ABS逻辑门限值自调整控制方法研究与试验验证_王伟达

机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERING第46卷第22期2010年11月Vol.46No.22Nov.2010DOI：10.3901/JME.2010.22.090ABS逻辑门限值自调整控制方法研究与试验验证*王伟达1丁能根2张为2余贵珍2徐向阳2(1.北京理工大学机械与车辆学院北京100081；2.北京航空航天大学交通科学与工程学院北京100191)摘要：自主研发防抱死制动系统(Anti-lockbrakingsystem,ABS)是掌握车辆底盘动力学主动控制技术的基础。依照广泛的道路试验数据和目前产业化ABS普遍采用的逻辑门限值控制方法，结合试验数据分析各门限值对防抱死控制效果的影响，从而确立门限值标定与调整的基本原则。在此基础上，借鉴自适应控制中的自校正调节器思想，提出一种逻辑门限值自调整算法，依据有限的轮速传感器信号在线辨识当前路面的最佳制动滑移率与计算参考车速，根据车轮滑移率与最佳滑移率的偏差自动调整各主要门限值，以达到最佳的制动控制。通过在各种工况下的道路试验标定了控制参数，验证了该方法的控制效果。试验结果表明，提出的门限值自调整方法克服了不同路面附着系数、车速、载荷诸因素对防抱死控制的影响，实现了在各典型工况都较优的ABS控制。开发的ABS系统具有较好的控制效果，满足了开发要求，为ABS产业化提供了前提。关键词：逻辑门限值自校正调节器试验验证中图分类号：U461.1ResearchandVerificationoftheLogicThresholdSelf-adjustingControlMethodforABSWANGWeida1DINGNenggen2ZHANGWei2YUGuizhen2XUXiangyang2(1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081;2.SchoolofTransportationScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191)Abstract：Independentlydevelopinganti-lockbrakingsystem(ABS)isthebasisofmasteringtheactivedynamiccontroltechnologyofvehiclechassis.AccordingtotheexperimentaldataandthelogicthresholdcontrolmethodwidelyusedintheindustrialABS,theimpactonABScontrolofeverylogicthresholdisanalyzedandthebasicrulesofcalibratingthelogicthresholdsisestablished.Byborrowingtheideafromtheself-tuningregulatorinadaptivecontrol,alogicthresholdself-adjustingalgorithmispresented.Thealgorithmidentifiestheoptimalbrakeslipratiooftheroadandcalculatesthereferencespeedon-line.Themainlogicthresholdsareadjustedautomaticallyaccordingtotheerrorbetweenthewheelslipratioandtheoptimalslipratioinordertoimprovethecontrolperformance.Thecontrolparametersarecalibratedandthecontrolperformanceoftheself-adjustingalgorithmisverifiedbyroadtestsundervariousconditions.Thetestresultsindicatethatthepresentedlogicthresholdself-adjustingalgorithmovercomestheinfluenceofdifferentfactors,suchasroadadhesioncoefficient,speedandload,ontheABS,therebytheoptimalABScontrolundereveryconditionisrealized.ThedevelopedABShasgoodcontroleffectandmeetsthedevelopmentrequirement.ItprovidesafoundationforABSindustrialization.Keywords：LogicthresholdsSelf-tuningregulatorRoadtests0前言汽车制动防抱死系统(Anti-lockbrakingsystem，ABS)能显著改善车辆制动过程中的制动性、稳定性和可操作性，减少紧急制动时的甩尾和不能转向导*国家高技术研究发展计划(863计划，2009AA11Z216)和国家自然科学基金(50908008)资助项目。20091210收到初稿，20100628收到修改稿致的交通事故，目前得到了广泛的应用。国外经过几十年的研究与产业化生产，ABS技术已经相当成熟，并衍生出一系列更高级的动力学控制系统。在我国汽车安全已引起了国家的高度重视，自主研发ABS是掌握车辆底盘动力学主动控制技术的基础，并且具有广泛的市场前景，所以国内也开展了大量的研究与开发工作。清华大学、北京理工大学、吉林大学、江苏大学和北京航空航天大学等在技术追月2010年11月王伟达等：ABS逻辑门限值自调整控制方法研究与试验验证91踪、系统建模、策略研究及实车试验方面取得了丰富的成果[1-3]；一些自主品牌的ABS生产厂家如科密、博华、正昌等，在产业化方面处于国内领先地位。控制方法集中在逻辑门限值方法，配套车型主要为采用气压制动系的商用车。纵览国内外ABS控制方法研究的现状[4-6]，虽然关于基于滑移率的控制方法(如最优控制、滑模变结构控制、鲁棒控制和模糊控制等)论述较多，但是在实际应用这些控制算法时常常难以对路面条件和制动工况做出准确的识别，依靠模型对某些参数进行计算导致计算量过大，而不依赖试验知识则难以克服非线性动力学特性对汽车控制效果的影响。因此，这些控制方法离实用尚有一定的距离，逻辑门限值控制方法依然是产业化ABS的主流，开展对应用于ABS的Bosch逻辑深入细致的分析研究具有重要的工程价值。同时，根据道路试验情况提出对Bosch逻辑的改进，对于提升ABS控制水平、推动国内的产业化开发具有重要意义。本文基于Bosch逻辑门限值控制方法，结合实车试验数据分析了各主要门限值取值范围确定和对ABS控制效果的影响。研究了ABS的关键算法——最佳制动滑移率自动识别与参考车速计算方法，提出了一种逻辑门限值自调整的策略，来改善门限值控制效果。开发了发动机控制器(Enginecontrolunit,ECU)，进行了控制参数实车标定，完成了ABS系统的开发与试验。1各门限值影响分析Bosch逻辑门限值控制方法[7]采用的门限值主要有车轮角减速度门限1w、车轮角加速度门限2w、车轮角加速度第二门限kw以及参考滑移率第一门限1S和第二门限2S。压力的调节方式主要为增压、减压、保压、阶梯增压和阶梯减压，采用何种调节方式则由门限值决定。ABS匹配试验主要调整的参数除了上述5个门限值外，还包括阶梯增压控制的增压时间常数和保压时间常数、阶梯减压控制的减压时间常数和保压时间常数等。ABS控制器的标定过程也主要针对这些门限值进行。辨别各门限值对控制效果的影响规律及影响程度，对标定试验的效率及人力、物力、时间成本具有决定性意义。所以，本文首先结合门限值理论与自主开发的ABS在一汽某SUV试验样车上的试验结果，分析各门限值对控制过程的影响。一个典型ABS逻辑门限值控制循环的基本过程如下[7]：车辆紧急制动时，轮缸制动压力迅速升高，车轮经过一定延迟时间后，轮速开始迅速下降，角加速度为负，且绝对值越来越大。当车轮角加速度低于1w门限时，ABS开始介入控制。为使车辆避免在稳定区域内进入减压阶段，这时还要比较滑移率。如果滑移率低于1S，说明滑移率还偏小，进入保压，以使车轮充分制动；否则说明车轮已进入峰值附着系数附近的不稳定区域，开始减压。由于减压，车轮角加速度开始回升，高于1w门限时，进入保压。由于惯性及当前制动压力水平偏低，轮速会继续回升，直至角加速度超过2w门限。在给定的保压时间内，如果角加速度不能超过2w，则属于低附着路面情况；如果超过2w，则继续保压，此时会出现两种情况：一是角加速度超过kw，则需要进行一次增压，直至角加速度低于2w；二是角加速度再次低于2w，这时车轮处于峰值附着系数的稳定区域，并稍有制动不足。两种情况最后都可低于2w，且附着系数比较大，为使在这一区域内的时间尽量延长，因此采用阶梯增压方式，直到角加速度门限再次低于1w。在低附着路面，角加速度无法恢复到2w时，为使系统稳定，采取阶梯减压，直到角加速度超过2w。典型ABS控制过程如图1所示。图1典型ABS控制过程示意图v——汽车实际速度Rv——汽车参考速度v′——轮速1w决定系统进入减压或保压的时刻，其数值对于车轮是否抱死及最大滑移率值影响非常大，所以机械工程学报第46卷第22期期92它是ABS最重要的门限值。1w必须大于惯量车轮在高附着路面达到峰值附着系数时车轮的减速度，同时小于惯量车轮在低附着路面达到峰值附着系数时车轮的减速度[8]。1w值偏大，车轮制动压力偏高，车轮滑移率偏大增加轮胎磨损，也可能降低路面利用附着系数，低速时车轮很容易抱死；1w门限值偏小时，系统介入减压或保压时间过早，导致车轮制动压力偏低，车轮滑移率较小，影响路面附着系数实际利用率，而且1w门限过小还会因为路面不平和轮速传感器噪声导致误控制动作，或导致系统进行频繁的增、减压。1w对ABS控制的影响如图2、3所示。1w值受路面附着系数的影响很大，在其他情况相同时，高附着路面应具有较大的1w门限，而低附着路面应具有较小的1w门限。不同车辆、不同轴荷、车轮转动惯量及制动系统的特性都会对其数值造成一定的影响。由于ABS工作的路况复杂多变，其数值必须根据情况进行自动调整，否则将降低ABS系统的控制品质。图21w门限值偏大的ABS控制曲线图31w门限值偏小的ABS控制曲线2w决定阶梯增压开始的时刻，它和阶梯增压时间常数一起，决定着车轮滑移率能否较长时间保持在最佳滑移率附近，对路面附着系数利用率和制动减速度均匀性有至关重要的影响。如果2w值偏大，可能会使系统较早地进入阶梯增压，导致整体滑移率偏大，系统还可能频繁地进行增、减压，影响制动平顺性；如果门限过大，则可能导致完全相反的情况，即车轮角加速度无法达到这一门限值而不能完成控制状态切换，此时车辆可能出现失控，导致轮速一直处于恢复状态，车辆失去制动力。门限值匹配的困难程度，由此也可见一斑。如果2w偏小，则进入阶梯增压的时间拖后，影响整体的压力水平，使制动强度降低，整个制动过程控制循环较少。2w对ABS控制的影响如图4、5所示。图42w门限值偏大的ABS控制曲线图52w门限值偏小的ABS控制曲线kw决定在减压和保压完成后是否进行增压。当kw门限值偏大时，系统经过减压后，压力下降很多，车轮角加速度达不到kw门限，则在较低压力水平长时间保压，这样会导致车轮滑移率偏低，影响附着系数的利用率，严重时导致车辆制动力不足，而且在路面附着系数较高时轮速因为惯性迅速变大，甚至超过车速，图6曲线清楚地说明了这一点，而且在轮速再次下降时还可能导致一系列的误操作；如果kw值偏