畢業(yè)論文---汽車abs邏輯門限值控制算法仿真研究

1、<p>　　題 目 汽車ABS邏輯門限值控制算法仿真研究 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　汽車防抱死制動系統(tǒng)是在制動時防止車輪抱死的一種機電一體化系統(tǒng)。邏輯門限值控制方式的特點是不需要建立具體系統(tǒng)的數(shù)學模型，并且對系統(tǒng)的非線性控制很有效。本文依據(jù)ABS的工作原理，利用車輪加減角速度門限值及參考滑移率的組

2、合, 構成控制邏輯, 把滑移率調整在峰值附著系數(shù)附近波動。采用Matlab/Simulink 仿真環(huán)境, 對不同附著路面下有、無ABS邏輯門限值控制的制動效果進行仿真對比分析，驗證了基于邏輯門限值的ABS的控制效果：減小了制動距離和制動時間，增大了制動減速度。 </p><p>　　關鍵詞： 制動防抱死系統(tǒng)；邏輯門限值控制；仿真；</p><p><b>　　ABSTRACT&l

3、t;/b></p><p>　　Automobile anti-lock braking system is at the time of braking to prevent wheel lock is a mechanical and electrical integration system. Logic threshold control method features no need to est

4、ablish specific mathematical model of the system, and the system nonlinear control is very effective. On the basis of the working principle of ABS, using wheel and angular velocity threshold value and reference slip rati

5、o combination, constitute the control logic, the slip rate adjustment in friction coefficie</p><p>　　Key word： anti-lock brake system; logic threshold control ; simulation</p><p><b>　　目

6、 錄</b></p><p>　　第一章 緒論1</p><p>　　1.1ABS的概念與意義1</p><p>　　1.1.1汽車行駛的安全性1</p><p>　　1.1.2汽車ABS系統(tǒng)2</p><p>　　1.1.3汽車ABS系統(tǒng)的意義2</p><p>　

7、　1.2汽車ABS系統(tǒng)的發(fā)展3</p><p>　　1.2.1國外ABS系統(tǒng)的發(fā)展狀況3</p><p>　　1.2.2國內ABS系統(tǒng)的發(fā)展概況3</p><p>　　1.2.3ABS防抱死系統(tǒng)的特點4</p><p>　　1.3ABS控制理論概論5</p><p><b>　　1.4結論7<

8、;/b></p><p>　　第二章 汽車制動的基本原理8</p><p>　　2.1車輪制動時受力分析8</p><p>　　2.2地面制動力、制動器制動力與附著力的關系9</p><p>　　2.3汽車制動時滑移率與附著系數(shù)的關系10</p><p>　　2.4汽車制動車輪抱死時的運動狀況分析

9、12</p><p>　　第三章 汽車ABS邏輯門限值法原理與關鍵技術15</p><p>　　3.1邏輯門限值法15</p><p>　　3.2單一門限值的控制方法15</p><p>　　3.3邏輯門限值法原理15</p><p>　　第四章 控制邏輯設計與仿真實驗17</p>

10、<p>　　4.1控制邏輯17</p><p>　　4.2仿真分析18</p><p>　　4.2.1高附著路面仿真19</p><p>　　4.2.2低附著路面仿真22</p><p><b>　　結束語27</b></p><p><b>　　致 謝28<

11、;/b></p><p><b>　　參考文獻29</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1ABS的概念與意義</p><p>　　1.1.1汽車行駛的安全性</p><p>　　影響汽車行駛安全性的因素有很多，例如：

12、1)汽車狀況，如汽車的配備程度、輪胎狀況和磨損現(xiàn)象等；2)天氣、道路和交通狀況，如側向風、鋪裝路面狀況、交通流量；3)駕駛員素質，即駕駛員的能力和健康狀況。較早的汽車行駛安全性除了依靠汽車照明外，還主要依靠制動踏板的制動裝置以保證汽車行駛安全性所需要的制動力。如今不斷有更多的安全系統(tǒng)參與到制動系統(tǒng)中。制動系統(tǒng)是汽車安全行駛不可缺少的重要部件。在汽車低速行駛和交通密度很小的汽車發(fā)展史的初期，對制動系統(tǒng)的要求很低。隨著時間的推移，制動系統(tǒng)不

13、斷發(fā)展。今天的汽車能高速行駛是因為汽車即便在危險的行駛情況下，制動系統(tǒng)仍能將汽車制動直至停車。所以制動系統(tǒng)是汽車安全性系統(tǒng)中的重要組成部分。道路交通安全(如圖1.1所示)對安全系統(tǒng)提出的許多要求只能依靠電子技術才能實現(xiàn)。</p><p>　　圖1.1 道路交通安全性</p><p><b>　　1．主動安全系統(tǒng)</b></p><p>　　

14、主動安全性系統(tǒng)可避免交通事故，為汽車道路交通安全做出貢獻。汽車主動行駛安全系統(tǒng)有：</p><p>　　1)防抱死制動系統(tǒng)(ABS)。</p><p>　　2)驅動防滑轉控制系統(tǒng)(ASR)。</p><p>　　3)電子穩(wěn)定性程序(ESP)。</p><p>　　這些主動安全性系統(tǒng)可穩(wěn)定汽車在危險狀況下的行駛狀態(tài)，并保證汽車的操控性。<

15、/p><p><b>　　2．被動安全性系統(tǒng)</b></p><p>　　被動安全性系統(tǒng)指是汽車在交通事故中保護乘員免受傷害和減輕事故后果的系統(tǒng)。被動安全系統(tǒng)包括交通法規(guī)要求的安全帶和安全氣囊等。</p><p>　　1.1.2汽車ABS系統(tǒng)</p><p>　　防抱死制動系統(tǒng)(ABS)屬于汽車的主動安全系統(tǒng)。汽車防抱死制動

16、系統(tǒng)(Anti—lock Braking System)是指在傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)基礎上采用的電子控制技術，在制動時防止車輪抱死的一種機電一體化系統(tǒng)。</p><p>　　1.1.3汽車ABS系統(tǒng)的意義</p><p>　　汽車在行駛中遇到危急情況采取緊急制動，有相當多的交通事故是由于汽車在緊急制動時車輪抱死，從而導致各種非穩(wěn)定性因素(如側滑、跑偏、失去轉向能力)而研制的。當汽車在行駛過程中一遇

17、到緊急情況，駕駛員通常會猛踩制動踏板，施加全制動以期望取得最強的制動效能，但是對裝備常規(guī)的制動器的汽車來說，結果不但不能帶來最佳的制動效能，反而還會帶來以下危害：</p><p>　　1) 由于車輪抱死，車輛不能實現(xiàn)彎道轉彎，無法躲避障礙物或行人而造成的交通事故；</p><p>　　2) 在非對稱附著系數(shù)的路面上，車輪抱死將喪失直線行駛穩(wěn)定性，易出現(xiàn)側滑、甩尾急轉等危險現(xiàn)象；</p

18、><p>　　3) 車輪抱死時的附著力一般低于路面所能提供的最大附著力，車輪在完全抱死狀態(tài)的制動距離反而有所增加；</p><p>　　車輪抱死導致輪胎局部急劇摩擦，降低了輪胎的使用壽命。由此可見，常規(guī)制動的弊端很多，為提高制動安全性，在汽車上安裝ABS系統(tǒng)已成為汽車發(fā)展的必然趨勢。ABS系統(tǒng)的配置，既可有效避免緊急制動時車輪抱死(打滑)現(xiàn)象的發(fā)生，同時還可以保持車輛制動過程中的轉向操縱性，從

19、而大大增強了行車安全性。ABS系統(tǒng)通過輪速傳感器對相應車輪的轉速進行實時監(jiān)測，當某一車輪出現(xiàn)抱死傾向時系統(tǒng)立即響應，通過減小相應車輪的制動力來消除即將發(fā)生的抱死現(xiàn)象。</p><p>　　1.2汽車ABS系統(tǒng)的發(fā)展</p><p>　　1.2.1國外ABS系統(tǒng)的發(fā)展狀況</p><p>　　ABS最早出現(xiàn)在20世紀初的西方國家，開始應用于鐵路機車上，主要用來防止火車

20、制動時車輪抱死而產(chǎn)生局部摩擦。1908年J.E.Francis設計了第一套ABS系統(tǒng)，并安裝在鐵路機車上。1936年德國Robert Bosch公司將電磁傳感器用于測量車輪速度，當傳感器探測到車輪抱死時，在各條制動管路上的電動機動作控制閥口的大小，從而調節(jié)制動壓力。這一專利被認為是ABS形成中的里程碑，其原理一直沿用至今。1945年德國Frizt Oswtald公司開始開發(fā)用于飛機著陸制動系統(tǒng)，飛機體積和重量大，速度快，制動防抱死系統(tǒng)應

21、用在飛機上，不但提高了飛機在著陸時行駛方向的穩(wěn)定性，而且降低了輪胎的嚴重磨損。1957年美國Keles Hyaes公司對Automatic制動防抱死系統(tǒng)進行了試驗研究，研究結果表明：制動防抱死系統(tǒng)確實可以在制動過程中提高汽車的行駛穩(wěn)定性，并且能夠縮短汽車的制動距離。1968年美國Kels Hyaes公司又研制生產(chǎn)了Sure Track兩輪制動防抱死系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電子控制裝置根據(jù)電磁式輪速傳感器輸入的后輪轉速信號，對制動過程中后輪的運動狀

22、態(tài)進行判定，通過控制由真空驅動的制動壓力進行</p><p>　　1.2.2國內ABS系統(tǒng)的發(fā)展概況</p><p>　　我國對ABS的研究開始于20世紀80年代初，ABS的研究項目被列入“九五”科技攻關計劃。我國檢驗ABS產(chǎn)品的國家標準GBl3594.92《汽車防抱制動系統(tǒng)性能要求和試驗方法》等效采用了聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(ECE)的汽車制動法規(guī)R13。目前，國內研究ABS的院校及機構很

23、多，具代表性的有以下幾個。</p><p>　　以郭孔輝院士為代表的吉林大學汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室</p><p>　　郭孔輝院士是中國工程院首批院士，其實驗室致力于汽車操縱穩(wěn)定性、汽車操縱動力學、汽車輪胎模型、汽車輪胎穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)側偏特性的研究，在輪胎力學模型、汽車操縱穩(wěn)定性以及人一車閉環(huán)操縱運動仿真等方面的研究成果均達到世界先進水平。目前，該實驗室也已經(jīng)投入至WJABS開發(fā)的理論和

24、實驗研究，在汽車ABS混合仿真試驗臺的開發(fā)與研究中也頗有成就。該實驗室研究成果很多，其大部分成果對國內其他ABS研究機構、ABS開發(fā)廠家有很大的指導意義和借鑒性。</p><p>　　2．清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室</p><p>　　清華大學汽車安全與節(jié)能重點實驗室有宋健等多名博導、教授，有很強的科技實力，他們還配套有一批先進的儀器設備，如汽車力學參數(shù)綜合試驗臺、汽車彈射式碰撞

25、試驗臺及翻轉試驗臺、模擬人及標定試驗臺、電機及其控制系統(tǒng)試驗臺等。該實驗室針對ABS做了多方面研究，其中，在ABS控制量、輪速信號抗干擾處理、輪速信號異點剔除和防抱死電磁閥動作響應研究等方面的研究處于國內領先地位。很多開發(fā)商都希望能夠和該實驗室合作，將該實驗室的成果產(chǎn)品化。</p><p>　　3．華南理工交通學院汽車系</p><p>　　以吳浩硅教授為代表從事汽車安全與電子技術及汽車結

26、構設計計算的研究，在ABS技術方面有獨到之處，能夠建立制動壓力函數(shù)，通過車輪地面制動力和整車動力學方程計算出汽車制動的平均減速度和車速；還可以通過輪缸等效壓力函數(shù)計算防抱死制動時的滑移率。另外，在滑移率和附著系數(shù)之間的關系、汽車整車技術條件和試驗方法方面也有獨到見解。</p><p>　　4．濟南程軍電子科技公司</p><p>　　以ABS專家程軍為代表的濟南程軍電子科技公司對ABS控制

27、算法研究頗深，著有《汽車防抱死制動系統(tǒng)的理論與實踐》等專著幾本，專門講述ABS控制算法，是國內ABS開發(fā)人員的必備資料之一。另外，他們在基于MATLAB仿真環(huán)境實現(xiàn)防抱死控制邏輯、基于VB開發(fā)環(huán)境進行車輛操縱仿真和車輛動力學控制的模擬研究等方面也頗有研究。</p><p>　　1.2.3ABS防抱死系統(tǒng)的特點</p><p>　　ABS防抱死系統(tǒng)的特點主要有以下4個：</p>

28、<p><b>　　1)制動時的穩(wěn)定性</b></p><p>　　ABS可防止四個輪子制動時被完全抱死，從而提高了汽車在制動過程中的穩(wěn)定性。安裝ABS的汽車制動性得到顯著改善，交通事故也因此有所下降。美國國家高速公路交通安全委員會(NHTSA)根據(jù)交通事故統(tǒng)計分析表明：裝有ABS的汽車翻車事故減少30％～40％；在干燥的公路上，能減少大約24％的車禍；在濕地或雪地上，能減少大約

29、15％的事故；與行人和騎自行車者相撞的事故降低了。</p><p><b>　　2)能縮短制動距離</b></p><p>　　在緊急制動的狀態(tài)下，ABS能使車輪處于既滾動又拖動的狀況，拖動比例占20％左右，這時輪胎與地面的摩擦力最大，即最佳制動區(qū)域。普通制動系統(tǒng)無法達到這一點。經(jīng)研究證明，汽車制動時，車輪邊滾動邊滑動，當滑移率保持在10％～20％之間時(車輪抱死的滑

30、移率為100％)，便可獲得較大的附著系數(shù)，汽車有較好的制動性。ABS以此制動系統(tǒng)進行檢探，很容易就能實現(xiàn)這個要求。NHTSA曾進行過一項試驗，使用專業(yè)駕駛員來測試裝上ABS后對汽車性能和方向控制方面的影響，在除了砂礫路面以外的所有路面上，ABS的制動距離均短于或等于不裝ABS的汽車制動距離。</p><p>　　3)防止輪胎過度磨損</p><p>　　經(jīng)測定，汽車在緊急制動時車輪抱死所造

31、成的輪胎累加磨損費，已超過一套防抱死制動系統(tǒng)的造價。</p><p>　　4)使用方便，工作可靠</p><p>　　ABS系統(tǒng)的使用與普通制動系統(tǒng)的使用幾乎沒有什么不同，制動時只要把腳踏在制動板上進行正常的制動即可。遇到雨雪路滑，駕駛員再也沒有必要用一連串的點剎車方式進行制動，ABS會使制動保持在最佳點。而且裝有ABS的汽車在制動后仍然能受控行駛。系統(tǒng)工作十分可靠，并有自診斷能力。<

32、;/p><p>　　1.3ABS控制理論概論</p><p>　　ABS技術的一個核心問題就是控制算法的研究。由于ABS系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，因此探索一種有效的控制方法是ABS系統(tǒng)發(fā)展的關鍵。近年來，國內外學者對ABS的控制算法進行了很多理論研究，主要有以下幾種控制方法。</p><p><b>　　邏輯門限值控制</b></p><

33、;p>　　這種控制方式的特點是不需要建立具體系統(tǒng)的數(shù)學模型，并且對系統(tǒng)的非線性控制很有效，比較適合用于ABS的控制。當其用于ABS的控制時，可以預選一個角減速度門限值，當實測值達到此門限值時，控制器發(fā)出指令，減小制動力，使車輪轉速提高。再預選一個角加速度門限值，當實測值達到此門限值時，控制器發(fā)出指令，增加制動力，使車輪轉速降低。以車輪角速度作為單信號輸入，如上所述，同時在控制器中設置合理的角加速度、角減速度門限值，就可以實現(xiàn)防抱制

34、動循環(huán)。因此整個控制過程比較簡單，結構原理上比較容易實現(xiàn)。同時，如果控制參數(shù)選擇合理，則可以達到比較理想的控制效果，能夠滿足各種車輛的要求。但是邏輯門限值控制本身也存在一些不足。如它的控制邏輯比較復雜、波動較大，而且控制系統(tǒng)中的許多參數(shù)都是經(jīng)過反復試驗得出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，缺乏嚴謹?shù)睦碚撘罁?jù)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性品質無法評價等。</p><p><b>　　2．滑模變結構控制</b></p>

35、<p>　　由汽車防抱死制動的基本原理可知，其制動過程的本質問題是把車輪的滑移率控制在附著系數(shù)的峰值點，則滑動模變結構根據(jù)系統(tǒng)當時的狀態(tài)、偏差及其導數(shù)值在不同的控制區(qū)域，以理想開關的方式切換控制量的大小和符號，以保證系統(tǒng)在滑動區(qū)域很小的范圍內，狀態(tài)軌跡S沿滑動換節(jié)曲線滑向控制目標(，0）。通常取制動力矩為控制變量U，切換條件為: ，式中、分別代表由調節(jié)系統(tǒng)所決定的制動力矩減少、增加兩種不同的狀態(tài)；，>0為切換函數(shù)，為實

36、際滑移率相對目標點的偏差。</p><p><b>　　3．最優(yōu)控制</b></p><p>　　最優(yōu)控制方法是基于狀態(tài)空間法的現(xiàn)代控制理論方法。它可以根據(jù)車輛一地面系統(tǒng)的數(shù)學模型，采用狀態(tài)空間的概念，在時間域內研究汽車防抱死制動系統(tǒng)。最優(yōu)控制方法和門限值控制方法不同，它是一種基于模型分析的控制方法。其思路是根據(jù)防抱死制動系統(tǒng)的各項控制要求，按照最優(yōu)化的原理來求得制動

37、防抱死系統(tǒng)的最優(yōu)控制目標。這種控制方法的優(yōu)點是考慮了控制過程中狀態(tài)變化的歷程而使控制過程平穩(wěn)；缺點是控制效果的優(yōu)劣主要依賴于系統(tǒng)的數(shù)學模型，控制質量難以準確把握。</p><p><b>　　4．PID控制</b></p><p>　　PID控制方法的最大優(yōu)點是不需要了解被控制對象的數(shù)學模型，只需要根據(jù)經(jīng)驗進行調節(jié)器參數(shù)的整定，這個特點正好滿足了ABS控制系統(tǒng)建模比較

38、困難的特點。顯然，對于單一路面(期望滑移率固定)的路面來說，PID控制的特點決了它的實用性很強，但是我們很難確定一種準確的輪胎模型來實時確定不同制</p><p>　　動工況下的期望滑移率，所以在實際產(chǎn)品中并不適用。目前，許多研究者把研究的重點放在建立準確的輪胎模型或者通過其他的方式來辨別路況的方法上，以期望和PID控制方法聯(lián)合起來應用于ABS，并且己經(jīng)取得了部分研究成果，但還不能進入實用階段。</p>

39、;<p><b>　　5．模糊控制</b></p><p>　　模糊控制是基于經(jīng)驗規(guī)則的控制，具有不依賴對象的數(shù)學模型，便于利用人的經(jīng)驗知識，具有魯棒性強和簡單實用等優(yōu)點?？刂埔?guī)則符合人的思維規(guī)律。缺點是沒有有效通用的計算方法，只能依靠設計者的經(jīng)驗和反復調試。</p><p><b>　　1.4結論</b></p>&

40、lt;p>　　汽車防抱死制動系統(tǒng)是一個綜合的過程， 是汽車的一個重要性能指標。成熟的ABS產(chǎn)品幾乎都采用邏輯門限的控制方式, 利用車輪加減角速度門限值及參考滑移率的組合，構成控制邏輯, 把滑移率調整在峰值附著系數(shù)附近波動。通過對邏輯門限值控制策略的研究，進一步揭示了ABS 控制的過程, 并對以后的控制參數(shù)優(yōu)化提供一定的理論參考。</p><p>　　第二章 汽車制動的基本原理</p>&

41、lt;p>　　汽車制動性能是汽車的主要性能之一，是指汽車行駛時能在短距離內停車且維持行駛方向的穩(wěn)定性和在下長坡時能維持一定車速的能力。汽車制動性能直接關系到汽車的行駛安全性，其不僅取決于汽車制動系統(tǒng)的性能，還取決于與汽車的行駛性能、輪胎的機械特性、道路的附著條件以及與制動操作有關的人體工程特性密切相關。汽車制動時，受到由地面提供的與汽車行駛方向相反的外力稱之為地面制動力。地面制動力越大，制動減速度愈大，制動距離也愈短。</p

42、><p>　　2.1車輪制動時受力分析</p><p>　　下面我們分析制動時車輪受力情況(如圖2.1所示)</p><p>　　圖2.1 車輪在制動時的受力圖</p><p>　　圖中：W一汽車作用在車輪上的重力，N；</p><p>　　一汽車作用在車輪軸上的慣性推力，N；</p><p>

43、;<b>　　r一車輪半徑，m；</b></p><p>　　一地面對車輪的法向支持力,N；</p><p>　　一地面制動摩擦力，N；</p><p>　　一制動器制動力矩，N·m。</p><p>　　對車輪中心，由力矩平衡方程得：。</p><p>　　地面制動力取決于兩方面的因素

44、：一個是制動器內制動摩擦片與制動鼓或制動盤問的摩擦力；一個是輪胎與地面間的摩擦力一一附著力。在輪胎周緣克服制動器摩擦力矩所需的力稱為制動器制動力。制動器制動力由制動器結構參數(shù)所決定，如制動器的型式、結構尺寸、制動器摩擦副的摩擦系數(shù)以及車輪半徑，并與制動踏板力，即制動系的液壓或空氣壓力成正比。</p><p>　　為了研究的方便, 建立了單輪制動系統(tǒng), 其制動過程見圖2.1。</p><p>

45、;　　2.2地面制動力、制動器制動力與附著力的關系</p><p>　　在汽車制動過程中，若只考慮車輪的運動為滾動與抱死拖滑的兩種狀況：</p><p>　　當制動器踏板力較小時，制動器摩擦力矩不大，地面與輪胎之間的摩擦力即地面制動力，足以克服制動器摩擦力矩而使車輪滾動。顯然，車輪滾動時的地面制動力就等于制動器制動力，且隨著踏板力的增長成正比增長(如圖2．2的O—A段)。此時制動器制動力等

46、于。</p><p>　　隨著制動器踏板力的不斷增加，地面制動力隨著制動器制動力的增加而增加，但是地面的制動力受到地面與車輪之間的附著系數(shù)限制，即，式中：一地面提供最大附著力，N；一輪胎與地面間附著系數(shù)。當制動器踏板力或制動器壓力增加到某一值(如圖2．2A點)，地面制動力達到最大地面附著力，車輪抱死不轉，而出現(xiàn)拖滑現(xiàn)象。</p><p>　　圖2.2 制動過程中地面制動力、制動器制動

47、力及地面附著力的關系</p><p>　　3)繼續(xù)增加制動器踏板力，制動器制動力繼續(xù)增加，若車輪上的法向載荷為常數(shù)，則地面制動力不再增加(如圖2.2的A-B段)，此時車輪完全抱死拖滑。地面制動力、制動器制動力變化如圖2.2所示。由此可見，汽車的地面制動力首先取決于制動器制動力，但同時又受地面附著條件的限制，所以只有汽車具有足夠的制動器制動力，同時又能提供高的附著力時，才能獲得足夠的地面制動力，才能保障較高的制動效

48、能。</p><p>　　2.3汽車制動時滑移率與附著系數(shù)的關系</p><p>　　汽車制動時是利用地面與輪胎之間的摩擦力來減速的。制動時車輪速度減小，這樣就在車速與輪速之間產(chǎn)生一個速度差(如圖2.3所示)。</p><p>　　圖2.3 制動時車速與輪速</p><p>　　車速與輪速之間存在著速度差的現(xiàn)象稱為滑移現(xiàn)象。經(jīng)常用滑移率

49、來衡量制動時車輪的滑移程度，是指車輪的滑移速度(車輪的實際速度與周向速度之差)與實際速度之比。即：滑移率</p><p>　　由上式可以看出，當車速等于輪速時滑移率為零，此時車輪在道路上作純滾動。汽車制動時，兩者速度差別越大，滑移率越大，輪速為零，滑移率達到100％，此時車輪完全抱死，汽車在道路上100％拖滑。當0<<100％時，汽車邊滾邊滑，這說明滑移率是車輪運動中滑移成分所占的比例：滑移率越大，滑

50、動成分越多。</p><p>　　縱向附著系數(shù)、側向附著系數(shù)，和滑移率存在著密切的關系，通常具有如圖2.4所示的關系。從圖中可以看出，在非制動條件下(=O)，縱向附著系數(shù)=0，在制動開始后，縱向附著系數(shù)隨著滑移率的提高快速增長，滑移率到達某一數(shù)值時縱向附著系數(shù)最大，之后隨著滑移率的增大縱向附著系數(shù)反而減小，縱向附著系數(shù)最大時的滑移率為，此時的縱向附著系數(shù)稱為峰值附著系數(shù)。當=0時，側向附著系數(shù)最大，之后隨著的增大

51、而減少，當車輪完全抱死，即=100％時，側向附著系數(shù)很小，汽車的方向穩(wěn)定性和轉彎能力將幾乎完全消失，此時車輛最為危險。</p><p>　　圖2.4 制動時附著系數(shù)與滑移率的關系</p><p>　　2.4汽車制動車輪抱死時的運動狀況分析</p><p>　　沒有ABS的汽車或ABS不起作用的汽車在制動過程中，有時會出現(xiàn)跑偏、后軸側滑或前輪失去轉向能力而使汽車

52、控制離開原來的行駛方向，此時極易發(fā)生危險。制動時汽車自動向左或向右偏稱為“制動跑偏”。側滑是指制動時汽車的某一軸或兩軸同時發(fā)生橫向移動，最危險的情況是在高速制動時發(fā)生的后軸側滑，此時汽車常發(fā)生不規(guī)則的急劇回轉運動而失去控制，嚴重時可使汽車調頭。</p><p>　　圖2.5 汽車制動跑偏時的受力</p><p>　　如圖2.5所示為轉向車輪制動力不相等而引起的跑偏分析，由于轉向系各處

53、的間隙及零部件的彈性變形，轉向輪仍產(chǎn)生一向左轉動的角度而使汽車有輕微的轉彎行駛一跑偏，同時由于主銷有后傾，使轉向車輪產(chǎn)生一同方向的偏轉力矩，這樣也增大了向左轉動的角度，加劇了制動時跑偏。</p><p>　　a)前軸側滑 b)后軸側滑</p><p>　　圖2.6 汽車側滑時的運動</p>

54、<p>　　圖2.6a是前輪抱死而后輪滾動，此時汽車處于一種穩(wěn)定狀態(tài)，但因此時側向力系數(shù)為零，不能產(chǎn)生任何地面?zhèn)认蚍醋饔昧?，汽車無法按原彎道行駛而沿切線方向駛出(如圖2.7a所示)，汽車失去轉向能力。圖2.6b是后軸制動抱死而前輪滾動，由圖可知此時由于離心力和前輪轉向力的作用而加劇了汽車側滑。因此后軸側滑是一種不穩(wěn)定的、危險的工況(如圖2.7b所示)。從以上的分析可知，從保證汽車方向穩(wěn)定性的角度出發(fā)，首先不能出現(xiàn)只有后軸車輪抱

55、死或后軸車輪比前軸車輪先抱死的情況，以防止危險的后軸側滑。其次，盡量少出現(xiàn)只有前軸車輪抱死或前后車輪都抱死的情況，以維持汽車的轉向能力。最理想的情況是防止任何車輪抱死，前后輪都處于滾動狀態(tài)，這樣可確定制動時方向穩(wěn)定性。此時，制動防抱死系統(tǒng)(ABS)就顯示其重要性了，它可以防止制動時車輪抱死，提高汽車制動時方向穩(wěn)定性。</p><p>　　a)前輪抱死時的運動情況 b)后輪抱死時的運動

56、情況</p><p>　　圖2.7 抱死時的運動情況</p><p>　　第三章 汽車ABS邏輯門限值法原理與關鍵技術</p><p><b>　　3.1邏輯門限值法</b></p><p>　　邏輯門限值法的基本原理是根據(jù)設定的車輪角加速度或者參考滑移率門限值，調節(jié)輪缸制動力的大小，從而實現(xiàn)對車輪速度的調節(jié)

57、。邏輯門限值法根據(jù)對所選控制參數(shù)的側重程度，又分為單一門限值控制方法和車輪角加速度輔助參考滑移率的控制方法。</p><p>　　3.2單一門限值的控制方法</p><p>　　單一門限的控制方法通常單獨以車輪角加速度或者參考滑移率為控制參數(shù)。單獨以車輪角加速度值為門限有很大的局限性，由于輪齒加工誤差、電磁干擾以及路面平整度較差等原因使得車輪角加速度噪聲信號較大，較容易觸發(fā)門限值，造成防抱

58、死的誤動作。對于非驅動輪，也可能產(chǎn)生過早抱死而使防抱死控制邏輯失效。但如果單獨以參考滑移率作為控制門限，對于不同附著系數(shù)的路面，很難做出準確的辨識。因此，實際應用過程中需要將車輪角加速度和參考滑移率兩個門限結合起來，以識別不同路況進行自適應控制。</p><p>　　3.3邏輯門限值法原理</p><p>　　圖3.1 典型ABS控制過程示意圖</p><p>

59、;　　一個典型的ABS邏輯門限值控制循環(huán)如圖3.1所示，圖中為實際車速，為參考車速，為車輪輪速，為制動壓力。開始制動時, 制動輪缸中的壓力不斷上升, 車輪角速度開始下降, 而車輪的角減速度也不斷加大. 在第一階段結束時, 車輪減速度達到- a門限值。為了避免車輪的滑移率處在穩(wěn)定區(qū)的滑移率范圍內進入壓力減小階段, 導致制動距離過長, 需同時對車輪的參考滑移率與滑移率下門限值進行比較。如果車輪的參考滑移率小于滑移率控制下門限值, 說明車輪的

60、滑移率偏小, 于是進入第二階段保壓階段, 使車輪充分的進行制動。直到車輪的參考滑移率大于控制下門限值, 說明車輪進入不穩(wěn)定區(qū)域, 第二階段保壓結束。進入第三階段降壓階段, 由于車輪制動壓力的減小, 車輪在慣性力的作用下開始加速。當車輪的角減速度高于控制值- a 時, 開始第四階段保壓階段, 此時車輪由于慣性力作用繼續(xù)加速, 直到車輪加速度達到較高門限值+ a。為了適應可能出現(xiàn)的附著系數(shù)突然增大的情況, 又設定了第二角加速度控制門限值+。

61、在設定的壓力保持階段, 如果因為附著系數(shù)突然增大而使車輪的角加速度超過控制門限值+, 于是進入第五階段開始升壓, 直到車輪加速</p><p>　　第四章 控制邏輯設計與仿真實驗</p><p><b>　　4.1控制邏輯</b></p><p>　　采用“門限值”控制法，門限值的選取會直接影響到制動效果.?？晒┻x擇的門限值參數(shù)有兩個，即

62、滑移率S 和車輪的制動加速度（角加速度）。只用滑移率S 作為比較量的ABS 是一個變調節(jié)系統(tǒng)，處理難度較大，不適宜實際應用;僅利用車輪加速度作為門限值控制又不能實現(xiàn)最佳制動控制，因此采用以車輪制動加速度門限值為主、以制動液壓為輔進行修正實施控制的方法。</p><p>　　根據(jù)實際測得的制動加速度值(有正、負) 用于構成雙門限邏輯控制,經(jīng)組合可得到控制器對制動過程中的邊界判定條件，即P ，R 條件(P 邊界條件:

63、當滿足這些條件時，車輪就有抱死的傾向，此時應當降低制動輪缸壓力,使車輪增速；R 邊界條件:當這些條件滿足時可避免車輪抱死的傾向,輪缸壓力可再次升高) ，從P 和R 中挑選不同條件可以組成各種不同的控制邏輯，因此采用控制邏輯. 基本控制邏輯3個狀態(tài)的流程如圖4.1所示, 為車輪制動加速度,，為車輪制動加速度門限值的下限, 為車輪制動加速度門限值上限。這樣，既可以針對不同附著系數(shù)的路面設置不同的門限值，也可保證ABS 系統(tǒng)始終處于控制的穩(wěn)定

64、狀態(tài).。實際控制過程需要根據(jù)車身平動加速度和制動管路油壓的狀態(tài)對門限值進行適當修正，修正的方法采用直接加、減一個預置的偏差，制動加速度門限值下限偏差為δ0，上限偏差為δ1 。</p><p>　　(a)過程1控制邏輯 （b）過程2控制邏輯 （c）過程3控制邏輯</p><p>　　圖4.1 P1R3基本控制邏輯流程圖</p>&l

65、t;p><b>　　4.2仿真分析</b></p><p>　　利用matlab/simulink仿真技術，建立基于單輪邏輯門限值控制算法的ABS仿真程序，其制動過程見圖2.1。根據(jù)邏輯門限值控制方法建模：</p><p>　　圖4.2 汽車ABS邏輯門限值法控制仿真總圖</p><p>　　圖4.3 汽車ABS邏輯門限值法控

66、制邏輯總圖</p><p>　　4.2.1高附著路面仿真</p><p>　　根據(jù)國家標準GB／T13594—2003中的E.6.1.3.2.1規(guī)定：當車輛從高附著路面駛向低附著路面時，急促全力制動，直接控制車輪不應該出現(xiàn)抱死現(xiàn)象，ABS能在低附著路面上全循環(huán)，并保證車輛以較高速度從高附著路面駛向低附著路面。</p><p>　　仿真參數(shù)如下：四分之一車體質量為40

67、0kg,制動初速度為30m/s,最佳滑移率設為0.2，附著系數(shù)為0.85，采樣時間為0.04s，仿真時長20s。</p><p>　　汽車開始制動時,駕駛員踩下制動踏板,對制動管路中油壓進行控制,制動器使車輪產(chǎn)生制動力矩,同時產(chǎn)生地面制動力。車輛進入制動狀態(tài)后首先對滑移率進行判斷, 如果滑移率小于0.1,應進入增壓狀態(tài);如滑移率大于0.1,接著檢查是否大于0.999,如大于0.9將進入減壓狀態(tài);如果滑移率在0.1

68、 至0.999之間,接下來由車輪的加減速度作為決定油壓增減的依據(jù)。邏輯門限值控制算法預選一個角減速度門限值,當實測的角減速度超過此門限值時,開始減壓,使車輪得以加速旋轉;再預選一個角加速度門限值,當車輪的角加速度達到此門限值時, 開始增壓,車輪作減速運動,繼續(xù)制動。邏輯門限值算法就是通過這樣的循環(huán)控制過程使車輪的速度控制在一定的范圍內而不產(chǎn)生抱死。</p><p>　　圖4.4 汽車ABS邏輯門限值法控制高

69、附著邏輯圖</p><p>　　圖4.5 高附著路面輪速與車速仿真圖</p><p>　　圖4.6 高附著路面制動控制圖</p><p>　　圖4.7 高附著路面滑移率變化圖</p><p>　　從圖中可以看出，制動初期前輪經(jīng)過較長時間的增壓狀態(tài)，從開始制動到車速為零時的制動時間為3.7s，制動距離為60m,車輪首次抱死時間

70、為3.9s，抱死時車速為：0，達到最佳滑移率的時間為：0.5s。</p><p>　　無ABS制動控制的情況下：</p><p>　　圖4.8 高附著路面輪速與車速仿真圖</p><p>　　圖4.9 高附著路面制動控制圖</p><p>　　圖4.10 高附著路面滑移率變化圖</p><p>　　4

71、.2.2低附著路面仿真</p><p>　　根據(jù)國家標準GB／T13594-2003中的E.6.1.3.2.2規(guī)定：當車輛從低附著系數(shù)路面駛向高附著系數(shù)路面時，急促全力制動，防抱死制動系統(tǒng)能在低附著系數(shù)路面上形成全循環(huán)，保證車輛以較高的速度從低附著系數(shù)路面駛向高附著系數(shù)路面。車輛的減速度在合適的時間內有明顯的增加，同時車輛不應該偏離原來的行駛路線。</p><p>　　仿真參數(shù)如下：四分之

72、一車體質量為400kg,制動初速度為30m/s,最佳滑移率設為0.2，附著系數(shù)為0.4，采樣時間為0.04s，仿真時長20s。</p><p>　　汽車開始制動時,駕駛員踩下制動踏板,對制動管路中油壓進行控制,制動器使車輪產(chǎn)生制動力矩,同時產(chǎn)生地面制動力。車輛進入制動狀態(tài)后首先對滑移率進行判斷, 如果滑移率小于0.1,應進入增壓狀態(tài);如滑移率大于0.1,接著檢查是否大于0.999,如大于0.999將進入減壓狀態(tài);

73、如果滑移率在0.1至0.999之間,接下來由車輪的加減速度作為決定油壓增減的依據(jù)。邏輯門限值控制算法預選一個角減速度門限值,當實測的角減速度超過此門限值時,開始減壓,使車輪得以加速旋轉;再預選一個角加速度門限值,當車輪的角加速度達到此門限值時, 開始增壓,車輪作減速運動,繼續(xù)制動。邏輯門限值算法就是通過這樣的循環(huán)控制過程使車輪的速度控制在一定的范圍內而不產(chǎn)生抱死。</p><p>　　圖4.11 汽車ABS

74、邏輯門限值法控制低附著邏輯圖</p><p>　　圖4.12 低附著路面輪速與車速仿真圖</p><p>　　圖4.13 低附著路面制動控制圖</p><p>　　圖4.14 低附著路面滑移率變化圖</p><p>　　從圖中可以看出，制動初期前輪經(jīng)過較長時間的增壓狀態(tài)，從開始制動到車速為零時的制動時間為7.4s，制動距離為

75、117m,車輪首次抱死時間為7.6s，抱死時車速為：0，達到最佳滑移率的時間為：0.2s。</p><p>　　無ABS制動控制的情況下：</p><p>　　圖4.15 低附著路面輪速與車速仿真圖</p><p>　　圖4.16 低附著路面制動控制圖</p><p>　　圖4.17 低附著路面滑移率變化圖</p>

76、;<p><b>　　結束語</b></p><p>　　本文對ABS的工作原理、基本結構作了詳細的闡述，并利用人工圖形建模的方法，建立了車輛系統(tǒng)仿真模型。邏輯門限值控制方法是比較成熟的控制方式，本文介紹的以滑移率門限控制為主,以加速度門限控制為輔的控制策略，將其用于ABS的控制，可以使整個控制過程比較簡單，結構原理上比較容易實現(xiàn)。同時，如果控制參數(shù)選擇合理，則可以達到比較理想

77、的控制效果，能夠滿足各種車輛的要求。但邏輯門限值控制本身也存在一些不足，它的控制邏輯比較復雜、波動較大，而且控制系統(tǒng)中的許多參數(shù)都是經(jīng)過反復試驗得出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，缺乏嚴謹?shù)睦碚撘罁?jù)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性品質無法評價等。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文的研究工作是在王金湘老師的支持和指導下完成的，王老師淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度以及勤奮踏實

78、的工作作風給我留下了深刻的印象，并使我一生受用。在課題研究和論文撰寫過程中，王老師以他獨特的思維方式、豐富的理論與實踐經(jīng)驗，幫助我解決了一個又一個難題。在生活中，王老師也給予了熱心的關懷和幫助，使我在提高科研能力的同時，也領悟到了研究學問的態(tài)度和方法以及為人處事的寬容與大度。在此，向王老師致以崇高的敬意和誠摯的謝意。</p><p>　　感謝我的父母，是他們給我在學校提供了無窮的精神鼓勵和物質支持，我才能在三江大

79、學順利完成學業(yè)。</p><p>　　感謝論文中所有參考文獻的作者，是他們的研究成果給了我在科研工作中的啟發(fā)，使我在能在更高的起點上開展研究工作。</p><p>　　衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 李勁松 周孔亢, 車輛ABS

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