围内转动较长的一段时间,这不利于汽车的行驶稳定性和操纵性。为改善汽车的行驶稳定性和操纵性,在这样的制动循环和以后的制动控制循环中将对车轮圆周速度和制动滑转率控制阀值九对应的车轮速度连续比拟,使制动压力在第阶段不断降低直至第阶段结束,车轮圆周加速度超过车轮圆周加速度阀值口。由于制动压力不断下降,车轮只是在短时间内在制动滑转率大的情况下转动,与第一个制动空盒子循环相比,提高了汽车的行驶稳定性和操控性。咯?,汽码车 卜?一一,?、.行./,驶咯 速度滑转一开率一霉蓍 一】餍速度.拿 阶段制动/压.力,口,嵋.?、

49、 ., ./ 咋一汽车速度;秒蹦一参考速度;秽置一车轮圆周速度;九一滑转率控制阀值:开关信号:口一车轮圆周加速度阀值;一口一车轮圆周减速度阀值;一卸曲一制动压力降低.的根本结构根据的控制原理,理想的控制过程是使纵向滑移率始终控制在上。硕学位论文但由于制动时工况的变化范围很大,影响制动效果的因素较多,这种理想的控制要求难以实现。因此,目前的都是将机械和电子技术结合起来,使实际制动过程接近于理想制动的设想成为可能,如图.所示为系统构成图【。图. 系统构成图.车轮转速传感器车轮转速传感器用于测定汽车车轮转速,通过线束将车轮转速信号传输至汽车上的电控单元。电控单元分别控制车轮制动压力。控制回路可防止车轮抱死,并且保证汽车的行驶稳定性和操纵性。传感器利用固定在轮毂上的钢质脉冲轮用于无源转速传感器或多级磁环用于有源转速传感器产生转速信号。年以来,无源感应式车轮转速传感器