汽车防抱死制动系统ABS的模糊控制研究.docx
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汽车防抱死制动系统ABS的模糊控制研究
本科毕业论文(设计)
题目__汽车防抱死制动系统(ABS)的模糊控制研究__
学院工程技术学院
专业车辆工程
年级______2008级_________
学号__22200832222_
姓名__________________
指导教师__________________
成绩_____________________
2012年5月3日
目录
摘要4
Abstract5
0文献综述6
0.1引言6
0.2ABS的发展研究概况6
0.2.1国外ABS的发展6
0.2.2我国ABS的发展7
0.2.3现代ABS的原理和工作过程8
0.3.现代ABS分类和常用的控制方法8
0.3.1ABS的分类8
0.3.2ABS常用的控制算法9
0.4模糊控制的研究发展概况9
0.4.1模糊控制的发展9
0.4.2模糊控制面临的问题10
0.4.3模糊控制的应用前景11
0.5本论文研究的目的意义11
1ABS的结构和工作原理11
1.1ABS的工作原理11
1.2ABS系统的分类和组成14
1.2.1ABS系统的类型14
1.2.2ABS系统的组成14
1.3本章小结16
2汽车ABS数学模型的建立16
2.1单轮车辆模型16
2.2车辆轮胎模型17
2.3车辆制动系统模型20
2.3.1气压制动系统的建模20
2.3.2制动器的建模21
2.4本章小结21
3ABS模糊控制器的建立22
3.1模糊控制器输入量和输出量的确定23
3.2量化因子和比例因子的计算24
3.3模糊控制规则24
3.4语言变量隶度函数的确定25
3.5模糊语言规则的设计27
3.6清晰化方法的研究28
3.7本章小结29
4建模和仿真分析29
4.1汽车制动过程的建模和仿真29
4.2仿真结果的分析32
4.3本章总结33
5总结及展望33
5.1全文总结33
5.2展望34
参考文献34
致谢35
汽车防抱死制动系统(ABS)的模糊控制研究
西南大学工程技术学院,重庆400716
摘要:
随着人们生活水平的提高人们越来越关心汽车使用过程中的安全问题,这也极大地推动了汽车安全技术的发展,防抱死制动系统(ABS)就是在这样的情况下发展起来的一种车用电子产品。
它能控制汽车在制动过程中的滑移率,使地面制动力始终保持在最大静摩擦力附近,有效地缩短了制动距离同时保持了汽车在制动过程中的转向能力,使汽车制动过程中仍有躲避障碍物的能力,而ABS的控制方法是该系统最核心的部分。
本文主要研究的是基于模糊控制方法的ABS,首先介绍ABS的结构和工作原理,然后根据数学公式利用MATLAB软件分别建立单轮车辆、轮胎、气压制动系统、基于模糊控制的防抱死制动系统等仿真模型并设定参数进行仿真分析,研究模糊控制方法对ABS性能提升的重要作用。
关键词:
防抱死制动系统(ABS)、模糊控制、滑移率、建模、仿真
Fuzzycontrolofautomotiveanti-lockbrakingsystem(ABS)
CollegeofEngineeringandTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China
Abstract:
Withtheimprovementofpeople'slivingstandardpeopleareincreasinglyconcernedaboutthesecurityissuesintheuseofvehicles,whichgreatlypromotedthedevelopmentofautomotivesafetytechnology,anti-lockbrakingsystem(ABS)isdevelopedinsuchcircumstancesasacarelectronicproducts.Itcancontrolthecar’ssliprateduringbraking,makethegroundbrakingforceremainsnearthemaximumstaticfriction,effectivelyshorteningthebrakingdistancewhilemaintainingtheSteeringcapabilityduringbraking,makingthecarmaintaintheabilitytoavoidtheobstacles,theABScontrolmethodisthecoreofthesystem.Inthispaper,thestudyisbasedontheABSfuzzycontrolmethod,firstintroducedtothestructureandworkingprincipleoftheABS,basedonmathematicalformulasusingMATLABsoftwaretoestablishasingle-wheelvehicle,Nonlineartire,anti-lockbrakesystembasedonfuzzycontrol.,andsettheparametersofthesimulationanalysisoffuzzycontrolmethodtoenhancetheimportantroleoftheABSperformance.
Keywords:
anti-lockbrakingsystem(ABS),fuzzycontrol,sliprate,modeling,simulation
0文献综述
0.1引言
当今世界上的汽车越来越多,汽车作为一种常交通工具不仅方便了人们日常生活还极大地促进了经济社会发展,但是它所带来的负面影线也不容忽视。
大量的汽车尾气直接排放到空气,并且尾气中含有的一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、微粒严重的污染了大气,危害了人类的身体健康。
此外,全球每年每年因交通事故而伤亡的人数达到几十万,中国的交通事故死亡人数为每年十万,居全球第一,而且每年死亡人数还在不断增长。
这其中,有相当一部分是由于危险情况时的制动距离过长和失去转向能力导致的。
这就为汽车安全技术提出了更高的要求。
我国在道路交通事故中的死亡人数和死亡率方面大大高于发达国家,这不仅仅是因为发达国家道路交通状况、国民安全意识方面优于我国,还有一个重要的方面是我国的汽车安全技术要远远落后于发达国家。
近年来我国的汽车保有量呈现爆发式增长,这就更为我国的汽车安全技术发展提出了要求。
提高行车的安全性有很多种方法,在其中,通过提高汽车制动过程中的制动性能就是一个最直接有效的方法,而汽车防抱死制动系统ABS(Anti-lockBrakeSystem)就是这样一个可以很好的提高汽车制动性能的电子装置,它是汽车安全技术发展的产物。
它可以使汽车保持一定的滑移率来保证汽车的在得到较大的地面制动力的同时又保持了转向能力,缩短了制动距离,有效防止了交通事故的发生。
0.2ABS的发展研究概况
0.2.1国外ABS的发展
1928年英国汽车的工程师提出制动防抱死理论,机械式的制动防抱死系统于30年代问世并首先应用于飞机上。
20世纪50年代,福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司把机械式制动防抱死系统应用于汽车上,由于当时的轮速信号不准确,压力调节精度也不高,所以不能有效地缩短制动距离和保证制动时的方向稳定性,而且当时防抱死装置的体积和质量都比较大,稳定性差,制造成本过高,70年代时机械式制动防抱死装置停止使用。
70年代后期数字式电子技术和大规模集成电路技术的发展促进了车用ABS技术的迅速发展,为ABS的实用化奠定了基础。
80年代欧洲各国的汽车公司和研究机构都加速了ABS的研究力度,1978年BOSCH公司首次推出了数字式电子控制装置的制动防抱死装置,并且命名为BOSCHABS2,因为数字式电子控制装置的的响应速度、精确性和稳定性都更高,达到了比较理想的控制效果,所以得到了很好的应用。
20世纪70年代到九十年代初,欧盟、美国、日本等发达国家相继颁布了关于汽车应用制动防抱死装置的法令,制动防抱死装置开始了大规模应用。
到20世纪末,制动防抱死装置在各新兴国家的汽车上得到广泛应用。
0.2.2我国ABS的发展
我国的ABS研究比起国外起步比较晚,于20世纪80年代开始,通过对国外公司的现有ABS进行剖析和研究,我国的汽车制造企业逐步掌握了ABS的设计和制造技术。
到第二代ABS产品时我国已开始自行研制,但现在我国所生产的产品大多是与外国著名汽车公司合作研制的。
重庆公路研究所已经研制成功两代ABS,兴平514厂也与西安道路交通大学合作开发了第二代ABS,另外宏安公司作为第一个量产ABS的国内厂家也已经在1993年投产;中国重汽研究中心自制的ABS在1995年的测试中也已经达到了国际先进水平;清华大学也已经成功开发了两代ABS并且在借鉴外国产品的基础上开发了国产的ABS控制软件。
现在我国的清华大学,华南理工大学等高校、济南重型汽车集团技术中心和重庆公路研究所等科研机构和企业仍在进行关于ABS的想换研究并已取得比较大的研究成果。
总的来说,我国的ABS在软件和硬件方面都与外国存在比较大的差距,但总的发展趋势和发展方向是与外国相同的。
0.2.3现代ABS的原理和工作过程
图0-1制动过程中车轮所受力的图示
Fig.0-1duringbrakingwheelforceontheicon
常用的循环式制动压力调节器,通过ECU调节柱塞的位置来控制内部油道的通断,使ABS经历四个过程:
常规制动过程、轮缸减压过程、轮缸保压过程、轮缸增压过程,使制动力矩保持合适大小,保持车轮始终保持在10%-20%的滑移率。
常用的在数字式ABS工作时,由轮速传感器测得轮速并转换成电信号传入到微机控制系统(ECU),再由微机控制系统把测得的轮速与参考车速比较计算出车轮的滑移率,最后按照预定的逻辑或算法对制动压力调节器进行调节,通过对制动压力的调节改变车轮的制动力矩,使车轮和路面间的摩擦力近似于最大值,这样既可以实现更短的制动距离而且可以保证制动时转向轮的转向能力和制动时的横向稳定性。
0.3.现代ABS分类和常用的控制方法
0.3.1ABS的分类
按照汽车制动系统分ABS可以分成以下三种形式:
液压制动系统ABS(轿车和轻型车常用);
气压制动系统ABS(气压制动的汽车常用);
气顶液制动系统ABS(中重型载货汽车常用)。
按照ABS中的制动管路数和传感器数量ABS可以分成以下几种布置形式:
四传感器四通道四轮独立控制的ABS
四传感器四通道前轮独立后轮低选控制的ABS;
四传感器三通道前轮独立后轮低选控制的ABS;
三传感器三通道前轮独立后轮低选控制的ABS;
四传感器二通道前轮独立控制的ABS;
四传感器二通道前轮独立后轮低选控制的ABS。
而常用的是控制性能比较理想的三通道和四通道ABS。
汽车ABS的发展经历了机械式、电子式、数字式三个阶段,其中数字式的ABS在抗干扰能力、快速性和准确性方面具有明显的优势。
数字式ABS主要有三部分构成:
微机控制系统(ECU)、轮速传感器、制动压力调节器(循环式、可变容积式)。
0.3.2ABS常用的控制算法
现代控制算法的开发是提高ABS综合性能的重要途径所谓控制算法是一套存储在微机中的逻辑算法。
现有的控制算法有逻辑门限控制方法、PID控制方法、滑模变结构控制、神经网络控制和模糊控制等。
其中,由于汽车采用液压制动系统,采用开关方式的逻辑门限控制算法应用的最广泛。
经典控制理论和现代控制理论都需要知道控制对象精确的数学模型,然后根据模型的数据进行系统的设计和控制。
但是很多模型的精确数学模型很难建立,所以很难对这些模型应用经典控制理论和现代控制理论,而模糊控制理论却很好的解决了这个问题,实现了比较精确的控制。
汽车ABS模糊控制系统正是这一控制系统的应用。
模糊控制算法不需要精确的数学模型,同时有控制规则的灵活性和很强的鲁棒性(所谓“鲁棒性”,是指控制系统在一定的参数下,维持某些性能的特性。
根据对性能的不同定义,可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。
以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器),所以在汽车的未来发展中很有前途。
这篇论文主要就是研究模糊控制这种控制方法。
0.4模糊控制的研究发展概况
0.4.1模糊控制的发展
模糊控制系统有四部分构成:
模糊控制器、被控对象及执行机构、输入输出接口装置传感器
图0-2模糊控制系统的组成
Fig.0-2fuzzycontrolsystemcomposition
模糊控制理论是在1965年美国加利福尼亚大学L.Z.Aadeh教授首次提出,
模糊控制属于智能控制的一种,模拟了人工智能的形式,以模糊数学为基础,利用语言规则和计算机技术。
1974年模糊控制器在英国首次的得到应用。
并逐渐得到推广,模糊控制对于解决建模困难和复杂系统方面的优势使其成为ABS控制的一个很好的选择。
它的基本思想是用机器来模拟人对系统的控制,把模糊的人类语言经验转换为数值运算,从而可以实现计算机的自动控制。
20世纪90年代以来的模糊控制理论取得了比较大的发展和完善,例如模糊状态方程与稳定性的分析,但是模糊控制理论还不够成熟,所以模糊控制在ABS控制方面的应用一直受到约束。
直到近几年随着模糊控制理论研究的深入和一些成果的取得才使模糊控制技术在ABS上的应用得到推广,目前国外的雷诺日产联盟、通用、大众、、本田、丰田、三菱等汽车公司已相继开发了基于模糊控制的防抱死制动系统并得到了成功的应用并且还在进行相关更深入的研究。
我国的模糊控制理论的研究开始较外国晚,同样是在借鉴外国的基础上发展而来的,同时也同博世(BOSCH)等在ABS模糊控制方面的世界顶尖企业合作。
我国的相关科研机构也在进行关于模糊控制技术在ABS上应用的相关研究并取得了一定成果,其中包括清华大学、武汉理工大学、上海交通大学、西北工业大学等一批高校。
0.4.2模糊控制面临的问题
虽然模糊控制理论在近年来取得了很大的发展,但是还有很多问题未得到有效解决,例如系统稳定性的问题、如何获得模糊规则、模糊隶属度函数如何确定的问题、至今还没有系统化的设计方法等问题始终阻碍着模糊控制在更广范围内的应用,这些问题都需要人们在模糊控制理论研究不断深入的基础上得到解决。
0.4.3模糊控制的应用前景
模糊控制作为一种智能控制方法有以下的特点:
(1)只需要经验和部分数据即可开发,不需要建模;
(2)很强的鲁棒性,非常灵敏,消除了其他的控制系统在这两方面的矛盾;
(3)控制设备简单,控制效果好;
由于模糊控制方法的以上的特点使它在克服ABS控制方面有特别的优势,但是由于自身所面临的问题,人们要想在更广的领域继续应用模糊控制领域就必须不断努力完善模糊控制理论。
但是模糊控制是智能控制领域最具实际意义的一种控制方法,在工业控制领域得到很广应用,解决了很多传统控制方法难以解决的问题,在未来必将得到更广的应用。
0.5本论文研究的目的意义
汽车制动防抱死系统的控制目标是把车轮的滑移率控制在最大路面附着系数范围内,使汽车获得最大地面制动力和较好的横向稳定性。
ABS的控制方法是提高汽车制动性能的重要途径,其中模糊控制方法的研究对于提高汽车的性能和安全性具有很重大的意义。
ABS的使用,有效缩短了汽车制动时的制动距离并且保证了转向时汽车的转向稳定性,使汽车行驶的安全性得到很大提升,减少了交通事故的发生,保障了人员和财产安全,促进了经济社会的安全发展。
另外通过对本课题的研究自己了解和掌握了ABS的设计原理和工作方式,同时初步接触和掌握了现代设计和分析方法,练习了Matlab软件的使用和文献的查寻方法,获益匪浅。
1.ABS的结构和工作原理
1.1ABS的工作原理
车辆制动的过程就是轮胎与地面相互作用的过程,由驾驶员控制制动踏板产生制动器摩擦力矩(
),制动器制动力(
)随即产生,制动器制动力使车轮与地面间产生地面制动力(
)是车辆产生减速度,实现车辆的减速。
图1-1为车轮在良好的硬路面上制动时的受力情况
vw
M
TuFp
Fxb
Fz
图1-1车轮在制动时的受力情况
Fig.1-1wheelbrakingforce
图中:
M———汽车作用于车轮上的重力(N);
Tu———制动器摩擦力矩(N•m);
F———汽车作用于车轴上的惯性力(N);
Fxb———地面制动力(N);
Fz———地面支持力(N);
v———车速(m/s);
r———车轮半径(m);
w———车轮的角速度(rad/s);
从力矩平衡得
(1-1)
仔细分析车辆制动时车轮的印记可以发现,车轮的抱死拖滑是一个渐进的过程,滑移率
,0
车轮受到的地面制动力与垂直载荷之比为纵向附着系数φb,横向附着系数系数φl是车轮受到的横向力与垂直载荷之比。
纵向附着系数的大小于汽车的制动距离长短直接相关,横向附着系数的大小与汽车的转向能力直接相关,所以要研究纵向、横向附着系数在制动时的变化情况。
图1-2为制动过程中随着车轮滑移率的增加制动力系数和横向力系数的变化情况。
图1-2φb——s,φl——s
Fig.1-2φb——s,φl——s
由实验所得附着系数随滑移率变化情况可以看出,纵向附着系数在滑移率s=0.11附近可以达到最大值,即此时可以得到最大的地面制动力使车辆得到最大的减速度和最短的制动距离。
而横向附着系数则随着滑移率的增加不断减小,当滑移率s=1时,即轮胎完全抱死拖滑时横向附着系数接近于零,此时地面不再提供横向力,车辆失去转向能力,是一种危险工况。
而在滑移率s=0.11左右时车辆可以得到最大的纵向力系数和比较大的横向力系数,若在制动时车辆的滑移率s可以始终保持在0.11附近则可以得到比较理想的制动效能和方向稳定性。
ABS的功用就是使汽车制动时的滑移率保持在一定范围内。
当滑移率达到上临界值时ABS将自动减小压力使制动器制动力减小,滑移率减小;当滑移率减小到下临界值时ABS将控制增加制动器内的制动压力,使制动器制动力增加,滑移率增大。
通过ABS的这种控制方式可以保证滑移率始终保持在一定的范围内(20%左右),可以得到理想的制动效能和制动时的方向稳定性,有效地防止了跑偏、侧滑、失去转向能力等危险工况的发生,提高了汽车的制动性能,保证了行驶安全。
1.2ABS系统的分类和组成
1.2.1ABS系统的类型
(1)按照汽车的制动系统分类
按照汽车制动系统分ABS可以分成以下三种形式:
液压制动系统ABS(轿车和轻型车常用);
气压制动系统ABS(气压制动的汽车常用);
气顶液制动系统ABS(中重型载货汽车常用)。
(2)按照ABS中的制动管路数和传感器数量ABS可以分成以下几种布置形式:
四传感器四通道四轮独立控制的ABS
四传感器四通道前轮独立后轮低选控制的ABS;
四传感器三通道前轮独立后轮低选控制的ABS;
三传感器三通道前轮独立后轮低选控制的ABS;
四传感器二通道前轮独立控制的ABS;
四传感器二通道前轮独立后轮低选控制的ABS。
而常用的是控制性能比较理想的三通道和四通道ABS。
1.2.2ABS系统的组成
常用的防抱死制动系统(ABS)的组成包括微机控制系统(ECU)、轮速传感器、制动压力调节器。
通过ECU发出的信号调节柱塞的位置来控制内部油道的通断,使制动力矩保持合适大小,保持车轮始终保持在10%-20%的滑移率。
常用的在数字式ABS工作时,由轮速传感器测得轮速并转换成电信号传入到微机控制系统(ECU),再由微机控制系统把测得的轮速与参考车速比较计算出车轮的滑移率,最后发出电信号控制油路中的阀门开闭,通过对制动压力的调节改变车轮的制动器制动力矩,使地面制动力近似于最大值,这样既可以实现更短的制动距离而且可以保证制动时转向轮的转向能力。
图1-3ABS组成原理图
Fig.1-3ABScomposition
(1)轮速传感器
轮速传感器是测量车轮速度的传感器设备,是各种ABS系统中必备的一部分,最常用的是电磁感应式,它是利用测出的与车轮共同旋转的齿轮的齿数,然后产生与车轮转速成正比的交流电信号,然后交流电信号传入到微机控制系统(ECU)与参考车速进行对照,另外常用的轮速传感器还有霍尔效应式。
(2)微机控制系统
微机控制系统的英文缩写是ECU,它是整个ABS系统的控制中心,本质上是一个微型计算机,由传感器、数字输入电路、放大电路和CPU等部分组成,微机控制系统还通过得到的数据分析对汽车的各部分进行监控。
轮速传感器的测得数据转换成电信号以后传入到ECU中进行运算得到轮速、处理后到的车轮的加速度等运动状态,还包括车轮的滑移率等信息、判断应当采取的控制措施后转换成电信号输出指令控制油压。
(3)制动压力调节器
制动压力调节器是ABS系统的执行机构,分为循环式制动压力调节器和可变容积式制动液力调节器两种类型。
它接受ECU输出信号的控制来进行制动压力的调节,最终使车辆的滑移率得到控制并且保持在最佳滑移率0.11左右,使汽车保持较好的制动性能。
1.3本章小结
本章在建立车辆、轮胎、制动系统的数学模型之前首先介绍了车用ABS的结构、分类组成和工作原理在建模以前先通过对ABS建立一个整体的认识,增加对ABS起作用的原理了解必将有助于建模的进行
2.汽车ABS数学模型的建立
在科学研究和工程应用中常常需要进行大量的计算,有的需要耗费大量时间,有的根本不可用人力进行求解。
为了解决一般语言对大量数学计算,尤其是涉及到矩阵计算时的问题美国MathWorks公司于1967年开发出MATLAB(MatrixLaboratory,矩阵实验室)软件,并且在1984年推出MATLAB的正式版本,到现在已经发展出了MATLAB4.x、MATLAB6.x、MATLAB7.x等版本。
MATLAB是世界上最优秀的数值计算软件,其中包含了诸多的工具箱,这些工具箱都是世界上最先进的计算和仿真软件,经过几十年的发展,现在它已经涵盖了研究、设计的所有领域,得到了非常广泛的应用。
此处建模主要利用MATLAB中Simulink的建模仿真作用。
2.1单轮车辆模型
为简化研究问题,采用单轮车辆模型,在建立模型以前对被控对象做以下假设:
(1)忽略空气阻力和车轮滚动阻力;
(2)车辆行驶的地面是水平的;
(3)汽车始终保持直线行驶,车轮没有受到侧向作用力;
(4)车辆为空载;
图2-1即为所建立的单轮车辆模型。
车辆运动方程:
(2-1)
车轮运动方程:
(2-2)
车轮纵向摩擦力:
(2-3)
垂直方向方程:
(2-4)
式中:
M———汽车作用于车轮上的重力(N);
Tu———制动器摩擦力矩(N•m);
F———汽车作用于车轴上的惯性力(N);
F
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