汽车系统动力学与仿真课件：汽车制动动力学与仿真 -

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页汽车制动动力学与仿真4.1汽车制动性评价4.2汽车制动效能分析4.3制动力调节装置4.4汽车防抱死制动系统

4.5汽车ABS的控制技术4.6汽车ABS/ASR集成控制系统

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页4.1汽车制动性评价

4.1.1汽车制动性评价指标

4.1.2汽车制动法规要求

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页4.1.1汽车制动性评价指标1．制动效能——即制动距离与制动减速度，是指在良好路面上，汽车以一定初速制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度，是制动性能最基本的评价指标。制动距离与汽车的行驶安全有直接的关系，它指的是汽车空档时以一定初速，从驾驶员踩着制动踏板开始到汽车停止为止所驶过的距离。制动减速度反映了地面制动力，因此它与制动器制动力及附着力有关。由于各种汽车动力性不同，对制动效能的要求也就不同：一般轿车、轻型货车的行驶速度高，所以要求其制动效能也高；而重型货车行驶速度相对较低，其制动效能的要求也就稍低一些。

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页4.1.1汽车制动性评价指标2．制动效能的恒定性—汽车制动过程实际上是把汽车行驶的动能通过制动器吸收转化为热能，汽车在繁重的工作条件下制动时或高速制动时，制动器温度常在300°C以上，有时甚至达到600~700°C，制动器温度上升后，摩擦力矩将显著下降，这种现象就称为制动器的热衰退。所以制动器温度升高后，能否保持在冷状态时的制动效能已成为设计制动器时要考虑的一个重要问题。汽车在高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度，称为抗热衰退性能。制动器抗热衰退性能一般用一系列连续制动时制动效能的保持程度来衡量。制动器抗热衰退性能与制动器材料和制动器的结构型式有关。

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页4.1.1汽车制动性评价指标3．制动时汽车的方向稳定性—汽车制动时不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能，即汽车在制动过程中维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力称为制动时汽车的方向稳定性。制动过程中，有时会出现制动跑偏、后轴侧滑或前轮失去转向能力而使汽车失去控制离开原来的行驶方向，甚至发生撞入对方汽车行驶轨道、下沟、滑下山坡的危险情况。作为制动效能的一个评定指标，制动强度表示汽车的制动减速度绝对值与重力加速度的比值。

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页4.1.2汽车制动法规要求1.对制动效能的要求汽车制动性能应满足GB7258-2012《机动车运行安全技术条件》的规定，在平坦、硬实、清洁、干燥且轮胎与地面间的附着系数大于等于0.7的混凝土或沥青路面上，汽车以规定的初速度进行制动时的制动距离和制动稳定性要求如表所示。

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页4.1.2汽车制动法规要求汽车在规定的初速度下急踩制动时充分发出的平均减速度及制动稳定性要求如表所示。

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页2.对制动力分配线的要求（1）M1类汽车

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页2.对制动力分配线的要求（2）N1类汽车

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页2.对制动力分配线的要求（3）除M1、N1类型以外的汽车

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4.2汽车制动效能分析4.2.1制动车轮的受力4.2.2汽车制动动力学模型4.2.3汽车制动过程分析4.2.4汽车制动效能仿真

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4.2.1制动车轮的受力

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4.2.2汽车制动动力学模型为了简化汽车制动动力学模型，并且反映汽车系统的运动状态，作以下假设：（1）忽略滚动阻力矩、空气阻力和旋转质量减速时惯性阻力矩的影响；（2）汽车在水平路面上直线行驶时，不考虑坡道阻力、侧偏角和外倾角等的影响；（3）不考虑汽车的侧倾运动，假设左右悬架和轮胎受力状况相同；（4）制动过程中制动器制动力与制动时间成正比。

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4.2.2汽车制动动力学模型

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4.2.2汽车制动动力学模型汽车制动时动力学方程式为：地面对汽车前、后轮的法向反作用力分别为：

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4.2.3汽车制动过程分析汽车制动过程与制动力分配系数、同步附着系数密切相关。制动力分配系数是指前制动器制动力与汽车总制动力之比，按照理想制动力分配特性的要求，制动力分配系数是可变的，因此，现代汽车均装有制动力调节装置，根据制动强度、载荷等因素改变制动力分配系数，使之接近于理想制动力分配曲线，满足制动法规的要求。同步附着系数是指汽车制动时前、后轮同时抱死时的路面附着系数。对于制动力分配系数为固定值的汽车，同步附着系数只有1个或最多2个（考虑空载、满载），它取决于汽车的结构参数；对于制动力分配系数可变的汽车，同步附着系数至少有2个以上，它不仅与汽车的结构参数有关，还与制动力调节装置的结构参数有关。

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4.2.3汽车制动过程分析制动力分配系数为固定值的汽车同步附着系数为：汽车制动时车轮运动状态可以分为3个阶段进行制动过程，即纯滚动、边滚边滑、车轮抱死。

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4.2.3汽车制动过程分析1．车轮纯滚动在制动过程中车轮纯滚动时，车轮没有受到地面提供的制动力，车轮作纯滚动，汽车匀速运动。这段时间包括消除制动蹄片与制动鼓间隙所用时间、消除各铰链和轴承间间隙的时间以及制动摩擦片完全贴靠在制动鼓或制动盘上需要的时间。在这段过程中汽车的制动距离为：

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4.2.3汽车制动过程分析2．车轮边滚边滑过程当制动器开始起作用时，制动器制动力随踏板力迅速增大，车轮处于边滚边滑状态。在这段时间对于同一种车型在不同的路面上制动，可能有3种情况，即前轮提前抱死，后轮边滚边滑；后轮提前抱死，前轮边滚边滑；前、后轮均边滚边滑。这段时间为制动器作用时间，取决于驾驶员踩踏板的速度和制动系的结构形式，液压制动系为0.15~0.3s，气压制动系为0.3~0.8s之间。

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4.2.3汽车制动过程分析当时，前轮提前抱死，后轮边滚边滑，前、后轮地面制动力增长情况如图所示。

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4.2.3汽车制动过程分析汽车前、后轮地面制动力分别为：制动力分配系数为固定值时，汽车前后轮地面制动力的关系为：

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4.2.3汽车制动过程分析汽车前、后轮附着力分别为：汽车前轮抱死时间：

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4.2.3汽车制动过程分析汽车后轮抱死前，汽车前、后轮地面制动力分别为：此过程的制动减速度为：

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4.2.3汽车制动过程分析汽车行驶速度为：汽车前轮抱死时刻的速度：

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4.2.3汽车制动过程分析汽车制动距离为：汽车后轮抱死时刻的速度：

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4.2.3汽车制动过程分析当时，后前轮提前抱死，前轮边滚边滑，前、后轮地面制动力增长情况如图所示。

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4.2.3汽车制动过程分析汽车前、后轮地面制动力分别为：汽车后轮抱死时间：

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4.2.3汽车制动过程分析汽车后轮抱死前，汽车前、后轮地面制动力分别为：汽车减速度为：

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4.2.3汽车制动过程分析汽车行驶速度为：汽车后轮抱死时的速度：

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4.2.3汽车制动过程分析汽车制动距离为：前、后轮都抱死时的速度：

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4.2.3汽车制动过程分析当时，前、后轮均边滚边滑，前、后轮地面制动力增长情况如图所示。

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4.2.3汽车制动过程分析汽车前、后轮地面制动力分别为：汽车制动减速度为：汽车行驶速度为：

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页4.2.3汽车制动过程分析汽车制动距离为：汽车前后轮抱死时的行驶速度为：

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页4.2.3汽车制动过程分析3．前后车轮同时抱死过程汽车前、后地面制动力分别为：汽车制动减速度为：

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页4.2.3汽车制动过程分析汽车行驶距离为：

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页4.2.3汽车制动过程分析在汽车设计阶段，汽车制动距离可由下式估算：汽车最大制动减速度为：

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页4.2.4汽车制动效能仿真汽车制动距离与附着系数关系的仿真模型

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页4.2.4汽车制动效能仿真汽车制动距离与初速度关系的仿真模型

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页4.2.4汽车制动效能仿真

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页4.2.4汽车制动效能仿真

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页4.3制动力调节装置4.3.1限压阀4.3.2比例阀4.3.3感载阀4.3.4惯性阀

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页4.3.1限压阀限压阀是一种最简单的压力调节阀，串联在制动主缸与后轮制动器的管路之间。它的作用是当前后制动管路压力和由零同步增长到一定值后，即自动将后轮制动器管路中的压力限定在该值不变，防止后轮抱死。

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页4.3.1限压阀

限压阀压力分配线表达式为：限压阀多用于质心高度与轴距的比值较大的轻型汽车上，因为这种汽车在制动时，其后轮垂直载荷向前轮转移得较多，可以充分地利用前轮的附着质量，加大制动效果。

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页4.3.2比例阀比例阀串联于液压或气压制动回路的后管路中，一般采用承压面积不等的差径活塞结构。当前、后制动管路压力和由零同步增长到一定值后，即自动对的增长加以节制，使的增量小于的增量。

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页4.3.2比例阀比例阀压力分配线表达式为：

比例阀适用于质心高度与轴距的比值较小的轻型汽车。这类汽车在制动时，其后轮垂直载荷向前轮转移较少，其理想的制动压力分配特性曲线中段的斜率较大，如果采用限压阀，虽然可以满足制动时前轮先抱死的要求，但实际制动力分配曲线与理想制动力分配曲线相差太大，从而导致后轮地面制动力远小于地面附着力，使后轮的附着效率过低。

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页4.3.3感载阀有些汽车在实际装载量不同时，其总质量和质心位置变化较大，因而空载和满载下的理想制动力分配曲线差距较大。对于这些汽车有必要采用液压分配线随汽车实际装载量变化的感载阀。感载阀可分为感载限压阀和感载比例阀两类。这两种感载阀的工作原理与液压分配线分别与限压阀和比例阀相似，不同之处在于感载阀能够利用车身与车桥之间的距离变化(外界作用力)来改变阀门弹簧的预紧力，随着汽车载荷的变化，相应地进行调整，实现感载调节，使得在任何载荷条件下都能得到一个近似理想的制动力分配。

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页4.3.3感载阀感载限压阀压力分配线为：

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页4.3.3感载阀感载比例阀压力分配线为：

感载阀适用于质心位置随汽车载荷变化较大的汽车，特别是中、重型货车。这类汽车空载和满载下的理想制动管路压力分配曲线相差较大。

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页4.3.4惯性阀惯性阀是利用汽车制动减速度的变化对制动力调节作用的起始点压力进行调节的装置，也可以分为惯性限压阀和惯性比例阀两类，惯性限压阀、惯性比例阀的静特性分别与感载限压阀、感载比例阀相似，不同之处在于感载阀压力调节起始点的位置由控制弹簧预紧力决定，而惯性阀由安装角决定。制动力调节装置对提高附着系数利用率和减少制动抱死，提高制动时的稳定性起到一定作用。随着车速提高，对制动安全性要求越来越高，ABS系统在汽车上得到越来越广泛地应用。

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页4.4汽车防抱死制动系统4.4.1汽车ABS的功用4.4.2汽车ABS的组成4.4.3汽车ABS的工作原理4.4.4汽车ABS动力学模型

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页4.4.1汽车ABS的功用

(1)提高汽车行驶方向稳定性。因为汽车安装ABS后，可以有效地减少各种外界干扰力的影响。(2)保持汽车转向操纵能力。汽车在进行转向行驶时，需要通过偏转的转向车轮从路面获得足够的侧向力，如果转向车轮的侧向附着力不足以提供汽车转向所需的侧向力，此时即使转向车轮已经发生了偏转，汽车也不会按预定的方向行驶，汽车就丧失了转向操纵能力。如果在制动过程中防止汽车前轮被制动抱死，使其保持较大的侧向附着力，那么汽车在制动过程中就仍能保持转向操纵能力。

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页4.4.1汽车ABS的功用

(3)缩短制动距离。汽车的制动距离取决于制动过程中的平均减速度，ABS的使用使汽车能够充分有效地利用各个车轮的最大纵向附着力进行制动，从而使汽车能够在最短的距离内停车。(4)

ABS除了能够极大地改善汽车的行驶性能外，还能在很大程度上使驾驶员从驾驶员—汽车—环境的闭环系统中解脱出来，也使轮胎磨损大为减轻。

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页4.4.2汽车ABS的组成汽车ABS主要由车轮转速传感器、电子控制器和制动压力调节器等组成。

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页4.4.2汽车ABS的组成(1)车轮转速传感器，作用是获取车轮的转速并将其输送到ABS系统的电子控制器。目前应用最广泛的轮速传感器是电磁式转速传感器，它主要由电磁感应传感头和齿圈组成。其中电磁感应传感头一般固定安装在制动底部上，齿圈一般安装在轮毂上随车轮一起转动。传感器根据齿圈随车轮转动时齿顶和齿隙交替与传感头磁芯端部相对产生的交变电压信号的频率来反映车轮的转速。

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页4.4.2汽车ABS的组成(2)电子控制器，是汽车ABS系统地控制中心。它具有运算功能，能接收轮速传感器的交流信号计算出车轮速度、滑移率和车轮的加、减速度等。把这些信号加以分析，输出相应的控制指令到制动压力调节器对车轮制动压力进行调节。电子控制器还能对ABS系统进行监控，当ABS系统工作不正常时，它会自动停止ABS系统的工作并开启ABS报警灯提醒驾驶员，避免因ABS系统故障而造成误操作。

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页4.4.2汽车ABS的组成

(3)制动压力调节器，是汽车ABS系统的执行机构，它根据电子控制器的指令通过对电磁阀的开启和关闭来改变制动管路的通路，使制动压力管路内形成增压、减压和保压三种状态，调节制动力的强弱，使车轮的滑移率接近于最佳值。根据不同制动系统的类型，制动压力调节器可分为液压式、气压式以及空气液压加力式等。目前汽车上应用广泛的是液压制动系统，其制动压力调节器的主要元件是电动泵和液压控制阀。

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页4.4.3汽车ABS的工作原理当轮胎在路面上滑动时，将改变轮胎与路面之间的附着系数，因而也改变汽车的制动力。定义汽车制动时的车轮滑移率为：路面附着系数与车轮滑移率之间的关系曲线

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页4.4.3汽车ABS的工作原理汽车ABS的控制目标就是将车轮的滑移率控制在纵向峰值附着系数对应的滑移率附近，以获得较高的纵向和侧向附着系数，从而减小制动距离以保证汽车制动时的方向稳定性。最典型的角加、减速度门限值控制的汽车ABS是通过图所示的工作来实现控制目的。

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页4.4.4汽车ABS动力学模型汽车ABS动力学模型包括整车模型、轮胎模型和制动系统模型等。在建立汽车ABS动力学模型时，假设：（1）车轮载荷为常数；（2）忽略迎风阻力和车轮滚动阻力。汽车制动时，单个车轮的运动方程式为：

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页4.4.4汽车ABS动力学模型路面附着系数与车轮滑移率的关系曲线可写为为分析方便，制动器制动力矩可以表示为制动缸压力的函数，即

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页4.4.4汽车ABS动力学模型制动压力的动态特性为一个一阶系统，因为电磁阀的高切换频率，制动压力就像一个积分器，即微分值为常数，所以对制动力矩两边求导得

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页4.5汽车ABS的控制技术4.5.1汽车ABS的PID控制4.5.2汽车ABS的逻辑门限值控制4.5.3汽车ABS的滑模变结构控制4.5.4汽车ABS的最优控制4.5.5汽车ABS的模糊控制

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页4.5.1汽车ABS的PID控制PID控制器以制动时轮胎的目标滑移率为控制目标，通过轮速和车速传感器采集汽车速度、车轮转速信号，计算出汽车各车轮实际滑移率，再将实际滑移率与目标滑移率进行比较，得出二者的偏差，将其作为PID控制器的输入量，控制器输出控制量用以调节制动器制动压力的大小，在控制的过程中要不断地调整PID控制的各参数，从而调节制动力的大小，车轮受制动器不同制动力作用后，实际滑移率会发生相应的变化，通过反馈后，与目标滑移率的偏差也会发生了相应的变化，反复调节控制器的控制参数，最终使实际滑移率始终处于目标滑移率附近，汽车在目标滑移率所对应的地面制动力下进行制动，制动效果达到最佳。

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页4.5.1汽车ABS的PID控制图4.23是某一汽车ABS的PID串级控制简图。它有两个PID控制器和两个传感器，分内外环路，内环为压力控制，外环为滑移率控制。在不同的条件下，采用不同的PID参数。

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页4.5.1汽车ABS的PID控制用滑移率作为控制目标容易实现ABS的连续控制，从而提高ABS在制动过程中的平顺性，并最大限度地发挥它的制动性能。实现连续控制的最简单方法是PID控制，它简单实用，精度较好，但鲁棒性要差，自适应能力不强。

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页4.5.2汽车ABS的逻辑门限值控制逻辑门限值控制技术较为成熟，应用也比较广泛。它的特点是不需要建立具体的系统数学模型，并且对系统的非线性控制很有效，比较适合于汽车ABS的控制，是现有ABS产品普遍采用的一种控制算法。逻辑门限值控制的基本原理是根据设定的门限值调节轮缸制动压力的大小，从而实现对车轮速度的调节。汽车ABS系统防抱逻辑门限值的选择有三种，即以滑移率作为防抱逻辑门限值、以车轮角加速度作为防抱逻辑门限值、以角加速度和滑移率共同作为逻辑门限值。逻辑门限值是根据所用的车型和路面特性在反复试验的基础上确定的，它隐含了系统模型与路面特性的依赖关系。

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页1．汽车ABS逻辑门限值控制基本原理

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页2.高附着系数路面上的汽车ABS逻辑门限值控制过程

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页3.低附着系数路面上的汽车ABS逻辑门限值控制过程

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页4.对接路面上的汽车ABS逻辑门限值控制过程对接路面就是从高附着系数路面跃变到低附着系数路面或者从低附着系数路面跃变到高附着系数路面。对接路面上的汽车ABS逻辑门限控制算法要把单一路面的控制算法和路面识别算法结合起来运用。运用逻辑门限的路面识别方法一旦发现路面发生变化，就按照将要行驶的路面的控制规律进行控制。也就是说，当电子装置监测到加速度第2门限信号时，即可判定路面的附着系数出现了由小到大的跃变，随后将按照高附着系数路面特性确定控制逻辑；当电子装置监测到滑移率下门限信号时，即可判定路面得附着系数出现了由大到小的跃变，随后将按照低附着系数路面特性确定控制逻辑。

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页5.对开路面的控制原则对开路面是指汽车左右两个车轮在不同附着系数路面行驶。对开路面的控制原则主要有就高原则、就低原则、修正控制原则和独立控制原则。就高原则就是当系统识别出汽车正处于对开路面，系统选用高附着系数路面的参数来同时控制左右两轮，让左右两轮的制动器同步增压、减压和保压。这种方法的优点是能够充分发挥高附着系数路面的地面制动力，缺点在于处于低附着系数路面的车轮很容易抱死。就低原则就是当系统识别出汽车正处于对开路面，系统选用小低附着系数路面的参数来同时控制左右两轮，让左右两轮的制动器同步增压、减压和保压。这种方法的优点是防抱制动系统工作稳定，一般不会出现车轮抱死现象；缺点在于处在高附着系数路面的车轮不能够充分发挥地面制动力，制动距离容易偏长。

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页5.对开路面的控制原则修正控制原则类似于把就高原则和就低原则适当地折中处理，稍微偏向于就低原则，当处于低附着系数路面的一边增压时，高附着系数路面的一边也增压；当处于低附着系数路面的一边减压时，高附着系数路面的一边减一部分压，然后保压；当处于低附着系数路面的一边保压时，高附着系数路面的一边也保压。这种方法的优点是综合了就高原则和就低原则的优点，减弱了两种原则的缺点；缺点是算法复杂，编写程序困难，对CPU的实时运算要求比较高。独立控制原则就是对于高附着系数路面的车轮运用高附着系数参数控制，对于低附着系数路面的车轮运用低附着系数参数控制。这种方法虽然没有修正控制原则那样好，但简单易行，也不会出现低附着系数路面车轮抱死现象。

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页4.5.2汽车ABS的逻辑门限值控制

综上所述，逻辑门限控制就是把车轮的加速度分为三个加速度门限值，再辅之以车轮滑移率门限值。在由下降信号切换到保压阶段，在规定的时间间隔里监测可能出现的几种门限信号作为识别路面特性的依据。再根据识别结果，分别采用不同的控制逻辑，确保防抱死制动系统对路面状况的跟踪性能，在各种路面条件都能取得最佳的制动效果。常用的逻辑门限值控制方式是采用对控制量进行条件判断，主要判断条件有两个：预选条件（简称P条件）和复选条件（简称R条件）。预选条件是判断车轮是否有抱死倾向的条件，而复选条件则是判断车轮是否避免了抱死倾向。如果P条件满足，表明车轮趋于抱死，ABS将降低制动压力以增加车轮转速。当R条件满足时，表明车轮避免了抱死倾向，ABS将重施制动压力，使车轮的滑移率始终保持在目标值附近。

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页4.5.2汽车ABS的逻辑门限值控制

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页4.5.2汽车ABS的逻辑门限值控制汽车ABS的逻辑门限值控制，门限值的选择非常重要，若门限值选择恰当，ABS系统就可以发挥其作用，在车轮将要抱死时降低制动系统压力，而避免了抱死时又增加制动系统压力，以降低车速；若门限值选择不当，车轮的实际运动工况与P、R边界满足条件不同，则ABS系统很可能起不到防抱制动的目的或者制动效果不佳。

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页4.5.3汽车ABS的滑模变结构控制滑模变结构控制本质上分为两个部分，一部分是在滑模面上的基于制动模型的近似控制，这相当于系统的连续控制，有利于消除系统的抖动；另一部分是在达到滑移面之前的控制，可以保证物理滑模系统的相轨迹达到滑移面。在运用滑模变结构控制方法时，首先要选择控制切换函数和控制变量，以满足可达条件，并能够实现系统的滑模控制。

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1．切换函数选择切换函数可选为:假设路况不变，则切换函数可选为:

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页2．控制变量确定为保证车轮在制动过程中，轮胎相对于地面的滑移状态相轨迹能够沿切换线滑向控制设计目标，选取制动力矩为控制变量，对制动力矩进行不连续开关控制：控制变量的选择应满足滑模控制的可达条件，即：

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页2．控制变量确定

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页3．参数的选取

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页4．滑模控制系统实现滑模控制系统由受控对象和一个变结构控制器组成。控制器中含有一个逻辑环节，它操纵控制器结构的变更。在组成实际系统中，采用加权最小二乘法估计，对路况进行识别。根据路况确定出目标滑移率。电磁阀是通断式的，用脉宽调制实现制动力比例控制。滑模控制需要同时测量车轮轴线速度及转速，并计算滑移率及其随时间的变化。依据来自传感器的信息，就可得知切换函数是大于零还是小于零。然后通过逻辑环节，控制变量。

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页4.5.4汽车ABS的最优控制最优控制是一种基于状态空间法的现代控制理论方法，它的控制需要知道被控对象的数学模型。在汽车ABS控制应用中，其基本思想是依据ABS控制的各项指标，按最优化原理求得ABS控制系统的最优控制指标。ABS最优控制的实质是在汽车制动过程中，选择一个表征过程的目标函数，然后确定一个最优控制函数，让目标函数达到其极大值或极小值，使ABS在汽车制动过程中以最优的方式进行工作。一般取车轮角速度和角加速度作为ABS的状态变量，把附着系数和滑移率的关系曲线峰值处的车轮速度作为系统的期望值输出，设计跟踪系统，使系统实现闭环控制。

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页4.5.4汽车ABS的最优控制假设地面制动力与附着系数成线性关系，由汽车ABS系统动力学方程得：

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页4.5.4汽车ABS的最优控制用车轮的速度和加速度代替车轮角速度和角加速度，即：

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页4.5.4汽车ABS的最优控制将峰值车轮速度作为系统的期望值输出，由于它在制动过程中是随时间变化的，所以需要设计跟踪系统，使系统实际输出的是跟踪期望值，于是可将跟踪输出器设计成二阶积分的形式，即

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页4.5.4汽车ABS的最优控制选取状态变量为：系统状态方程：

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页4.5.4汽车ABS的最优控制用现代控制理论的方法设计汽车ABS，实质上就是设计一个最优控制系统，使其在防抱的全过程中能预报出一种控制函数，使ABS在防抱过程中以最优的方式工作，使预先设定的目标函数达到最小值。为了使液压或气压控制系统消耗的能量最小，并使实际输出与期望输出的偏差最小，选择具有二次型的目标函数，即由最优控制理论可求控制向量的最佳值

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页4.5.4汽车ABS的最优控制

由黎卡提方程求得

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页4.5.4汽车ABS的最优控制对于线性状态方程的性能指标为状态变量和控制变量的二次型函数的最优控制问题，一般称为线性自动调节问题。在设计汽车ABS时，必须对控制规律进行计算。虽然对于不同的布置形式，其控制矩阵的形式是不相同的，但系统矩阵都具有相同的形式，其元素可由汽车及轮胎的结构参数和峰值附着系数来确定。

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页4.5.5汽车ABS的模糊控制汽车ABS模糊控制原理如图所示。模糊控制器接收从传感器送来的轮速、车速等信号，通过模糊推理，做出判断，把命令再送到执行器，即制动器执行，控制制动压力，把滑移率控制在目标滑移率附近。

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页4.5.5汽车ABS的模糊控制汽车ABS的模糊控制有多种控制方法，基于车轮加减速度门限值的ABS模糊控制系统就是常见的一种。汽车ABS模糊控制系统由模糊控制器和受控对象组成，模糊控制器的输入变量有3个，分别是车轮加减速度及其变化率、车轮的参考滑移率；系统的输出变量是1个，为制动压力变化量。系统根据3个输入变量对车轮的运动状况做出判断，以提高汽车制动防抱死效果。

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页4.5.5汽车ABS的模糊控制车轮加减速度的模糊语言变量为：负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)；车轮加减速度变化率的模糊语言变化量为：负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)；参考滑移率的模糊语言变化量为：零(ZO)、正大(PB)。制动压力变化量的模糊语言变量为：负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。

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页4.5.5汽车ABS的模糊控制

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页4.5.5汽车ABS的模糊控制

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页4.5.5汽车ABS的模糊控制利用MATLAB的FuzzyLogicToolbox工具箱，将数学模型转换成基于TakagiSugeno推理方式的仿真模型，加入SimulinkFuzzyController模块作为模糊控制模块，就可以建立汽车ABS模糊控制仿真模型，进行制动过程仿真分析。

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页4.6汽车ABS/ASR的集成控制系统4.6.1汽车ASB/ASR集成控制系统的组成4.6.2汽车ABS/ASR集成系统控制逻辑4.6.3汽车ABS/ASR集成系统的模糊控制4.6.4汽车ABS/ASR集成控制系统仿真

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页4.6.1汽车ASB/ASR集成控制系统的组成汽车ABS/ASR集成控制系统主要由轮速传感器、电子加速踏板及其传感器、电子节气门及其传感器、集成系统控制器（ECU）和集成系统压力调节器等组成。集成系统控制器根据轮速信号、制动踏板信号、电子加速踏板信号以及电子节气门开度信号等，判断当前汽车与车轮的运动状态，进而根据当前的工况启动ABS或者ASR功能，通过调节系统压力，对汽车和车轮的运动状态进行控制。

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页4.6.2汽车ABS/ASR集成系统控制逻辑汽车ABS/ASR集成控制系统不是把ABS和ASR子系统简单地叠加，而是把它们有机地融合，同时要保证系统按照具体的行驶工况可靠运行。在设计汽车ABS/ASR集成系统时，必须建立控制优先级判断逻辑。

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页1．总体控制逻辑汽车起动后，ABS/ASR集成系统根据采集到的制动信号和轮速信号等，判断当前汽车的行驶状态。当踩下制动踏板时，集成系统控制器根据采集到的信号通过计算分析判断是进行常规制动还是调用ABS子程序。当踩下电子加速踏板且车速小于某一车速（如40km/h）时，集成系统控制器根据采集到的信号计算分析判断是节气门跟随控制还是调用ASR子程序；当踩下电子加速踏板且车速大于40km/h时，认为汽车具有足够的加速能力，只进行节气门跟随控制。

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页2．制动操作优先级设置汽车ABS/ASR集成系统对驾驶员的各种操作均会做出合理和迅速的响应。为了提高汽车的行驶安全性能，在控制逻辑中将制动操作的优先级设置为最高。当驾驶员踩下制动踏板时，系统能够及时退出当前的控制，对制动操作做出响应，即使同时踩下电子加速踏板仍然可以正常制动，从而避免由于驾驶员误操作造成的汽车不能正常制动。

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页3．制动工况控制汽车进行常规制动时，制动力由驾驶员通过制动踏板控制。汽车进行紧急制动时，集成系统控制器根据采集到的信号计算分析后启动ABS子程序，ABS开始起作用，ABS根据不同的控制方法执行不同的控制操作，通过调节制动轮缸的压力，保证车轮的滑移率控制在目标滑移率附近，发挥最佳制动性能。

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页4．驱动工况控制汽车加速行驶时，如果驱动轮未发生滑转，集成系统调用节气门跟随控制子系统，根据驾驶员的意图控制节气门开度。如果驱动轮发生滑转，则调用ASR子系统。ASR系统根据不同的控制方法执行不同的控制操作，一般是通过调节发动机输出转矩或驱动轮制动力矩，保证驱动轮滑转率维持在最佳范围内，以获得最好的驱动效果。一般ASR的控制分为行驶加速ASR控制和起步加速ASR控制，当ASR参考车速小于7.5km/h时，采用起步加速控制；当ASR参考车速大于7.5km/h且小于40km/h时，则采用行驶加速控制。

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页4.6.2汽车ABS/ASR集成系统控制逻辑在两种控制模式下，ASR子系统会根据两侧驱动轮滑转程度的差异判断汽车行驶在单一附着系数路面还是不同附着系数路面。在单一附着系数路面上，ASR子系统通过节气门调节发动机的输出转矩，控制驱动轮过度滑转；在不同附着系数路面上，ASR子系统通过对滑转侧驱动轮施加制动的措施增加另一侧驱动轮的驱动力，从而提高汽车的驱动能力。当ASR参考车速大于40km/h时，则认为驱动轮能够提供足够的驱动力，集成系统此时根据驾驶员的意志进行节气门跟随控制。

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页4.6.3汽车ABS/ASR集成系统的模糊控制汽车ABS/ASR集成系统的模糊控制关键是模糊控制器的设计。1．汽车ABS/ASR集成系统驱动模糊控制器设计汽车ABS/ASR集成控制系统能够控制汽车驱动时车轮出现的滑转，这里主要介绍通过发动机油门开度调节发动机输出转矩的方法。模糊控制器采用单变量二维模糊控制器，输入变量有2个，分别是驱动轮滑转率偏差和偏差变化率；输出变量有1个，是油门控制量。

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页4.6.3汽车ABS/ASR集成系统的模糊控制由于车轮滑转率的变化范围是[0，1]，取目标滑转率值为0.2，则滑转率偏差的变化范围[-0.2，0.8]，其模糊论域为[-2，8]，滑转率的偏差比较理想的情况是取值在“零”附近，所以偏差的隶属度函数采用灵敏度较高的三角形函数，变量的等级为六级，模糊语言变量为：负大(NB)、负中(NM)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，其隶属度函数如图所示。

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页4.6.3汽车ABS/ASR集成系统的模糊控制车轮滑转率偏差变化率变化范围是[-10，10]，其模糊论域为[-6，6]，同样取的隶属度函数采用灵敏度较高的三角形函数，变量的等级是七级，模糊语言变量是负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，隶属度函数如图所示。

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页4.6.3汽车ABS/ASR集成系统的模糊控制油门控制量的模糊论域是[-1，1]，其隶属度函数采用灵敏度较高的三角函数，语言变量的等级是五级，分别为负大(NB)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正大(PB)，隶属度函数如图所示。

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页4.6.3汽车ABS/ASR集成系统的模糊控制油门控制量输出曲面如图所示。

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页4.6.3汽车ABS/ASR集成系统的模糊控制

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页2．汽车ABS/ASR集成系统制动模糊控制器设计汽车的制动控制是基于滑移率的偏差及偏差的变化率，采用参数自整定模糊PID控制方法。模糊控制器输入变量有2个，分别是车轮滑移率偏差和偏差变化率；输出变量有3个，分别是PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。车轮滑移率偏差及偏差变化率的模糊论域均为[-6，6]，隶属度函数采用灵敏度较高的三角形函数，变量的等级为七级，模糊语言变量为：负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，隶属度函数如图所示。

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页2．汽车ABS/ASR集成系统制动模糊控制器设计

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页2．汽车ABS/ASR集成系统制动模糊控制器设计输出量的模糊论域均为[0，4]，隶属度函数同样采用灵敏度较高的三角形函数，语言变量的等级为四级，模糊语言变量为：零(Z)、小(S)、中(M)、大(B)，它们的隶属度函数相同，如图所示。

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页2．汽车ABS/ASR集成系统制动模糊控制器设计输出量的输出曲面如图所示。

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页2．汽车ABS/ASR集成系统制动模糊控制器设计根据PID三个参数的自整定原则，结合对汽车ABS特性和控制的一些实际经验，可以建立针对三个参数分别整定的模糊控制规则表

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页4.6.4汽车ABS/ASR集成控制系统仿真1.制动工况下仿真分析当汽车处于制动工况时，可选取四分之一汽车模型，基于Matlab/simulink单轮汽车仿真模型如图所示。

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页4.6.4汽车ABS/ASR集成控制系统仿真仿真条件：附着系数约为0.8，初始车速为20m/s，目标滑移率为0.2。仿真结果：如图4.40所示集成控制系统参与制动调节时汽车行驶状况，当系统参与调节时，在很短时间内就起到作用，并最终使滑移率维持在0.2，车速和轮速越来越接近，在汽车制动时，消除了车轮抱死的情况，制动距离比较理想。

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页4.6.4汽车ABS/ASR集成控制系统仿真

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页4.6.4汽车ABS/ASR集成控制系统仿真如图4.41所示防滑控制系统未参与制动时汽车行驶状况，当没有系统控制时，车轮在接近1.3s时就抱死，车速和轮速减小趋势比较大，剩余时间则为车轮抱死，车轮滑移状态，应该是危险的状况。

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页4.6.4汽车ABS/ASR集成控制系统仿真仿真条件：附着系数约为0.1，初始车速10m/s。目标滑移率为0.1。仿真结果：如图4.42所示为集成控制系统参与制动调节时汽车运行状况，当系统参与调节时，在很短时间内就起到作用，并最终使滑移率维持在0.1，车速和轮速越来越接近，在汽车制动时，消除了车轮抱死的情况，避免出现危险工况，制动距离比较理想。

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页4.6.4汽车ABS/ASR集成控制系统仿真

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2.驱动工况下仿真分析汽车直线行驶时驱动模型。

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2.驱动工况下仿真分析通过控制油门开度大小调节发动机的输出转矩来调节传递到驱动轮上的转矩，以控制汽车的滑转率，达到汽车稳定行驶的目的。仿真条件：附着系数约为0.1，油门开度100%，初始车速1.5m/s。如图4.44所示为低附着系数路面汽车行驶状况。仿真结果：在1.2s时，滑转