汽车ABS控制器设计若干问题探讨与研究

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1、摘要据GBl276规定 总质量大于12吨的大客车和总质量大于16吨的载重车都必须装用防抱死制动系统。据交通部调查数据显示，装用ABS的机动车辆中，在降低交通事故发生率方面，轿车可降低8%，重型货车可降低10%，公共汽车可降低4%。ABS控制器是防抱死系统的核心，探索一种有效的控制方式一直是ABS系统发展的关键，故对ABS控制器的研究有广阔的发展前景和强大的现实意义。在本设计中，以改进ABS控制器的性能为目的，以优化ABS控制器的算法为途径，以控制器的设计步骤为脉络，以汲取前人的设计经验为基础。主要阐述了ABS发展前景，比较了ABS控制器的四种算法优劣，分析了汽车制动特性，探讨了整车协调动力分配

2、方法，提出了控制器的两种设计方案，仿真了PID控制器，评价了仿真结果，验证PID控制算法在ABS控制器设计中的可行性。通过此次设计，提出三条值得学习和借鉴的心得：1、在设计单输入单输出（SISO）系统时，参数整定用根轨迹法较其他传统的方法具有快速高效的的特点。2、在PID算法中，用增量式PID较位置式PID在仿真速度、出错率等方面有绝对优势。3、鉴于纯粹的模糊控制器和纯粹的PID控制器优点和不足，提出设计模糊PID控制器的设计思想。最后，在设计的结尾，对全文做了总结、对控制算法的提出了展望，对本课题的后续工作提出自己的看法。其中附录中给出的仿真结果不仅验证MATLAB强大的数学功能，同时也再一

3、次验证了PID控制算法在ABS控制器设计中的可行性！关键词：PID 防抱死制动系统 滑移率 模糊控制 制动效能AbstractAccording to the GB1276 of October 1st ,2003,the bus must dress up anti-braking system if his total quality is more than 12t ,and the edict is same to the truck whose total quality more than 16t.the bus ,the car ,the truck are much more

4、safety if they dress up anti-braking system .According to data of survey come from ministry of communications, the dressing up anti-braking system bus reduce 4% in the accident .the car is 8%,the truck is 10%.the controller is the heart of Anti breaking System, so the key to the development of anti-

5、braking system is a strong efficient control manner. At last, we can get an idea as follows: the research to the controller of anti-braking system has developing foreground and mightiness flesh and blood values!In this project, based on develop the performance of anti breaking system controller, opt

6、imize arithmetic of anti breaking system controller, take the step for designing anti breaking system controller for skeleton, draw the experience of former to groundwork. In my design, the development of foreground of anti breaking system is expounded, the four kind of arithmetic of anti breaking s

7、ystem is compared, the controlling characteristic of auto is analyzed, the balance of the wheel is discussed, two kind of blue print for anti breaking system controller is brought forward, the performance of PID controller is imitated, the simulated result is given appraises, at last, the feasibilit

8、y of PID controller arithmetic applying in ABS is validated. By this design, three of what on has learned which worth studying and using for reference. Firstly, when we design the single input single output system, the root-track method has more merit than other methods in parameter-complete, e .g.

9、more speediness、more strong efficient. Secondly, in PID controller arithmetic, choosing increment model to position model is advisability, e.g. the simulate-rate, mistake-ratio. At last, because Fuzzy control arithmetic and PID control arithmetic have lots of merit. And at same time, they also have

10、shortage. In this designing, we give generalize compare and assess about it, so the idea to design Fuzzy-PID controller is come out!Finally, at the end of this research, given the summary for this design, putting forward view for control arithmetic, giving idea for myself for this task in future. In

11、 appendix, the simulate-result not only validate mightiness math-function, but also validate feasibility of PID controller in ABS! Key Words: PID Anti Braking System ratio of slippageFuzzy Control efficiency of braking目录摘要IAbstractII目录1第一章 绪论1 汽车ABS的研究意义及现状11.2 汽车ABS控制器研究现状41.3 本课题的研究任务121.4 本章小结12第

12、二章 汽车ABS控制器设计若干问题探讨与研究142.1 单轮模型的受力分析142.2 整车协调的探讨182.3 控制器与最佳制动效能222.4 本章小结23第三章 汽车ABS控制器的设计253.1 PID控制器设计253.2 汽车ABS模糊控制器设计323.3 控制效果的分析34本章小结34第四章 基于MATLAB的ABS系统PID控制器仿真364.1 仿真工具和应用条件364.2 PID控制器仿真374.3 控制器参数对仿真效果影响的分析384.4 仿真结果的分析与评价394.5 本章小结41第五章 总结425.1 本设计的主要工作425.2 结论425.3 需要进一步解决的问题43致谢44

13、参考文献45附件A 基于MATLAB 的ABS的PID控制器仿真46附录B 翻译51第一章 绪论 汽车ABS的研究意义及现状在党中央国务院的正确领导下，中国的面貌发生了翻天覆地的变化：社会的飞速发展、经济的快步腾飞、人民整体文化素质的普遍提高，物质生活水平的逐步完善等等。因此在我国，以上诸多可喜得积极得内在因素和外在因素掀起一波又一波的够车狂潮。所以，从某种意义上来说，车就是我们的第三只腿了，与其他两只腿相比，车是速度比较快的，因而时常会危及我们人们的生命。因而汽车主动安全性(Active Safety)显得尤为重要。ABS的问世，正是为改变汽车因车轮抱死而引起的危害。其工作原理是：当车轮制动

14、时，安装在车轮上的传感器立即能感知车轮是否抱死，并将信号传给控制器（ECU），对抱死的车轮，ECU马上降低该车轮的制动力，车轮又继续转动，转动到一定程度，ECU又对其施加制动，保证车轮既受到制动，又不致于抱死。这样不断重复，直到汽车完全停下来。而没有安装ABS的汽车紧急制动时，由于车轮抱死滑动，汽车仍将滑动较长一段距离才能停下来。 据GBl276规定2003年10月1日：总质量大于12吨的大客车和总质量大于16吨的载重车都必须装用防抱死制动系统。装有制动防抱装置(ABS)的汽车能提高汽车行驶中的安全性，据调查数据显示，装用ABS的机动车辆中，在降低交通事故发生率方面，轿车可降低8%，重型货车可

15、降低10%，公共汽车可降低4%(引自现代汽车12期)。因而装用ABS是现代汽车技术的发展趋势。根据交通事故统计分析表明：装有ABS的汽车翻车事故可减少30%至40%；在干燥的公路上，能减少大约24%的车祸；在湿地或雪地上，能减少大约15%的事故；与行人和自行车相撞的事故降低了27%。可见，安装ABS的汽车显著改善了汽车的制动性，交通事故也因此有明显下降。 最近的美国华尔街日报报道，美国政府在审查两年前凡士通轮胎所引发的一系列交通事故后，做出了为所有汽车装备防抱系统ABS的建议。同时，保险业的研究报告也公布了在所有汽车上装备ABS可减少致命交通事故9%的数据。由此可见，ABS在提高行车安全性方面

16、具有重要的意义。近年来，随着我国高等级公路的迅速扩建，汽车的行驶速度也相应提高。因此，汽车的制动安全性就显得尤为重要，已经引起了社会的广泛关注。传统的制动系统是当行驶中的汽车在需要制动时使车轮受到制动力矩作用而停车。如果在制动时用力猛踩制动踏板，车轮会急速降低转速，直到车轮完全抱死。但此时汽车依然会保持惯性向前滑行，在车轮与路面之间产生大的滑移。在这种工况下，轮胎对路面的侧向附着力几乎消失，汽车失去了抵抗侧滑的能力，也就失去了制动时的方向稳定性，甚至可能出现急转、甩尾等危险工况。现在很多汽车生产厂商都将防抱死制动系统（Anti-lock Braking System）作为车的标准安全装备。但很

17、多人不知道，ABS最重要的贡献是防止车轮抱死，避免汽车出现侧滑、甩尾等现象，使司机在制动过程中仍能控制方向。缩短刹车距离只是ABS的一项附加功能。防抱死制动系统(Antilock Braking System简称ABS)，就是防止汽车在制动时出现上述工况，提高汽车制动效能而开发出来的先进装置.ABS是使汽车在制动过程中车轮不抱死，保持良好的操纵性和方向稳定性并能缩短制动距离的安全装置。ABS是一种机电一体化制动控制系统，主要由电子控制器、车轮速度传感器、压力调节器三大部分组成。在制动过程中，控制器会不断分析从轮速传感器传来的信号，判断车轮的制动状况，并启动压力调节器，使ABS每个控制通道的压力

18、减小、保持不变或增加，使制动力适应路面的不断变化，保持在最佳水平。汽车制动防抱死系统(ABS)自1978年投放市场以来，已得到广泛的应用。现在的ABS系统不仅用于高级轿车，在中档汽车和小型汽车上也逐渐成为必装件。目前国际市场上ABS的主要生产厂家有BOSCH、ITT和 TEVES等公司。上述公司生产的传统的ABS系统已实现了较强的功能，但其性能并不 完善。我国对ABS的研究起步较晚，技术尚不成熟，且研究对象主要是气制动系统。通过对汽车制动力学及典型ABS系统机理研究分析，对液压制动系统的ABS系统技术加以探讨。目前典型的ABS系统主要由车轮角速度传感器l、轮缸2、压力调节装置3、主缸4、控制单

19、元6等部分组成，如图l所示。信号的输入取之转速传感器，控制单元根据相应的控制逻辑及算法对转速信号进行分析、判断，并与预先的条件进行比较，从而确定轮胎的滑移率等参数的估计值，以此实现对制动油压的控制调节。对于防抱死制动，主要目标是控制轮胎的滑移率，压力控制的精度要求相对较低。但是为了使汽车制动过程有良好的稳定性能和别动效能,希望前后车轮的制动状态应该同时到达最佳，因此对前后轮制压力也应该有较精确的控制。目前典型的ABS系统使用电磁阀作为控制阀，这种阀的开关速度等参数对调节有影响。ABS(AntilockBrakingSystem或Anti-skidBrakingSystem)，是指在制动过程中，

20、可自动调节制动力大小，防止车轮抱死，以获得最佳制动性能，包括最佳方向稳定性、正常转向能力和最小制动距离的装置。它是汽车制动系统的组成部分。在汽车上装用ABS可有效地减少交通事故，提高行车安全性。在20世纪韧，ABS就已被装在火车上，用来防止制动时车轮抱死造成局部摩擦，使车轮和钢轨早期损坏。50年代，ABS又被应用于波吉飞机上，用来防止飞机着陆后制动跑偏或前栽，并可缩短制动距离。”在汽车上使用ABS技术始于60年代。1965年，在伦敦汽车博览会上出现了第一辆装有ABS的样车，但这时还只是纯机械式的防抱死装置。1965年，Ford公司与Kelsey Hayes公司合作研制成名为“SMTrack”的

21、单通道后轮ABS，并装在1969年的Thunderbird车型上；Chrysler公司与Bendix公司合作研制成3通道4轮ABS“SureBrake”，装在1971年的Imperical车型上。他们采用的是当时最新的模拟电子技术，但都是分立元件，体积大，成本高，故障多，可靠性差。目前ABS技术和工艺都非常成熟，已广泛应用于轿车和重型汽车中。我关于ABS的研究开始于80年代初现刚刚进入产品试制和装车试验阶段。国内研制ABS的单位主要有二汽公司、交通部重庆公路研究所、重庆宏安A踢、陕西兴平514厂、西安公路学院等单位和部门。二汽公司从80年代初就开始研究ABS是较早研究ABS的厂家之一， 现研究

22、工作的主要目标是对国外的产品进行消化吸收。重庆公路研究所相继开发出了两代ABS产品，第一代ABS的ECU采用了z80芯片。第二代ABS产品为FKxACl型该装置的ECU中的CPU微处理器采用了美国1NTEL公司的MCS96系列8098单片机。驱动电路主要采用功率MOSFET。据美国统计，约有40%的意外事故是因刹车时汽车滑行致刹车距离过长而造成的。采用ABS系统可以在制动过程中自动调节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最佳制动效果。综合以上可以看出，制动防抱装置(Anti-Lock Braking System简称ABS)对汽车不仅有举足轻重的重要作用，而且有很大发展潜力和广阔的市场前景。因此，对

23、制动防抱装置(Anti-Lock Brake System简称ABS)的研究是很有经济价值和社会意义，ABS控制器是ABS装置的核心，所以本题对控制器研究相对于ABS系统，乃至这个汽车的安全都是有很大意义！1.2 汽车ABS控制器研究现状防抱制动系统是一个非线性时变和不确定系统，轮胎特性变化范围很大，车辆模型有各种不确定性，且参数变化很大、如速度、载荷、路况等，还有各种干扰的存在，无法用数学模型来精确描述，模型化误差在所难免，所以设计品质优良的控制器具有很大的挑战性。处理这类非线性系统动力学问题方法有：一是将非线性系统通过局部线性化或其它近似方法变为线性系统，用线性系统的控制方法设计控制器；另

24、一种方法是直接用非线性控制方法设计，如相平面、描述函数、变结构。目前，汽车防抱死制动系统(ABS)的控制方法主要有：逻辑门限值控制方法、线性最优控制方法、滑动模态变结构控制方法以及鲁棒控制方法等。实用中的ABS产品大多采用基于经验的逻辑门限值控制方法需要大量的道路试验摸索控制规律。而且由于控制过程中逻辑门限总是处于波动状态出此控制效果不是太好，制动距离也稍长。探索一种有效的控制方式一直是AB5系统发展的关键。 ABS控制算法的开发是提高ABS性能的重要途径，它由一套存储于微机中的逻辑法则组成。现有的控制算法有逻辑门限控制、PID控制、滑模变结构控制、神经网络控制和模糊控制等。模糊控制采用类似于

25、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、具有不依赖对象的数学模型、便于利用人的经验知识，鲁捧性能简单实用等优点、正好适应了ABS这种变工况、非线性系统。 因此将模糊控制用于ABS是一种有益的尝试。目前，国内外在这方面已取得一些成果，日本、德国甚至已经有类似的产品问世。由于车辆系统的非线性和时变性，运用经典和现代控制理论设计ABS比较复杂，而智能控制具有控制系统不确定性和复杂性强的特点，使它在ABS上的应用逐步得到重视模糊算法是一种智能控制算法由于模糊算法用精确的方法处理模糊量，无需被控对象的数学模型，因此非常适用于ABS这样的非线性复杂系统有的文献中设计了普通

26、模糊控制器和一种基于解析式带修正函数的自适应模糊控制器；有的文献中设计了带两个调整因子的模糊控制器；有的文献中设计了普通模糊控制器运用基于模糊规则的模糊控制方法和基于智能权函数的模糊控制方法设计了模糊控制器，并进行了仿真，两者均取得了较好的效果，其中后者，不仅算法简单，易于实现，而且制动效果优于前者滑模变结构控制是一种非线性控制策略，是按照系统状态偏离滑模面的程度来变更控制器结构，使系统按照滑模面规定的规律运行的一种控制方法，其特点是在处理包括模型不确定性和未知干扰在内的不确定性因素等方面具有很强的鲁棒性和适用性，可实现以简单的控制规律来协调动态和稳态性能之间的矛盾。 滑模变结构控制本质上分为

27、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，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。 运用模糊控制方法对汽车防抱制动系统进行了仿真研究采用基于模糊规则的模糊控制方法，设计了基于模糊规则的普通模糊控制器，针对其缺陷采用基于智能权函数的模糊控制方法，设计了基于智能权函数的模糊控制器对两种控制器进行仿真并比较仿真结果，表明基于智能权函数的模糊控制方法的控制效果优于基于模糊规则的模糊控制方法，且能有效克服后者的缺陷，提高整车的制动性能成熟的ABS产品都是基于经验的车轮加减速度门限值的控制方法、将这类控制转化为模糊控

28、制具有很好的实用价值。逻辑门限方式属于串行的逻辑判断，程序执行中涉及很多的判断语句要将所有涉及的工况进行判断、经常容易发生逻辑冲突的问题，有些逻辑考虑不到就可能发生失控问题。而且由于程序执行是顺序的，逻辑是串行的，所以很难考虑很多控制逻辑。而模糊控制将所有逻辑的执行结果在离线的情况下计算出来，形成控制表格存人计算机中，在线时不需要逐一的逻辑比较，只要将实际量模糊化后，即可找到相应的控制量。模糊空制是一种并行的方式，各种控制逻辑用规则的方式加以总结，可以有效地防止失效。有人设计的模糊控制ABS以车轮角速度和车本纵向加速度为输入信号，经过模糊运算器计算出车辆的参考车速，进而得到各个车轮的滑移率和加

29、速度，以此作为模糊控制器的输入变量，进行模糊推理，确定控制输出量制动压力的变化趋势和大小，使气车达到良好的制动效果和操纵稳定性。随着我国加入世贸组织，汽车工业既面临机遇又面临挑战，但总体而言机遇大于挑战。在本世纪初我国的汽车工业将以很高的速度向前发 。据有关资料介绍我国汽车工业产量的现状与规划如下： 表1.1 我国汽车工业产量年份车数 （单位：万辆）占全球的比例2000年200 3.3%2005年3005%2010年60010%2015年1000* ABS的问世，正是为改变汽车因车轮抱死而引起的危害。若没有安装ABS的汽车紧急制动时，由于车轮抱死滑动，汽车仍将滑动较长一段距离才能停下来。 据G

30、Bl276规定2003年10月1日：总质量大于12吨的大客车和总质量大于16吨的载重车都必须装用防抱死制动系统。装有制动防抱装置(ABS)的汽车能提高汽车行驶中的安全性，据调查数据显示，装用ABS的机动车辆中，在降低交通事故发生率方面，轿车可降低8%，重型货车可降低10%，公共汽车可降低4%(引自现代汽车12期)。根据交通事故统计分析表明：装有ABS的汽车翻车事故可减少30%至40%；在干燥的公路上，能减少大约24%的车祸；在湿地或雪地上，能减少大约15%的事故；与行人和自行车相撞的事故降低了27%。可见，安装ABS的汽车显著改善了汽车的制动性，交通事故也因此有明显下降。 最近的美国华尔街日报

31、报道，美国政府在审查两年前凡士通轮胎所引发的一系列交通事故后，做出了为所有汽车装备防抱系统ABS的建议。同时，保险业的研究报告也公布了在所有汽车上装备ABS可减少致命交通事故9%的数据。最近的美国华尔街日报报道，美国政府在审查两年前凡士通轮胎所引发的一系列交通事故后，做出了为所有汽车装备防抱系统ABS的建议。同时，保险业的研究报告也公布了在所有汽车上装备ABS可减少致命交通事故9%的数据。由此可见，ABS在提高行车安全性方面具有重要的意义。综合以上可以得出，制动防抱装置(Anti-Lock Braking System简称ABS)对汽车不仅有举足轻重的重要作用，而且有很大发展潜力和广阔的市场前

32、景。因此，对制动防抱装置(Anti-Lock Brake System简称ABS)的研究是很有经济价值和社会意义，ABS控制器是ABS装置的核心，所以本题对控制器研究相较于ABS系统，乃至这个汽车的安全都是有很大意义！1.2.2 控制算法在ABS控制器中的应用ABS控制算法的开发是提高ABS性能的重要途径，它由一套存储于微机中的逻辑法则组成。现有的控制算法有逻辑门限控制、PID控制、滑模变结构控制、神经网络控制和模糊控制等。防抱制动系统是一个非线性时变和不确定系统，轮胎特性变化范围很大，车辆模型有各种不确定性，且参数变化很大、如速度、载荷、路况等，还有各种干扰的存在，无法用数学模型来精确描述，

33、模型化误差在所难免，所以设计品质优良的控制器具有很大的挑战性。处理这类非线性系统动力学问题方法有：一是将非线性系统通过局部线性化或其它近似方法变为线性系统，用线性系统的控制方法设计控制器；另一种方法是直接用非线性控制方法设计，如相平面、描述函数、变结构。汽车防抱制动系统(ABS)算法的研究是汽车主动安全控制的一个重要研究方向。目前，逻辑门限值控制算法是应用最广泛的控制技术。这种控制方式不涉及控制数学模型，系统实时响应速度快，与其他控制方式相比有很大的优势。但是它的控制逻辑复杂，调试困难，控制不够稳定，其开关控制方式使制动系统不能连续利用地面的最大附着力，而且这种控制方式对各种车型的互换性不佳。

34、随着现代控制理论的发展，PID控制、滑模变结构控制和模糊控制等算法的研究逐渐得到重视，并在防抱制动系统控制中逐渐得到应用。（1）PID算法的应用 PID控制是一种实现连续控制的算法，它提高了ABS在制动过程中的平顺性，使滑移率控制更加平滑稳定。但是，简单的PID控制器不满足ABS在全工况的实用要求，缺乏识别路面特征的能力。PID算法在研究ABS控制器时，将非线性系统简化为线性系统。一个线性系统可用PID和状态空间方法的设计，但对PID控制器，实施时需靠试凑法来确定PID参数，而状态空间方法要求精确的数学模型，抗干扰能力差。当前通过简化的车辆动力学模型可以大致达到预期目的（2）模糊控制算法的应用

35、模糊控制属于智能控制，是一种模拟人类智能的形式、它是在被控对象的模糊模型的基础上、运用模糊控制器近似推理手段，实现系统控制的一种方法。模糊模型是用模糊语言和规则的一个系统的特性。模糊控制(Fuzzy Control)不需要控制对象的精确数学模型，响应速度快，超调量小，具有较好的鲁棒性和灵活性，近几年来成为国内外ABS控制算法研究的一个热点。模糊控制器存在的问题是，消除系统稳态误差的性能比较差，对较小误差的控制方面不如PID控制，难以达到较高的控制精度。由于车辆系统的非线性和时变性，运用经典和现代控制理论设计ABS比较复杂，而智能控制具有控制系统不确定性和复杂性强的特点，使它在ABS上的应用逐步

36、得到重视。模糊算法是一种智能控制算法。由于模糊算法用精确的方法处理模糊量，无需被控对象的数学模型，因此非常适用于ABS这样的非线性复杂系统有的文献中设计了普通模糊控制器和一种基于解析式带修正函数的自适应模糊控制器；有的文献中设计了带两个调整因子的模糊控制器；有的文献中设计了普通模糊控制器运用基于模糊规则的模糊控制方法和基于智能权函数的模糊控制方法设计了模糊控制器，并进行了仿真，两者均取得了较好的效果，其中后者，不仅算法简单，易于实现，而且制动效果优于前者ABS控制器中滑移率控制是一种连续量控制，可以采用PID及最优控制等方法。PID方法虽然简单实用，但其参数要根据系统情况匹配，而车辆状况多变及

37、轮胎非线性导致参数匹配困难。模糊控制能较好地适应这种变工况非线性系统控制；并且具有鲁棒性强的优点.ABS模糊控制器使车轮滑移率维持在目标滑移率附近，以期获得较好的制动性能和横向稳定性。路面自动识别系统为控制器提供目标滑移率和在线修正模糊控制规则。由于模糊控制规则在线调整在实际应用中有困难，当今采取在线修改比例因子K以达到根据路面状况改变控制策略的目的。比如在路况较好时，K取较大值，而路况较差时，K取较小值。鉴于纯粹的模糊控制器和纯粹的PID控制器各有优点和不足，所以产生了设计模糊PID控制器的设计思想。模糊PID控制器的设计思想是：当滑移率误差和误差变化率较大时，采用模糊控制；当滑移率误差和误

38、差变化率较小时，采用PID控制方式。使两种控制器在不同范围内发挥其优势：在误差和误差变化率都较小的情况下，发挥PID稳态特性好，控制精度高的优势；在误差较大情况下发挥模糊控制器的快速性和抗干扰能力强的优势。（3）鲁棒控制算法的应用防抱制动系统鲁棒控制器的设计问题，采用鲁棒和性能加权，系统有效地抗干扰和参数变化。使控制器有效地适应不同的路况及制动工况。与PID算法进行了比较，通过模拟的结果可以证实该控制器的优良品质。 用MATLAB SIMULINK 中的鲁棒控制箱设计防抱制动系统，使系统具有抗干扰和适应参数变化的能力。基于线性模型的鲁棒控制是通过提高系统的灵敏度和适应性来抵御一定的外部干扰和系

39、统参数摄动等不确定的影响。鲁棒控制是一般是基于滑移率的控制系统，虽然传统上防抱系统多是基于逻辑门限值的控制，但近年由于计算机及车辆动力学控制的发展，基于滑移率的鲁棒控制开始得到实施、并显示出其优越性。 鲁棒控制的设计方法用于防抱制动控制系统，较之传统的线性的控制具有更好的稳定性和抗干扰能力，很好地适应了汽车控制系统的外部环境，即是很强的外部扰动和参数变化及不确定性。更主要的意义在于鲁棒控制是基于解析的方法,便于用经典的控制理论去分析并指导控制器的设计，而PID是基于经验，所以鲁棒控制更具优越性。然而鲁捧控制器也存在一些问题，需要知道模型传递函数误差的上界选择加权函数具有一定的难度。设计主要是针

40、对频域的，很难反映时域指标，同时设计出的控制器阶数是加权函数W1、W2和模型函数阶数的总和，所以一般设计出的控制器的阶数都比较高。虽然在理论上讲，具有复杂传递函数控制器要明显地优于PID一类的控制器，但这要求高速及高性能的运算系统。目前32位计算机的普及已使这种控制器的实现成为可能。（4）逻辑门限值控制算法的应用汽车防抱死制动系统实质上是一种制动力的自动调节装置。通过调节制动力，使汽车在制动过程中轮胎的滑移率被控制在预定的范围内，从而提高汽车的制动效能以及汽车在制动过程中的横向稳定性和方向可操纵性等。所以汽车防抱死制动系统(ABS)是一个典型的控制系统。 目前ABS的控制方法很多，其中逻辑门限

41、值控制技术较为成熟，应用也比较广泛。这种控制方式的特点是不需要建立具体系统的数学模型，并且对系统的非线性控制很有效，比较适合用于ABS的控制。当其用于ABS的控制时，仅需要采用汽车制动过程中车轮的角加速度、角减速度门限控制就可以实现基本的防抱死制动循环。如果再附加适当的辅助门限，则会得到更为理想的控制效果。在设计汽车防抱死制动装置的自动调节系统时，比较量的选择极为重要，也就是根据什么参数来控制车轮的滑移率在20%左右。一般多采用以车轮速度作为比较量的调节系统。在这种系统中，有时也辅以滑移率作为比较量来进行共同控制。 防抱门限大多选择加、减速度门限作为主要门限，以滑移率作为辅助门限。因为单独的加

42、减速度门限有很大的局限性，在初始和高速紧急制动情况下，有可能使防抱控制逻辑在后继的控制中失效。对于非驱动轮，也可能产生过早抱死而使防抱控制逻辑失效。但如果只以滑移率作为单独的防抱控制门限，则对于不同的路况，很难求得一个最佳的控制效果。因此，需要将角速度和滑移率这两个门限结合起来，以识别不同路况进行自适应的控制。这种控制系统在制动时，能将车轮的速度控制在一定范围内，可以使车轮的速度在最佳值上下波动。通过观测采用这种控制方式的汽车制动时的车轮速度的变化曲线。则曲线表明：对车轮速度的控制不仅取决于车轮角速度的变化，而且还要考虑轮胎滑移率的限制，故采用这种控制方式要先分别定出预期的滑移率的上、下限。采

43、用这种控制方式，可以达到比较理想的控制效果。逻辑门限值控制方式的防抱制动控制系统，一般采用三位的电磁阀。这种阀具有增压、减压和保压的功能。其原理是：当测出的车轮角减速度达到其门限值时，电磁阀使制动缸减压；当角速度超过其门限值时，控制器使电磁阀动作，增加制动气缸的压力。 若加减速度采用门限值控制，轮速必然有一定的波动。单独的加减速度门限有很大的局限性，在初始高速紧急刹车，有可能使防抱控制逻辑在后继的控制中失败，如在高附着系数路面出现过分减压而在低附着系数路面出现抱死等情况。由于以加减速度为主要控制对象，通过模拟结果可以看出滑移率有较大的波动。因为在制动的前段由于考虑到要让车轮充分制动，所以滑移率

44、偏高呈现抱死趋向，后段就较平稳。逻辑门限值控制技术是比较成熟的控制方式。将其用于ABS的控制，可以使整个控制过程比较简单，结构原理上比较容易实现。同时，如果控制参数选择合理，则可以达到比较理想的控制效果，能够满足各种车辆的要求。但逻辑门限值控制本身也存在一些不足，它的控制逻辑比较复杂、波动较大，而且控制系统中的许多参数都是经过反复试验得出的经验数据，缺乏严谨的理论依据，对系统稳定性品质无法评价等。本文从实用角度模拟研究了4种ABS，从分析可以看出，单一的控制系统很难兼顾鲁棒性和控制精度。从实施的角度看，难易也各不相同。模糊控制可实施性好、鲁棒性强，但控制精度较差；滑模变结构与模糊控制相类似，精

45、度有所提高，但是以系统的高速切换为代价，对作动系统的要求较高；PID简单实用，精度较好，但鲁棒性要差些，实施成本也高些；传统逻辑门限控制需要较多的经验，算法实施复杂，但硬件成本低。所以适当结合不同的控制方法可以得到比较好的控制效果，如模糊控制加PID控制，即是模糊控制的鲁棒性和PID的控制精度。 1.3 本课题的研究任务据GBl276规定2003年10月1日：总质量大于12吨的大客车和总质量大于16吨的载重车都必须装用防抱死制动系统。装有制动防抱装置(ABS)的汽车能提高汽车行驶中的安全性，据调查数据显示，装用ABS的机动车辆中，在降低交通事故发生率方面，轿车可降低8%，重型货车可降低10%，

46、公共汽车可降低4%(引自现代汽车12期)。因而装用ABS是现代汽车技术的发展趋势。最近的美国华尔街日报报道，美国政府在审查两年前凡士通轮胎所引发的一系列交通事故后，做出了为所有汽车装备防抱系统ABS的建议。同时，保险业的研究报告也公布了在所有汽车上装备ABS可减少致命交通事故9%的数据。由此可见，ABS在提高行车安全性方面具有重要的意义。从以上可以得出，对汽车防抱死系统，即ABS系统的研究不仅刻不容缓，而且汽车装有ABS系统是汽车行业的发展趋势。因此对ABS控制器的研究有重大的社会价值和强大的社会意义。鉴于此，本设计主要探讨对象是汽车防抱死系统的控制器，即ABS控制器的设计。整个设计是以改进A

47、BS控制器的性能为目的；以优化ABS控制器的算法为途径；以控制器的设计步骤为脉络；以汲取前人的设计经验为基础；集中一点、兼顾全面的对ABS控制进行探讨。1.4 本章小结本章主要探讨了汽车ABS的发展趋势和对其研究的重大的社会价值和强大的社会意义。其中根据交通事故统计分析表明：装有ABS的汽车翻车事故可减少30%至40%；在干燥的公路上，能减少大约24%的车祸；在湿地或雪地上，能减少大约15%的事故；与行人和自行车相撞的事故降低了27%。以及据美国统计，约有40%的意外事故是因刹车时汽车滑行致刹车距离过长而造成的。采用ABS系统可以在制动过程中自动调节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最佳的制动效果

48、。可以得出对ABS研究有很大的价值！结合我国在ABS方面研究起步比较晚现实、我国汽车产量在国际汽车行业的发展前景、ABS控制器在整个ABS系统中的核心地位和“探索一种有效的控制方式一直是AB5系统发展的关键！”的科学论断，本章以改进ABS控制器控制方式为主线依次对PID控制方法、模糊智能控制方法、鲁棒控制方法、逻辑门控制方法进行分析和比较。第二章 汽车ABS控制器设计若干问题探讨与研究2.1 单轮模型的受力分析 作为本设计的算例，采用SIMULINK及有关的控制工具箱进行制动滑移串控制的纯模拟研究。模型系统由三大部分组成。第一部分为被控对象，即车辆动力学模型。为简化问题并突出控制规律的研究，采

49、用单转车辆模型，见图2.2， 轮胎模型采用双线性模型，车辆系统的输入分别为轮速和车辆减速度，输出为车轮的制动力。第二部分为作动系统，它由电磁比例阀和制动系统模型构成。制动系统可以简化为一个一阶惯性环节。第三部分为控制系统，可以采用不同的控制算法，并进行评价。对制动滑移串控制就是制动时使滑移串维持在最佳滑移串附近，以得到最短的制动距离。控制器最常用的算法就是比例积分微分控制PID，它不需要模型，也不要求系统线性，算法简单可靠。因此在工业界得到广泛的应用。只要现场整定PID参数合适，就会得到很好的控制效果。标准的PID算法本身有些缺陷，如积分饱和、微分抗干扰差等，为此在本设计中解决了这些问题。 在

50、车辆防抱制动系统中大多数控制都是基于经典的逻辑门限的控制方式，即车轮的状态(如加速度、滑移率)达到某一位时，则控制状态发生变化，这种控制方式的不足之处是在车轮的控制过程中轮速一直处于波动之中。附着系数利用率不是总处于最佳的状态，因而制动距离也不是最优的。另一方面近几年出现了车辆动力学控制系统，利用制动系统、驱动系统来控制车辆的横向动力学，如防止车辆的过转向失稳及防倾翻等，这一系统要求对制动力及驱动力实现比例控制，但由于实际车轮的制动力和驱动力是由地面附着力决定的，一旦所要求的制动力超过这一附着力，车轮就会抱死或打滑，而这时车辆的横向力急剧下降，很容易导致车辆失稳。在这种情况下，则要求车轮能被控

51、制在最佳滑移率处。所谓最佳滑移串是指轮胎附着系数处于峰值处的滑移串。如图所示，绝大多数情况下，车轮抱死(制动情况下)或打滑(驱动情况下)时附着系数都要小于最佳滑移率处的附着系数，且这时的轮胎横向力急剧下降，不利于车辆横向控制。 一般定义轮胎的滑移串小于最佳滑移率的区域为稳定区域，滑移率与附着系数成正比关系，滑移率比较容易控制；滑移串大于最佳滑移率的区域为不稳定区域，滑移率与附着系数成反比关系，滑移率很难控制在轮胎的不稳定区域。防抱制动系统是以得到最大制动力(或附着力)为日的，所以所设计的控制系统都希望将滑移率控制在车轮的稳定区域。最理想的情况是使车轮的运动状态一直处于最佳滑移率点上。然而对于实

52、际车轮来说，各种轮胎结构、胎面花纹、轮胎使用情况、车轮速度、路面情况都是不同的，所以最佳滑移率点的位置及轮胎特性曲线形状都是不同的。在同一制动过程中，随着车轮袖荷及轮速的不同，最佳滑移率点的位置也是在变化的。一般最佳滑移率点的位置在825之间浮动。这就使最佳滑移串控制变得困难。在实际控制系统，一般将最佳滑移率设置为期望的目标滑移串，控制系统的任务是实时跟随目标滑移率。但这一设置是人为的。控制系统预先并不能知道确切的最佳滑移率的位置，当把滑移率点设置在稳定区域内时，由轮胎特性曲线(图2.1)可以看出这一区域的曲线斜率较大，一旦期望的滑移率值较小时，则附着系数急剧下降，使得制动距离加长。当把滑移串

53、点设置在不稳定区域内时，控制系统很难校正得到稳定的控制，控制系统容易产生震荡。只有将期望滑移率设置在最佳滑移率点处或它的很小邻域内是最理想的情况。同时在控制过程中，设置固定的目标滑移串也不是最优的方法。特别是在车辆制动过程中，车轮切换在不同的路面上，控制系统应能根据路面设置相应的目标滑移串。大多数涉及最佳滑移率控制的系统都是假定已知最佳滑移率的位置或者为保守原故取一个较小的目标滑移率，以避免选定最佳滑移率的难点，以便获得稳定的控制系统。一些文献开始探讨寻求最佳滑移串的方法，如用滑模变结构的方法、模糊理辑的方法.有的文献采用滑模变结构的方法是基于如下的思想：由车辆、车轮方程设置一个目标函数。目标

54、函数在最佳滑移率取值时具有最小值，当滑移率偏离最佳滑移率取值范围时，系统启动一个附加函数，迫使滑移率向最佳滑移率的领域逼近，并且目标函数向最小值逼近。用这一方法需要根据模型设置一个目标函数，设置最佳滑移率的范围以及其它一些设计参数。这对实际系统来说是难以制定一个统一道用的方法。还有文献采用模糊逻辑的方法，虽然较简单实用，但需用较多的测量参数，如制动压力、车辆速度及它的变化率。在制动过程中给出一个浮动的目标滑移率，这种方法具有较大的难度，需要根据经验调整控制参数。由于目标滑移率处于不断的浮动状态，因此控制系统总是处于振荡(目标滑移率大于实际最佳滑移率)或较小制动力(目标滑移率大于实际最佳滑移率)

55、之间切换，并且目标滑移率刷新时间间隔也难以确定。所以这类系统比较理论化，要求系统参数信息太多，不便于实施，缺少实用及实时的意义。基于这种情况，本文从实用角度出发，提出一种实时辨识最佳滑移率的方法，并实施于滑移率控制系统中。 为模拟计算，车辆模型采用一种四轮模型，制动系统采用物理建模。为了分析轮胎的动力学特性，我们以简单的单轮车辆模型为例进行分析。(21)式为车辆方程(22)式为车轮方程。 (21) (22)式中：车辆质量； 车辆减速度； 路面附着系数； 车轮对地面的压力； 车轮转动惯量； 车轮滚动半径； 车轮制动器制动力矩 车轮角减速度。轮胎采用简单的双线性模型，如图所示，轮胎模型可以表达为：

56、 ：稳定区域 （23） ：不稳定区域（24）式中：-峰值附着系数；-最佳滑移率,即峰值附着滑移率;车轮抱死时的附着系数；车轮滑移率。车轮滑移率在制动的情况下可定义为： （25）鉴于基于PID 的MATLAB SIMULINK 仿真简易程度，特取制动单轮受力模型如图2.2，可得1/4车辆动力方程为： (26) (27)式中：1/4车辆质量； 车辆行驶速度； 路面附着系数； 车轮对地面的正压力； 车轮受到地面的阻力 车轮转动惯量； 车轮滚动半径； 车轮制动器制动力矩 车轮角减速度。2.2 整车协调的探讨车辆在不同的行驶姿态、载 荷、路面下，会引起各车轮上载荷和前后轮载荷平衡的变化。所以应该考虑在不

57、同的条件下，载荷分布与制动力的变化关系。2.2.1 模型算法的探讨图2.3为汽车受力图，在制动时由于重心前移，造成前后轴载荷变化。在水平路面时，其方程为： (2- 8) (2- 9)在制动过程中，未抱死时汽车的动力学方程为： （210） 式中： 前轮制动力后轮制动力 汽车制动力重心距前轴的距离 重心距前轴的距离汽车正面的阻力系数迎风面积汽车车速汽车加速度汽车质量车身重量比例系数制动系统的质量是通过制动器制动力与地面动态制动力的比较确定的。如果制动器制动力始终等于地面动态制动力，那么，制动过程是最佳的，可产生最小的直线制动距离。制动器的制动力分配比 定义为后轴制动力与总制动力的比，即： (211

58、)其前轴的相对制动力为： （212）每个轴的制动力可由制动系统的结构算出。当推出的压耗较小时，前、后轴轮胎半径相同时，制动力的分配比可由前、后的部分参数算出 (213)式中：车轮分泵面积（）制动因数，即：单位分泵面积产生的压力； 制动鼓或制动盘的有效半径（）；前轴注脚后轴注脚为附着系数按式（28）、（29）的前、后轴地面动态制动可由下式计算： (214) （215）式中：后轴静载荷除以总重；重心高度除以轴距；减速度在图2.1中，地面动态制动力是与制动器制动力分配比相比较的。若式(214)、（215）中、和采用典型数值，由前轴过度制动到后轴过度制动的转折点决定与地面动态制动力的交点。将式(214

59、)、（215）除以除以汽车总重得出的一簇曲线，通过观察曲线可得出：若时，前轴便可能出现过度制动，而后轴则在时趋于过度制动。满载行驶时，前轴始终趋于过度制动。在设计任何车辆的制动系统之前，都必须回答如下两个问题：1、采用固定制动力分配能否在宽广的载荷和道路条件范围内达到车轮不抱死，且具有一定的减速度？2、如果能够达到，那么对制动力的分配比如何分配？对于双轴汽车，由式(216)、（217） (216) （217）可以得： （218） （219） （220）式中： 前轴制动效能 后轴制动效能车辆达到的最小制动效能前轮道路附着系数 后轮道路附着系数 后轴实际制动力 后轴动态法向力其中，在最佳控制点处，

60、有 利用式（218），可以确定的极限条件和空载及满载下 的值的容许范围。在这一范围内的值，可以用来评价制动系统的设计。对于空载和满载的车辆，应用式（218）通常可以得出不同的的值。而设计上最后采用的，取决于所预定车辆的性能。空载和满载的车辆在车轮抱死之前所能达到的减速度，必须根据滑溜（）和干燥（）路面的上设计的制动力分配比来计算。所能达到减速度的 计算式，由式(216)、（217）很容易导出:前轴： （221）后轴： （222）对于一辆经过改进的实验车辆，在空载行驶条件下和和时，由式（218）制动力分配比。这辆试验车原装制动力分配比是。按式（219）、（220）算出的空载条件下在滑溜和干燥的路

61、面上所能达到的减速度，当时，分别是和；而当时，则分别为和。汽车在满载条件下，当时，车辆不抱死的减速度分别为和；而当时，则分别为则分别为和。上述计算结果表明，满载车辆，很快趋于失去转向能力，但空载情况下制动性能的改善，或许对车辆的安全更为重要。2.3 控制器与最佳制动效能自动制动系统主要是防止车辆的碰撞，在图中当两辆车同时运动时，它们之间存在安全距离，这个安全距离是随着车辆的速度不同而不同，它还与车辆本身制动特性有关。当后面的车辆与前面车辆的距离小于安全距离时，后面的车辆应能自动地制动减速，使这个距离达到安全距离。然而前面的车辆的运动状态是变化无穷的，需要制定一个合适控制策略。事实上从实际情况来看，最为关键的参数是两车的距离和这个距离的变化率即它们之间的接近速度，控制变量很显然应是制动力，也即制动压力。 自动制动系统的最为关键是系统的可靠性，也即要有很强的抗干扰能力，其次才是控制精度问题，这一系统是为代替司机而设置的，所以控制器应具有人的智能性，同时控制器的算法又不能太复杂便于实施，要能满足实时性、快速响应的特性，由此采用模糊控制器是一种比较好的选择，它基本上能满足系统的k述要求。控制器的输入为两车距离和相对速度，输出为制动压力。制动效能的概念，就是根据减速度除以车轮制动时不抱死所要求的轮胎道路附着系数而确立的。制动效能所提供的车辆的轮胎