现代汽车系统控制技术第五章

1第5章汽车防抱死制动系统25.1概述汽车ABS可以在汽车制动过程中自动控制和调节车轮制动力，防止制动过程中汽车车轮“抱死”，保持最大的车轮附着系数，从而得到最佳制动效果，即最短的制动距离、最小的侧向滑移及最好的制动转向性能。35.1.1汽车ABS的功用汽车ABS具有以下功用：(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。4(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。55.1.2汽车ABS的组成汽车ABS结构简图65.1.3汽车ABS的分类1．按ABS的结构及原理分类1)液压ABS2)气压ABS3)气顶液ABS2．按控制方式分类目前ABS采用的控制方式可分为两种：模仿控制方式和预测控制方式。3．按ABS的布置形式分类ABS的布置形式是指轮速传感器的数量、制动压力调节器的通道数和对各车轮制动器制动压力的控制方式。75.1.4汽车ABS的发展汽车ABS技术将向以下几方面发展：(1)ABS与ASR(驱动防滑系统)的一体化。ABS和ASR的组合装置目前已投入生产，安装在部分高级轿车上。ABS以防止车轮抱死为目的，而ASR是防止车轮空转。从另一方面来看，ABS是为了缓解制动，而ASR是为了施加制动。(2)ABS与电子全控式(或半控式)悬架、电子控制四轮转向、电子控制液压转向、电子控制自动变速器等行驶系统和动力传动系统的组合一体化，汽车行驶系统之所以采用电子控制，是因为传感技术的高度发展和车用高速数字通信系统已达到实用化程度，把这些系统和ABS组合起来，可以使汽车的运动优化到最佳状态。8(3)ABS与自动制动器组合一体化。自动制动器的作用是测出前方的障碍物，自动地施加制动，避免车祸发生，与ABS组合起来能进一步提高汽车行驶安全性。(4)减小体积，减小质量。为了提高汽车的安全性能，增加了一些装置，汽车的质量也随之增加，对燃油经济性不利。所以新增设的各种装置必须在保证安全的前提下，尽量地减小质量。另外，无论是大型车还是小型车，发动机的安装空间都是非常紧凑的，因此也要求ABS的控制器体积尽可能的小。95.2汽车ABS的工作原理和动力学模型5.2.1汽车ABS的基本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。定义轮胎与路面间的水平纵向滑移率为1/RV105.2.2汽车ABS动力学模型车轮模型图115.3汽车ABS的控制技术1．逻辑门限值控制根据防抱逻辑门限值的选择，即根据什么参数来控制车轮的滑移率在20%左右，可分为三种控制方式。2．滑模控制滑模变结构控制属于一类特殊的非线性控制系统。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，以理想开关的方式切换控制量的大小和符号，使系统在滑移曲线很小的领域内沿滑移换节曲线滑动的控制方式。123．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，实施成本较高。4．最优控制最优控制是一种基于模型的分析型控制系统，它根据ABS的各项控制要求，按最优化原理求得控制系统的最优控制指标。5．模糊控制模糊控制ABS采用类似人脑的模糊推理方法，遵循一定的控制规则，结合实际经验，对系统进行动态调控。135.4汽车ABS控制汽车ABS控制方法较多，许多古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论都在汽车ABS控制中有所应用。145.4.1汽车ABS的逻辑门限值控制1．预选条件和复选条件预选条件(简称P条件)是判断车轮是否有抱死倾向的条件，而复选条件(简称R条件)则是判断车轮是否避免了抱死倾向。2．预选边界和复选边界可以用和在相平面上表示P条件和R条件，将和用下式表示bM1/VRbb/FRMI153．共扼预选和复选边界当ABS的相轨迹满足一定的物理条件时，在P、R边界的作用下将形成一种封闭的相轨迹，即为极限环。4．设计实例及分析用共扼边界法对于一些P条件和R条件的组合进行设计并仿真其控制结果。对于每一个R条件用不同的P条件与之组合，通过仿真结果可以验证极限环在峰值附近的存在性，稳定极限环的收敛性，以及为产生稳定极限环选择阈值的方便性。165.4.2汽车ABS的滑模控制1．滑模控制方法以单输入、单输出动态系统为例说明滑模控制方法。对于一个典型的可控非线性系统2．汽车ABS的滑模控制1)切换函数选择2)控制变量确定3)参数的选取4)滑模控制系统实现1C12nxtxtxtfxtgxtutdt175.4.3汽车ABS的最优控制在设计汽车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运行情况和峰值附着系数来确定。185.4.4汽车ABS的模糊控制1．概述汽车ABS是非线性系统，基于模型的控制方法很难有好的控制效果。实用中的ABS产品多是基于经验的逻辑门限值控制方法，此种方法需要大量道路试验摸索控制规律。基于现代控制理论的ABS，多数处于理论研究和试验阶段，如何寻找一种有效的控制方法是ABS发展的关键。2．输入输出语言变量的确定本模糊控制模型需要六个独立的语言变量驱动控制器。它们是防抱状态、阀状态、压力、速度极限、时间极限和状态改变。193．模糊规则库从逻辑门限值和滑移率变化控制规则可以总结出两个独立的模糊规则库。采用两个模糊控制器的串联来实现模糊控制的全过程。4．仿真结果分析应用MATLAB，对某汽车ABS进行了仿真。仿真所需参数如下：单个车轮上的汽车质量=300kg，车轮的转动惯量=2.16kgm2，车轮的滚动半径=0.3m，制动力矩的变化率=5692N·m/s，汽车的初始速度=25m/s。mIRiUV