毕业论文汽车ABS逻辑门限值控制算法仿真研究

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1、三 江 学 院本科生毕业设计（论文）题 目 汽车ABS逻辑门限值控制算法仿真研究 机械工程学院 院（系） 机械设计制造及其自动化（汽车服务工程） 专业学生姓名 扈庆辰 学号 32008155017 指导教师 王金湘 职称 讲师 指导教师工作单位 东南大学 起讫日期 2012-2-20至5-25 摘 要汽车防抱死制动系统是在制动时防止车轮抱死的一种机电一体化系统。逻辑门限值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。本文依据ABS的工作原理，利用车轮加减角速度门限值及参考滑移率的组合, 构成控制逻辑, 把滑移率调整在峰值附着系数附近波动。采用Matlab/Simu

2、link 仿真环境, 对不同附着路面下有、无ABS逻辑门限值控制的制动效果进行仿真对比分析，验证了基于逻辑门限值的ABS的控制效果：减小了制动距离和制动时间，增大了制动减速度。 关键词： 制动防抱死系统；逻辑门限值控制；仿真；ABSTRACTAutomobile anti-lock braking system is at the time of braking to prevent wheel lock is a mechanical and electrical integration system. Logic threshold control method features no n

3、eed to establish specific mathematical model of the system, and the system nonlinear control is very effective. On the basis of the working principle of ABS, using wheel and angular velocity threshold value and reference slip ratio combination, constitute the control logic, the slip rate adjustment

4、in friction coefficient near fluctuation. The use of Matlab/Simulink simulation environment, roads of different adhesion coefficients under, no ABS logic threshold control braking effect compared with simulation analysis, verification based on logic threshold value ABS control effects: reduce the br

5、aking distance and braking time, increase the braking deceleration.Key word： anti-lock brake system; logic threshold control ; simulation目 录第一章 绪论11.1ABS的概念与意义11.1.1汽车行驶的安全性11.1.2汽车ABS系统21.1.3汽车ABS系统的意义21.2汽车ABS系统的发展31.2.1国外ABS系统的发展状况31.2.2国内ABS系统的发展概况31.2.3ABS防抱死系统的特点41.3ABS控制理论概论51.4结论7第二章 汽车制动的基本

6、原理82.1车轮制动时受力分析82.2地面制动力、制动器制动力与附着力的关系92.3汽车制动时滑移率与附着系数的关系102.4汽车制动车轮抱死时的运动状况分析12第三章 汽车ABS逻辑门限值法原理与关键技术153.1逻辑门限值法153.2单一门限值的控制方法153.3逻辑门限值法原理15第四章 控制逻辑设计与仿真实验174.1控制逻辑174.2仿真分析184.2.1高附着路面仿真194.2.2低附着路面仿真22结束语27致 谢28参考文献29第一章 绪论1.1ABS的概念与意义1.1.1汽车行驶的安全性影响汽车行驶安全性的因素有很多，例如：1)汽车状况，如汽车的配备程度、轮胎状况和磨损现象等；

7、2)天气、道路和交通状况，如侧向风、铺装路面状况、交通流量；3)驾驶员素质，即驾驶员的能力和健康状况。较早的汽车行驶安全性除了依靠汽车照明外，还主要依靠制动踏板的制动装置以保证汽车行驶安全性所需要的制动力。如今不断有更多的安全系统参与到制动系统中。制动系统是汽车安全行驶不可缺少的重要部件。在汽车低速行驶和交通密度很小的汽车发展史的初期，对制动系统的要求很低。随着时间的推移，制动系统不断发展。今天的汽车能高速行驶是因为汽车即便在危险的行驶情况下，制动系统仍能将汽车制动直至停车。所以制动系统是汽车安全性系统中的重要组成部分。道路交通安全(如图1.1所示)对安全系统提出的许多要求只能依靠电子技术才能

8、实现。 图1.1 道路交通安全性1主动安全系统主动安全性系统可避免交通事故，为汽车道路交通安全做出贡献。汽车主动行驶安全系统有：1)防抱死制动系统(ABS)。2)驱动防滑转控制系统(ASR)。3)电子稳定性程序(ESP)。这些主动安全性系统可稳定汽车在危险状况下的行驶状态，并保证汽车的操控性。2被动安全性系统被动安全性系统指是汽车在交通事故中保护乘员免受伤害和减轻事故后果的系统。被动安全系统包括交通法规要求的安全带和安全气囊等。1.1.2汽车ABS系统防抱死制动系统(ABS)属于汽车的主动安全系统。汽车防抱死制动系统(Antilock Braking System)是指在传统的制动系统基础上采

9、用的电子控制技术，在制动时防止车轮抱死的一种机电一体化系统。1.1.3汽车ABS系统的意义汽车在行驶中遇到危急情况采取紧急制动，有相当多的交通事故是由于汽车在紧急制动时车轮抱死，从而导致各种非稳定性因素(如侧滑、跑偏、失去转向能力)而研制的。当汽车在行驶过程中一遇到紧急情况，驾驶员通常会猛踩制动踏板，施加全制动以期望取得最强的制动效能，但是对装备常规的制动器的汽车来说，结果不但不能带来最佳的制动效能，反而还会带来以下危害：1) 由于车轮抱死，车辆不能实现弯道转弯，无法躲避障碍物或行人而造成的交通事故；2) 在非对称附着系数的路面上，车轮抱死将丧失直线行驶稳定性，易出现侧滑、甩尾急转等危险现象；

10、3) 车轮抱死时的附着力一般低于路面所能提供的最大附着力，车轮在完全抱死状态的制动距离反而有所增加；4) 车轮抱死导致轮胎局部急剧摩擦，降低了轮胎的使用寿命。由此可见，常规制动的弊端很多，为提高制动安全性，在汽车上安装ABS系统已成为汽车发展的必然趋势。ABS系统的配置，既可有效避免紧急制动时车轮抱死(打滑)现象的发生，同时还可以保持车辆制动过程中的转向操纵性，从而大大增强了行车安全性。ABS系统通过轮速传感器对相应车轮的转速进行实时监测，当某一车轮出现抱死倾向时系统立即响应，通过减小相应车轮的制动力来消除即将发生的抱死现象。1.2汽车ABS系统的发展1.2.1国外ABS系统的发展状况ABS最

11、早出现在20世纪初的西方国家，开始应用于铁路机车上，主要用来防止火车制动时车轮抱死而产生局部摩擦。1908年J.E.Francis设计了第一套ABS系统，并安装在铁路机车上。1936年德国Robert Bosch公司将电磁传感器用于测量车轮速度，当传感器探测到车轮抱死时，在各条制动管路上的电动机动作控制阀口的大小，从而调节制动压力。这一专利被认为是ABS形成中的里程碑，其原理一直沿用至今。1945年德国Frizt Oswtald公司开始开发用于飞机着陆制动系统，飞机体积和重量大，速度快，制动防抱死系统应用在飞机上，不但提高了飞机在着陆时行驶方向的稳定性，而且降低了轮胎的严重磨损。1957年美国

12、Keles Hyaes公司对Automatic制动防抱死系统进行了试验研究，研究结果表明：制动防抱死系统确实可以在制动过程中提高汽车的行驶稳定性，并且能够缩短汽车的制动距离。1968年美国Kels Hyaes公司又研制生产了Sure Track两轮制动防抱死系统，该系统由电子控制装置根据电磁式轮速传感器输入的后轮转速信号，对制动过程中后轮的运动状态进行判定，通过控制由真空驱动的制动压力进行调节。汽车上最早采用ABS技术的是福特(Ford)汽车公司。将最初的车用ABS系统装备在1970年款的林肯大陆牌轿车上。日本丰田(TOYOTA)公司也紧随其后，该公司研制的ABS最早装备在1971年款的丰田皇

13、冠牌轿车上。1978年德国Robert Bosch公司推出了采用数字式电子控制装置的制动防抱死系统一Bosch ABS 2，并且装备在Mercedes Bnez轿车上，由此揭开了现代防滑控制系统发展的序幕。ABS 2采用的是附加式方案，即在常规制动系统上附加一个ABS装置，构成的制动防抱死系统，也称为“分置式ABS”。BMW公司和Audi公司以及Poscrhe公司等车型批量装用了Bosch ABS 2系统。1990年美国Deloc公司推出了更为经济的四轮制动防抱死系统Deloc ABS VI，主要装备于美国GM公司的多种车型上。90年代以后，ABS技术已日趋成熟，制造成本不断降低，使得ABS迅

14、速普及。目前，最著名的ABS开发公司有Bosch、Wabco、ITTTeves、Delc和Lucas等。在美国、西欧、日本等发达国家和地区，ABS已经成为轿车的标准设备，装车率达到100；在大型客车和货车上，ABS的应用也日益普及。随着车辆动力学、计算机技术和电子技术的发展。ABS一方面向提高性能价格低的方向发展，另一方面，与驱动防滑装置(ASR)相集成，并与主动悬架、电子转向控制等系统构成综合控制装置。1.2.2国内ABS系统的发展概况我国对ABS的研究开始于20世纪80年代初，ABS的研究项目被列入“九五”科技攻关计划。我国检验ABS产品的国家标准GBl3594.92汽车防抱制动系统性能要

15、求和试验方法等效采用了联合国欧洲经济委员会(ECE)的汽车制动法规R13。目前，国内研究ABS的院校及机构很多，具代表性的有以下几个。1 以郭孔辉院士为代表的吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室郭孔辉院士是中国工程院首批院士，其实验室致力于汽车操纵稳定性、汽车操纵动力学、汽车轮胎模型、汽车轮胎稳态和非稳态侧偏特性的研究，在轮胎力学模型、汽车操纵稳定性以及人一车闭环操纵运动仿真等方面的研究成果均达到世界先进水平。目前，该实验室也已经投入至WJABS开发的理论和实验研究，在汽车ABS混合仿真试验台的开发与研究中也颇有成就。该实验室研究成果很多，其大部分成果对国内其他ABS研究机构、ABS开发厂家有很

16、大的指导意义和借鉴性。2清华大学汽车安全与节能国家重点实验室清华大学汽车安全与节能重点实验室有宋健等多名博导、教授，有很强的科技实力，他们还配套有一批先进的仪器设备，如汽车力学参数综合试验台、汽车弹射式碰撞试验台及翻转试验台、模拟人及标定试验台、电机及其控制系统试验台等。该实验室针对ABS做了多方面研究，其中，在ABS控制量、轮速信号抗干扰处理、轮速信号异点剔除和防抱死电磁阀动作响应研究等方面的研究处于国内领先地位。很多开发商都希望能够和该实验室合作，将该实验室的成果产品化。3华南理工交通学院汽车系以吴浩硅教授为代表从事汽车安全与电子技术及汽车结构设计计算的研究，在ABS技术方面有独到之处，能

17、够建立制动压力函数，通过车轮地面制动力和整车动力学方程计算出汽车制动的平均减速度和车速；还可以通过轮缸等效压力函数计算防抱死制动时的滑移率。另外，在滑移率和附着系数之间的关系、汽车整车技术条件和试验方法方面也有独到见解。4济南程军电子科技公司以ABS专家程军为代表的济南程军电子科技公司对ABS控制算法研究颇深，著有汽车防抱死制动系统的理论与实践等专著几本，专门讲述ABS控制算法，是国内ABS开发人员的必备资料之一。另外，他们在基于MATLAB仿真环境实现防抱死控制逻辑、基于VB开发环境进行车辆操纵仿真和车辆动力学控制的模拟研究等方面也颇有研究。1.2.3ABS防抱死系统的特点ABS防抱死系统的

18、特点主要有以下4个：1)制动时的稳定性ABS可防止四个轮子制动时被完全抱死，从而提高了汽车在制动过程中的稳定性。安装ABS的汽车制动性得到显著改善，交通事故也因此有所下降。美国国家高速公路交通安全委员会(NHTSA)根据交通事故统计分析表明：装有ABS的汽车翻车事故减少3040；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；与行人和骑自行车者相撞的事故降低了。2)能缩短制动距离在紧急制动的状态下，ABS能使车轮处于既滚动又拖动的状况，拖动比例占20左右，这时轮胎与地面的摩擦力最大，即最佳制动区域。普通制动系统无法达到这一点。经研究证明，汽车制动时，车轮边滚动边滑动

19、，当滑移率保持在1020之间时(车轮抱死的滑移率为100)，便可获得较大的附着系数，汽车有较好的制动性。ABS以此制动系统进行检探，很容易就能实现这个要求。NHTSA曾进行过一项试验，使用专业驾驶员来测试装上ABS后对汽车性能和方向控制方面的影响，在除了砂砾路面以外的所有路面上，ABS的制动距离均短于或等于不装ABS的汽车制动距离。3)防止轮胎过度磨损经测定，汽车在紧急制动时车轮抱死所造成的轮胎累加磨损费，已超过一套防抱死制动系统的造价。4)使用方便，工作可靠ABS系统的使用与普通制动系统的使用几乎没有什么不同，制动时只要把脚踏在制动板上进行正常的制动即可。遇到雨雪路滑，驾驶员再也没有必要用一

20、连串的点刹车方式进行制动，ABS会使制动保持在最佳点。而且装有ABS的汽车在制动后仍然能受控行驶。系统工作十分可靠，并有自诊断能力。1.3ABS控制理论概论ABS技术的一个核心问题就是控制算法的研究。由于ABS系统是非线性系统，因此探索一种有效的控制方法是ABS系统发展的关键。近年来，国内外学者对ABS的控制算法进行了很多理论研究，主要有以下几种控制方法。1 逻辑门限值控制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，可以预选一个角减速度门限值，当实测值达到此门限值时，控制器发出指令，减小制动力，使车轮转速提高

21、。再预选一个角加速度门限值，当实测值达到此门限值时，控制器发出指令，增加制动力，使车轮转速降低。以车轮角速度作为单信号输入，如上所述，同时在控制器中设置合理的角加速度、角减速度门限值，就可以实现防抱制动循环。因此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。但是逻辑门限值控制本身也存在一些不足。如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。2滑模变结构控制由汽车防抱死制动的基本原理可知，其制动过程的本质问题是把车轮的滑移率

22、控制在附着系数的峰值点，则滑动模变结构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，以保证系统在滑动区域很小的范围内，状态轨迹S沿滑动换节曲线滑向控制目标(，0）。通常取制动力矩为控制变量U，切换条件为: ，式中、分别代表由调节系统所决定的制动力矩减少、增加两种不同的状态；，0为切换函数，为实际滑移率相对目标点的偏差。3最优控制最优控制方法是基于状态空间法的现代控制理论方法。它可以根据车辆一地面系统的数学模型，采用状态空间的概念，在时间域内研究汽车防抱死制动系统。最优控制方法和门限值控制方法不同，它是一种基于模型分析的控制方法。其思路是根据防抱死制

23、动系统的各项控制要求，按照最优化的原理来求得制动防抱死系统的最优控制目标。这种控制方法的优点是考虑了控制过程中状态变化的历程而使控制过程平稳；缺点是控制效果的优劣主要依赖于系统的数学模型，控制质量难以准确把握。4PID控制PID控制方法的最大优点是不需要了解被控制对象的数学模型，只需要根据经验进行调节器参数的整定，这个特点正好满足了ABS控制系统建模比较困难的特点。显然，对于单一路面(期望滑移率固定)的路面来说，PID控制的特点决了它的实用性很强，但是我们很难确定一种准确的轮胎模型来实时确定不同制动工况下的期望滑移率，所以在实际产品中并不适用。目前，许多研究者把研究的重点放在建立准确的轮胎模型

24、或者通过其他的方式来辨别路况的方法上，以期望和PID控制方法联合起来应用于ABS，并且己经取得了部分研究成果，但还不能进入实用阶段。5模糊控制模糊控制是基于经验规则的控制，具有不依赖对象的数学模型，便于利用人的经验知识，具有鲁棒性强和简单实用等优点。控制规则符合人的思维规律。缺点是没有有效通用的计算方法，只能依靠设计者的经验和反复调试。1.4结论汽车防抱死制动系统是一个综合的过程， 是汽车的一个重要性能指标。成熟的ABS产品几乎都采用逻辑门限的控制方式, 利用车轮加减角速度门限值及参考滑移率的组合，构成控制逻辑, 把滑移率调整在峰值附着系数附近波动。通过对逻辑门限值控制策略的研究，进一步揭示了

25、ABS 控制的过程, 并对以后的控制参数优化提供一定的理论参考。第二章 汽车制动的基本原理汽车制动性能是汽车的主要性能之一，是指汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向的稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力。汽车制动性能直接关系到汽车的行驶安全性，其不仅取决于汽车制动系统的性能，还取决于与汽车的行驶性能、轮胎的机械特性、道路的附着条件以及与制动操作有关的人体工程特性密切相关。汽车制动时，受到由地面提供的与汽车行驶方向相反的外力称之为地面制动力。地面制动力越大，制动减速度愈大，制动距离也愈短。2.1车轮制动时受力分析下面我们分析制动时车轮受力情况(如图2.1所示)图2.1 车轮在制动时的受力图

26、图中：W一汽车作用在车轮上的重力，N；一汽车作用在车轮轴上的惯性推力，N；r一车轮半径，m；一地面对车轮的法向支持力,N；一地面制动摩擦力，N；一制动器制动力矩，Nm。 对车轮中心，由力矩平衡方程得：。地面制动力取决于两方面的因素：一个是制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘问的摩擦力；一个是轮胎与地面间的摩擦力一一附着力。在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力称为制动器制动力。制动器制动力由制动器结构参数所决定，如制动器的型式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数以及车轮半径，并与制动踏板力，即制动系的液压或空气压力成正比。为了研究的方便, 建立了单轮制动系统, 其制动过程见图2.1。2.2地面制动力

27、、制动器制动力与附着力的关系 在汽车制动过程中，若只考虑车轮的运动为滚动与抱死拖滑的两种状况：1) 当制动器踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎之间的摩擦力即地面制动力，足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。显然，车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力，且随着踏板力的增长成正比增长(如图22的OA段)。此时制动器制动力等于。2) 随着制动器踏板力的不断增加，地面制动力随着制动器制动力的增加而增加，但是地面的制动力受到地面与车轮之间的附着系数限制，即，式中：一地面提供最大附着力，N；一轮胎与地面间附着系数。当制动器踏板力或制动器压力增加到某一值(如图22A点)，地面制动力达到最大地面附着

28、力，车轮抱死不转，而出现拖滑现象。图2.2 制动过程中地面制动力、制动器制动力及地面附着力的关系3)继续增加制动器踏板力，制动器制动力继续增加，若车轮上的法向载荷为常数，则地面制动力不再增加(如图2.2的A-B段)，此时车轮完全抱死拖滑。地面制动力、制动器制动力变化如图2.2所示。由此可见，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受地面附着条件的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时又能提供高的附着力时，才能获得足够的地面制动力，才能保障较高的制动效能。2.3汽车制动时滑移率与附着系数的关系汽车制动时是利用地面与轮胎之间的摩擦力来减速的。制动时车轮速度减小，这样就在车速与轮速之

29、间产生一个速度差(如图2.3所示)。图2.3 制动时车速与轮速车速与轮速之间存在着速度差的现象称为滑移现象。经常用滑移率来衡量制动时车轮的滑移程度，是指车轮的滑移速度(车轮的实际速度与周向速度之差)与实际速度之比。即：滑移率由上式可以看出，当车速等于轮速时滑移率为零，此时车轮在道路上作纯滚动。汽车制动时，两者速度差别越大，滑移率越大，轮速为零，滑移率达到100，此时车轮完全抱死，汽车在道路上100拖滑。当0100时，汽车边滚边滑，这说明滑移率是车轮运动中滑移成分所占的比例：滑移率越大，滑动成分越多。纵向附着系数、侧向附着系数，和滑移率存在着密切的关系，通常具有如图2.4所示的关系。从图中可以看

30、出，在非制动条件下(=O)，纵向附着系数=0，在制动开始后，纵向附着系数随着滑移率的提高快速增长，滑移率到达某一数值时纵向附着系数最大，之后随着滑移率的增大纵向附着系数反而减小，纵向附着系数最大时的滑移率为，此时的纵向附着系数称为峰值附着系数。当=0时，侧向附着系数最大，之后随着的增大而减少，当车轮完全抱死，即=100时，侧向附着系数很小，汽车的方向稳定性和转弯能力将几乎完全消失，此时车辆最为危险。图2.4 制动时附着系数与滑移率的关系2.4汽车制动车轮抱死时的运动状况分析没有ABS的汽车或ABS不起作用的汽车在制动过程中，有时会出现跑偏、后轴侧滑或前轮失去转向能力而使汽车控制离开原来的行驶方

31、向，此时极易发生危险。制动时汽车自动向左或向右偏称为“制动跑偏”。侧滑是指制动时汽车的某一轴或两轴同时发生横向移动，最危险的情况是在高速制动时发生的后轴侧滑，此时汽车常发生不规则的急剧回转运动而失去控制，严重时可使汽车调头。图2.5 汽车制动跑偏时的受力如图2.5所示为转向车轮制动力不相等而引起的跑偏分析，由于转向系各处的间隙及零部件的弹性变形，转向轮仍产生一向左转动的角度而使汽车有轻微的转弯行驶一跑偏，同时由于主销有后倾，使转向车轮产生一同方向的偏转力矩，这样也增大了向左转动的角度，加剧了制动时跑偏。 a)前轴侧滑 b)后轴侧滑a) 图2.6 汽车侧滑时的运动图2.6a是前轮抱死而后轮滚动，

32、此时汽车处于一种稳定状态，但因此时侧向力系数为零，不能产生任何地面侧向反作用力，汽车无法按原弯道行驶而沿切线方向驶出(如图2.7a所示)，汽车失去转向能力。图2.6b是后轴制动抱死而前轮滚动，由图可知此时由于离心力和前轮转向力的作用而加剧了汽车侧滑。因此后轴侧滑是一种不稳定的、危险的工况(如图2.7b所示)。从以上的分析可知，从保证汽车方向稳定性的角度出发，首先不能出现只有后轴车轮抱死或后轴车轮比前轴车轮先抱死的情况，以防止危险的后轴侧滑。其次，尽量少出现只有前轴车轮抱死或前后车轮都抱死的情况，以维持汽车的转向能力。最理想的情况是防止任何车轮抱死，前后轮都处于滚动状态，这样可确定制动时方向稳定

33、性。此时，制动防抱死系统(ABS)就显示其重要性了，它可以防止制动时车轮抱死，提高汽车制动时方向稳定性。a)前轮抱死时的运动情况 b)后轮抱死时的运动情况图2.7 抱死时的运动情况第三章 汽车ABS逻辑门限值法原理与关键技术3.1逻辑门限值法逻辑门限值法的基本原理是根据设定的车轮角加速度或者参考滑移率门限值，调节轮缸制动力的大小，从而实现对车轮速度的调节。逻辑门限值法根据对所选控制参数的侧重程度，又分为单一门限值控制方法和车轮角加速度辅助参考滑移率的控制方法。3.2单一门限值的控制方法单一门限的控制方法通常单独以车轮角加速度或者参考滑移率为控制参数。单独以车轮角加速度值为门限有很大的局限性，由

34、于轮齿加工误差、电磁干扰以及路面平整度较差等原因使得车轮角加速度噪声信号较大，较容易触发门限值，造成防抱死的误动作。对于非驱动轮，也可能产生过早抱死而使防抱死控制逻辑失效。但如果单独以参考滑移率作为控制门限，对于不同附着系数的路面，很难做出准确的辨识。因此，实际应用过程中需要将车轮角加速度和参考滑移率两个门限结合起来，以识别不同路况进行自适应控制。3.3逻辑门限值法原理图3.1 典型ABS控制过程示意图一个典型的ABS逻辑门限值控制循环如图3.1所示，图中为实际车速，为参考车速，为车轮轮速，为制动压力。开始制动时, 制动轮缸中的压力不断上升, 车轮角速度开始下降, 而车轮的角减速度也不断加大.

35、 在第一阶段结束时, 车轮减速度达到- a门限值。为了避免车轮的滑移率处在稳定区的滑移率范围内进入压力减小阶段, 导致制动距离过长, 需同时对车轮的参考滑移率与滑移率下门限值进行比较。如果车轮的参考滑移率小于滑移率控制下门限值, 说明车轮的滑移率偏小, 于是进入第二阶段保压阶段, 使车轮充分的进行制动。直到车轮的参考滑移率大于控制下门限值, 说明车轮进入不稳定区域, 第二阶段保压结束。进入第三阶段降压阶段, 由于车轮制动压力的减小, 车轮在惯性力的作用下开始加速。当车轮的角减速度高于控制值- a 时, 开始第四阶段保压阶段, 此时车轮由于惯性力作用继续加速, 直到车轮加速度达到较高门限值+ a

36、。为了适应可能出现的附着系数突然增大的情况, 又设定了第二角加速度控制门限值+。在设定的压力保持阶段, 如果因为附着系数突然增大而使车轮的角加速度超过控制门限值+, 于是进入第五阶段开始升压, 直到车轮加速度再次低于较高门限值+。然后进入第六阶段保压阶段, 当车轮恢复到稳定区域, 开始进入第七阶段。为了使车轮在更长的时间内处于稳定区域, 制动压力进行增大和保持的快速转换, 阶梯增压, 直到车轮的角减速度再次低于较高门限值- a 后, 又开始进入制动压力减小阶段, 也就是第八阶段, 以后重复第四到第八阶段。第四章 控制逻辑设计与仿真实验4.1控制逻辑采用“门限值”控制法，门限值的选取会直接影响到

37、制动效果.。可供选择的门限值参数有两个，即滑移率S 和车轮的制动加速度（角加速度）。只用滑移率S 作为比较量的ABS 是一个变调节系统，处理难度较大，不适宜实际应用;仅利用车轮加速度作为门限值控制又不能实现最佳制动控制，因此采用以车轮制动加速度门限值为主、以制动液压为辅进行修正实施控制的方法。根据实际测得的制动加速度值(有正、负) 用于构成双门限逻辑控制,经组合可得到控制器对制动过程中的边界判定条件，即P ，R 条件(P 边界条件:当满足这些条件时，车轮就有抱死的倾向，此时应当降低制动轮缸压力,使车轮增速；R 边界条件:当这些条件满足时可避免车轮抱死的倾向,轮缸压力可再次升高) ，从P 和R

38、中挑选不同条件可以组成各种不同的控制逻辑，因此采用控制逻辑. 基本控制逻辑3个状态的流程如图4.1所示, 为车轮制动加速度,，为车轮制动加速度门限值的下限, 为车轮制动加速度门限值上限。这样，既可以针对不同附着系数的路面设置不同的门限值，也可保证ABS 系统始终处于控制的稳定状态.。实际控制过程需要根据车身平动加速度和制动管路油压的状态对门限值进行适当修正，修正的方法采用直接加、减一个预置的偏差，制动加速度门限值下限偏差为0，上限偏差为1 。 (a)过程1控制逻辑 （b）过程2控制逻辑 （c）过程3控制逻辑图4.1 P1R3基本控制逻辑流程图4.2仿真分析利用matlab/simulink仿真

39、技术，建立基于单轮逻辑门限值控制算法的ABS仿真程序，其制动过程见图2.1。根据逻辑门限值控制方法建模：图4.2 汽车ABS逻辑门限值法控制仿真总图图4.3 汽车ABS逻辑门限值法控制逻辑总图4.2.1高附着路面仿真根据国家标准GBT135942003中的E.6.1.3.2.1规定：当车辆从高附着路面驶向低附着路面时，急促全力制动，直接控制车轮不应该出现抱死现象，ABS能在低附着路面上全循环，并保证车辆以较高速度从高附着路面驶向低附着路面。仿真参数如下：四分之一车体质量为400kg,制动初速度为30m/s,最佳滑移率设为0.2，附着系数为0.85，采样时间为0.04s，仿真时长20s。汽车开始

40、制动时,驾驶员踩下制动踏板,对制动管路中油压进行控制,制动器使车轮产生制动力矩,同时产生地面制动力。车辆进入制动状态后首先对滑移率进行判断, 如果滑移率小于0.1,应进入增压状态;如滑移率大于0.1,接着检查是否大于0.999,如大于0.9将进入减压状态;如果滑移率在0.1 至0.999之间,接下来由车轮的加减速度作为决定油压增减的依据。逻辑门限值控制算法预选一个角减速度门限值,当实测的角减速度超过此门限值时,开始减压,使车轮得以加速旋转;再预选一个角加速度门限值,当车轮的角加速度达到此门限值时, 开始增压,车轮作减速运动,继续制动。逻辑门限值算法就是通过这样的循环控制过程使车轮的速度控制在一

41、定的范围内而不产生抱死。图4.4 汽车ABS逻辑门限值法控制高附着逻辑图图4.5 高附着路面轮速与车速仿真图图4.6 高附着路面制动控制图图4.7 高附着路面滑移率变化图从图中可以看出，制动初期前轮经过较长时间的增压状态，从开始制动到车速为零时的制动时间为3.7s，制动距离为60m,车轮首次抱死时间为3.9s，抱死时车速为：0，达到最佳滑移率的时间为：0.5s。无ABS制动控制的情况下：图4.8 高附着路面轮速与车速仿真图图4.9 高附着路面制动控制图图4.10 高附着路面滑移率变化图4.2.2低附着路面仿真根据国家标准GBT13594-2003中的E.6.1.3.2.2规定：当车辆从低附着系

42、数路面驶向高附着系数路面时，急促全力制动，防抱死制动系统能在低附着系数路面上形成全循环，保证车辆以较高的速度从低附着系数路面驶向高附着系数路面。车辆的减速度在合适的时间内有明显的增加，同时车辆不应该偏离原来的行驶路线。仿真参数如下：四分之一车体质量为400kg,制动初速度为30m/s,最佳滑移率设为0.2，附着系数为0.4，采样时间为0.04s，仿真时长20s。汽车开始制动时,驾驶员踩下制动踏板,对制动管路中油压进行控制,制动器使车轮产生制动力矩,同时产生地面制动力。车辆进入制动状态后首先对滑移率进行判断, 如果滑移率小于0.1,应进入增压状态;如滑移率大于0.1,接着检查是否大于0.999,

43、如大于0.999将进入减压状态;如果滑移率在0.1至0.999之间,接下来由车轮的加减速度作为决定油压增减的依据。逻辑门限值控制算法预选一个角减速度门限值,当实测的角减速度超过此门限值时,开始减压,使车轮得以加速旋转;再预选一个角加速度门限值,当车轮的角加速度达到此门限值时, 开始增压,车轮作减速运动,继续制动。逻辑门限值算法就是通过这样的循环控制过程使车轮的速度控制在一定的范围内而不产生抱死。图4.11 汽车ABS逻辑门限值法控制低附着逻辑图图4.12 低附着路面轮速与车速仿真图图4.13 低附着路面制动控制图图4.14 低附着路面滑移率变化图从图中可以看出，制动初期前轮经过较长时间的增压状

44、态，从开始制动到车速为零时的制动时间为7.4s，制动距离为117m,车轮首次抱死时间为7.6s，抱死时车速为：0，达到最佳滑移率的时间为：0.2s。无ABS制动控制的情况下：图4.15 低附着路面轮速与车速仿真图图4.16 低附着路面制动控制图图4.17 低附着路面滑移率变化图结束语本文对ABS的工作原理、基本结构作了详细的阐述，并利用人工图形建模的方法，建立了车辆系统仿真模型。逻辑门限值控制方法是比较成熟的控制方式，本文介绍的以滑移率门限控制为主,以加速度门限控制为辅的控制策略，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

45、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。致 谢本文的研究工作是在王金湘老师的支持和指导下完成的，王老师渊博的知识、严谨的治学态度以及勤奋踏实的工作作风给我留下了深刻的印象，并使我一生受用。在课题研究和论文撰写过程中，王老师以他独特的思维方式、丰富的理论与实践经验，帮助我解决了一个又一个难题。在生活中，王老师也给予了热心的关怀和帮助，使我在提高科研能力的同时，也领悟到了研究学问的态度和方法以及为人处事的宽容与大度。在此，向王

46、老师致以崇高的敬意和诚挚的谢意。感谢我的父母，是他们给我在学校提供了无穷的精神鼓励和物质支持，我才能在三江大学顺利完成学业。感谢论文中所有参考文献的作者，是他们的研究成果给了我在科研工作中的启发，使我在能在更高的起点上开展研究工作。衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家。参考文献1 李劲松 周孔亢, 车辆ABS控制算法的研究及探讨,拖拉机与农用运输车J, 2005年 02期.2 郑太雄 马付雷, 基于逻辑门限值的汽车ABS控制策略J,交通运输工程学报,2010年 02期.3 孙仁云 郭辛 龙行现,基于门限值控制的汽车ABS控制器的研制J,西南交通大学学报,2003年 04期.4 冷雪

47、 李文娟 王旭东等，汽车防抱死制动系统三种控制算法制动性能比较，自动化技术与应用，2009年 02期.5 冯道宁 刘昭度 尚秉旭，基于动力学模型的车辆防抱死制动系统仿真. 机械设计与制造, 2011年 09期.6 刘天浪，ABS的组成和控制原理,交通科技与经济,2009年 05期.7 李建勋 张春化，速度分段在ABS逻辑门限值控制法中的研究与应用，汽车技术, 2004年 第11期. 8 薛定宇 陈阳泉著，基于matlab/simulink的系统仿真技术与应用M.清华大学出版社，2002年4月.9 黎盛寓 谭克城 主编, 汽车底盘电子控制技术M,北京:北京理工大学出版社,2010.10 李果 编

48、著,车辆防抱死制动控制理论与应用M, 北京:国防工业出版社,2009.11 Mirzaei A， Moallem M， Dehkordi B M, Design of an Optimal Fuzzy Controller for Antilock Braking Systems. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume: 55 , Issue: 6 1725 - 1730.12宋健 李永，汽车防抱死制动系统的研究进展J，公路交通科技，2002年 第6期 13陆文昌，汽车防抱死制动系统性能的研究J，中国安全科学学报，2005年11月

49、第 10期.14郑伟峰，汽车防抱制动逻辑门限控制算法研究D，长沙：国防科学技术大学硕士论文 2003年15刘志敏，基于模糊控制的汽车ABS系统仿真研究D，兰州：兰州理工大学硕士学位论文2009年16TKawabe，MNakazawa,INostu，and YWatanabe，A sliding mode controllerfor anti-lock brake system：Usage of sluggish actuatorsC，in Proc35th Conferenceon Decision and Control，Kobe，Japan,Dec1995，Page(s)：2769- 27

50、7115Yuen-Kwok Chin，William CLin，David MSidlosky，David SRule，Sliding Mode ABS WheelSlip ControlC，1992，Page(s)：l一517ChihMin Lin and Chun-Fei Hsu，Self-Learning Fuzzy Sliding-Mode Control for Antilock Braking Systems，Transactions On Control Systems TechnologyC，V01.11 No.2，March，2003-IEEE Page(s)：27327818尹华鑫 蔡辰光 陈振明，汽车ABS基于逻辑门限值控制方法的研究J，重庆交通大学，2007年 第9期.19周东 陈南，汽车ABS逻辑门限值控制改进算法的仿真J，东南大学，2009年.20刘波，基于自适应滑模控制方法的车辆防抱死制动系统的研究D，长沙：国防科学技术大学硕士论文2006：293221朱西成汽车防抱死制动系统的设计D西安：西北工业大学硕士学位论文1999年