基于滑移率的ASR模糊控制研究
基于滑移率的ASR模糊控制研究[20200408213405]
摘 要
本篇论文首先对汽车驱动防滑控制系统的结构、原理、特点等做了具体的介绍。其次对该技术在国内外的普及状态和发展方向进行了介绍。基于车辆动力学模型，建立驱动防滑控制系统的模糊控制器。完成建模工作后，利用MATLAB中的SIMILINK模块对所设计的模型进行模拟仿真。通过最后的仿真结果，论证本论文所设计的模糊控制的可行性和正确性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:驱动防滑控制技术滑转率模糊控制仿真
目 录
1.绪论 1
1.1 概述 1
1.1.1 汽车驱动防滑控制系统（ASR）的作用 1
1.1.2 汽车驱动防滑控制系统（ASR）的分类 2
1.2 汽车驱动防滑控制系统（ASR）现状和发展趋势 3
1.3 汽车驱动防滑控制系统（ASR）研究重点 4
2.汽车驱动防滑控制系统（ASR）结构和工作原理 7
2.1 汽车驱动防滑控制系统（ASR）的工作原理 7
2.2 汽车驱动防滑控制系统（ASR）的基本结构 9
2.3 汽车驱动防滑控制系统的控制方式 11
2.4 汽车驱动防滑控制系统的控制原则 12
3.汽车驱动防滑控制系统（ASR）的控制算法研究 15
3.1 逻辑门限控制 15
3.2 滑模变结构控制 15
3.3 PID控制 16
3.4 模糊控制 16
3.4.1 模糊控制的基本思想 16
3.4.2 模糊控制的基本原理 16
4.汽车ASR的建模仿真 18
4.1 驱动防滑控制系统（ASR）车辆动力学系统数学模型 18
4.1.1 车轮模型 18
4.1.2 轮胎模型 19
4.1.3 制动器模型 20
4.2 驱动防滑控制系统（ASR）控制算法仿真 20
5.结语 27
参考文献 28
致谢 29
1.绪论
1.1 概述
1.1.1汽车驱动防滑控制系统（ASR）的作用
汽车驱动防滑控制系统（ASR）的功能是在驾驶过程中通过系统控制来减小驱动轮的滑转率，驱动轮可获得较大的纵向附着系数，并能保持较大的侧向附着系数，改善和提高车辆在行驶过程中的行驶性能。[2]驱动防滑控制系统有以下五点的主要作用：
1）改善转向操纵性
对于四轮驱动、前驱的车辆，驱动防滑控制前轮的驱动力矩，将前轮的滑转率保持在最优状态，这样就能够让前轮获得很大的侧向附着力，确保车辆在行驶中的不会丧失转向功能，又可以提高车辆的方向稳定性。
2）改善方向稳定性
对于四轮驱动、后驱的车辆，当车辆处于高速行驶状态时，驱动防滑控制系统控制驱动力矩，能够将后轮的滑转率保持在最优状态，这样就能够让后轮获得较大的横向附着力，使汽车在路面上更加稳定，而且可以通过控制两侧驱动轮的牵引力，来防止因为两侧驱动轮的牵引力不平衡而产生的横摆力矩，提高车辆在高速行驶过程中的方向稳定性明显。
3）提高加速性能和爬坡能力
一般差速器都具有可以平均分配两侧的驱动力矩，并且可以同时让两侧驱动车轮差速转动的传动特性。大部分差速器利用它传动特性来平衡两侧驱动轮的牵引力，降低车辆在行驶过程中车辆发生横摆的风险，从而增强车辆稳定性。然而，当车辆两侧的路面的附着系数大小差距较大，位于较大的一侧的驱动轮不能完全利用路面的附着力，车辆的加速能力和爬坡能力会受到影响。从而降低车辆的整体性能。本文所研究的防滑控制系统是汽车防抱死系统功能上扩展，让其可以在ECU的掌控下，完全自主地对一侧在附着系数较小的驱动轮进行电子控制，施加适当的制动力，使其能够最大程度上利用附着力，减少车轮的滑转率，进而保证车辆的加速性能和爬坡能力。
4）减少驾驶员的心理负担
驱动防滑控制系统（ASR）是一种全新的电子安全设备，在车辆行驶过程中，当遇到某种特殊工况，能够及时介入控制，帮助驾驶员稳定车辆。这样就可以很大程度上减少驾驶员的心里负担，并且增加驾驶员的控制车辆的信心。
5）延长汽车轮胎的使用寿命
驱动防滑控制系统（ASR）在一定程度上可以有效的控制滑转率，这样就可以大幅降低驱动轮的轮胎损耗，就可以延长轮胎的使用时间。
1.1.2汽车驱动防滑控制系统（ASR）的分类
汽车驱动防滑控制系统按控制方式可分为三种不同的控制方式：差速制动控制、发动机输出扭矩的控制、差速制动控制和发动机输出扭矩控制的综合控制。[1]
1）差速制动控制
如果突然发生一侧的驱动轮滑转，电子控制单ECU元接收传感器的输入信号，通过计算后迅速发出一个控制信号，立即增大制动轮缸和差速制动阀压力，对已打滑的驱动轮增加适当的制动力，快速地将滑转率保持在设定的阀值范围内。在这个时候，没有发生滑转的驱动轮仍然可以最大程度利用牵引力，从而进一步提高了汽车在湿滑以及冰雪等附着系数较低的路面的起步和加速性能，并且保证了车辆的在行驶过程中的稳定性，不会丧失转向功能。
这种差速制动的控制方式类似于四轮驱动汽车中的差速锁功能。当一侧驱动轮失去部分或者全部的驱动能力时，立即对该轮施加一定制动力矩，而另一侧驱动车轮仍然拥有正常的牵引能力，从而使汽车能继续保持行驶状态。但是当驱动轮都同时发生滑转时，而滑转率大小不一样，则电子控制单元ECU会让制动系统给两侧车轮施加大小不同的制动力矩，使其两侧驱动轮都充分利用地面的附着力。
2）发动机输出扭矩控制
通常在汽车起步和加速的时候，如果驾驶员把油门踏板踩得过深，两侧的驱动轮会因为一瞬间驱动力过大而导致两侧的驱动轮同时发生滑转的情况。在这一时刻，驱动防滑控制系统(ASR)中的电子控制单元控制信号输出，发动机立即接收它的控制信号，减少它的输出转矩，控制驱动轮的滑转率。控制发动机节气门开度、调节喷油器的喷油量和控制点火时间等控制方法都可以对发动机的输出扭矩进行控制。
3）差速制动和发动机输出扭矩的综合控制
这种类型的驱动防滑控制系统(ASR)一般将差速制动控制和发动机输出扭矩控制两者结合在一起的综合控制系统，这种控制效果更佳明显有效。汽车在正常的行驶过程中，道路条件情况多种多样，驱动力可以利用的最大附着力也是不断变化的，这种集成控制系统，根据发动机的工况和驱动车轮滑转率来采取对应的控制措施。例如，一些附着系数较小的湿滑路面上，驱动力较小，但车轮仍容易发生打滑。此时对滑转车轮施加适当的制动力的方法，效果会比较理想。然而由于发动机输出扭矩过大而导致的车轮滑转，其最主要的原因可能是驱动力过大，大于了地面的附着力，此时则电子控制装置发出控制信号给发动机，迅速减小发动机的输出扭矩的方法来减小驱动轮的滑转率更加有效。而然，在正常情况下，车轮打滑一般是非常复杂的，需要两种控制方式一起协同控制。
1.2 汽车驱动防滑控制系统（ASR）现状和发展趋势
汽车驱动防滑控制系统（Acceleration?Slip?Regulation），即一种新型的非常实用的汽车主动安全技术。自二十世纪七十年代起，汽车工程师们开始重视车辆在行驶过程中发生的车轮滑转的问题，所以人们开始对驱动防滑控制技术进行大量研究和开发，使得该技术快速发展。日本首次在1972年使用了牵引力控制系统。该系统是利用控制发动机点火来控制滑转率。德国在1978年开发出了另一种全新控制方式的驱动防滑控制系统。这种全新的控制方式是通过控制喷油嘴喷油量来完成控制滑转率。日本在1981年又研发出了一种离合器控制的驱动防滑控制系统，并将它注册为专利。1985年瑞典沃尔沃公司研发出了一种被称为ETC(电子牵引力控制）的电子控制系统。沃尔沃公司在它的Volvo760 Turbo汽车上配备此系统。电子牵引力控制系统通过调节发动机做功时的供油量来达到调节输出转矩的目标，进而控制滑转率。自那时以来，驱动防滑控制技术日益发展成熟，在上世界90年代，越来越受到大家的欢迎。[5]
摘 要
本篇论文首先对汽车驱动防滑控制系统的结构、原理、特点等做了具体的介绍。其次对该技术在国内外的普及状态和发展方向进行了介绍。基于车辆动力学模型，建立驱动防滑控制系统的模糊控制器。完成建模工作后，利用MATLAB中的SIMILINK模块对所设计的模型进行模拟仿真。通过最后的仿真结果，论证本论文所设计的模糊控制的可行性和正确性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:驱动防滑控制技术滑转率模糊控制仿真
目 录
1.绪论 1
1.1 概述 1
1.1.1 汽车驱动防滑控制系统（ASR）的作用 1
1.1.2 汽车驱动防滑控制系统（ASR）的分类 2
1.2 汽车驱动防滑控制系统（ASR）现状和发展趋势 3
1.3 汽车驱动防滑控制系统（ASR）研究重点 4
2.汽车驱动防滑控制系统（ASR）结构和工作原理 7
2.1 汽车驱动防滑控制系统（ASR）的工作原理 7
2.2 汽车驱动防滑控制系统（ASR）的基本结构 9
2.3 汽车驱动防滑控制系统的控制方式 11
2.4 汽车驱动防滑控制系统的控制原则 12
3.汽车驱动防滑控制系统（ASR）的控制算法研究 15
3.1 逻辑门限控制 15
3.2 滑模变结构控制 15
3.3 PID控制 16
3.4 模糊控制 16
3.4.1 模糊控制的基本思想 16
3.4.2 模糊控制的基本原理 16
4.汽车ASR的建模仿真 18
4.1 驱动防滑控制系统（ASR）车辆动力学系统数学模型 18
4.1.1 车轮模型 18
4.1.2 轮胎模型 19
4.1.3 制动器模型 20
4.2 驱动防滑控制系统（ASR）控制算法仿真 20
5.结语 27
参考文献 28
致谢 29
1.绪论
1.1 概述
1.1.1汽车驱动防滑控制系统（ASR）的作用
汽车驱动防滑控制系统（ASR）的功能是在驾驶过程中通过系统控制来减小驱动轮的滑转率，驱动轮可获得较大的纵向附着系数，并能保持较大的侧向附着系数，改善和提高车辆在行驶过程中的行驶性能。[2]驱动防滑控制系统有以下五点的主要作用：
1）改善转向操纵性
对于四轮驱动、前驱的车辆，驱动防滑控制前轮的驱动力矩，将前轮的滑转率保持在最优状态，这样就能够让前轮获得很大的侧向附着力，确保车辆在行驶中的不会丧失转向功能，又可以提高车辆的方向稳定性。
2）改善方向稳定性
对于四轮驱动、后驱的车辆，当车辆处于高速行驶状态时，驱动防滑控制系统控制驱动力矩，能够将后轮的滑转率保持在最优状态，这样就能够让后轮获得较大的横向附着力，使汽车在路面上更加稳定，而且可以通过控制两侧驱动轮的牵引力，来防止因为两侧驱动轮的牵引力不平衡而产生的横摆力矩，提高车辆在高速行驶过程中的方向稳定性明显。
3）提高加速性能和爬坡能力
一般差速器都具有可以平均分配两侧的驱动力矩，并且可以同时让两侧驱动车轮差速转动的传动特性。大部分差速器利用它传动特性来平衡两侧驱动轮的牵引力，降低车辆在行驶过程中车辆发生横摆的风险，从而增强车辆稳定性。然而，当车辆两侧的路面的附着系数大小差距较大，位于较大的一侧的驱动轮不能完全利用路面的附着力，车辆的加速能力和爬坡能力会受到影响。从而降低车辆的整体性能。本文所研究的防滑控制系统是汽车防抱死系统功能上扩展，让其可以在ECU的掌控下，完全自主地对一侧在附着系数较小的驱动轮进行电子控制，施加适当的制动力，使其能够最大程度上利用附着力，减少车轮的滑转率，进而保证车辆的加速性能和爬坡能力。
4）减少驾驶员的心理负担
驱动防滑控制系统（ASR）是一种全新的电子安全设备，在车辆行驶过程中，当遇到某种特殊工况，能够及时介入控制，帮助驾驶员稳定车辆。这样就可以很大程度上减少驾驶员的心里负担，并且增加驾驶员的控制车辆的信心。
5）延长汽车轮胎的使用寿命
驱动防滑控制系统（ASR）在一定程度上可以有效的控制滑转率，这样就可以大幅降低驱动轮的轮胎损耗，就可以延长轮胎的使用时间。
1.1.2汽车驱动防滑控制系统（ASR）的分类
汽车驱动防滑控制系统按控制方式可分为三种不同的控制方式：差速制动控制、发动机输出扭矩的控制、差速制动控制和发动机输出扭矩控制的综合控制。[1]
1）差速制动控制
如果突然发生一侧的驱动轮滑转，电子控制单ECU元接收传感器的输入信号，通过计算后迅速发出一个控制信号，立即增大制动轮缸和差速制动阀压力，对已打滑的驱动轮增加适当的制动力，快速地将滑转率保持在设定的阀值范围内。在这个时候，没有发生滑转的驱动轮仍然可以最大程度利用牵引力，从而进一步提高了汽车在湿滑以及冰雪等附着系数较低的路面的起步和加速性能，并且保证了车辆的在行驶过程中的稳定性，不会丧失转向功能。
这种差速制动的控制方式类似于四轮驱动汽车中的差速锁功能。当一侧驱动轮失去部分或者全部的驱动能力时，立即对该轮施加一定制动力矩，而另一侧驱动车轮仍然拥有正常的牵引能力，从而使汽车能继续保持行驶状态。但是当驱动轮都同时发生滑转时，而滑转率大小不一样，则电子控制单元ECU会让制动系统给两侧车轮施加大小不同的制动力矩，使其两侧驱动轮都充分利用地面的附着力。
2）发动机输出扭矩控制
通常在汽车起步和加速的时候，如果驾驶员把油门踏板踩得过深，两侧的驱动轮会因为一瞬间驱动力过大而导致两侧的驱动轮同时发生滑转的情况。在这一时刻，驱动防滑控制系统(ASR)中的电子控制单元控制信号输出，发动机立即接收它的控制信号，减少它的输出转矩，控制驱动轮的滑转率。控制发动机节气门开度、调节喷油器的喷油量和控制点火时间等控制方法都可以对发动机的输出扭矩进行控制。
3）差速制动和发动机输出扭矩的综合控制
这种类型的驱动防滑控制系统(ASR)一般将差速制动控制和发动机输出扭矩控制两者结合在一起的综合控制系统，这种控制效果更佳明显有效。汽车在正常的行驶过程中，道路条件情况多种多样，驱动力可以利用的最大附着力也是不断变化的，这种集成控制系统，根据发动机的工况和驱动车轮滑转率来采取对应的控制措施。例如，一些附着系数较小的湿滑路面上，驱动力较小，但车轮仍容易发生打滑。此时对滑转车轮施加适当的制动力的方法，效果会比较理想。然而由于发动机输出扭矩过大而导致的车轮滑转，其最主要的原因可能是驱动力过大，大于了地面的附着力，此时则电子控制装置发出控制信号给发动机，迅速减小发动机的输出扭矩的方法来减小驱动轮的滑转率更加有效。而然，在正常情况下，车轮打滑一般是非常复杂的，需要两种控制方式一起协同控制。
1.2 汽车驱动防滑控制系统（ASR）现状和发展趋势
汽车驱动防滑控制系统（Acceleration?Slip?Regulation），即一种新型的非常实用的汽车主动安全技术。自二十世纪七十年代起，汽车工程师们开始重视车辆在行驶过程中发生的车轮滑转的问题，所以人们开始对驱动防滑控制技术进行大量研究和开发，使得该技术快速发展。日本首次在1972年使用了牵引力控制系统。该系统是利用控制发动机点火来控制滑转率。德国在1978年开发出了另一种全新控制方式的驱动防滑控制系统。这种全新的控制方式是通过控制喷油嘴喷油量来完成控制滑转率。日本在1981年又研发出了一种离合器控制的驱动防滑控制系统，并将它注册为专利。1985年瑞典沃尔沃公司研发出了一种被称为ETC(电子牵引力控制）的电子控制系统。沃尔沃公司在它的Volvo760 Turbo汽车上配备此系统。电子牵引力控制系统通过调节发动机做功时的供油量来达到调节输出转矩的目标，进而控制滑转率。自那时以来，驱动防滑控制技术日益发展成熟，在上世界90年代，越来越受到大家的欢迎。[5]
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