汽车ABS性能分析检测仪的设计

汽车ABS性能分析检测仪的设计 本科生毕业论文 摘 要 本文首先介绍了汽车制动防抱系统(ABS)的历史和发展趋势，并对ABS的工作原理和控制进行了阐述和分析(以ABS模拟演示系统为实验平台，以LabVIEW软件编程为手段对ABS的工作过程进行模拟演示和研究。本文研究的主要内容包括: 1)从ABS的工作原理出发，结合ABS的基本结构研究了ABS的工作过程。 2)分析和研究ABS的控制方法，进一步深入研究ABS的最佳滑移率。 3)设计研究制作ABS试验台硬件系统，包括动力机械传动部分以及数据采集硬件系统。 4)设计制作ABS试验台的软件系统，开发研究基于虚拟仪器的ABS试验台数据采集和分析系统软件。 5)通过实时试验台ABS不同工况下的对比试验，检测分析汽车制动过程的参数和波形，进行试验数据的分析，深入研究ABS的工作过程和机理。ABS试验台系统是本文的研究重点，其中动力传动部分成功模拟了实车制动过程机械结构设计上具有创新性。软件程序用LabVIEW软件编写，由数据采集与分析模块和制动距离测量模 块等组成，可动态测试和分析车速、制动减速度、制动距离、滑移率等重要参数，为客观评价和分析ABS系统性能提供了科学的依据。通过实车制动试验数据和实验台制动试验的数据对比， 证明该实验系统能较好地模拟实车的制动过程，达到了设计的要求。为今后ABS的进一步研究 提供了可靠的实验和验证平台。 关键词:汽车制动防抱系统(ABS)，虚拟仪器，数据采集和分析 黑龙江学院本科生毕业论文 ABSTRACT This paper firstly introduced the history and trend of Anti-Lock Brake system(ABS) of car and had a deeply research and analysis on the working principle and control methods of ABS(The working process of ABS is simulated demonstrated and researched by using the ABS simulated demonstrate system as experiment platform and by means of LabVIEW program(The main content of the paper includes: 1)Based on the principle of ABS and combined with its basic structure，the working process of ABS is studied( 2)The control methods of ABS are analyzed and the optimized slippage ratio is deeply researched( 3) The hardware system of ABS braking bench is designed and researched(It consists of dynamic and mechanical transmission and data gathering hardware system( 4) The software system of ABS braking bench is designed and researched(The software of data gathering and analyze system based on virtual instrument is developed and studied( 5)Through the comparison test on the real-time braking bench at different working conditions，the parameter, wave and experiment data is analyzed and the working process and mechanism of ABS is also deeply researched( ABS braking bench system is the emphasis of this paper(The dynamic transmission simulates the brake process of actual car and the mechanical structure design is an innovation(The software program written by LabVIEW is composed of data gathering and analyze module and brake distance testing module(It can do dynamic testing and analyze such Important parameters as speed, brake acceleration, brake distance and slippage ratio，etc(And provide scientific evidence for impersonally evaluating and analyzing the performance of ABS. The test system was proved that it can perfectly simulate the brake process of car by the test data comparison between actual car and braking bench and reached the goals of design, It also provide reliable testing and validate platform for further research of ABS( Key words:Anti-lock braking system, Data Gathering and analyze, Virtual instrument 黑龙江工程学院本科生毕业论文 目 录 摘要 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? I Abstract ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? II 第1章 绪论??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.1 概述 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.2 汽车ABS防抱死制动系统的国内外研究现状 ???????????????????????????????????????????????????? 1 1.3 ABS系统研究的目的和意义 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 1.4 本文研究的主要内容 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 第2章 ABS防抱死系统基本组成与工作原理 ????????????????????????????????????????????????? 4 2.1 ABS防抱死系统的组成与分类 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 2.1.1 汽车ABS防抱死系统的基本组成 ????????????????????????????????????????????????????????????? 4 2.1.2 ABS防抱死系统的分类 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 2.2 ABS防抱死系统的工作原理 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 2.2.1 ABS的基本原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 2.2.2 制动防抱死系统的控制和结构原理 ????????????????????????????????????????????????????????? 4 2.3 本章小结 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 第3章 ABS性能分析检测仪的组成 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 3.1 汽车ABS系统建模 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 3.1.1 汽车ABS系统建模 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9 3.1.2 轮胎模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 11 3.1.3 液压系统模型 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 11 3.1.4 制动器模型 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13 3.2 ABS主要控制方法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 14 3.2.1 逻辑门限值控制 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 14 3.2.2 基本滑移率的控制 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 16 3.3 ABS最佳滑移率寻优 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17 3.3.1 滑模极值寻优控制的基本原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????? 18 黑龙江工程学院本科生毕业论文 3.3.2 ABS滑移率寻优 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 20 3.4 本章小结 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 21 第4章 ABS性能分析检测仪硬件系统设计 ??????????????????????????????????????????????????? 22 4.1 ABS性能分析检测仪硬件组成 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 22 4.1.1 ABS数据采集系统组成 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 22 4.1.2 ABS数据分析系统组成 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 28 4.2 本章小结 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 29 第5章ABS性能分析检测仪软件系统设计 ????????????????????????????????????????????????????????? 30 5.1 数据采集的基本原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 30 5.2 数据采集软件系统 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 32 5.2.1 数据采集与分析模块 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 32 5.2.2 GPS卫星定位系统速度测量模块 ???????????????????????????????????????????????????????????????? 36 5.3 本章小结 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 38 第6章ABS实验与分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 39 6.1静态测试 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 39 6.2动态测试 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 39 6.3 本章小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 43 结论 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 44 设计存在问题及解决方法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 45 参考文献 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 46 致谢 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 49 附录A 外文文献 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 50 附录B 外文文献的中文译文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 54 学院本科生毕业论文 第1章 绪 论 1.1 概述 作为现代社会最重要的代步工具之一，汽车已经成为人们日常生活中不可缺少的物品，自诞生的119年历史中，汽车已经发展为人类社会物质文明的一个重要标志。随着汽车工业的迅速发展，全球范围内汽车保有量不断增加、汽车行驶速度不断提高、道路行车密度不断增大，由汽车引发的交通事故也急剧增加，因此对车辆行驶时的安全性能的要求越来越严格，许多国家都为此颁布了严厉的汽车安全法规。传统的汽车制动系统由于其局限性，己经不能满足保障汽车高速安全行驶的需要，汽车制动防抱系统(Anti—lock Braking System，简称ABS)就是在这种背景下产生和发展起来的一种在传统制动系统基础上采用电子控制技术的机电一体化系统。 1.2 汽车ABS防抱死制动系统的国内外研究现状 国外ABS系统的研究正朝着以下方向发展，(1)多传感器:不仅装备有车轮转速感器， 而目还有检测汽车前后或横向减速度的G传感器(减速度传感器)。(2)复合化:形成动力源、油压增压器、总泵，电磁阀及控制部分一体的集中控制系统。(3)ABS系统与ASR驱动控制系统(或称牵引力控制系统)和车辆行驶稳定程序ESP共同构成车辆行驶稳定系统。这些程序在车辆行驶过程中始终监控着车辆的动态变化，并协同工作，可以在最大的物理极限内保证车辆行驶的稳定(与国外相比，我国ABS的研究与开发起步较晚，国家于1992年颁布了GBl3594-92国家ABS 标准，于八五期间成立了“国家安全节能重点实验室”研制ABS，在。九五”计划中又把ABS作为安全节能重点项目进行了研究。1999年国家颁布了GBl26761999标准。从2003年10月1日起所有M、N、O类汽车都强制安装一类防抱死装置。2001年lO月由科技部、财政部、国家税务总局颁发的‘中国高新技术产品》中又将ABS汽车制动防抱系统列入技术级别晟高和最优先发展项目之一(目录序号为04010801三星级)。2002年10月14日中国汽车标准委员会在济南召开会议，将拖挂车也列入强制加装ABS的范围。 目前，我国有多家单位在从事ABS方面的研究，如东风汽车公司、重庆公路科研所和济南重汽集团等企业和科研机构都做了大量有益的探索和试验，清华大学也承担了国家科委“九五”攻关项目“ABS关键技术的研究”，在对美国Bendix ABS系统进 1 学院本科生毕业论文 行研究的基础上，自行开发研制了两代ABS控制软件，但对各种工况下的适应性仍有待进一步提高。 1.3 ABS系统研究的目的和意义 随着汽车工业的迅速发展，全球范围内汽车保有量不断增加、汽车行驶速度不断提高、道路行车密度不断增大，由汽车引发的交通事故也急剧增加，因此对车辆行驶时的安全性能的要求越来越严格，许多国家都为此颁布了严厉的汽车安全法规。传统的汽车制动系统由于其局限性，己经不能满足保障汽车高速安全行驶的需要，汽车制动防抱系统(Anti—lock Braking System，简称ABS)就是在这种背景下产生和发展起来的一种在传统制动系统基础上采用电子控制技术的机电一体化系统。ABS是英文“Anti-lock Brake System”的缩写，即制动防抱系统。ABS的作用就是在汽车制动时，自动控制制动器制动力的大小，使车轮不被抱死，处于边滚边滑(滑移率在20%,左右)的状态，以保证车轮与地面的附着力在最大值。 1.4 本文研究的主要内容 汽车是运动变化的机械，其道路、轮胎、制动力矩参数都是随机的，要想得到正确的控制逻辑来精确地控制汽车制动，就必须通过大量的试验，掌握准确的数据，找出正确的控制逻辑，在确定逻辑后，编制程序以确保软件对机械执行单元的精确控制。这就需要精通汽车制动系统的专业人员在试车场进行长期的试验、摸索来确定防抱死逻辑，而进行这种试验具有很大危险性，经常会因采集某一数据而导致恶性事故。因此目前在实验室里常采用模拟方法先进行台架试验，本课题的研究对象是汽车制动防抱系统，除了对ABS的控制策略进行理论研究外，还开发出了用于教学实验和ABS软件开发的实验台系统。本文研究的主要内容包括: 1)理解了ABS的理论基础，从ABS的工作原理出发，结合ABS的基本结构研究了ABS的工作过程，为ABS控制算法的策略研究和试验台的开发打下基础。 2)通过对制动防抱系统的建模，分析和研究ABS的控制方法，进一步深入研究ABS的最佳滑移率。 3)设计研究制作ABS测控试验台硬件系统，包括动力机械传动部分以及数据采集硬件系统，通过安装和调试，满足进一步测控研究和试验的需要。 4)设计制作ABS试验台的软件系统，开发研究基于虚拟仪器的ABS试验台数据采集和分析系统软件，为进一步深入的试验研究和ABS系统的故障诊断打下基础。 5)通过实时试验台ABS不同工况下的对比试验，检测分析汽车制动过程的参数和波形，进行试验数据的分析，深入研究ABS的工作过程和机理。 2 学院本科生毕业论文 第2章ABS防抱死系统基本组成与工作原理 2.1汽车ABS防抱死系统的组成和分类 2.1.1 汽车ABS防抱死系统的基本组成 制动防抱死系统由防止车轮抱死的电子控制系统和普通的制动系统组成。现在我 1所示。们在说ABS时，通常是单指防抱死电子控制系统。防抱死电子控制系统如图2.由传感器、控制器和执行器(制动压力调节器电磁阀等)组成。 真空助力器 左前轮传感器 左前轮 ABS 压力右前轮传感器 右前轮 储油器 调节 器 制动主缸 左后轮 左后轮传感器 右后轮 右后轮传感器 制动踏板 ABS ECU 图2.1 ABS防抱死系统组成 2.1.2 ABS防抱死系统的分类 目前，汽车上使用的ABS有不同的结构形式，下面以不同的分类方式加以概括。 1(按控制器所依据的控制的参数不同分类 (1)以车轮滑移率S为控制参数的ABS控制器根据车速和车轮转速传感器的信号计算车轮的滑移率，作为控制制动力的依据。当计算得到的滑移率S超出设定值时，控制器就输出减小制动力信号，通过制动压力调节器减小制动压力，使车轮不被完全抱死;当滑移率s低于设定值时，控制器输出增大制动力信号，制动压力调节器又使制 这动压力增大。通过这样不断地调整制动压力，控制车轮的滑移率在设定的最佳范围。 种直接以滑移率为控制参数的ABS需要得到准确的车身相对于地面的移动速度信号和车轮的转速信号。车轮转速信号容易得到，但取得车身移动速度信号则较难。 (2)以车轮角加速度为控制参数的ABS控制器根据车轮转速传感器的信号计算车 3 学院本科生毕业论文 轮的角加速度，作为控制制动力的依据。计算机中事先设定了两个门限值:一个是角减速度门限值，作为车轮被抱死标志;一个是角加速度门限值，作为制动力过小、车轮转速过高标志。制动时，当车轮角减速度达到门限值时，控制器输出减小制动力信号;当车轮转速升高至角加速度门限值时，控制器则输出增加制动力信号。如此不断地调整制动压力。使车轮不被抱死，处于边滚边滑的状态。目前汽车上基本上都是此 种形式。 2(按制动压力调节器的结构不同分类 (1)机械柱塞式ABS。 (2)电磁阀式ABS。采用电磁阀式制动压力调节器的较为多见。 3(按功能和布置的形式不同分类 (1)后轮防抱死ABS。 (2)四轮防抱死ABS。目前基本上都采用了四轮制动防抱系统。 2.2 ABS防抱死系统的工作原理 2(2(1 ABS的基本原理 防抱死电子控制系统的核心是由微电脑组成的控制器，它通过传感器监视汽车制动时车轮是否抱死。在一般的制动情况下，司机踩在制动踏板上的力较小，车轮不会被抱死，控制器无控制信号输出，这时，就如同普通的制动系统，制动力完全由司机踩在制动踏板上的力来控制(在紧急制动或是在松滑路面行驶时制动，车轮被抱死的情况下，控制器就会输出控制信号，通过执行机构(即制动压力调节器)控制制动器的制动力，使车轮不被抱死。 2(2(2制动防抱死系统的控制和结构原理 前面提到ABS的基本组成包括传感器、控制器和执行器三大要素，一般ABS系统都是由车轮转速传感器、电子控制器、制动压力调节器三大部分组成。电子控制器(电脑)是ABS控制中心，一般是由两个微处理器和其它的必要电路组成的不可分解的整体单元。电脑的基本输入信号是四个车轮的传感器送来的轮速信号。输出信号是:给液压单元的控制信号、输出的自诊断信号和输出给ABS故障指示灯的信号。 转电子控制 执行装置 制速单 元 (电磁阀动传等) 轮感缸 器 图2.2 ABS附加装置 4 学院本科生毕业论文 如图2.2所示;ABS附加有下列装置:抱死警报灯，制动液面高度传感器、储压器、压力开关等在制动过程中，轮速传感器不断采集车轮转速信号，并把它传给电子控制器，电子控制器对这些信号进行逻辑判断和分析，并加以计算。当发现车轮将要抱死时，就发出指令送至液压或者气压调节器中，压力调节器接到这些指令后就迅速 调节车轮制动缸(气室)中的压力以防止车轮抱死。 尽管各种ABS的结构形式和工作过程并不完全相同，但都是通过对于抱死车轮的制动压力进行自适应循环调节来防止被控制车轮发生制动抱死的，而且各种ABS在以下几个方面都是相同的。 (1)ABS只是在汽车的速度超过一定值(如5km,h或8km,h)以后，才会对制动过程中趋于抱死的车轮进行制动防抱压力调节。当汽车速度被制动降低到一定值时，ABS就会自动地终止制动防抱压力调节，此后，装各ABS汽车的制动过程将与常规制动系统的制动过程相同，车轮仍然可能被制动抱死。这是因为在汽车的速度很低时，车轮被制动抱死对汽车制动性能的影响已经很小。 (2)在制动过程中，只有当被控制车轮趋于抱死时，ABS才会对趋于抱死车轮的制动压力进行防抱死调节;在被控制车轮还没有趋于抱死时，制动过程与常规制动系统的制动过程完全相同。 (3)ABS都具有自诊断功能，能够对系统的工作情况进行监测。一旦发现存在影响系统正常工作的故障时将自动地关闭ABS，并将ABS警告灯点亮，向驾驶员发出警告信号，汽车的制动系统仍然可以像常规制动系统一。 1、车轮转速传感器 车轮转速传感器的作用是将车轮的转速转变为电信号，输送给控制器，以使控制器能准确判断制动时车轮是否被抱死，并及时控制制动力的大小。车轮转速传感器有磁感压应式、光电式等，目前普遍采用的是磁感应式车轮转速传感器。它是一种由磁通量的变化而产生的感应电压的装置，在每个车轮上安装一个，一般由磁感应传感头(转速信号探头)与齿圈组成。传感头是一个静止部件，通常由传感器外壳、永久磁铁、感应线圈和磁极等组成，安装在车轮的每个托架上。齿圈是一个运动部件，一般安装在轮毂上或轮轴上与车轮一起旋转，是产生感应信号的触发转子。车轮转动时，齿圈随车轮旋转，磁极端部的气隙随齿圈的转动而发生周期性的变化，使穿过感应线圈的磁通量随之变化，在永久磁铁上的感应线圈便产生了与车轮转速相对应的交变电压信号，交流信号的频率与车轮速度成正比，交流信号的振幅随轮速的变化而变化。ABS电脑通过识别传感器传来的交流信号的频率来确定车轮的转速，如果电脑发现车轮的 5 学院本科生毕业论文 圆周减速度急剧增加，滑移率达到20,时，它立刻给液压调节器发出指令减少或停止车轮的制动力，以免车轮抱死。 2、汽车减速度传感器 ABS系统中另一种传感器是汽车减速度(G传感器)(汽车减速度传感器的作用是测出汽车制动时的减速度，识别是否是雪路、冰路等易滑路面。有采用水银开关方式、霍尔元件模拟方式、光学阶梯检测式、差动变压器等多种形式。水银开关方式的减速度传感器采用水银开关反映汽车减速度的信号，同时也有能传递前进和后腿两个方向的路面摩擦系数p信息;还有的在前进方向上并列了两个水银开关，即使一个有故障， 另一个也可以正常。 3、ABS控制器及其它电控元件 ABS电子控制器的主要任务是接收传感器的信号，进行计算分析，判断制动车轮的状况，并据此输出控制信号，使制动压力调节器及时调节制动力的大小。此外，控制器还具有故障监控报警和故障自诊断等功能。此外ABS系统上还装有电磁控制阀、故障指示灯、继电器和电脑保护二极管等。 4、制动压力调节器 (1)ABS液压调节器的作用和组成 ABS制动压力控制总成是在普通控制系统的制动装置上经设计后加装ABS制动压力调节器而形成的(制动压力调节器是ABS的执行机构，其作用是:在制动时，根据控制器输出的控制信号，迅速、准确地动作，以控制制动压力的大小，使车轮不被抱死，并处于理想滑移率的状态。根据制动系统制动压力传递介质的不同，制动压力调节器有气压式和液压式两种，目前汽车上普遍使用的是液压式(ABS液压调节器装在制动总泵与分泵之间，如果是与总泵装在一起的，我们称之为整体式，否则称为非整体式。ABS液压调节器的组成包括电动油泵、蓄压器、压力控制、压力警告和液位指示开关。 (2)制动压力调节器的工作原理液压式调节器是利用电磁阀和液压泵产生的压力控制制动力的。每个车轮或每个制动系统内部都有电磁阀，通过电磁阀直接和间接控制制动压力。通常把直接控制制动压力的形式称为循环式，把间接控制制动压力的形式称为可变容积式。以循环式调节器为例介绍其工作原理。循环式调节器是在汽车原有制动管路中串联电磁阀，直接控制压力增减。工作过程如下。 6 学院本科生毕业论文 1)常规制动系统 常规制动电磁阀不通电，柱塞处于位置使主缸和轮缸相通，主缸可随时控制制动压力的增减。这时，液压泵也不需要工作。 2)减压过程 当电磁阀通入较大的电流时，柱塞移至上端，主缸和轮缸的通路被截断，轮缸和液压油箱被接通，轮缸的制动液流入液压油箱制动压力降低。与此同时，驱动电机起动，带动液压泵工作，把流回液压油箱的制动液加压后输送到主缸，为下一个制动周期作好准备，如图2(4所示。这种液压泵叫做再循环泵。它的作用把减压过程中轮缸流回的制动液送回高压端，这样可以防止ABS工作时制动踏板行程发生变化。因此，在ABS减压过程中液压泵必须常开。 3)保压过程 给电磁阀通入较小的电流时，柱塞移至所有的通道均被截断，所以能保持制动压力。 4)增压过程 电磁阀断电后，柱塞又回到ABS不工作的位置。主缸和轮缸再次相通，主缸端的高压控制液(包括液压泵输出的制动液)再次进入轮缸，增加了制动压力。增压和减压速度可以直接由电磁阀的进出油口来控制。 2.3本章小结 本章对ABS防抱死系统基本组成进行了阐述，介绍了ABS系统分类有哪些。本文所采用的ABS性能分析检测仪是以滑移率为评定指标检测ABS系统性能的。本章讲解ABS控制器在制动过程中对电磁阀的控制过程。 7 学院本科生毕业论文 第3章ABS系统建模与控制算法研究 3(1汽车ABS系统建模 汽车制动防抱系统建模是ABS理论分析及仿真的基础，模型的准确与否直接关系到仿真计算的精度和可信性，所建立的模型必须在反映系统实际特性的基础上，根据所研究的具体问题进行合理抽象和简化。本文根据实际问题研究的需要，将ABS系统模型分为4个单元模型，包括车辆动力学模型，轮胎模型、液压系统模型及制动器模型，并对其分别进行研究，最后根据各个单元之间的相互关系组成ABS系统仿真模型。 3(1(1车辆动力学模型 汽车制动期间，车轮被施以制动力矩，轮速和车速同时降低。根据牛顿定律，车轮旋转运动动力学由于本文主要研究控制方法在ABS中的应用，故采用了国际上比较经典的单轮四分之一车辆模型。 Fl V F1/4M a Tb R , Fr Ft N 图3.1 四分之一车辆模型 如图3.1所示。单轮模型主要描述汽车的制动性能，简单实用，有利于基于模型控制系统的分析与设计。方程可表示为: 8 学院本科生毕业论文 Jw,,FtRw,Tb,FtRw (3.1) ,式中:Jw-车轮转动惯量;-车轮角速度;Ft-路面摩擦力;Rw-车轮半径;Tb- 制动力矩;Ft-车轮滚动阻力。 车轮滚动阻力只可表示为: (3.2) F,f，3.24fs(Kmph)r0 y y Sx X ,1 tan(BCD)D yb X x Sy 图3.2 Pacejka轮胎模型的典型曲线 mph如图3.2式中:K=2(237m/s单位转换为单位的转换常数; mph -基本滚动阻力系数; f0 -滚动阻力的速度影响系数。 fs 根据牛顿第二定律，汽车制动时，车轮线性运动动力学方程可表示为: Mv,,Ft,Fa (3.3) M式中:-四分之一车辆质量;-车速;-路面摩擦力;-空气阻力 FFvta M四分之一车辆质量可以表示为: 1 (3.4) M,M，Mtapecar4 M其中是轮胎质量:是整车车体总质量。 Mtapecar 由滑动摩擦定律可知，路面摩擦力 9 学院本科生毕业论文 (3.5) F,,(,)Nt 其中N是车轮对地面法向反力，可表示为: N,mg (3.6) 制动时车辆所受的空气阻力和车速的平方成正比，并且与空气密度、车辆迎风Fa 面积等因素有关，可以表示为: , (3.7) F,CdAfVa4 2,4,N,s,m其中是空气密度，一般=1(2258;是空气阻力系数，一般情况,Cd 下是雷诺数Re的函数;是车辆迎风面积，即汽车行驶方向上的投影面积。 Af 综合以上分析，我们可以得到四分之一车辆模型的动力学方程为: Mv,,,(,)Mg,Fa(v) (3.8) J,,,(,)MgRw,Tb,Fr(v)Rw (3.9) 令:,，将上述方程转换为状态方程。 x,vx,,12 3(1(2轮胎模型 在ABS动力学系统中，轮胎作为制动系统与整车的连接部分，是一个比较特殊的环节，它既可以当作系统的控制对象，也可以作为系统的执行机构予以考虑。由于轮胎结构、复杂，具有高度非线性的特殊力学特性，因此它是ABS仿真中最不稳定的环节，路况与车辆运动状态的变化使轮胎的外特性复杂多变且难以预测。国内有郭孔辉教授提出了E指数半经验轮胎模型，国外有Paeejka等人提出了轮胎魔术公式(Magicformula)以及Gim等人提出的纯理论轮胎模型，本文将主要介绍H(B(Pacejka轮胎模型。 Pacejka模型的典型曲线如图3.2所示。 Pacejka模型的一般表达式为: Y,Dsin(Carctan(B,))，Sy (3.10) E,,(1,E)(X，,Sx)，()arctan(B(X，,Sx))B Y式中:-轮胎横向力、纵向力或回正力矩; 10 学院本科生毕业论文 D-峰值因子，表示曲线的最大值; -刚度因子; B E-曲线曲率因子，表示期限最大值附近的形状; -曲线形状因子，即曲线表示横向力、纵向力还是回正力矩 C -曲线的垂直方向漂移; Sy -曲线的水平方向漂移。 Sx 3(1(3液压系统模型 ABS是一种快速响应系统，作为ABS的执行机构，液压系统的动态特性对ASS整体性能有直接的影响，因此对ABS液压系统特性的理论研究以及建立比较完善的且能够反映实际工作过程的液压系统模型是ABS系统仿真和设计的基础。 其他轮缸 进液阀 主缸 制动轮缸 P i 真空助 力器 液压泵 出液阀 低压蓄液槽 图3.3 ABS液压系统模型 如图3.3所示，液压系统主要由制动主缸、液压泵、低压蓄液槽，电磁阀及制动轮缸组成，通过使用进液电磁阀和出液电磁阀来执行增压、保压和减压的指令组合，从而实现对轮缸制动压力的调节。ABS液压系统是一个非线性系统，很难建立其精确 11 学院本科生毕业论文 模型。为了便于对ABS液压系统的建模，在满足仿真精度的前提下对液压系统进行适当的简化，将ABS液压调节器内的电磁阀、节流阀及内部油路等效为一个液压阀口，并且忽略ABS制动管路弯曲和接头处的局部损失。根据流体力学原理，流过节流阀口的流量特性为: 22 (3.11) Q,AC(P,P),AC(P,P)d1pi2d2iiow,, ,式中:Q-液体流量;A1、A2-进液阀、出液阀的阀口通流面积;-流体密度; Pp液压泵压力;-低压蓄液槽压力:-轮缸压力。 -PPiowi 系数、视输入控制的实际情况而定，根据相应阀门的开或关来取值0或1CCd1d2 并且要满足关系式?=0。 CCd1d2 实际应用中，为了实现对流量的近似连续调节，使用高速开关阀和脉冲调制(PWM)控制技术相结合，通过对脉冲频率和宽度的控制，建立一种近似线性的流量与PWM信号之间的比例关系，即形成等效阀口通流面积，其表达式为: A= (3.12) IA，pwm0 式中:-阀口最大通流面积;I—PWM修正系数，其值在(0-1)之间 Apwm0 制动轮缸可以视为一个封闭容腔，其中的液体压力流量特性可以表达为: dPE (3.13) ,QdtV 式中:E一液体有效弹性模量;V一制动轮缸的总容积。 考虑到电磁阀和管路传输存在滞后现象并且设滞后时间为t，结合以上分析，可以得到整个ABS液压系统的动态模型，表示为: dPE2221 (3.14) ,[AC(P,P),ACd(P,P)(t,,)]dpttiow112dtV,, 其中=1， =O时，系统增压; =0， =1时,系统减压; =0, CCCCCd1d2d1d2d1 =0时，系统保压。 Cd2 12 学院本科生毕业论文 3(1(4制动器模型 在制动防抱过程中，制动轮缸压力状态的不断变化使得制动器压力模块的受力及运动状态不断变化，因此在制动器压力模块将制动液流量转换为制动压力的过程中应该考虑其动态特性的影响。 制动器压力模块可以用活塞，弹性系统及阻尼系统近似模拟，其动力学方程可以表示为: (3.15) MX，BX，KX,PA,Fppppppipk0 式中:-轮缸活塞的质量;-轮缸活塞的位移:-粘性阻尼系数;-等MXBKpppp 效刚度系数; -活塞横截面积;-预加弹性负载 AFpk0 可以看出此时活塞作用于制动盘的正压力为: (3.16) F,BX，KXppppp 可以得到: MSX(s)，BSX(s)，KX(s),P(s)A,F (3.17) ppppppip KBPP将制动器固有频率及制动器阻尼系数 代入可得到: ,,,,M2KMPPP +2,n,sxp(s)，,xp(s),(P(s)A,F)/M (3.18) SX(s)2pk0p2P Pi(s)A,F10PKX(s)= (3.19) pMS，2,,s，,n2 在实际制动过程中，制动压力的计算是在活塞与制动盘充分接触的前提下进行的， ,即X0; p 另外由于制动压力远大于系统预加弹性负载，Fk可以忽略。因此作用于制动盘上的实际制动压力可以表示为: KP(s)A1pipF,KX, (3.20) pppMs，2,,s，,np2 13 学院本科生毕业论文 ,2P(s)A= 1pS，2,,s，,2n ,2P(s)A= 1pS，2,,s，,22 则制动盘的实际制动压力与轮缸压力的关系可以用一个二阶传递函数表示: F,p2 (3.21) ,,H(s),,,P(s)AS，2s，ip22 而制动力矩可以表示为: (3.22) T(s),FKRbipdr 式中;-制动效能因子;-有效制动半径。 KRdr 设制动力矩增益,由公式可以得到制动力矩与轮缸制动液压力 K,KARbdpr 之间的关系: T(s)bi,H(S)K (3.23) bP(s)i 3(2 ABS主要控制方法 汽车ABS具有其自身的特点:1)由于汽车本身环境差而要求系统具有较强的抗干扰能力及高可靠性;2)控制过程要求快速。大部分系统的控制循环都要求毫秒量级，这样极大地限制了控制算法的应用，复杂的算法无法实现或实现的硬件成本太高，而简单的算法得不到理想的控制品质。ABS的控制方法一般分为两类:一种是基于车轮加、减速度门限及参考滑移率方法，即逻辑门限值控制方法，目前比较成熟的商用ABS产品大多采用这种基于经验的逻辑门限值控制;另一种是基于车轮滑移率的防抱死控制方法。 3(2(1逻辑门限值控制 逻辑门限值控制法大多选择加、减速度门限作为主要门限，以参考渭移率作为辅助门限，以加、减速度作为单独的控制门限和以滑移率作为单独的控制门限都有很大的局限性，主要表现在: 1)在高附着系数路面上会出现过度减压或在低附着系数路面上发生车轮抱死现 14 学院本科生毕业论文 象; 2)对附着系数急变路面的适应性差，特别是从高附着系数路面向低附着系数路面跃变时车轮抱死; 3)以低速档行驶制动时，驱动轮易抱死。要解决这三个问题，使ABS达到实用程度，必须把车轮减速度信号，加速度信号及滑移率信号组合起来作为控制参数。根据从高附着系数路面向低附着系数路面跃变情况，确定了制动压力减压速度之后，必须充分利用滑移率这个参数，寻求对高附着系数路面和低附着系数路面都合适的减压时间。 汽车制动时，将车轮加减速度信号+a、-a和两个滑移率信号(-、-组合，能,,12够实现以下控制过程: 1)为了防止在稳定区域内不必要的减压，使开始制动前的a信号区间保持制动压力。a信号区间内，-信号产生时再降低压力，开始控制过程。如果a信号产生之前，,1 -信号己经产生，就直接开始控制过程。 ,2 2)根据-a或(-,信号再开始第二个制动周期以后的减压过程。 3)在高附着系数路面(a信号消失的同时停止减压过程，缩短减压时间以避免过度减压;在低附着系数路-a信号产生的同时停止减压过程，尽量延长减压时间。以保证车轮恢复正常的加速状态。其中路面辨识是根据(-信号进行的， -a信号消失时，,2 若-信号已经产生，则认为己经变为低附着系数路面。从高附着系数路面向低附着,2 系数路面跃变时也采用同样方法识别控制。 4)信号产生区间保持压力不变，+a信号消失后只要没有另外的信号出现，则缓慢地增加压力。 5)为了适应高附着系数路面附着系数的突然增加，可以设定第二加速度信号+a。+a信号产生区间迅速增加压力，这对于从低附着系数路面跃变到高附着系数路面或产生过度减压的情况是有效的。此外，在低速(低于20km/h)、低附着系数工况下，车轮减速度减小。因而可用滑移率门限作为控制变量，车轮减速度可用作辅助控制变量。逻辑门限值控制方法不涉及具体系统的数学模型，对ABS这类非线性系统是一种有效的控制方式，经济实用。而它的主要缺点在于，控制系统的各种门限及保压时问都是 15 学院本科生毕业论文 经反复试验得出的经验数值，缺乏充分的理论根据，对系统的稳定性等品质无法评价，并且从理论讲，整个控制过程车轮滑移率并未保持在最佳滑移率上，而是在它的附近波动，没有达到最佳的制动效果，车速的波动和制动压力的波动都很大。 3(2(2 基于滑移率的控制 以车轮滑移率为控制目标的ABS，是以连续量控制形式，使制动过程中保持最佳的滑移率，是理论上最佳的ABS控制系统，其控制的难点在于不同路况下的最佳滑移率的确定及车身速度的测量问题。具体的控制逻辑可描述为式所示: <系统增压 ,,0 =系统保压 (3.24) ,,0 >系统减压 ,,0 ,式中:-计算滑移率;-目标滑移率。 ,0 基于车轮滑移率控制的ABS所采用的控制方法主要有: (1)PID控制(比例积分微分控制) PID(比例积分微分)控制通过调整比例、积分、微分系数，使闭环系统得到预期的控制效果(对于ABS，将滑移率误差作为控制量，定义车轮滑移率误差为: e=,- (3.25) ,0 ,,式中:e-控制误差;-计算滑移率;o-目标滑移率。 基于车轮滑移率的ABS控制可以用以下的PID控制律实现: t u=+ (3.26) Kedt，Kd，eK，ePe,0 K式中:“u-系统控制量;、、比例、积分、微分系数。 KKpd1 在ABS实际应用中，大多采用增量PI算法，用两个构成串级的PI控制器实现，内环为压力控制。外环为滑移率控制。 ABS的PID控制的优点是不需要被控对象的数学模型，只要根据经验在线整定PID参数即可获得良好的控制效果，容易实现。不足之处在于PID参数灵敏度高，对被控对象参数的变化比较敏感，容易使系统不稳定。 (2)最优控制方法 16 学院本科生毕业论文 最优控制方法是基于状态空间法的现代控制理论方法，是一种基于模型分析的控制方法。在ABS应用中，其思路是根据ABS的各项控制指标，按照最优化的原理求得ABS的最优控制指标。ABS最优控制的实质是设计一个最优控制系统，在汽车车轮防抱死控制过程中，选择一个表征过程的目标函数，确定一个最优控制函数，以使得目标函数达到极大值或极小值，使汽车ABS在汽车制动过程中以最优的方式工作。最优控制方法的优点是考虑了控制过程中状态变化过程而使控制过程平稳。不足之处在于其控制效果的优劣依赖于整个制动系统数学模型的精确程度，由于汽车制动系统的高度非线性和时变性，ABS的最优控制方法难以保证控制质量。 (3)滑模变结构控制(滑动模态变结构控制) 滑模变结构控制是以经典的数字控制理论为基础一种控制方法，其特点在于控制的不连续性，根据被控对象当时的状态、偏差及其导数值，在系统的不同控制区域内，以理想开关的工作方式来切换控制量的大小和符号，迫使系统沿的状态轨迹作小幅度高频率的上下运动。滑模变结构控制属于一类特殊的非线性控制方法，采用变结构控制可以实现不稳定系统的镇定，系统的滑动模态对系统的动力学变化、参数变化及外部干扰具有良好的自适应性，非常适用于汽车ABS。滑模变结构控制方法的优点是一旦滑模控制器的滑动面设计好之后，由控制器内的逻辑环节来操纵控制器结构的变化，进入滑动面之后，控制过程与系统的参数和扰动无关。其缺点在于滑模控制的控制效果取决于所采用的车辆一地面系统的数学模型的精确程度，另外，由于开关器件的时滞及系统固有的惯性等因素的影响，在滑模运动中系统存在抖振现象。 此外还有鲁棒控制、模仿控制以及模糊逻辑控制等。 3(3 ABS最佳滑移率寻优 在基于车轮滑移率控制的ABS系统设计中，我们的目标就是通过对制动力的调节，使车轮滑移率始终保持在横向附着系数较大、纵向附着系数最大的最佳滑移率区域，从而得到较大的横向力及最大的地面制动力，充分保证汽车的可操纵性和方向稳定性，同时可以获得最短的制动距离。然而不同的道路状况所对应的最佳滑移率是不同的(不同路面时的附着系数与滑移率关系曲线)，为了获得最佳滑移率的信息，一般先通过路面辨识技术识别出不同的路面类型，再根据典型路面附着系数曲线判断此时的最佳滑移率。由于目前没有合适的传感器能够准确地辨识路面类型并直接用于ABS控制器，我们只能从车辆制动压力、车轮滑移率和车辆减速度这些信息中推断路面情况，路面 17 学院本科生毕业论文 辨识的准确性(特别是在路况突然变化的情况下)难以保证。 本文采用滑模极值寻优算法来设计一个滑移率的在线优化器，通过使用传感器采集到的轮速和减速度信号对滑移率进行在线寻优。这种在线优化器不需要路面辨识即可得到此时的最佳滑移率。 3(3(1 滑模极值寻优控制的基本原理 假设一个标量系统为: dx (3.27) ,udt 其中x为状态参数，u为标量控制，t为时间。状态参数x对时间求导，得出标量。 其性能指标为: Z,F(x) (3.28) 这里x为状态参数， Z为性能指标变量，假设Z有唯一极大值点。我们使用滑模优化方法来确定一个非连续控制规律，使x保持在其最优值的邻域里，使得性能变量Z最大而不需要任何关于Z的微分信息。 首先定义一个随时间单调增加函数g(t)作为性能指标变量Z的追踪目标: g(t)=p(t-) (3.29) t0 其中p是一个正的常数，t0是初始时间。 则追踪误差可以定义为: s=Z-g(t) (3.30) 将追踪误差对时间求导，可以得到: ,F(x),F(x)S=Z-g(t)= (3.31) .x,,,u,,,x,x 设控制规律为: U,K,(s) (3.32) ,(s)其中中=sgnsin(s,)是周期调整函数。 ,, 为了保证系统的稳定性，选取Lyapunov函数 1 V=s (3.33) 2 公式对时间求导，可以得到: 18 学院本科生毕业论文 ,F(x) V=s*s=(z-g(t))() (3.34) x,,,x ,,设x=-Ksgnsin(s,)，代)k式可以得到: ,F(x)V=(z-g(t))(-p) (3.35) ,ksgnsin(,s/,),x ,F在>0区域，为保证系统渐近稳定，满足V<0的充分条件是: ,x (2k-1)