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汽车底盘系统的分层集成控制研究 摘要 汽车底盘系统包括悬架、转向、制动三个相互耦合的子系统，在汽车行驶 过程中，车辆往往不能满足不同行驶工况下的性能要求，因此研究这三个子系 统的集成控制成为一种必然趋势，得到了各方面的广泛关注。 本文以汽车底盘为研究对象，建立了主动悬架系统( a c t i v es u s p e n s i o n s y s t e m ，a s s ) 、电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，e p s ) 和防抱 死制动系统( a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m ，a b s ) 的数学模型( 其中主动悬架系统采用 新型的磁流变减振器作为执行机构) ，并在此基础上分别对主动悬架系统设计了 最优预见控制器、对电动助力转向系统设计了模糊p i d 控制器、对防抱死制动 系统设计了基于车轮滑移率的逻辑门限值控制器。在m a t l a b s i m u l i n k 环境下的 仿真实验结果表明这三个控制器都能有效地提高各自系统的性能，但是三个控 制器同时工作时，由于子系统性能指标间的相互影响，却使得汽车无法满足不 同工况下的性能要求。 通过分析a s s 、e p s 、a b s 性能指标之间的相互联系，提出了一种分层控 制策略，在已设计的三个子系统控制器的基础上设计了一个上层集成控制器来 协调三个子系统的性能指标，通过指令改变底层子控制器的控制参数和控制目 标，使汽车能满足不同的行驶工况。通过在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对分层集成 控制系统进行的仿真可知，采用这种分层集成控制策略，协调了子系统的性能 指标，使汽车在各种工况下的主要性能都较好，基本满足了各种行驶工况的要 求，这对后续的底盘集成控制系统的深入研究具有参考价值。 关键词：主动悬架电动助力转向防抱死制动分层集成控制 磁流变减振器 r e s e a r c ho nt h el a y e r e di n t e g r a t e dco n t r o lo ft h e v e h i c l e sc h a s s i ss y s t e m a bs t r a c t t h ev e h i c l e sc h a s s i s s y s t e m i n c l u d e s s u s p e n s i o ns u b s y s t e m ，s t e e r i n g s u b s y s t e ma n db r a k i n gs u b s y s t e mw h i c hh a v et h ei n t e r - c o u p l i n ga c t i o n s w h e n v e h i c l ei sr u n n i n g ，t h ei n t e r c o u p l i n ga c t i o n sa f f e c tt h er i d ec o m f o r ta n db r a k i n g p e r f o r m a n c eo ft h e v e h i c l e s i no r d e rt o i m p r o v e t h ev e h i c l e si n t e g r a t e d p e r f o r m a n c e ，i ti sn e c e s s a r yt om a k ea ni n t e g r a t e dc o n t r o lo ft h ea b o v et h r e e s y s t e m s t h i si sac u r r e n ta n dm a n y r e s e a r c h e r sh a v ei n t e r e s ti ni t i nt h i sp a p e r ，w ee s t a b l i s ht h ed y n a m i cm o d e l so fa c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m ( t h ea g n e t o - r h e o l o g i c a lf l u i dd a m p e ri su s e d ) ，e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e ma n d a n t i - l o c k e db r a k i n gs y s t e m ，a n dd e s i g nr e s p e c t i v e l yo p t i m a lp r e v i e wc o n t r o l l e rf o r t h ea c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m ，f u z z yp i dc o n t r o l l e rf o re l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e ma n dl o g i c a lt h r e s h o l dc o n t r o l l e rb a s i n go nt h es l i d i n gr a t eo ft h ew h e e lf o rt h e a n t i l o c k e db r a k i n gs y s t e ma c c o r d i n gt ot h ea b o v em o d e l s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h et h r e ec o n t r o l l e r sa r er e a l i z a b l ea n de f f e c t i v eo nt h e i ro w ns y s t e m ，b u t w h e nt h et h r e ec o n t r o l l e r sw o r ka tt h es a m et i m e ，v e h i c l ec a n 、ts a r i s f yt h e p e r f o r m a n c e so nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s al a y e r e di n t e g r a t e dc o n t r o li sd e s i g n e db a s i n go nc o n t a c t so fa c t i v es u s p e n s i o n s y s t e m ，e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e ma n da n t i - l o c k e db r a k i n gs y s t e m ，n a m e l y , t h r e e s u b s y s t e m s a r ec o n t r o l l e dr e s p e c t i v e l ya n dt h ei n t e g r a t e dc o n t r o l l e ri s d e s i g n e dt oh a r m o n i z et h r e es u b s y s t e m s i nt h ee n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n k ， i n t e g r a t e ds y s t e mo fa s s ，e p sa n da b si ss i m u l a t e da n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n a r ec o m p a r e da n da n a l y z e du n d e ri n t e g r a t e dc o n t r 0 1a n dc o m b i n e dc o n t r o l ，f r o m w h i c hw ec a ns e et h a ta d o p t i n gt h es t r a t e g yo fi n t e g r a t e dc o n t r o lc a nn o to n l y e n h a n c et h eb r a k ep e r f o r m a n c e ，b u ta l s oa m e l i o r a t et h ep e r f o r m a n c eo fa s s ， m a k i n gt h ev e h i c l e si n t e g r a t e dp e r f o r m a n c et ob ei m p r o v e d t h i sh a sad i r e c t i v e m e a n i n gf o rt h ea f t e rd e e p e rd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo f t h ew h o l e c h a s s j s k e yw o r d s ：a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m ，e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，a n t i - l o c k b r a k i n gs y s t e m ，l a y e r e di n t e g r a t e dc o n t r o l ，m a g n e t o r h e o l o g i c a l f l u i dd a m p e r 插图清单 图卜1 汽车主动悬架分类及结构简图1 图1 - 2 自适应控制框图2 图卜3 磁流变减振器工作模式3 图卜4 剪切阀式的磁流变减振器4 图卜5 地面制动力、制动器制动力及附着力的关系6 图卜6 附着系数与滑移率关系曲线7 图1 - 7e p s 功能结构图1 2 图卜8 集成控制的意义1 5 图2 1 “路面一汽车一人”系统结构图18 图2 - 2 七自由度整车悬架模型1 9 图2 3 最优预见控制系统2 3 图2 4 车身垂直加速度对比图一2 6 图2 - 5 车身垂直位移对比图2 6 图2 6 车身俯仰角对比图2 6 图2 - 7 车身侧倾角对比图2 6 图3 一l 轮胎特性曲线一2 9 图3 - 2 制动工况轮胎受力图3 0 图3 - 3 车轮的加、减速度a 及滑移率名的计算示意图3 1 图3 4 从高附着路面进入低附着路面的制动过程3 2 图3 - 5 制动距离曲线对比图3 4 图3 - 6 车速曲线对比图3 4 图3 7 轮速曲线对比图3 4 图3 - 8 滑移率曲线对比图3 4 图4 - 1 转向模型3 7 图4 - 2 参数自整定模糊p i d 控制器结构图3 8 图4 - 3 隶属度函数3 9 图4 4 电动机助力特性曲线4 0 图4 - 5 原地转向时，汽车转向轻便性仿真4 0 图4 - 6 行驶转向时，汽车转向轻便性仿真4 0 图4 - 7 角阶跃输入时，汽车横摆角速度响应4 0 图5 一l 耦合的汽车底盘动力学模型4 3 图5 2 底盘控制系统与车辆动力学关系示意图4 4 图5 3 分层递阶智能控制结构图4 5 图5 - 4 汽车底盘系统集成控制结构图4 6 图5 5 滑移率和地面附着系数关系曲线图一4 7 图5 6 直线制动工况簧载质量垂直加速度4 8 图5 - 7 直线制动车身俯仰角4 8 图5 8 直线制动工况簧载质量垂直位移4 8 图5 9 直线制动工况滑移率4 8 图5 1 0 转向制动工况滑移率一4 8 图5 一1 1 转向制动工况车身侧倾角4 8 图5 1 2 转向制动工况簧载质量垂直加速度一4 9 图5 13 转向不制动工况横摆角速度4 9 图5 一1 4 转向不制动工况车身侧倾角一4 9 图5 15 转向不制动工况簧载质量垂直加速度4 9 表格清单 表2 - 1 悬架模型参数表2 6 表3 1 仿真参数含义及数值列表3 3 表4 一l k p 、k ；、k d 参数自整定模糊p i d 控制规则表3 9 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究l ：作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金目里王些太堂 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同j ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：孙玳签字日期：。9 弼年口多月7 髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金壁工业太堂 有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金旦墨= = ：些厶堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采川影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 纫、多截铷虢卉刍支 签- 7 - + 日期：0 川g 年口多月f 彩日 签字日期：洲年鸪月f 日 学位论文作者毕业后去向： 作单位： 电话 邮编 致谢 在硕士学位论文即将完成之际，我深深感谢我的导师方敏教授。在我攻读 硕士学位的三年时间里，自始至终得到了方老师的精心指导和热情关怀。本论 文中的每一项研究成果，都凝聚着方老师的心血。方老师严谨求实的治学作风， 宽厚坦诚的待人之道，诲人不倦的师者风范，对教育事业满腔热情、无私奉献 的工作精神，无时不感染着我，教育着我，将使我受益终生。同时，我还要感 谢机械与汽车工程学院的陈无畏教授，陈老师在学术上给了我许多悉心指导和 帮助，陈老师兢兢业业、一丝不苟的工作精神，给我留下了深刻的印象。 感谢我的父母，他们不仅给予我物质上的支持，而且在精神上鼓励我不断 超越自我，迎接新的挑战，正是他们的厚望和无私奉献使我能够全身心地投入 到学业和科研中，他们的殷殷之情始终是我奋斗的动力与源泉! 感谢汪洪波、张荣成、秦明辉、陈志超、张俊、李寅、陈琼、初长宝、祝 辉以及8 0 5 a 所有的兄弟姐们在我的研究课题及论文写作期间给予我的帮助。在 此，祝他们前程似锦、事业有成! 感谢所有关心、帮助、支持我的人! 作者：孙斌 2 0 0 8 年1 月2 2 日 1 1汽车悬架系统的概述 第一章绪论 1 1 1 汽车悬架系统的类型与工作原理 悬架系统是车辆的一个重要组成部分。车辆悬架性能是影响车辆行驶平顺 性、操纵稳定性和行驶速度的重要因素。 悬架按控制力可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种基本类型心1 。 汽车主动悬架分类及其结构简图如图1 - 1 所示。图中m 为悬挂质量，m ：为非 悬挂质量，g 为固定减振器，c ，为可调减振器，么为主动悬架作动器，k ：为 等效轮胎的弹簧。 ( a ) 被动悬架( b ) 半主动悬架( c ) 主动悬架 图1 - 1 汽车主动悬架分类及结构简图 ( 1 ) 被动悬架，如图1 - 1 ( a ) 所示。由弹簧和固定减振器组成。其中， 弹簧主要用来支撑簧上质量的静载荷，而减振器用于控制响应特性。这种悬架 系统的阻尼和刚度参数一般是通过经验设计成优化设计方法选择的，一旦确定， 在车辆行驶过程中就无法随外部状态变化而变化口3 。但是，车辆稳定性需要悬 架有高阻尼系统，舒适性需要低阻尼系数，而被动悬架参数不能任意调节，因 此其减振性能很差。 ( 2 ) 半主动悬架，如图1 - 1 ( b ) 所示。由弹簧和可变特性的减振器组成。 其基本工作原理是根据簧上质量相对车轮的速度响应和加速度响应等反馈信 号。按照一定的控制规律调节可调减振器的阻尼力。 ( 3 ) 主动悬架n 3 ，如图卜1 ( c ) 所示。由弹簧和一个力发生器组成。力 发生器的作用在于改进系统中能源的消耗并供给系统以能量，该装置的控制目 标是要实现一个优质的隔振系统，而又无需对系统作出较大的变化。因此，只 需使力发生器产生一个正比于绝对速度负值的主动力，即可实现该控制目标。 这种悬架的减振效果非常理想。 被动悬架因其减振性能很差，现在已很少使用。主动悬架由于成本昂贵及 可靠性等方面的问题，目前仅应用于一些高档车型。半主动悬架由于结构简单， 在工作中消耗能量很小，控制易于实现，造价低廉，并且性能指标与全主动悬 架相近，已在很多中档轿车中得到应用。目前对主动悬架的控制理论研究多建 立在半主动悬架的动力学模型基础上，广义上也称其为主动悬架b 1 。 1 1 2汽车悬架控制系统的控制方法 汽车悬架控制系统是一个含有许多不确定因素的非线性的机、电、液一体 化系统，基于模型的线性控制策略受到很大的限制，也即用传统控制方法难以 达到其预定的性能要求。目前应用于汽车悬架控制系统的控制方法主要有： ( 1 ) 自适应控制方法叩吨1 ，自适应控制是针对具有一定不确定性的系统而 设计的。自适应控制方法可以自动检测系统的参数变化，从而时刻保持系统的 性能指标为最优。其基本出发点是根据系统当前输入的相关信息，从预先计算 并存储的参数中选取当前最合适的控制参数。其控制框图如图卜2 所示。应用 于汽车悬架控制系统的自适应控制方法主要有自校正控制和模型参考自适应 控制两类控制策略。白校正控制是一种将受控对象参数在线识别与控制器参数 整定相结合的控制方法。而模型参考自适应控制的原理是当外界激励条件和车 辆自身参数状态发生变化时，被控车辆的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考 模型。 图卜2 自适应控制框图 ( 2 ) 预见控制方法凹叫们，预见控制是利用车辆前轮的扰动信息预估路面的 干扰输入，将测量的状态变量反馈给前后控制器实施最优控制。这种控制技术 可以通过某种方法提前检测到前方路面的状态和变化，不仅考虑了系统当时的 状态，而且还对系统未来的目标值或干扰予以考虑，它能弥补因系统响应速度 不足所带来的缺陷而提高控制性能，降低系统控制能量峰值和控制能量消耗 量。本文对a s s 采用的就是预见控制方法。 ( 3 ) 最优控制方法。13 ，最优控制要去定一个明确的目标函数，然后通过 一定的数学方法计算出使该函数取极值时的控制输入。应用于汽车悬架控制系 统的最优控制方法常用的有线性最优控制和i - i o o 最优控制。线性最优控制是建 立在系统较为理想的模型基础上，采用受控对象的状态响应与控制输入的加权 二次型作为性能指标，同时保证受控结构在动态稳定条件下实现最优控制。h 最优控制方法是通过设计控制器，在确保闭环系统各回路稳定的条件下，使 相对于干扰的输出取最小的一种最优控制方法。为了模拟由于车身质量、轮胎 刚度和减振器阻尼系数等变化不确定的误差，应用h o o 最优控制方法可使汽车 悬架振动控制具有较强的适应不确定因素影响的能力。 2 ( 4 ) 模糊控制方法卜1 ，模糊控制的特点是允许控制对象没有精确的数学 模型，使用语言变量代替数字变量，在控制过程中包含有大量人的控制经验和 知识，与人的只能行为相似。其控制器的输入量可选择车身加速度和车身与车 轮的相对速度，输出量为动力装置产生的作用力。 ( 5 ) 神经网络控制方法7 叫引，人工神经网络作为一种并行分布式处理系统， 它具有自动获得知识、联想记忆、自适应性、良好的容错性和推广能力。悬架 系统的神经网络控制应用具有控制作用的神经网络，通过对控制网络的权系数 进行在线调整，控制器经过学习，对悬架系统进行在线控制，使系统输出逐渐 向期望值接近。 目前有关汽车悬架控制方法的研究几乎涉及到控制理论的所有分支，并出 现了综合控制方法的悬架控制，如鲁棒控制与自适应控制的综合圳、模糊控制 与神经网络控制的综合心们等。 主动悬架技术已成为车辆悬架发展的主要方向之一，它为同时改善车辆行 驶安全性和乘坐舒适性提供了广阔的前景。随着控制技术的发展，设计新型高 效、快速、可靠、成本低廉的执行器，减少功率消耗，提高控制系统的集成化 将是主动悬架的发展趋势【2 。 1 1 3 磁流变减振器技术 本文采用的主动悬架执行器是磁流变减振器，它是一种新型执行器，利用 磁流变液的流变效应对减振器的阻尼力实施控制，不仅能量消耗较低，而且结 构简单、成本低廉、可靠性高，在大多数情况下，可半主动悬架具有与主动悬 架相近的特性。 磁流变减振器内部填充磁流变液，磁流变液是将微米尺寸的磁极化颗粒分 散溶于绝缘载液中形成的特定非胶性悬浮液体，因而其流变特性随外加磁场变 化而变化。未加磁场时，磁流变液的流变特性与普通牛顿流体相似，若加中等 强度的磁场作用时，其表现粘度系数增加两个数量级以上，当磁流变液受到强 磁场作用时，就会变成类似“固体”的状态，流动性消失。此时一旦去掉磁场， 又可变成可以流动的液体，响应时间在毫秒级，这种现象称为磁流变效应。在 这一过程中，磁流变液的粘度保持连续、无级变化、能耗极小，非常适用于实 时主动控制。 汽车磁流变减振器的工作模式可分为流动模式( 压力驱动模式) 、剪切模式、 挤压模式【22 1 ，其工作原理如图1 - s 所示。 毒警。_ i i ”一一l ( a ) 流动模式( b ) 剪切模式 图卜3 磁流变减振器 _ 作模式 毒 ： 铴蜥轻轻馘辅糍臻鞠嘲嬲鞠雠糍嘲霉辫 l 。； ( c ) 挤压模式 ( 1 ) 流动模式。如图1 - 3 ( a ) 所示，两个电极都固定，磁场垂直于两个 电极间的磁流变液流动方向，可通过改变励磁线圈的电流来控制磁流变体的流 动性能，从而改变活塞所受阻力。利用这种工作模式可设计开发流体控制阀、 阻尼器和减振器等磁流变器件。 ( 2 ) 剪切模式。如图1 - 3 ( b ) 所示，只有一个电极固定，另一个电极作 平行于固定电极的运动或绕固定电极旋转，磁场方向也垂直于磁流变液流动方 向。这种模式可设计开发离合器、制动器、机床夹具等器件。 ( 3 ) 挤压模式。如图1 - 3 ( c ) 所示，一个电极作垂直于另一个电极的运 动，磁流变流体在电极运动时同时受挤压和剪切作用，适于低速小位移( 一般 小于l m m ) ，大阻尼力的情况，这一模式中不均匀磁场导致悬浮颗粒聚集，阻尼 力随时间不断增长，无法实现对振动的稳定控制。 本文采用的是剪切阀式的磁流变减振器，它工作于剪切和流动的组合模式 下，兼具剪切模式和流动模式的特性，如图卜4 所示。减振器内腔充满了磁流 变液，活塞在压差作用下在缸内作往复直线运动。 缸褥缝湖涵滋 图卜4 剪切阀式的磁流变减振器 此结构中除活塞之外没有其它运动的部件，外缸同时是磁路的一部分，在 活塞外径和内缸之间的环状空间是有效的液体流动间隙，活塞内部的线圈在电 流的作用下，在缸体与活塞间的间隙内产生沿径向磁场。当活塞与缸体相对运 动时，活塞将挤压液体流过缸体与活塞间的间隙。如果改变电流从而改变磁场， 可使液体在磁场的作用下在牛顿流体和粘塑性的b i n g h a m 体之间相互转化，进 而改变流体的流动阻力，控制系统刚度，这样就形成了一种可调的控制装置。 1 2 汽车防抱死制动系统的概述 汽车防抱制动系统( a n t i 一1 0 c kb r a k es y s t e m ，简称a b s ) 是根据不同滑 移率下所对应的轮胎一地面的附着特性来控制制动力的汽车制动系统。在汽车 制动过程中，它能防止车轮发生抱死，并充分利用地面附着系数而获得较高的 地面制动力，缩短汽车的制动距离，并能保持汽车制动时的可操纵性。该项技 4 术在提高汽车安全、减少事故损失和提高汽车运行经济性方面发挥了重要作用， 是汽车行业最重要的主动安全技术之一。 1 2 1a b s 发展概况 a b s 控制系统的发展可以追溯到本世纪初期，早在1 9 2 8 年制动防抱理论就被 提出。3 0 年代机械式a b s 系统就开始在火车和飞机上获得应用；进入5 0 年代，汽 车制动防抱死制动系统开始受到广泛的关注，并开始把a b s 移植到汽车上，但轮 速传感器和制动压力调节装置都以机械式为主，控制效果并不理想；随着电子 技术的发展，在7 0 年代初期出现了电子控制式a b s 系统，许多汽车公司都开始研 制自己的电子式a b s ，代表性的有( b o s c h ) 波许公司、( b u i c k ) 别克公司、( t e v e s ) 坦威斯公司等，但采用的是模拟式电子控制装置，其反映速度慢、控制精度低、 易受干扰等缺陷致使控制效果未达到预期的水平，并很快不在被采用了；7 0 年 代后期，数字式电子技术和大规模集成电路的迅速发展，为a b s 向实用化奠定了 技术基础。到8 0 年代，a b s 逐渐开始成为中级以上轿车的标准装备，a b s 技术也 日臻成熟；9 0 年代以来，a b s 已经成为绝大多数汽车的标准装备了。中国从8 0 年代初期开始研究a b s 技术心3 2 钊。 1 2 2a b s 的理论基础 1 从汽车的运动过程看，在汽车制动过程中，车轮会相对于路面发生滑 移，滑移成分在车轮纵向运动中所占的比例由滑移率来表征，车轮的滑移率可 通过下式确定： 旯：v - - w r 1 0 0 ( 1 1 )以= l 一j ， 1 ， 式中，力为车轮的滑移率，为车轮的自由滚动半径，w 为车轮的滚动角速 度，为车轮中心的纵向速度。 当车轮在路面上自由滚动时，v 等于w f ，滑移率为零，即车轮与路面没有 滑移；当车轮被制动到完全抱死作纯滑移时，此时w 为零，即车轮不转动，滑 移率为1 。当车轮在路面上边滚动边滑移时，车轮中心纵向速度由车轮滚动和车 轮滑移两部分组成，此时，v ；k 于w ，因此，滑移率在o 到l 之间，且车轮滑移 所占的成分越高，滑移率的数值越大。 2 从汽车在制动过程时的受力分析看，汽车制动的本质原因是由于与轮 胎接触的路面给相应车轮提供了路面制动力。路面制动力是使汽车制动并减速 行使的外力，它取决于两个摩擦副的摩擦力：一个是制动器内制动盘与车轮间 的摩擦力即制动器制动力，另一个是轮胎与路面间的摩擦力即附着力( 路面制 动力) 。车轮在制动时的路面制动力可由下式确定： f b = m 厂 ( 1 2 ) 式中，死为路面制动力，m 为制动器摩擦力矩。 上式成立的前提是路面制动力不超过车轮与路面的附着力。 制动器制动力兄相当于将汽车架离路面，并踩住制动踏板，在轮胎周缘沿 切线方向推动车轮直至它能转动所需要的力，可由下式确定： 吒= 肘，i ： ( 卜3 ) 0 f ；， ?f b 。= f ， f p 图卜5 地面制动力、制动器制动力及附着力的关系 当制动踏板力较小，制动器摩擦力矩不大，路面与轮胎之间的摩擦力足以 克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动，显然，车轮滚动时的路面制动力就等于制 动器制动力，且随踏板力的增长而增长，如图i - 5 所示，但它的值不能超过附着 力，即： e = 脚，冗m 舣= ( 卜4 ) 式中，匕为路面附着力，形为车轮上的垂直载荷，缈为路面附着系数。 当路面制动力达到附着力时，车轮即抱死不转而出现纯滑移现象，此时， 若继续增大制动器踏板力，制动器制动力将由于制动器摩擦力矩的增长而继续 增长。但是，若作用在车轮上的垂直载荷为常数，路面制动力达到附着力后就 不再增加。所以，只有汽车具有足够的制动器制动力，同时路面又能提供足够 高的附着力时，才能获得足够高的路面制动力。 3 从附着力系数与滑移率关系看：附着力系数为路面附着力与垂直载荷 之比，在不同的滑移率时，附着力系数也不同，试验表明两者的关系特征如图 卜6 所示。 由图可看出，路面提供给车轮的附着力是各个方向的，定义轮胎所受侧向 力与相应轮胎的垂直载荷之比为侧向附着力系数。同一轮胎在与路面的接触运 动过程中，其纵向附着系数、侧向附着系数及滑移率之间的关系曲线表明，滑 移率越低，同一侧偏角条件下的侧向附着系数越大，即轮胎保持转向、防止侧 滑的能力越大。所以，制动时把滑移率保持在适当的数值( 通常在1 0 到3 0 6 之间) 上，便可同时获得较大的纵向附着系数和侧向附着系数，此时的制动性 能最好，侧向稳定性也好。 图卜6 附着系数与滑移率关系曲线 1 2 3a b s 的基本组成、分类和工作过程 汽车a b s 的类型较多，随车型而异，但基本都是由轮速传感器、电子控制 单元( e c u ) 和制动压力调节装置( h c u ) 乜5 1 等三部分组成，除此之外，还包括 制动警告灯和防抱死警告灯等其他部件。 a b s 根据其对制动压力的控制方式可分为机械式和电子式，目前大多数的 a b s 都是电子控制式的：根据制动压力调节装置的布置分为整体式和分置式， 将h c u 装置和主缸组成总成的为整体式a b s ，具有独立的h c u 和主缸的为分置 式a b s ；根据制动管路的布置方式分单通道、双通道、三通道或四通道的两轮 和四轮系统。 对一典型的a b s 系统阻制，在汽车的每个车轮上各安装一个轮速传感器，将 各车轮的轮速信号输入给e c u ，e c u 根据该信号对各车轮的运动状况进行分析判 断，并形成相应的控制指令，发送给制动压力调节装置。制动压力调节装置主 要由调压电磁控制阀总成、电动泵总成和储液器等组成，通过制动管路与制动 主缸和各制动轮缸相连。制动压力调节装置受e c u 的控制，对各制动轮缸的制 动压力进行调节。 其工作过程可分为常规制动、制动压力保持、制动压力减小和制动压力增 大等阶段： ( 1 ) 常规制动阶段 在常规制动时，a b s 不介入制动压力控制，调压电磁阀总成中的各进液电 磁阀( 常开阀) 均不通电而处于开启状态，各出液电磁阀均不通电而处于关闭状 态，电动泵也不通电运转，制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于畅通状态， 而各轮缸至储液器的制动管路均处于封闭状态，各轮缸的压力随主缸的输出压 力而变化。 ( 2 ) 制动压力保持阶段 在制动过程中，e c u 根据各轮速信号判定有某个车轮( 如右前轮) 趋于抱 7 死时，a b s 就使控制该车轮处的常开电磁阀通电而转入关闭状态，主缸输出的 制动液不再进入轮缸，此时，常闭电磁阀仍未通电而处于关闭状态，轮缸中的 制动液也不会流出，因此，该轮缸中的制动压力就保持一定，而其他未抱死车 轮的制动压力仍会随主缸输出压力的增大而增大。 ( 3 ) 制动压力减小阶段 如果右前轮的制动压力保持一定时，e c u 判定其仍趋于抱死，则使常闭电 磁阀也转入开启状态，右前制动轮缸中的部分制动液就会经过处于开启状态的 常闭阀流会储液器，使轮缸中的制动压力迅速减小，右前轮的抱死趋势将开始 消除。 ( 4 ) 制动压力增大阶段 随着右前轮制动轮缸处压力的减小，右前轮会在汽车惯性力的作用下逐减 加速，当e c u 根据轮速信号判断右前轮的抱死趋势已经完全消除时，就使常开 阀和常闭阀都断电，使常开阀开启、常闭阀关闭，同时也使电动泵通电运转， 向制动轮缸泵送制动液，由制动主缸输出的制动液和电动泵泵送的制动液都经 过处于开启的右前轮常开阀进入制动轮缸，使右前制动轮缸中的制动压力迅速 增大，右前轮又开始减速转动。 a b s 通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复的经历保持一减小一增大过 程，而将趋于抱死车轮的滑移率控制在峰值附着力系数滑移率范围内，直至汽 车速度减小到很低或者制动主缸的输出压力不再使车轮趋于抱死时为止，一般 制动压力调节循环的频率可达3 2 0 h z 。对四通道a b s 系统，各制动轮缸的制 动压力能够被独立调节，从而使四个车轮都不发生抱死现象。 虽然各种a b s 系统的结构形式和工作过程并不完全相同，但存在几个共同 的特点： 首先，a b s 只是在汽车的速度超过一定数值后( 如l o k m h ) ，才会对制动过 程中趋于抱死的车轮进行压力调节。当车速降低到该数值时，a b s 就会自动中 止防抱制动压力的调节，此后的制动过程与常规制动过程相同，车轮仍然可能 被制动抱死，这是因为当车速很低时，车轮抱死对制动性能的影响已经很小， 而且要使汽车尽快制动停车，就必须使车轮制动抱死。 其次，在制动过程中，只有当被控车轮趋于抱死时，a b s 系统才会进行制 动压力的防抱死调节。 最后，所有a b s 系统都有自诊断功能，能对系统的工作情况进行监控，一 旦发现存在系统故障时，会自动关闭a b s 系统两进入常规制动状态，并点亮a b s 报警灯，向驾驶员发出警示信号。 1 2 4a b s 控制技术及发展现状 防抱制动系统是一个典型的反馈控制过程。如果把其中的车辆系统看作被 控对象，轮速传感器看作反馈量的检测元件，防抱制动系统的基本原理和功能 是：控制、调节制动管路压力，以控制、调节制动器摩擦制动力矩，使路面制 动力处于最大值，即使车轮滑移率处于15 2 5 的范围内心7 。，从而保证制动过 程中有较高的附着系数利用率，以提高制动效能，满足人们对制动性能的全面 要求，即制动距离短，侧向稳定性良好，转向操纵性良好，保证汽车制动时有 足够高的安全性和舒适性。 汽车防抱制动系统逻辑发展到现在，出现了各种各样的逻辑形式。但由于 没有一个统一的逻辑优劣的评价指标，只能根据实验结果进行多种工况的比较， 这样给a b s 的逻辑设计和优化带来了很大的不便。在这以前就有很多人已经进 行了这方面的研究，有逻辑门限值控制，p i d 控制，滑模变结构控制，模糊控 制。 逻辑门限值控制心8 1 ，是一种经典的基于逻辑门限的控制方法，它是一种使 用历史最长的控制方法，也是目前汽车a b s 一般所采用的控制方式。它采用一 些参量的门限值进行控制，即根据车轮加、减速度和参考滑移率门限进行增压、 减压、保压控制，使车轮滑移率在最佳滑移率附近波动。这对于非线性系统是 一种有效的控制方法。这种方法系统可靠，控制参数较少，构成也较简单，但 控制参数的调整需要较多的经验，附着系数的利用率由于存在速度波动也不是 最高的，但由于其简单实用，所以大多数的实用产品都是采用这种方法控制。 p i d 控制乜引，是基于滑移率的方法，即使实际滑移率控制在最佳滑移率点 或它的附近。理论上讲这种系统是最佳的，但它的实施难度较大，特别是最佳 滑移率点不易确定，所以这方面进行的理论研究及模拟工作比较多，但鲜有实 际系统的控制。 滑模变结构控制口旷32 | ，是以经典的数学控制理论为基础的一种控制。这种 控制是一类特殊的非线形控制方法，它根据系统当时的状态，偏差及其导数值， 在不同的控制区域，以理想开关方式切换控制量的大小和符号，使系统在切换 线邻近区域来回运动，使系统在滑移曲线很小的领域内沿滑移换节曲线滑动。 模糊控制方法凹3 1 引，它是模仿人的思维方式和人的控制经验，把人的经验 形式化并引入控制过程，再运用较严密的数学处理，实现模糊推理，进行判断 决策，以达到满意的效果。它首先将精确的数字量转换出模糊集合的隶属函数， 然后根据控制器制定的模糊控制规则，进行模糊逻辑推理，得到一个模糊输出 隶属函数，最后根据推理得到的隶属函数，用不同的方法找到一个具有代表性 的精确值作为控制量，加到执行器上实现控制。 在上述几种控制方法中，逻辑门限值控制方法是一种使用历史最长的控制 方法，也是目前汽车a b s 一般所采用的控制方式，这是一种基于经验的控制方 式，它采用一些参量( 如加、减速度) 的门限值进行控制，并附加一些辅助门 限，这对于非线性系统是一种有效的控制方法。这种控制方式的优点是：首先 它不涉及具体的控制数学模型，从而免去了大量的数学计算，可提高系统的实 9 时响应，使防抱控制这一复杂的非线性问题得以简化；其次，它所需要的控制 参量较少，尤其是可省去了车速传感器，使系统结构简单，成本大大降低；另 外，它的执行机构系相对来说也比较容易实现。其缺点是系统的控制逻辑比较 复杂，控制也不够平稳，控制系统中的各种门限值都是经过反复试验得出的经 验数据，还没有充分的理论根据，而且用逻辑门限值方式完成的a b s 装置对各 类车型的互换性不佳。当用这种控制方式为某一车型开发新的a b s 装置时，需 要较多的时间和大量的实验来确定和调整控制逻辑和控制参数，以达到最佳的 防抱制动效果。 滑动模态变结构法在理论上具有很强的内在适应性，但滑动运动在换节线 附近切换时由于系统的惯性而叠加抖动，所以在将此方法应用于实际之前，首 先必须解决对系统的抖动问题。 最优控制法在理论上很成熟，它将车轮的角速度和角加速度作为状态变量 对系统进行优化控制，在理论上可取得良好的防抱制动性能。然而，滑动模态 变结构或最优控制法都是现代控制理论中的控制方法，其应用的成功与否，关 键在于数学模型是否正确，而实际上，这种动力学模型几乎不存在或不可控制， 因为模型本身的参数识别精度就是问题，至关重要的车载分布( 如装载质量和 载客的多少及位置) 在实际操作中也是随意的。并且，为了获得数学模型中所 需要的相关控制参数及状态变量，它们均需要准确实时地确定车体的运动速度。 然而，汽车在制动过程中车速与轮速并不相等，通过轮速来间接地求取车速， 在准确性和实时性上都不能满足这两种控制方法的要求。就目前来看，能够满 足要求的车速传感器，由于其成本相对太高而不可能采用。另外，实现此两种 控制方式的电伺服机构也相应比较复杂，降低了系统的可靠性，因而在实际中 采用的不多。 模糊控制也是一种基于经验的控制方法，但它的控制基于预先建好的一个 规则库，在规则库中同时具有很多条控制规则，并且根据隶属度进行模糊推理 和去模糊化，然后根据得到的控制量进行控制。这样，它就能把各种复杂工况 下的特征用大量的经验性规则建立起来，共同来控制汽车的制动过程。因为每 条规则只以一定的隶属度形式对最终结果产生影响，所以当外界有干扰时，只 对最终结果产生较小的影响，系统的鲁棒性好。而且，模糊控制不基于模型， 这使得它特别适用于解决非线性问题和复杂系统。又由于它是一种基于语言性 的控制，可以把人的思维特点赋予机器，使a b s 具有一定的智能，更能适应多 变的工况，但模糊控制并没有有效通用的计算方法，只能依靠设计者的经验和 反复调试，仍需以大量实验为基础。 目前实际应用最为广泛且比较有效的制动防抱系统的控制方法为逻辑门限 值控制，此方法在国外已趋于成熟，是一种非常实用的控制方法，因此，有必 要开发出应用此控制方法的制动防抱控制系统。 l o 1 2 5a b s 的应用前景 随着全球汽车工业的迅速发展及汽车数量的迅速增加，由汽车引起的交通 事故也日益严重。在这种情况下，a b s 作为一种主动安全技术必将日益受到人们 的重视。预计a b s 技术会向以下几个方向发展口引： ( i ) 减小体积，降低成本和重量 a b s 正在向小型车普及，但作为附加的安全装置，它会增加整车的重量并 占据安装空间，因此要求其体积尽可能小。减t j 、a b s 体积的主要途径有优化结 构设计( 如减小压力调节器) 和增加集成度。目前，经过优化的a b s 已可将主 缸、压力调节器和电控单元集成为一体，从而大大减小了体积和成本。 ( 2 ) 控制方法的优化 虽然a b s 已经作为一项成熟的技术得到广泛的应用，但在控制方法上一直 没有取得较大的突破，目前广泛应用的逻辑门限值控制算法其控制逻辑比较复 杂，调试困难，控制也不够稳定。另外，开发完成的a b s 装置对各类车型的互 换性不好。没有一个统一的评价指标，控制方法的优劣只能凭经验和一些参数 单独的比较。所以对逻辑的评价和优化是目前a b s 的研究点。 ( 3 ) 实现多功能综合控制 由于技术的不断改进，a b s 的功能在不断加强。a b s 是通过控制轮胎的纵 向力来提高汽车的方向稳定性和操纵性的。与此相类似的是汽车驱动防滑系统 ( a s r ) ，其作用是防止汽车在加速过程中打滑，以保证汽车加速时的方向稳定 性、操纵性，其控制机理仍然是通过控制纵向滑移率来控制纵向力，可见，a b s 和a s r 是密切相关的，因此常将它们结合在一起使用，构成行使安全系统。这样， 它们可共用许多电子元件和系统部件来控制汽车车轮的运动，电子控制和保护 装置都被装在同一个壳体内。b o s c h 公司早在1 9 8 7 年就推出了a b s a s r 防滑 控制系统。1 9 9 6 年，b o s c h 公司提出了车辆动力学系统( v d c ) 的概念，在 a b s a s r 的基础上，加入侧向稳定性控制等新内容，以实现全工况内的汽车运 动最佳