基于滑移率的汽车ABS最优控制研究

基于滑移率的汽车ABS最优控制研究[20191208102900]
摘 要
  随着科学技术日新月异的发展,汽车的安全性能已经越来越受到重视。制动防抱死系统(ABS)作为改善汽车主动安全性的重要装置,它的制动效果决定了行车的安全性,因此,对于ABS的研究也成为重要课题。对于此类问题的研究,需要用到仿真建模的办法,寻找精确、简单的仿真模型成为解决问题的关键。
本文首先对汽车制动系统进行了动力学分析;其次,在MATLAB的Simulink环境下设计了基于滑移率控制的汽车ABS最优控制模型;最后进行了仿真分析。研究结果表明,最优控制能够很好地实现理想滑移率,满足汽车ABS的需求,有一定的应用前景。

关键字:滑移率MATLAB最优控制ABS
KEYWORDS:slip rate; MATLAB; optimal control; ABS目 录
1. 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 发展趋势 1
1.3 ABS技术的发展及应用现状 2
2. ABS基础知识 3
2.1 ABS作用 3
2.2 ABS构造 3
2.3 ABS工作原理 4
2.4 ABS的布置形式 6
2.5 ABS系统的特点: 6
2.6 汽车制动性能的主要评价指标: 6
3. ABS动力学分析 8
3.1 汽车制动过程解析 8
3.2 滑移率与地面附着系数 9
4 ABS的最优控制建模与仿真 11
4.1 最优控制介绍 11
4.2 车辆动力学系统模型 11
4.2.1 汽车轮胎模型 11
4.2.2 汽车制动器模型 15
4.2.3 汽车ABS的Simulink模型 15
4.3仿真结果分析 17
5.结语 19
参考文献 20
致谢 21
1.绪论
1.1 课题背景
随着社会的发展,科技的日新月异,汽车已经成为人们出行最常用的一个方式,与之相对应的,就是汽车数量的不断增多,汽车在道路上的速度不断增加,带来的就是事故的不断产生,为了确保行车安全,减小交通事故带来的人身伤害,汽车制动防抱系统,简称为ABS应运而生,它带来的不仅仅是行车安全,更是对人身财产安全的重要保障。因此,越来越多的汽车工厂以及国家高度重视ABS,这也从侧面印证了随着时代的发展,ABS的发展也是客观的需要,ABS的发展预示着汽车安全性的一次跨越性提升。
1.2 发展趋势
从开始重视发展ABS技术以来,ABS的研究过程大致上可以归为一下四个阶段:第一个阶段,各方面重视的在于如何更好的获得控制方面的突破;第二个阶段各方面侧重于如何在发展ABS技术的同时,能够提高行车的安全性和可靠性;第三个阶段各方面侧重于怎样节省成本,力求以更小的成本能够取得ABS技术质的发展;第四个阶段各方面侧重于追求性价比高的产品,集中精力发展集制动防抱死和驱动防滑转功能为一体的ABS系统[1]。
现代汽车上安装的ABS装置,大体上是单一ABS系统和ABS加驱动防滑系统组合的电子制动系统。汽车的控制系统现今基本都由电子控制装置完成,ABS防抱制动系统也是由汽车中的电子控制装置控制,当汽车在路面上遇到紧急状况制动时,ABS能够使汽车在紧急刹车时车轮不抱死,能够继续转动,从而达到紧急制动后能够安全停车的目的。
这种系统是将由速度传感器检测到的汽车行驶时的车轮速度,通过信号方式传给汽车中的电子控制装置中,电子控制装置根据信号中所包含的汽车车轮速度,通过不断重复“一点、一放”的形式来改变作用在车轮上的制动压力,从而防止车轮出现打滑的情况,保持车轮在路面上转动,相较于将车轮抱死的刹车方式,ABS防抱死制动系统能够提供更多的制动力[2]。以下几个方面就是本文所研究的内容:
1)ABS的基础知识,包括ABS的作用、ABS的构造、ABS的工作原理、ABS的布置形式、ABS系统的特点、汽车制动性能的主要评价指标,并结合ABS的基本结构以及ABS的基本工作原理,为寻求基于滑移率的汽车ABS最优控制研究打下基础。
2)对ABS进行了动力学分析,包括制动过程的解析以及探究滑移率与地面附着系数的关系。
3)对ABS防抱死制动系统的轮胎以及制动器进行了建模,为本文研究ABS打下了坚实基础。
1.3 ABS技术的发展及应用现状
ABS技术在世界范围内,首先在火车与飞机上实现了成功的应用。直到20世纪40年代,电液控制的ABS装置才被德国博世公司申请专利,这一个转折点,为ABS技术能够在汽车上使用开辟了一个机会。在20世纪50年代,在汽车上首次尝试ABS装置的公司是福特汽车公司,福特公司在他们所创造的林肯汽车上装用了ABS装置,当时的ABS装置还属于机械式,结构十分复杂,但是功能较为单一,在特定的情况下,特定的汽车才能实现防抱死,因此应用不是十分广泛。
自此,ABS面临了一个十分艰难的困境,ABS的发展出现了停滞不前的状况。随着电子技术日新月异的发展,社会科学技术也与日俱增,在20世纪70年代后,ABS应用在汽车上又出现了新的曙光。因为电子技术的发展,机械式的ABS逐渐被淘汰,取而代之的是电子式的ABS,不论在反应速度、可靠性还是安全性上都不是机械式可以相提并论的,制动效果更是不可同日而语,但是结构却比机械式简单许多,体积和质量都十分轻巧,价格也相对低廉,ABS迎来了大发展时期。
这几年来,国内也越来越重视ABS技术的推广与应用,例如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到ABS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开发厂家有很大的指导意义和可借鉴性。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等。该实验室针对ABS做了多方面的研究,其中,在ABS控制量、轮速信号抗干扰处理、轮迷信号异点剔除、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等等。
2. ABS基础知识
2.1 ABS作用
汽车在道路上行驶时,遇到突发状况紧急刹车时,对于拥有ABS的汽车来说,紧急制动时的安全性可以大大加强,如果汽车没有安装ABS,在紧急刹车时,汽车车轮容易出现抱死的情况,对于行驶在道路上的汽车来说,危险性大大加强,会造成不可挽回的严重后果。
ABS技术在不断更新换代,但是不同类型的ABS对于制动的效果各有不同,虽然都有缩短制动距离的效果,但是有的制动距离较长,有的却较短,在购买汽车时,不仅要注意汽车的品牌、外貌,更要注重汽车的性能,选购ABS系统较为优异的汽车。
2.2 ABS构造
ABS一般由三个部分组成:传感器、电子控制单元(ECU)和制动压力调节器。传感器可以接收到汽车的运动参数,一般以汽车的车轮角速度形式传送给控制装置——ECU 经过控制装置的计算后,再与限定的数值进行比较后,发送指令给制动压力调节器,接受指令后进行增压、保压或减压。
线性轮速传感器主要由永磁体、极轴、感应线圈和齿圈等组成。齿圈旋转时,齿顶和齿隙交替对向极轴。在齿圈旋转过程中,感应线圈内部的磁通量交替变化从而产生感应电动势,此信号通过感应线圈末端的电缆输入ABS的电控单元。当齿圈的转速发生变化时,感应电动势的频率也变化。
环形轮速传感器主要由永磁体、感应线圈和齿圈等组成。永磁体由数对磁极组成,在齿圈旋转过程中,感应线圈内部的磁通量交替变化从而产生感应电动势,此信号通过感应线圈末端的电缆输入ABS的电控单元。当齿圈的转速发生变化时,感应电动势的频率也变化。
当齿轮穿过霍尔元件的磁力线分散,磁场相对较弱;而当齿轮位于图中(b)所示位置时,穿过霍尔元件的磁力线集中,磁场相对较强。齿轮转动时,使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化,因而引起霍尔电压的变化,霍尔元件将输出一个毫伏(mV)级的准正弦波电压。此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压。
HCU是ABS执行机构,一般由增压阀(常开阀)、减压阀(常闭阀)、回液泵、储能器组成。增压阀和减压阀受控于ECU信号,实现液路的开关,从而实现常规、保压、减压、增压的制动过程。电动泵由柱塞式油泵和驱动电机组成,主要作用是将蓄能器内的制动液保持一定的压力。
2.3 ABS工作原理
通过ABS的发展历程,可以将ABS归纳总结为两个种类,一个是机械式,另一个是电子式。早期的ABS一般都是机械式,结构十分复杂,功能也相对单一,不适合大规模运用于汽车上,制动效果也不好;随着科技发展,电子式ABS产生,标志着汽车将大规模运用ABS技术,无论是在功能、结构、安全性、控制性、制动性方面,电子式都要要领先于机械式。
ABS的工作原理:汽车行驶时,车轮的转速受到ABS中的轮速感应器的检测,检测的车速转化为信号,通过轮速感应器传到电子控制器内,电子控制器通过分析,可以得知车轮是否将要抱死,当电子控制器分析到车轮即将抱死的时候,电子控制器会控制电子调节器,电子调节器的作用是可以调节各个制动分泵,通过调节油压分泵中的油压分配阀,以“一点一放”的形式来实现减速效果,避免产生抱死现象,既可以减慢车速,也可以提高安全性[3]。原理图如下图2.1。
图2.1 ABS系统基本原理结构
图2.2 ABS系统原理图
在制动时,ABS根据每个车轮速度传感器 传来的速度信号,可迅速判断出车轮的抱死状态,在车轮即将抱死是,经过电子控制系统控制,控制将车轮上方的那个常开输入电磁阀自动关闭,通过这个方法,可以保持制动力不变,一旦出现无法阻止车轮抱死的情况,电子控制装置有将控制汽车打开常闭输出电磁阀,避免车轮出现抱死情况,让滑移率处于20%的最佳状态,确保汽车在行驶时的安全性[4]。
在ABS工作制动时,由于活塞往返推动套筒,制动踏板不断右移,因此,在刹车时,会产生一些类似于噪音的声音。
制动过程后期,由于制动力使汽车速度降低后,汽车车轮不会再出现抱死情况,因此ABS系统会控制关闭主控制阀,汽车的行驶状态进入普通的减速状态。
在ABS 中,每个车轮上各安置一个转速传感器 ,将关于各车轮转速的信号输入电子控制装置。轮速传感器检测各个车轮的装束,并将信号传入电子控制在装置中。在这一过程中,系统中各处都处于关闭状态,因此各处都处于不同点状态,各部分都不工作,处于封闭状态,此时的刹车情况与常规刹车情况一致。
在制动 过程中,电子控制装置根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮趋于抱死时,ABS就进入防抱死制动压力调节过程。
ABS处于工作状态时,ABS会在即将抱死的轮胎上作用一个循环往复的力,这个力通过这一时刻增大,下一时刻减小的方式,将即将抱死的轮胎的滑动率控制在一个可控范围内,从而避免使行驶中的汽车的四个轮胎都发生抱死现象。
2.4 ABS的布置形式
在ABS中,控制通道是指对于制动压力的调节能过独立进行的制动管路。就双轴轿车而言,目前ABS装置的控制通道分为1通道式、2通道式、3通道式和4通道式。
1)4通道式。4通道是指有4个轮速传感器的ABS,在通往4个车轮制动分泵的管路中,每个车轮的制动分泵的管路中都设置了一个制动压力调节器装置,确保能够独立控制,这样的形式就形成了所为的4通道控制形式。
2)3通道式。3通道式是指汽车两个前轮受ABS的独立控制,按照低选原则将两后轮进行一同控制(换种说法一个通道控制两个车轮,可以保证让车轮在附着力很小的情况下不抱死),也称为混合控制。
由于稳定性、安全性、控制性以及制动性存在明显的不足,2通道式和1通道式已经基本退出了汽车的应用。
2.5 ABS系统的特点:
从日常维护的角度看,ABS装置有以下四个特点:
1)在汽车行驶过程中,由于路况的复杂以及操作习惯,ABS装置会被不间断的使用,基本每秒都在工作,因此ABS系统中的制动液运动粘度和吸湿率需要得到充分保障,这关系到ABS是否能正常行使制动作用。
2)ABS系统中的制动液是十分重要的,及时在ABS装置不工作时,也需要更换制动液。
3)ABS系统具有自诊断系统,发生故障时,故障原因能够被及时发现。
2.6 汽车制动性能的主要评价指标:
汽车在制动时,制动效果的评价指标就称为汽车制动性能,对于制动性能评价指标,主要由制动效能表示。
制动效能是指汽车迅速降低行驶速度直至停车,或在下坡时维持一定车速及坡道驻车的能力,是制动性能最基本的评价指标。一般用制动减速度、制动力、制动距离等来评价。
1)制动减速度:是指制动时单位时间内车速的变化量。它反映了地面制动力的大小,与制动器制动力及附着力有关。
2)制动力:包括地面制动力、制动器制动力以及地面制动力、制动器制动力和附着力之间的关系。
汽车制动时,制动减速度以及制动距离收地面制动力的影响,地面制动力越小,汽车的减速度也就随着制动力的小而小,制动距离则变长,反之亦然;同时,制动时,由于地面附着条件的不同,制动器制动力的大小不同,地面制动力也会随之改变,想要获得足够的地面制动力使汽车制动效果显著,只有让汽车的制动器制动力足够大,提高地面附着力才能实现。
3)制动距离:是指车辆在规定的初速度下,以规定踏板力急踩制动踏板时,从驾驶员右脚接触到制动踏板到车辆停止时车辆所行驶的距离。

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好棒文