汽车防抱死制动系统的最优控制

汽车防抱死制动系统的自寻最优控制摘要随着汽车行驶速度的提高,以及道路行车密度的增大,对汽车行驶的安全性要求也越来越高。特别是在低附着系数的路面或干湿混合路面上,制动时车轮打滑严重,不仅系统效率低,且容易使汽车丧失方向稳定性,汽车防抱死制动系统就是在这种情况下产生和发展起来的。汽车防抱死制动系统是汽车重要的主动安全装置之一,其控制目标是使车轮在获得最佳制动效率的同时又不会抱死,使汽车能够在制动过程中保持良好的方向稳定性。其控制系统设计的基本思想是在制动过程中自动控制和调节制动力矩的大小,当车轮将要抱死时降低制动力,而当车轮不会抱死时,又增加制动力,如此反复动作,使轮胎与路面间的纵向和侧向附着系数控制在其峰值附近,防止车轮抱死,进而消除制动过程中的侧滑、跑偏、丧失转向能力等非稳定状态,以获得良好的制动性能、操纵性能和稳定性能。针对汽车防抱死制动系统中路况经常变化的特殊性,提出了将最优控制策略应用到防抱死控制中.构建了防抱死制动系统和制动时车辆动力学模型,设计了依据制动力矩和附着力矩变化量符号改变来调节制动力矩的自寻最优控制器.仿真结果验证,自寻最优控制可以自动搜寻到最佳滑移率,并使系统在最佳滑移率附近工作,达到最佳制动效果.本文为汽车制动性能的研究提供了有效可行的防抱死控制策略.关键词:防抱死制动系统;最优控制;制动力矩1.汽车防抱死制动系统汽车防抱死制动系统是汽车重要的主动安全装置之一,其控制目标是使车轮在获得最佳制动效率的同时又不会抱死,使汽车能够在制动过程中保持良好的方向稳定性。其控制系统设计的基本思想是在制动过程中自动控制和调节制动力矩的大小,当车轮将要抱死时降低制动力,而当车轮不会抱死时,又增加制动力,如此反复动作,使轮胎与路面间的纵向和侧向附着系数控制在其峰值附近,防止车轮抱死,进而消除制动过程中的侧滑、跑偏、丧失转向能力等非稳定状态,以获得良好的制动性能、操纵性能和稳定性能。汽车防抱死制动系统是在常规制动系统基础上,增设一个电子控制系统而构成的,它由轮速传感器、电子控制单元、制动力矩调节器等构成,其结构图图1所示.图1汽车防抱死制动系统的结构图在制动过程中,当车轮尚未抱死时,制动过程与常规制动完全相同.只有当车轮趋于抱死时,电子控制单元根据接收到的轮速和控制信号,计算出汽车的车速和滑移率,并按一定的控制策略制定调节制动力矩的指令信号,驱动制动压力调节器中的电磁阀和回液泵电机工作,使制动力矩升高、保持或降低，实现制动力矩自动调节.汽车防抱死制动系统就是通过自动调节制动力矩,使车轮滑移率保持在理想滑移率附近的狭小范围内,每个车轮尽可能获得较大的地面制动力,防止紧急制动时车轮抱死滑移,从而获得最佳制动效能.制动力矩与车速、滑移率等参数的关系,可以从汽车的动力学方程中得到.根据达朗伯原理,对四分之一车体在行驶方向和车轮绕主轴方向两个自由度建立动力学方程,考虑制动时,发动机力矩Te为零,可得到简化的车辆动力学方程为和车轮绕主轴方向两个自由度建立动力学方程,考虑制动时,发动机力矩Te为零,可得到简化的车辆动力学方程为xmvF（1）xbgbIFRTTT（2）xzFF（3）式中:m为四分之下车体总质量(kg);V为汽车行驶时车身速度(/sm);Fx为轮胎和地面的附着力;I为车轮相对于转轴的转动惯量(2kgm);为车轮的转动角速度(/rads);R为轮胎有效半径(m);Tb为制动力矩;Tg为轮胎和地面的附着力矩;为轮胎与地面的附着系数也为车轮的附着系数;Fz为车轮所受的法向力(N).汽车制动时车轮附着系数和车轮滑移率之间的关系为:sinarctan[Barctan]fDCEBB(4)式中:f为轮胎的静摩擦系数;D为峰值因子;B为刚度因子;C为曲线形状因子;E为曲线曲率因子,表示曲线最大值附近的形状;为滑移率.f相当于车轮在纯滚动时附着系数,一般情况下设为0;D、B、C、E都是与路面有关的常数,通过改变这些参数可模拟不同路面的附着系数.干混凝土路面下f=0,D=0.9,C=2.2,B=6.0,E=0.98;湿沥青路面下f=0,D=0.78,C=2.1,B=6.0,E=0.8.图2示出了相应的这两种路面下附着系数-滑移率曲线.图2两种路面下的附着系数与滑移率曲线为了获得较好的制动力矩控制,需要根据以上方程给出的各量之间的关系,制定出合理的控制策略.为了使汽车在制动过程中获得良好的行驶性能,就要充分合理地利用轮胎与路面之间的附着力,附着力的大小又取决于轮胎与路面之间的垂直载荷和附着系数。在制动过程中,轮胎与路面之间的垂直载荷和附着系数都会随许多因素而变化,其中车轮相对于路面的运动状态对附着系数的影响就很大。当滑移率二左右时,轮胎的附着系数侧向附着系数、纵向附着系数取得较大值,可使汽车制动力达到最佳,如果车轮完全抱死,不但达不到最佳制动效果,而且还会丧失转向能力和抵抗侧向力的能力,造成汽车制动时方向不稳定。另外,制动时车轮发生抱死还会导致轮胎过度的不均匀磨损,也增加了驾驶员在制动时的紧张程度。2.最优控制器设计防抱死制动系统自寻最优控制器就是要通过控制制动力矩Tb使轮胎工作在最大附着系数附近,这样既可避免车轮抱死,同时还可获得最大附着力.在图2中,曲线的峰值点处的滑移率为最佳滑移率,此时=d,附着系数取得最大值;在该点的左侧区即d时,附着系数增大,即制动力矩Tb可以继续增大;在该点的右侧区则相反,制动力矩Tb应该减小.附着力矩Tg的变化反映了附着力的变化,也即附着系数的变化.若已知前一时刻的制动力矩Tb和当前时刻的角加(减)速度,由公式(2)即可得当前时刻的Tg.若Tb增大时,Tg增大,说明曲线在最佳滑移率点的左侧区域,Tb还应继续增大;若Tb增大时,Tg减小,说明曲线在最佳滑移率点的右侧区域,Tb需要减小;Tb减小,滑移率减小,因而Tg开始逐渐增大,此时曲线仍在最佳滑移率点的右侧区域,因此Tb仍要减小;当过了最佳滑移点时,Tg又要随着滑移率�的减小而减小,所以当Tb减小,Tg也减小时,说明控制曲线已经处在最佳滑移率点左侧区域,这时Tb又要增大.这样系统便不断重复地进行这种周期性的搜索过程,直到找到最优的制动力矩,并且在它附近循环工作.根据以上的思路,得出如下的ABS自寻最优控制策略:Tb0,0Tg(d)增压Tb0,0Tg(d)减压Tb0,0Tg((d)减压Tb0,0Tg(d))增压从上述关系式可以看出:当制动力矩和附着力矩变化量Tb、Tg符号相同时应增加制动力矩,即增压;反之,当符号相异时,则应减少制动力矩,即减压.3．系统仿真汽车防抱死制动系统是汽车重要的主动安全装置之一,其控制目标是使车轮在获得最佳制动效率的同时又不会抱死,使汽车能够在制动过程中保持良好的方向稳定性。其控制系统设计的基本思想是在制动过程中自动控制和调节制动力矩的大小,当车轮将要抱死时降低制动力,而当车轮不会抱死时,又增加制动力,如此反复动作,使轮胎与路面间的纵向和侧向附着系数控制在其峰值附近,防止车轮抱死,进而消除制动过程中的侧滑、跑偏、丧失转向能力等非稳定状态,以获得良好的制动性能、操纵性能和稳定性能。最优控制是基于状态空间法的现代控制理论方法,它根据车辆一地面系统的数学模型,用状态空间的概念,在时间域内研究汽车防抱死制动系统。它根据防抱死制动系统的各项要求,按最优原理求得控制系统的最优控制指标。根据最优控制理论的要求,选取汽车防抱死制动系统的状态变量。量在MATLAB/simulink中建立了如图3所示的汽车ABS自寻最优控制系统的动态模型,其中四分之一车体质量m=415kg;车胎质量mtype=40kg;车轮转动惯量I=1.1kgm2;重力加速度g=9.8m/s2;轮胎半径R=0.326m;质心高度hg=0.6m;空气密度=1.29kg/m3,滚动系数f=0.01.图4、图5为在干混凝土路面和湿沥青路面下,制动初速度为30m/s时自寻最优控制下的速度、附着系数和滑移率的变化曲线.从以上的变化曲线可见自寻最优控制策略可应用在汽车防抱死制动系统中,无论在干混凝土路面还是在湿沥青路面下都能够使轮速很好地跟踪车速下降,对汽车防抱死起到很好的控制效果.在干混凝土路面下,附着系数被控制在较高的值上,滑移率被控制在最佳滑移率0.2附近,而且随着时间的增大越接近这一最佳值;而在湿沥青路面下,滑移率被控制0.1~0.3的范围内,完全符合控制标准,附着系数也能保持较高的值.表明这一控制方法使得汽车的运行方向趋于稳定.为了进一步说明自寻最优控制的优势,在干混凝土路面、初速度为30m/s下,将汽车防抱死制动系统分别采用传统的逻辑门限值控制和自寻最优控制.图6为两种控制下的车速和轮速的变化对比曲线.图6不同控制下的速度变化曲线从图6的对比曲线可以明显地看到,自寻最优控制下轮速对车速的跟踪要优于逻辑门限值控制.图7逻辑门限值控制下制动力矩变化曲线图8自寻最优控制下制动力矩变化曲线图7和图8为两种控制策略下制动力矩的变化曲线.通过以上对比可以得到,相比于传统的逻辑门限值控制,自寻最优控制在制动距离、制动时间上都有所改进,对制动力矩的控制更稳定,自寻最优控制下的第一次抱死时刻与最后抱死时刻的时间差更小、第一次抱死时的车速更小,表明这种控制策略对轮胎的损耗更小一些.从定量角度看,两种控制得到的MFDD均符合国标规定范围(5),并且最优控制得到的MFDD比逻辑门限值控制得到的MFDD大,表明采用自寻最优控制获得的制动效率更高些.4.结语针对汽车防抱死制动系统中路况经常变化的特殊性,采用自寻最优控制策略,能够根据不同的路况,自动搜寻到最佳滑移率,并使系统在最佳滑移率附近工作,达到最佳制动效果.通过与逻辑门限值控制指标参数的对比,自寻最优控制策略可获得更高的制动效率、更好的防抱死效果.本文为汽车制动性能的研究提供了有效可行的防抱死控制策略.通过仿真试验可以看出：在各种路面上，汽车在安装了自寻优防抱制动装置后，在车速、轮速接近为0时才抱死，这对提高汽车制动时的操纵稳定性特别有利，显示了自寻优避免车轮抱死的能力；滑移率的值基本上一直接近并且围绕着与路面附着系数相对应的滑移率上下变化，说明了该系统充分利用了路面性能，基本上保持了较大的附着力制动，制动性能较好；制动力随着路面条件的变化而相应做出调整，实现了路面自动识别的功能。总之，研究结果证明了自寻优控制用于防抱死刹车系统的可行性，自寻优ABS系统是一种简单、方便、具有较好操纵性、制动性和较好适应性的系统。这不仅具有理论意义，而且还具有实用价值。我们将继续开展进一步的研究工作。参考文献:1.吴权晖.徐达汽车防抱制动系统的应用及发展[期刊论文]-武汉汽车工业大学学报1999(1)2.李茗汽车电子产品的开发[期刊论文]-汽车工程2004(3)3.孙跃东.亢敏.周萍.李春汽车制动试验中速度信号的采集与处理[期刊论文]-重庆工学院学报2005(11)4.王和毅.谷正气汽车轮胎模型研究现状及其发展分析[期刊论文]-橡胶工业2005(1)5.莫友声.朱荣.李思恩.沈莉汽车ABS模糊神经网络控制系统[期刊论文]-上海交通大学学报1999(5)6.郑伟峰汽车防抱制动逻辑门限控制算法研究[学位论文]硕士20037.马明星.毛务本.朱伟兴车辆防抱死制动系统(ABS)控制算法的研究[期刊论文]-城市车辆2002(2)研究生课程论文答题本科目：课程实践现代控制授课教师：陈国良年级专业：机电学院研工程133学生姓名：易成名是否进修生？是□否□