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东北大学硕士学位论文摘要 a b s 模拟仿真与模糊控制设计 摘要 随着汽车工业的不断发展，高速公路网络的延伸和汽车速度的提高，研究高 性能制动系统是减少事故和促进汽车工业发展的重要措旌。从2 0 世纪8 0 年代以 来，抱死制动系统( a b s ) 被广泛研究和应用。为提高a b s 性能，本文对传感器 技术、控制方法、单片机技术和m a t l a b 软件的应用等做了深入的研究，从而为 a b s 的设计改进和升级换代开辟了有利的途径，本文主要研究内容如下： ( 1 ) a b s 控制算法的研究和m a t l a b 的应用 由于汽车本身参数及行驶工况的复杂特性，采用基于模型的现代控制理论方 法所得效果并不理想，而基于经验式的常规控制方法要依据大量的道路试验确定 一些经验控制算法及参数，如p i d 。目前硬件水平发展很快，最优控制、自适用 控制、非线性控制等较为复杂的算法也得到应用。a b s 及车辆系统建模难度 大，具有高度非线性和不确定的时变性，需要将知识和经验引入以形成智能控 制，如模糊控制、神经网络控制。 采用何种控制技术不仅依赖于计算机硬件技术的发展，还有依赖于软件技 术。由于控制及其算法的复杂性，寻求更强有力的开发环境及编程工具变得愈加 重要。近年来控制系统的计算机辅助设计系统( c a c s d ) 发展迅速，其中 m a a b s i m u l i n k 的出现为汽车a b s 的设计和模拟注入生命力。将模糊控制 理论引入汽车防抱死制动系统，利用m a t l a b 模糊逻辑工具箱，针对简化的模 型，设计模糊控制器。通过计算机数字试验仿真结果表明该控制器能取得较好的 效果。 ( 2 ) a b s 用单片机开发研究和算法仿真软件 目前广泛采用的是电控防抱死系统，其核心是单片机控制器。随着功能技术 和应用水平的提高，单片机应用研究在a b s 领域将进一步深入。本文研究了 a b s 用单片机的开发思路和设计方法，利用单片机控制器各种外部端口的资 源，内部的存储器，中断等，充分发挥他的运算速度。提出了a b s 数据采集与 算法仿真专用软件的框架，突出对高速数据的采集、轮速计算与滤波、参考车速 和滑移率计算、轮加速度计算和防抱死制动控制逻辑分析等功能的重要性，以便 为a b s 的测试分析、研究开发提供方便有效的工具。 一 查! ! 垄堂堡主堂垡堕妻塑墨 ( 3 ) 模糊控制器的设计 模糊控制属于智能控制，是一种模拟人类智能的形式，它是在被控对象的模 糊模型的基础上，运用模糊控制器近似推理等手段，实现系统控制的一种方法。 本文根据防抱死制动系统的工作原理，模糊控制的性能特点，车辆系统模型 及车轮轮胎模型，利用轮速传感器，对轮速进行滤波、放大、整形等实现了车轮 速度的采集。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 量完成了模糊控制的模糊化、模糊推理、模糊判决。在模糊推理中，在通用的模 糊推理算法的基础上概括为一个解析式，考虑不同的误差等级下采用不同的修正 因子来调整，以实现对模糊控制规则的自调整，形成了控制规则状态表。在硬件 设计方面，根据系统选择了1 6 位单片机，设计出信号输入回路、输出驱动回 路、电源部分。 关键词：汽车防抱死制动系统模糊控制单片机轮速传感器采集模拟 东北大学硕士学文 a b s t r a c t a bssi m u l a t i o na n d f u z z y c o n t r o ld e s i g n a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h es t r e t c ho fe x p r e s s w a yn e ta n d r a i s eo fv e h i c l es p e e d ，h i g h - c a p a b i l i t yb r a k es y s t e m sh a v eb e e nr e s e a r c h e dt or u d n c e t r a f f i ca c c i d e n t sa n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y f r o mt h e e i g h t i e so fl a s tc e n t u r y ，a b sh a sb e e ni m p r o v e dg r a d u a l l ya n da p p l i e dw i d es p r e a d i n t h i sp a p e gw e i n v e s t i g a t et h es e n s o rt e c h n i q u e ，c o n t r o lm e t h o d ，s i n g l e c h i pd e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no fm a t l a b t h i si d e ae s t a b l i s h e sau s e f u lw a y sf o rr e s e a r c h ，d e s i g n e n v i r o n m e n ta n du p d a t i n go f t h ea b s i ti n c l u d e s 船f o l l o w s ： ( 1 ) r e s e a r c ho f a b sc o n t r o la l g o r i t h ma n da p p l i c a t i o no f m a t l a b d u et ot h ec o m p l e x i t yo fa u t o m o t i v ei n t r i n s i cp a r a m e t e r sa n dw o r k i n gs t a t u s e s ， a d o p t i o no fm o d e l b a s e dc y b e r n e t i cm e t h o dc a l l tr e c e i v ep e r f e c tr e s u l t e x p e r i e n c e r o u t i n ec o n t r o lm e t h o dd e p e n d so ns u b s t a n t i v ev i a t i ct e s tt om a k ec e r t a i no f a l g o r i t h m s a n dp a r a m e t e r s ，s u c ha sp i d h a r d w a r el e v e li s d e v e l o p i n gs oq u i c k l yt h a to p t i m a l c o n t r o l ，n o n l i n e a rc o n t r o la n ds e l f - a d a p t a b l ec o n t r o le t cg a i nt h e i ra p p l i c a t i o n s t h e m o d e l i n go fa b sa n da u t o m o t i v es y s t e mi n c l u d e sh i g hd i f f i c u l t y , n o n l i n e a r i t ya n d t i m e v a r i e t y , s ok n o w l e d g ea n de x p e r i e n c en e e dt ob ei n t r o d u c e dt of o r mi n t e l l i g e n t c o n t r o l ，s u c ha sf u z z yc o n t r o la n dn e r v e - n e tc o n t r 0 1 a d o p t i o no fac e r t a i nc o n t r o lm e t h o dd e p e n d so nn o to n l yt h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rh a r d w a r et e c h n i q u e ，b u ta l s os o f t w a r et e c h n i q u e d u et ot h ec o m p l e x i t yo f c o n t r o la n di t sa l g o r i t h m ，i ti sb e c o m i n gm o r ei m p o r t a n tt os e e kp o w e r f u ld e v e l o p i n g e n v i r o n m e n ta n dp r o g r a m m i n gt 0 0 1 a m o n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e r - a i d e d c o n t r o ls y s t e md e s i g n ( c a c s d ) ，m a t l a b s i m u l i n ki n j e c t sv i t a l i t yt oa b s d e s i g n a n ds i m u l a t i o n f u z z yc o n t r o lt h e o r yi si n t r o d u c e dt oa n t i l o c kb r a k i n gs y s t e mi n o r d e rt om a k ef u l lu s eo f f u z z yl o 西ct o o l b o xo f m a t l a b ac o m m o n f u z z yc o n t r o l l e r i sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h es i m p l i f i e da u t o m o b i l em o d e la n di tc a ng e tg o o de f f e c ta s t h er e s u l to f c o m p u t e rd i g i t a ls i m u l a t i o nt e s ts h o w s ( 2 ) d e v e l o pa b s u s e ds i n g l e c h i pa n dc a l c u l a t i v es i m u l a t i o ns o f t w a r e a m o n gt h ew i d e l y - a d a o p t e de l e c t r o - c o n t r o l l e da b s ，s i n g l e c h i pc o n t r o l l e ri si t s 一 东北大学硕士学文 a b s t r a c t k e r n e l w i t ht h e t e c h n i q u e a d v a n c e m e n ta n d a p p l i c a t i o n ，1 6 b i ts i n g l e c h i p s e x p l o i t a t i o na n dr e s e a r c hi na b sf i e l dw i l ld e e p e n i ti si m p o r t a n tf o ra b st om a k e a d e q u a t eu s eo ft h e i re x t e r n a lp o r t s ，i n t e r n a lm e m o r i z e r s ，i n t e r r u p t sa n do p e r a t i n g s p e e d al o to fr e s e a r c hi s c a r r i e do u ti no r d e rt os e e kao p t i m a ls o l u t i o nf o r a b s - u s e ds i n g l e c h i p as c h e m ei sp u tf o r w a r dt od e v e l o pas p e c i a ls o f t w a r eo ft h e d a t ap i c k i n gu pa n dc a l c u l a t i v es i m u l a t i o n t h es o f t w a r eg i v e sp r o m i n e n c et oq u i c k d a t ap i c k i n gu pa n dw h e e ls p e e dc a l c u l a t i o n sa n df i l t e r , t h ec a l c u l a t i o n so fr e f e r e n c e s p e e da n ds l i pp o r t i o n ，t h ec a l c u l a t i o n so fw h e e la c c e l e r a t i o na n dl o g i ca n a l y s i so f a n t i l o c kb r a k i n gc o n t r o l ，w h i c ha r ec o n v e n i e n tf o r t h et e s t , r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o f a b s ( 3 ) f u z z yc o n t r o ld e s i g n f u z z yc o n t r o li sak i n do f i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，af o r mo f h u m a ni n t e l i g e n tc o n t r 0 1 i t u s e sf u z z = ) ，c o n r o l l e rt or e a l i z es y s t e mc o n t r o lb a s e do nf u z z ym o d e lo fo b j e c t c o n t r o l l e d f u z z ym o d e l ，u s i n gf u z z yl o g i c a ll a n g u a g ea n dp o l i c y , d e s c r i b e sp r o p e r t i e s o f as y s t e m t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ew o r k i n gt h e o r yo fa n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ，t h e p r o p e r t i e so ff u z z yc o n t r o l ，t h em o d e l l i n g f o rv e h i c l es y s t e ma n dv h i c l et y r e b yu s i n g o fw h e e ls p e e ds e n s o r , t h eg a t h e ro fw h e e ls p e e di sp r a c t i c e db yf i l t e r , a m p l i e r , m o d i f y i n go fw h e e ls p e e d b a s e do nt h ew h e e ls l i pr a t i oo f a b s g i v e nv e h i c l es p e e d a n dw h e e ls p e e d ，t h ew h e e ls l i pr a t i oi sc o m p u t e dt h ee r r o ra n de r r o rc h a n g er a t i oo f s l i pr a t i oi so b t a i n e db yg i v e nr e f e r i n gs l i pr a t i o ，w h i c hi st h ei n p u to ff u z z yc o n t r o l w h i c hc o m p r i s e so fi n p u tf i l z 珥f u z z yr e a s o n i n gf u z z yp o l i c yo u t p u ti n v e r s ef u z z yi n f u z z yr e a s o n i n g ，af o r m u l a t i o ni so b t a i n e db a s e do ng e n e r a lf u z z yr e a s o n i n g ，b y d i f f e r e n ta d a p t i v ef a c t o rt om o d i f yt a k i n gc a r eo fd i f f e r e n te r r o r af u z z yr u l et a bi s f o r m e d i nh a r d w a r ed e s i g n , c h o i c i n g1 6b i ts i n g l e - c h i pc o m p u t e r , d e s i g n i n gs i n g a l i n p u tc i r c u i t , o u t p u td r i v i n gc i r c u i t ，p o w e rs o u r c ec i r c u i t k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ea b s ，f u z z yc o n t r o l ，s i n g l e c h i p ，w h e e ls p e e d s e n s o r g a t h e r i n gs i m u l a t i o n v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名藏多复分 日期：一- 沙。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同 意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名懈 签字日期：3t 厂、l 、，v c 多，”7 查! ! 查堂；! 主兰堡垒圭。笙二兰j ! ! 生 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1a b s 防抱死系统的发展历程和技术现状 1 1 1a b s 技术概况 汽车防抱死制动系统( a n t i - - l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 是在传统的制动系统基础 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。1 2 0 在制 动过程中它能实时测定车轮的滑移率，自动调节作用在车轮上的制动力矩，防止 车轮抱死并取得最佳制动效能。汽车在行驶中遇到危机情况而采取紧急制动，有 相当多的交通事故是犹豫汽车在紧急制动是车轮抱死，从而导致各种非稳定因素 ( 诸如侧滑、跑偏、失去转向操纵能力) 而研制的。 当汽车在行驶中遇到紧急情况，驾驶员通常会猛踩踏板施加全制动以期望获 得最强的制动效果，但对装备常规制动器的汽车，它的四个车轮很快会处于“抱 死”状态，即车轮不在滚动而是在路面上拖滑，结果不但不能带来期望的制动效 果，反而还会带来以下负效应： ( 1 ) 如果前车轮被抱死，车辆丧失转向能力，不能实现转弯转向，躲避障碍 物者行人；如果后车轮抱死，车辆丧失稳定性，产生侧滑。 ( 2 ) 在非对称附着系数的路面，车轮抱死将丧失直线行驶的稳定性，容易出 现侧滑、甩尾及急转等危险现象。 ( 3 ) 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，车轮在全抱 死状态的制动距离反而有所增加。 ( 4 ) 车轮被抱死导致轮胎局部急剧摩擦，降低了轮胎的使用寿命。 车轮抱死的常规制动方式，弊端很多，根据美国交通部门权威统计，在1 9 9 9 年道路交通事故种约1 5 是因为车辆在制动瞬间偏离预定轨道或者甩尾而造成 的。为了提高制动安全性，在现代汽车上装备a b s 以成为必然趋势。防抱死制动 系统能把车轮的滑移率控制在一定的范围以内，可充分利用轮胎与路面之间的附 着力，有效地缩短制动距离，显著地提高车辆制动时的可操纵性和稳定性，避免 车轮抱死时出现的各种交通事故，使制动器的效能发挥到最佳状态。故此a b s 技 术是目前世界普遍公认的提高汽车安全性的有效措施。 1 一 东北大学硕士学位论文 1 1 2a b s 技术的发展历史 第一章绪论 防抱死制动装置最早用于2 0 世纪初期的火车上，防止列车制动时刚轮抱死造 成局部摩擦，因热量集中使车轮和钢轨早期失效损坏。”后来a b s 装置于喷气 式飞机上，防止飞机着陆制动时偏离轨道，并缩短制动距离。约在第二次世界大 战前后，已经研制出了用于汽车的纯机械式防抱死制动装置。 在上个世纪3 0 年代美国、德国、法国也有人申请有关防抱死装置的专利。 德国b o s c h 公司在1 9 3 6 年将电磁传感器用于测量车轮速度，当传感器探测车轮 抱死时，在每条制动管路上的电动机启动以控制阀口的大小，从而调节制动压 力。b o s c h 公司认为这项专利被认为时a b s 形成的一个里程碑，其原理一直沿 用至今。 防抱死系统的实际应用被认为始于1 9 4 3 年，首先用于铁路上，美国的西屋公 司开始批量生产用于火车上的防抱死系统。而飞机发展的需要进一步推动了a b s 的发展。由于飞机体积和重量的加大，速度的加快，飞机在着陆时，车轮制动抱 死产生剧烈的摩擦，在驾驶员反应过来之前轮胎就会磨出斑点，大大缩短了轮胎 的寿命。防抱死系统的应用防止了这一现象的发生。上世纪4 0 年代末期5 0 年代 初期，a b s 成功地应用于飞机上。这些早期的防抱死系统大多是机械式的，利用 惯性飞轮探测车轮是否抱死，从而减小制动压力。 上世纪5 0 年代防抱死开始应用于汽车工业。1 9 5 1 年g o o d y e a r 航空公司将 a b s 装于载重车；1 9 5 4 年福特公司在林肯车上装用法国航空公司的a b s 装置，揭 开了汽车应用a b s 的序幕。上世纪6 0 年代开始应用电磁传感器来探测车轮速 度，控制部分主要是机械式的，系统相对简单，只有在特定的车辆参数和工况下 防抱死效果显著，在车辆参数及工况发生变化时，防抱死功能就会丧失。而要改 善这些性能就会增加机械系统的复杂性和体积，从经济观点来说是不合适的。虽 然电子技术的发展已经解决了复杂的逻辑控制难题，但a b s 的功能和性能收到机 械制造、成本及可靠性的限制，应用范围受到局限。上世纪7 0 年代初期a b s 制 造厂家采用了分离元件的电子线路，控制器的体积较大，多达上千个元件，并且 可靠性比较差，难于实用化。在7 0 年代中期，由于大规模集成电路的应用，a b s 控制器由上千个减少至n 几百个，大大缩小了控制器的体积，并增强了可靠性。但 控制功能的实现是靠硬件构成的逻辑电路，这决定了控制器不可能实现复杂的逻 辑控制。在计算机高速发展的推动下，欧洲研制成功由数字计算机与电磁阀调节 辑控制。在计算机高速发展的推动下，欧洲研制成功由数字计算机与电磁阀调节 2 东北走学硕士学位论文第一章绪论 器组成的较为现代型的电子控制防抱死制动系统。数字计算机不易受干扰，响应 速度快，可以把制动液压循环的次数增加到每秒1 0 余次。可以调节制动液压的电 磁阀的丌启、关闭时间只需要4 l o o o 秒，其速度完全可以与数字计算机处理数据 的速度相匹配。这种较为现代型的a b s 装置，体积小、质量轻、动作更快、控制 更准确。1 9 7 8 年a b s 有了突破性的发展。b o s c h 公司与奔驰公司合作研制出三 通道四轮带有数字式控制器的a b s ，并批量装于奔驰轿车上，使a b s 开始具有智 能。从而奠定了a b s 的基础和基本模式。1 9 8 1 年德国的w a b c o 公司与奔驰公司 在载重车上装用了数字式的a b s 。从此，a b s 技术在汽车上得到了推广应用。 随着世界汽车工业的迅猛发展，道路交通条件的不断改善，车辆行驶车速的 提高，汽车制动时车轮抱死滑移的危害性也愈来愈严重。为此，在1 9 8 7 年欧工体 率先颁布了一项法规，要求从1 9 9 1 年起，欧工体成员国汽车厂在申请新车型许可 证的时候，所有新车都必须装有a b s ，同时规定欧共体成员国凡是1 6 吨以上的载 重汽车也必须装各a b s ，并且禁止进口无a b s 汽车。到1 9 9 5 年，美国、德国、 日本轿车中装用汽车的比例分别达到5 5 、5 0 和3 5 ，货车中装用a b s 的比 例分别为5 0 、5 0r 4 和4 5 。其中美国福特汽车公司生产的货车，a a 3 s 的装有率 达到9 4 ，通用汽车公司在1 9 9 4 年生产的汽车几乎全部装有a b s 。目前世界上 已经有3 0 0 多种汽车装备了a b s 。预计在今后的5 年里，在世界范围内a b s 在汽 车上的装有率将达到8 0 。a b s 已经成为全球汽车市场及各国汽车出口的标准。 上世纪8 0 年代以后，a b s 在技术上得到很大发展，许多汽车零件公司纷纷开 始生产a b s 产品。汽车新车的a b s 的装有率在美国已经超过5 0 4 以上。 3 1 1 尤其 是对重型车、大客车，欧洲和美国在法规的要求下其装车率己达1 0 0 。在发展 过程中，a b s 体积逐步减小，重量逐步减轻，控制和诊断能力不断增强。液压 a b s 已经将控制器与控制阀体集成为一体，可以作为一个附加系统添加到常规的 制动系统去。上世纪9 0 年代以来，控制器以普遍采用1 6 位单片机作为c p u ，同 时采用通用的诊断协议接口。a b s 除本身朝着集成化、低价格、大批量的方向发 展外，还在原有系统上进行了扩展。8 0 年代中后期，防滑控制系统( a s r ) 得到 了发展，它包括制动防滑和牵引控制两部分，利用原有a b s ，只增加部分制动系 统和相应的软件，就可以实现防滑控制功能，使性能价格比大大提高。 在我国，目前a b s 正成为国内汽车界的热门话题，各大汽车集团、汽车研究 所及大专院校都开始进行积极的研究工作。国内也已研制出a b s 产品，许多单位 进行了道路装车试验，制动性能的改善是十分显著的。虽然如此，a b s 的使用推 3 查垄大堂堡主兰堡堕墨 一一 星二主塑堕 广还存在很多问题。a b s 在高速低附着系数路况下应急制动时有明显的效果。从 我国的降雨分布可知：我国江南地区年降雨天数达到或超过1 5 0 天，尤其是南岭 山脉两侧和贵州、四川不少地区降雨天数往往在1 8 0 天左右。云南和川西横断山 脉地区气候的垂直变化显著，日行程中路面附着情况差别很大。东北沿长自山地 区和黑龙江利于的下雪和下雨天数也达到1 0 0 天以上。可以说我国2 3 的人口居住 地区的公路路面每年有3 到6 个月处于中、低附着状态。这段时间又值公路运输 旺季，或是防汛、防洪季节。据江苏省的统计资料显示，公路中沥青柏油路段占 公路总程的9 0 左右，在雨天情况下其路面附着系数平均值在o 3 4 7 左右。在东 北地区的冰雪路面上，其附着系数还要低。在低附着系数路矿上行驶，由制动失 控导致交通事故要比在高附着系数路况上的交通事故高的多。目前交通流量及密 度增大，交通事故呈逐年上升趋势，使装a b s 成为一个紧迫的任务。总之，a b s 在我国有着广阔的应用前景。但他是一个十分庞大的社会系统工程，既要有汽车 制动法规强制a b s 系统的实施，也有赖于广大用户的认识和正确使用，充分发挥 他的优越性。 1 1 3a b s 的优点和种类 以提高汽车行驶性能为目的的各种a b s 装置，其原理是充分利用轮胎和地面 的附着系数，主要采用控制制动液压的方法，1 3 3 给各车轮施加适当的制动力。它 具有以下优点： ( 1 ) a b s 系统的第一个优点是能缩短汽车在恶劣路面上的制动距离。这是因 为在同样紧急制动情况下，a b s 系统可以将滑移率控制在最佳点附近，即可获得 较大的纵向制动力的结果。 ( 2 ) a b s 系统的第二个优点是增加了汽车制动时的稳定性。汽车在制动时， 四个轮子的制动力可能是不一样的，如果汽车的前轮拄死，驾驶员就无法控制汽 车的行驶方向，这是非常危险的：倘若汽车的后轮先抱死，则会出现侧滑、甩 尾，甚至使汽车整个调头等严重事故。a b s 系统可以防止四个轮子制动时被完全 抱死，提高了汽车行驶的稳定性。资料表明，装有a b s 系统的车辆，可使因车轮 侧滑引起的事故比例下降8 左右。 ( 3 ) a b s 系统的第三个优点是改善了车轮的磨损状况。事实上，车轮抱死会 造成轮胎杯型磨损，轮胎面磨损也会不均匀，使轮胎磨损消耗增加。经测定，汽 4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 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。因此，装用a b s 系统具有定的经济效益。 ( 4 ) a b s 系统的最后一个优点是使用方便，工作可靠。a b s 系统的使用与普 通制动系统的使用几乎没有区别。如遇雨、雪路面，制动时只要把脚踏在制动踏 板上，a b s 系统就会根据情况自动进入工作状态，驾驶员也没有必要用一连串的 点刹车方式进行制动，a b s 系统会使制动状态保持在最佳点附近。 a b s 系统从目前看可以分为以下几种：博世( b o s c h ) a b s 系统、坦孚( t e v e s ) a b s 系统、达科( d e l c o ) a b s 系统和本迪克斯( b e n d i x ) a b s 系统。这四种系统 都是目前广泛应用的系统，而且还在不断的发展、更新和换代。如果说还有其它 种类的a b s 系统，基本上也是上述四种系统中某一神的变型。 德国博世公司早在上世纪7 0 年代末就将自己研究生产的a b s 系统应用在梅 塞德斯奔驰系列车上；8 0 年代末、9 0 年代初广泛应用于通用公司生产的各种车 型上。 尽管不同公司生产的a b s 系统的类型不同，但它们都有相同的基本组成和基 本工作原理，它们的重要区别是电子控制模块( 电脑) 及控制线路不同。 1 1 4 a b s 技术的发展趋势 从a b s 的出现，到在汽车上的广泛使用，已经历了近半个世纪的发展过程， 到目前为止，a b s 的总体结构方案已趋于成熟，要迸一步扩大a b s 在汽车上的应 用范围，并把a b s 各个方面性能指标提高到最佳状态，今后的研究工作将主要集 中在以下的几个方面： ( 1 ) 特性的变化，使a b s 各项性能指标始终处于最佳状态的控制算法，以弥补 现今汽车上广泛采用的逻辑控制的不足。 ( 2 ) 提高关键元件的可靠性和性能指标，如车上广泛使用开关阀和调制脉冲宽 度( p w m ) 实现比例控制，制动过程不平滑，噪声大，容易引起传动轴的共 振。如采用低成本比例阀，实现连续控制，可以弥补开关阀的缺陷。 ( 3 ) 降低a b s 的装车成本，扩大a b s 在汽车上的普及率。 ( 4 ) 由单一的a b s 控制目标转向多目标的总和控制，使a b s 的软硬件设计能力 扩充为多目标的总和控制。 5 一 i 垡垄兰竺圭堂堡垒查一 1 2 本文研究工作的意义和主要内容 1 2 1 本课题研究的意义 第一章绪论 随着世界经济全球化的日益发展，市场竞争日趋激烈，尤其是在我国加入世 贸组织之后，汽车行业面临前所未有的挑战和机遇。提高汽车整车和零配件的国 产化，赶超世界先进水平，是国人的共同愿望! 在产品设计水平的提高，开发周 期的缩短、生产成本的降低等各个方面，都有我们广大机械和汽车行业的研究人 员亟待解决的问题。我国的a b s 技术研制工作开始于上世纪8 0 年代中期，落后 欧美几十年，加强a b s 技术的研究和应用，完善汽车的主动安全性能，对于我们 发展汽车及其相关行业和保护人身安全是具有现实意义的。 1 2 2 本课题研究的内容 本文以液压防抱死a b s 为研究对象，对传感器技术、控制方法、单片机技 术、m a t l a b 软件应用等作了深入的研究，从而为a b s 的设计改进和升级换代 开辟了有利的途径，本文主要研究内容如下： ( 1 ) a b s 传感器和控制通道研究 车轮轮速传感器的作用是测定车轮的速度，并把信号送入电子计算机。它可 以安装在各个车轮的轮毂上，也可以安装在主减速器输入轴上。在叙述a b s 轮速 传感器及其信号特点的基础上，介绍了测量电路的基本原理、构造和功能，对系 统作深入研究的同时，务必格外重视a b s 控制系统第一信息源即车轮角速度的精 确测量和合理利用。 ( 2 ) a b s 控制算法的研究和m a t l a b 软件的应用 由于汽车本身参数及其行驶工况的复杂特性，采用基于模型的现代控制理论 方法所得效果并不理想，而基于经验式的常规控制方法要依据大量的道路试验确 定些经验控制算法及参数，如p i d 。目前硬件水平发展很快，最优控制、自适 应控制、非线性控制等较为复杂的算法也得到应用。a b s 及车辆系统建模难度 大，具有高度非线性和不确定的时变性，需要将知识和经验引入以形成智能控 制，如模糊控制、神经网络控制。 采用何种控制技术不仅依赖于计算机硬件技术的发展，还有赖于软件技术， 由于控制及其算法的复杂性，寻求更强有力的开发环境及编程工具变得愈加重 一6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 要。近年来控制系统的计算机辅助设计系统f c a c s d ) 发展迅速，其中 m a t l a b s i m u l i n k 的出现为汽车a b s 的设计和模拟注入生命力。将模糊控制 理论引入汽车防抱死制动系统，利用m a t l a b 模糊逻辑工具箱，针对简化的模 型，设计模糊控制器。通过计算机数字试验仿真结果表明该控制器能取得较好的 效果。但模糊控制缺少理论，例如控制系统的稳定性等。近年来的大量工作要解 决的是所缺少的理论基础。 m a t l a b 语言对控制系统理论及计算机辅助设计技术起到了巨大的推动作 用，由于该语言使用容易，而且提供了丰富的矩阵处理功能，所以特别适于控制 系统的设计研究，目前成为控制界国际上最流行的软件。它同时是一个开放的系 统，由多个针对控制系统而设计的工具箱，如神经网络、模糊控制、系统辨识、 系统动力学模拟等，可以方便地尝试不同地控制器，进行对比分析，大大提高控 制系统设计地效率。在本文运用了其中的p i d 控制器和模糊逻辑工具箱，对a b s 进行了有益地模拟和分析。 ( 3 ) a b s 用单片机开发研究和算法仿真软件 目前广泛采用的电控防抱死系统，其核心是单片机控制器。随着功能技术和 应用水平地提高，单片机应用研究在a b s 领域将进一步深入。本文研究了a b s 1 6 位单片机开发思路和设计方法，利用单片机控制器各种外部端口地资源，内部 地存储器，中断等，充分对高速数据采集、轮速计算与滤波、参考车速和滑移率 计算、轮加速度计算和防抱死制动控制逻辑分析等功能地重要性，以便为a b s 地 测试分析、研究开发提供了方便有效地工具。 要得到最终的控制器产品，单片机要完成整体调试。实时闭环模拟是控制器 的研制的基础，他的目的是减少道路试验，节省研制经费，并使试验条件成为可 控的，便于研究各种控制算法，但它并不能取代道路试验。 1 3 本章总结 介绍了a b s 发展的历程和技术现状，并且阐明了深入研究a b s 工作的内容和 意义。 7 一 东北大学硕士学位论文第二章a b s 系统工作原理和运动分析 第二章a b s 系统工作原理和运动分析 2 1a b s 系统工作原理介绍 防抱死制动系统是在传统的制动系统的基础上采用电子技术，在制动时防 止车辆抱死等的一种机电一体化系统，图2 1 和图2 2 为一个四轮车辆防抱死控制 系统模型示意图和原理图。它由控制器、电磁阀、轮速传感器三部分组成。在应 急 图2 1 防抱死系统原理示意图 f i g 2 1a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e ms k e t c hm a p 车轮 液压调节器 图2 2 防抱死制动原理框图 f i g 2 2a n t i l o c kb r a k i n gt h e o r ym a p 一8 东北大学硕士学位论文 第二章a b s 系统工作原理和运动分析 制动时，司机踏板控制的制动压力过大时，轮速传感器及控制器可以检测到车轮 有抱死的倾向，此时控制器控制作动系统减少制动压力。当车轮轮速恢复并且地 面摩擦力有减小趋势时，控制器又控制作动系统n 2 h $ j j 动压力。这样使车轮一直 处于最佳的制动状态，最有效的利用地面附着力，得到最佳的制动距离和制动稳 定性。 传统的汽车制动系统功能是使行驶的汽车车轮受制动力矩的作用，使车辆停 止。在大多数情况下往往要抱死车轮，此时方面造成车轮轮胎的严重磨损，另 一方面后轮抱死会产生侧滑，容易丧失稳定性，而前轮抱死会使车辆丧失转向能 力，这些状态都容易导致事故的发生。a b s 系统的引入使制动过程中车轮处于非 抱死的状态，这样不仅可以防止制动过程中后轮抱死而导致的车辆侧滑甩尾，大 大提高制动过程的方向稳定性，同时可以防止前轮抱死而丧失转向能力，提高汽 车躲避前方障碍物的操纵性和弯道制动时的轨迹保持能力，而且最终的制动距离 往往要比同类车型不带防抱死系统的车辆的制动距离要短，因而a b s 是种有效 的车辆安全装置。 2 2a b s 装置的基本组成 2 2 1 车轮转速传感器 车轮转速传感器( 简称为轮速传感器) 是a b s 中最主要的一个传感器，其作 用是对车轮的运动状态进行检测，获得车轮转速( 速度) 信号。1 5 1 日前用于a b s 系统的轮速传感器主要有磁电式轮速传感器和霍尔式轮速传感器两种类型。磁电 式传感器是利用电磁感应原理，将物体转动速度转换成感应电势来测量车轮速度 的。在电控防抱制动系统中使用的传感器，多数为磁电式轮速传感器。它虽然结 构简单、成本低，但存在以下缺点： ( 1 ) 输出信号的大小随转速的变化而变化，若车速过慢，其输出信号低于1 v ， 电脑就无法检测。 ( 2 ) 频率响应不高，当转速过高时传感器的频率响应跟不上，容易产生错误 信号。 ( 3 ) 抗电磁波干扰能力差，尤其是输出信号幅值较小时。 现在国内外a b s 的控制速度范围一般为1 5 1 6 0 k i n ( h ) ，今后要求控制速度 范围扩大到8 - 2 6 0 k r r , ( h ) 1 甚至更大，这就对轮速传感器和处理控制信号的微电脑 o 查! ! 盔兰堕主堂堡堕查 都提出了更高的要求。 第二章a b s 系统工作原理和运动分析 霍尔式车轮速度传感器克服了磁电式轮速传感器的上述缺点，并且具有下列 优点： ( 1 ) 输出信号幅值不变。在工作电压为1 2 v 时，输出幅值保持1 1 5 - 1 2 v 不 变，车速再慢甚至到零，幅值都不变。 ( 2 ) 频率响应高( 可达2 0 k h z ) ，用于a b s 系统中可检测1 0 0 0 k m ( h ) 1 的信 号，故可满足使用要求。 ( 3 ) 抗电磁干扰能力强。由于输出信号在整个轮速范围内不变，且幅值较 高，所以抗电磁能力很强。 目前霍尔式轮速传感器越来越广泛地应用在a b s 系统中。 2 2 2 电子控制单元( e c u ) a b s 的电子控制单元( e e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) ，常用b c u 表示，简称a b s 电脑。它的主要作用是接收轮速传感器等输入信号，计算出轮速、参考车速、车 轮减速度、滑移率等，并进行判断、输出控制指令，控制制动压力调节器等进行 工作。另外，a b s 电脑还有监测等功能，如有故障时会使a b s 停止工作并将a b s 警 示灯点亮。一般的电子防抱制动系统只有套运算电路，但为了更保险，以及在 装有多个轮速传感器的情况下，常需装用两套运算电路，同时进行运算和传递数 据，利用各自的运算结果互相比较，相互监控，确保可靠性。 电子控制单元一般有以下几个基本构成电路： ( 1 ) 轮速传感器的输入放大电路 安装在各车轮上的轮速传感器根据轮速的变化输出交流信号，并输入放大电 路中，将交流信号放大成矩形波，整形后送往运算电路。 ( 2 ) 电脑控制运算电路 其作用是连续地检测来自四个车轮传感器的脉冲电信号，并将它们处理、转 换成与轮速成正比的数值，从这些数值中区别哪个车轮速度快，哪个车轮速度慢 。根据四个轮子的速度实