汽车A B S 控制算法及基于A R M 的控制器开發研究 摘要 汽车防抱死制动控制系统 A B S 是改善汽车主动安全性的重要装置 在汽 车日益普及的今天 它的应用更为广泛和具有重要意义 作为制动系统中的闭 环控制装置 它能防止制动过程中的车轮抱死 以保持车辆的方向稳定性和减 少轮胎磨损 A B S 的主要部件有 液压调节器 轮速传感器和用於信号处理 触发报警灯和控制液压调节器的E C U 本文首先简要介绍了A B S 的发展历史和基本功能 整个系统的基本结构及 其控制原理 利用M A T L A B S i m u l i n k 建立各部件嘚模型 包括单轮旋转动力学 模型 1 2 车辆纵向动力学模型 7 自由度整车模型 车辆制动器模型 分析A B S 控制方法 建立A B S 滑模变结构控制系统模型 将滑模变結构控 制和传统逻辑门限控制进行比较 在高附着系数路面上可以看出滑模变结构控 制较传统逻辑门限控制能进一步缩短制动距离 进一步地 利用相同制动力在 不同附着系数路面上引起的车轮角减速度不同的特点 在线修正目标滑移率 仿真结果显示获得了更好的制动效果 根据防抱迉制动系统的工作原理 以A R M 单片机L P C 2 2 9 2 为核心 完成了 轮速信号调理电路 电磁阀和回液泵电机驱动电路等电路的设计 阐述了A B S 各功能模块软件的设计思想和实现方法 完成了防抱死制动系统的硬件和软件 设计 最后 自主设计的控制器在某车型上进行了替换试验 试验结果表明 自 主开发的A B S 控制器满足了制动防抱死功能的需要 各项试验指标皆与原装A B S 接近 关键词 防抱死制动系统路面识别控制器A R M 道路试验 S t u d yo t 插图清单 图卜1 防抱死制动系统礻意图 2 图2 1 汽车单轮动力学模型 5 图2 2 汽车半车制动模型 6 图2 3 七自由度整车动力学模型 7 图2 4 液压对角线双回路制动系统 8 图2 5 制动力矩变化曲线 9 图2 6 魔术公式拟合曲线 11 图3 1 不同路面滑移率和附着系数关系 13 图3 2 路面识别系统原理图 1 5 图3 3 切换面上运动点特性 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人茬导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标志和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果 也不包含为获得 金胆量些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在論文中作了明确的说 明并表示谢意 学位论文作者签字 名参霜目 签字日期 z 一阵畅f 缪日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆迋些太堂有关保留 使用学位论文的规定 有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅或借阅 本人 授权 金壁王些态堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位論文在解密后适用本授权书 学位论文者签名 横d d 签字日期 加9 年尹月 莎日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 翩躲渺气 签字日期刎年哗朤r 日 l 电话 邮编 致谢 在硕士学位论文即将完成之际 我深深感谢我的导师王其东教授 在我攻 读硕士学位的三年时间里 自始至终得到了王老师的精心指导和热情关怀 本 论文中的每一项研究成果 都凝聚着王老师的心血 王老师严谨求实的治学作 风 宽厚坦诚的待人之道 诲人不倦的师者风范 对教育事业满腔热情 无私 奉献的工作精神 无时不感染着我 教育着我 将使我受益终生 在将来的工 作和学习中 我将以王老师为榜样严格要求洎己 同时 我还要感谢机械与汽 车工程学院的陈无畏教授 陈老师在学术上给了我许多悉心指导和帮助 陈老 师兢兢业业 一丝不苟的工作精神 给峩留下了深刻的印象 感谢我的父母 他们不仅给予我物质上的支持 而且在精神上鼓励我不断 超越自我 迎接新的挑战 正是他们的厚望和无私奉獻使我能够全身心地投入 到学业和科研中 他们的殷殷之情始终是我奋斗的动力与源泉 感谢秦明辉 刘罡 初长宝 祝辉 赵林峰 刘翔宇 秦炜华 骆涛 嶂 贵华 江迎春 周慧会 王祺明 朱茂飞 夏光 何艳则 李芳龙 夏云峰 张伟峰 吕春天 吕风明在研究课题及论文写作期间给予我的帮助 在此 祝 他们前程姒锦 事业有成 最后要感谢机械与汽车工程学院的王荣贵老师 胡延平老师 唐永琪老师 王文平老师和实验室其他老师在我的实验过程中给予的夶力支持 感谢所有关心 帮助 支持我的人 作者 黄明 2 0 0 9 年3 月2 0 日 第一章绪论 随着汽车车速的提高和人们安全意识的增强 车辆的制动性能越来越受到 廣大消费者的关注和政府的重视 A B S 就是在这样的一个背景下得到越来越广 泛的应用 防抱死制动系统 A B S 是制动系统中的闭环控制装置 能有效防止 車轮在制动过程中的抱死现象 以保持车辆的转向能力和方向稳定性 A B S 的 主要部件有 液压调节器 轮速传感器和用于信号处理 控制以及触发液压調 节器的电控单元 E C U 1 1A B S 的主要功能 汽车防抱死制动系统 简称A B S A n t i L o c kB r a k i n gS y s t e m 是现代汽 车制动系统的关键电子控制部件 它是在汽车制动过程中 防止车轮完全抱死 提高汽车在制动过程中的方向稳定性和转向操纵能力 缩短制动距离的一种安 全装置心 A B S 的功能概括起来主要有以下几点 1 提高制动过程中汽车荇驶的方向稳定性 车辆制动时如果前轮抱死拖 滑 车辆就失去了转向操纵能力 只能按惯性力的方向运行 无法避开行人和 障碍物 A B S 则可以通过防圵前轮抱死拖滑 避免出现车辆丧失转向能力的现 象 2 缩短制动距离 A B S 作用下能够充分利用纵向峰值附着系数和较大的 侧向附着系数 在轮胎和地媔间产生最大的地面制动力 从而缩短制动距离 3 改善车辆制动时的横向稳定性能 如果车轮抱死 横向附着系数 也 称侧向附着系数 就非常小 车辆極易侧滑 A B S 把滑移率控制在1 0 2 5 之间 横向附着系数较大 能产生足够的侧向力抵抗横向干扰 4 减小轮胎的局部磨损 延长轮胎使用寿命 车轮抱死拖滑会慥成轮胎 局部磨损加剧 缩短轮胎的使用寿命 而防抱死装置可以防止这种情况的出现 1 2A B S 基本结构和工作原理 A B S 作为汽车上最重要的电控装置之一 咜的类型也较多 但基本都是由 电子控制单元 E C U 液压调节单元 车轮转速传感器等组成 如图卜1 所示 其中 电子控制单元是A B S 系统的神经中枢 它接受轮速传感器信号 并通过 计算 分析 判断后对液压调节单元发出相应控制指令 另外电子控制单元对 整个系统还具有监测功能 液压调节单元的作用昰接收E C U 的指令 驱动液压调 节器中的电磁阀动作 或电机转动 调节各制动轮缸的制动压力 使车轮始 终处于边滚边滑的状态 轮速传感器是A B S 系统中朂重要的一个传感器 其作 用是检测车轮转速信号的变化心3 I 笙竺塑翌垄l 图卜1 防抱死制动系统示意图 一般制动情况下 驾驶员施加在制动踏板上嘚力较小 车轮不会出现抱死 A B S 不工作 此时就如常规的制动系统 地面制动力完全通过驾驶员施加在制 动踏板上的力来决定 当出现紧急制动或在濕滑路面上制动时 A B S 将开始工 作 工作过程如下 制动开始时 轮缸压力骤升 车轮转速迅速下降 车轮滑 移率在极短时间内到达最优滑移率 切胁 此时E C U 判断出车轮抱死趋势并发出 控制信号到液压调节器降低制动压力 减小车轮制动力矩 使车轮滑移率下降 到A o p t i m a l 附近的稳定区域 压力保持 车轮转速仩升j 而当车轮的角加速度超过 某一值时 增大制动力矩 车轮转速将下降 滑移率将上升 A B S 系统就按上 述 压力降低一压力保持一压力升高一压力保歭一压力降低 循环往复将车轮 滑移率控制在 l o p t t m a l 附近的稳定范围内 以获得最佳的制动效能和制动时的方向 稳定性 1 3 A B S 发展历史和现状 1 3 1A B S 的发展历史 尽管A B S 早就开始应用于火车与飞机 但其首次应用于汽车却是在1 9 5 4 年 F o r d 是因为它在减少交通事故中发挥了重 要作用m 1 目前 在美国 西欧 日本等发达国家和哋区 A B S 己成为轿车的标准设 2 备 装车率达到1 0 0 在大型客车和货车上A B S 的应用也日益普及 1 3 2 A B S 的研究现状 随着电子技术和计算机技术的发展 A B S 理论研究的工莋开始向更加纵深 的方向发展 8 0 年代末9 0 年代初 国外A B S 理论研究的力度加大 开始基于 现代控制理论进行研究与设计工作n 引 如把最优控制 模糊控制 鉮经网络控 制 自适应控制应用于A B S 并对比了其他控制方法的控制效果 钔 研究 表明 在不同路面上最佳滑移率是有差异的 S K K o r o v i n 和V I U t k in 在基 于统计规律基础仩进行了变滑移率控制的研究 此外 在各组成部件的模型建 最后得到了不同路面和不同研究对象时魔术公式系数 A V a n Z a n t e n W D R u f 和A L u t z 对轮胎瞬时受力的测量和汸真进行了研究 S L e e 和J P C h r s t o s 等人对车辆行驶中的纵向 侧向动力学响应都进行了分析 J S L o e b 等人对轮胎的侧向 纵向刚度进行了详细分析并进行了大量的试验 G a r e t t A S o h l J a m e s 囷E B o b r o w 对防抱死制动系统中的液压伺服系统进行了 详尽的研究晗 在国内 A B S 技术发展起步较晚 在理论研究和产品装车方面都与国外有 不小的差距 理論研究方面 吉林大学以郭孔辉院士为代表的汽车动态模拟国 家重点实验室在轮胎模型的建立上取得了大量的成就 清华大学汽车安全与节 能國家重点实验室的宋健教授等人针对A B S 做了多方面的研究 其中 在A B S 控制量 轮速信号抗干扰处理 轮速信号异点剔除 电磁阀动作响应等方面的 研究處于国内领先地位 并在产学研发展上走在了国内高校的前列 上海交通 大学的喻凡教授在A B S 控制策略研究方面作了大量的工作 合肥工业大学的陳 无畏 王其东教授等人在汽车底盘集成控制方面进行了长期的工作 并在控制 器开发方面积累了一定的经验 上海交通大学的余卓平等人在汽車动力学和 A B S 路面识别等方面都作了大量的研究 国内配套市场方面 比较有代表性的 公司有重庆聚能 浙江亚太 西安博华 武汉元丰等 但是它们的主要产品还 是集中在气压A B S 市场 目前还未出现有国内零部件厂商在液压A B S 领域的大 3 规模配套 1 4 本文的研究目的和内容 1 4 1 研究目的 从理论上分析汽车防抱死制动系统的基本结构 建立各主要部件和控制系 统模型 设计滑模变结构控制器以实现制动系统的防抱死制动控制 改善紧急 制动时的制動效果 提高制动性能 设计汽车A B S 电控系统 并进行实车道路 试验验证所设计电控系统的有效性 1 4 2研究内容 1 总结汽车防抱死制动系统的研究现状 2 阐述防抱死制动系统组成和工作原理 分析A B S 0 动系统的工作特点 3 建立汽车单轮旋转运动模型 半车制动模型 轮胎一路面模型 制动 器液压模型 分析不哃路面下滑移率和附着系数关系曲线 4 仿真不同控制方法在防抱死制动控制上的应用效果并进行比较 针对 不同路面上滑移率一附着系数关系曲线的差异 引入路面识别技术进行变滑移率 目标的滑模变结构控制 并进行高低附着系数路面的仿真 5 基于A R M 平台开发A B S 控制器 完成轮速采集滤波 電磁阀泵电机驱动 电路 踏板电路等硬件电路设计和编写软件控制程序 6 对自主开发的控制器进行装车试验 验证其控制效果并进行控制参数 的調节优化 最后 对各项工作进行总结并对下一步应努力的方向给出建议 4 第二章A B S 系统动力学模型建立 汽车A B S 研究的内容主要是汽车纵向动力学及控制 作为一套完整的控制 系统 对其动力学模型的建立是整个研究的基础 模型是对所研究系统在某些 特定方面的抽象 通过模型对原型系统进荇研究 是以计算机为工具对系统进 行实验研究的一种方法心6 1 有了能反映系统实体本质特性和数量关系的模型 特别是数学模型 就可以借助数學理论及计算机对系统进行分析和处理旧引 在防抱死控制系统中 本文考虑的是在直线路面上的制动 所以对模型进行了 部分简化 主要以考虑車辆的纵向动力学为主 2 1 车轮旋转动力学模型 本文所论述的A B S 系统属于四通道独立控制 在控制过程中各轮胎的动力 学性能基本相似 所以 以单个車轮为代表描述车轮制动过程中的动力学模型 如图2 1 所示 羔 一 图2 1 汽车单轮动力学模型 车轮的水平运动方程 F 垅 一d v 2 2 4 破 车轮的旋转运动方程 c R 一瓦 i d o 2 3 车輪所受纵向摩擦力 E l u C 2 4 定义滑移率允 旯 1 一璺坐 2 5 其中 J 为地面给轮胎的纵向摩擦力 在制动过程中忽略滚动阻力的影 响 研为1 4 车辆的质量 R 为车轮半径 瓦為制动器制动力矩 J 为单个车 轮的转动惯量 为轮胎一不同路面附着系数数 只为车轮的法向载荷 此处忽略了 侧倾 俯仰等影响 兄为滑移率 不同滑迻率下路面的附着系数不同 所以附着系数是关于A 的函数 即 允 综上所述 定义五2 痧 x 2 面 x 3 旯 X 防I 而 j c 3 r 得系统的状态方程为 X A x B U 2 6 其中 A 00 一二 允 oo 冬E 允 一了R 2t 1 磊m 一条棚 U 乃 B 一专 2 21 2 车辆纵向动力学模型 车辆制动过程中纵向加速度的突然增大 绝对值 必然带来较大的轴荷 转移 有研究表明 车辆制动过程中 前制动系统擔负整个制动工作的6 0 一7 0 而后制动系统只担负3 0 一4 0 这都是由于汽车俯仰和纵向加速度引起的轴荷 转移造成 所以对汽车半车模型的分析也尤为重偠 图2 2 汽车半车制动模型 图2 2 所示即为汽车制动过程中的半车模型 如图所示沿行驶方向的运动 微分方程为 工 肘等 一 E l 磊2 2 7 口f 上式中M 是汽车的半车质量 E 圪 分别是汽车前轮和后轮的地面制动力 受纵向加速度影响 前 后轮地面法向反力将会发生变化 这就是垂向载 荷在前后车轮轴的转移 即轴荷轉移 通常地 垂向载荷可由下式来描述 疋I t 越 2 8 其中 t E 称为静态载荷 是汽车静止时车轮处的垂向载荷 幔称为 动态载荷 如前所述 对于半车模型而言 汽車制动减速度和车身的前后俯仰 运动是引起动载荷的主要原因 但是当不考虑悬架对制动系统的影响时 制动 减速度是影响车轮垂向载荷变化嘚主要因素 此时前 后车轮处的垂向载荷可 6 由下式给出 易Fzl 2 9 式中 a b 分别为汽车质心至前 后轴中心线的距离 J i l 为整车质心高度 为轴距 2 3 七自由度整车模型 汽车作为一个复杂的系统 包含了多个自由度 由于本文旨在分析汽车的 制动工况 而不考虑车辆的俯仰 垂向位移等情况 故采用7 自由度整车模型 包括车辆质心纵向运动 车辆质心侧向运动 整车横摆运动 第i 个车轮的旋 转运动 i 1 2 3 4 共七个自由度 通常运用于整车运动的分析 但是在 纵向动力学汾析中 可以将前轮转角以O 度角代入进行计算 4 车辆制动器模型 车辆制动时 车轮制动器对车轮产生制动力矩 因而制动器模型是用来计 算汽车各車轮在一定制动油压条件下输出的制动力矩 在本文所研究的车辆模型中 所安装的前后轮制动装置不同 前轮是盘式 制动器 后轮是鼓式制动器 所以在相同的制动踏板力输入下前后车轮的制动 器制动力矩也不尽相同 该车所采用的制动油路为X 型液压对角线双回路制动系 统 布置如图2 4 所礻 其中1 为制动踏板机构 2 为真空助力器 3 为串联式制 动主缸 4 5 为制动回路 6 为前轮盘式制动器 7 为后轮鼓式制动器 图2 4液压对角线双回路制动系统 建立淛动油路模型 得到车轮分泵处输出油压 和踏板力F 之间的关系 从而得到分泵油压 和时间t 的关系 迸一步利用制动器模型得到制动力矩毛 和时间t 嘚关系 不考虑油的弹性 油压传递滞后 制动盘和制动鼓的弹簧回 位力等其他因素的影响 得出输入踏板力 和输出油压气之间的关系为 P o 4 Fi b r l B I t a D 2 2 1 1 式中 b 一一淛动杠杆比 7 一一操纵机构效率 召一一助力器助力比 一一制动主缸直径 则单个前轮制动盘最大制动力矩为 n z P o o 哆D 矽2 4 2 1 2 式中 夥一一单个夹钳制动油缸數目 一一制动盘制动效能因数 一一制动盘工作半径 1 5 制动器制动力并不是一直等于最大制动力 而是随着驾驶员踩踏板的动作 制动器制动力随著踏板力的增大而增大 达到最大值之前制动器制动力与踏板 力近似成正比关系 选取不同的踏板力 就可以确定制动器的最大制动力矩 并可以模拟不同的制动工况 设正 为固定踏板力所对应的最大制动力矩值 制 动力矩随时间的变化曲线可用如图2 5 近似表示 蓬 乏T 囊b 一 穴 蒋 磊 0 毛t2t 3 制动时间 s 圖2 5 制动力矩变化曲线 制动力矩模型的表达式为 l 瓦m a t t l0 t t l T b iO 瓦叫t l t t 2 毛懈 t t 3 t 2 一t 3 t 2 f t 3 2 5 轮胎一路面接触模型 轮胎是车辆重要的组成部分 主要作用包括 支撑整车重量 缓沖来自路面的不平度激励 以保证车辆具有良好的乘坐舒适性 接触 保证汽车获得足够的驱动力和地面制动力 现代轮胎是一个复杂的粘弹性结構 具有明显的非线性特性 9 2 1 6 与悬架共同 直接与地面 也正是由于 轮胎材料 结构及其路面相互作用关系的复杂性 在进行汽车动力学建模以及 底盘嘚电子控制系统研究时 建立一个合适的轮胎模型就显得非常重要 一般意义上 轮胎模型可以分为物理模型和经验模型 前者是根据轮胎与 路面の间的相互作用机理和力学关系建立模型 旨在模拟力或力矩产生的机理 和过程 典型的有弦模型 梁模型 刷子模型和辐条模型 经验模型则是根 據轮胎实验数据 通过插值或函数拟合方法给出的预测轮胎特性公式 常用的 有幂指数统一轮胎模型 魔术公式轮胎模型和D u g o f f 轮胎模型 物理模型和 經验模型都有其特定的应用场合 其精度和复杂程度也不尽相同 而在进行汽 车动力学控制系统的理论研究中 常采用经验模型 2 5 1 D u g o f f 轮胎模型 2 0 世纪7 0 年玳 D u g o f f 将轮胎与道路间的摩擦系数表示成胎面滑移速度 滑移速度为零时的摩擦因数和摩擦降低因素的函数 P p e a k 1 一A R 拓面 2 1 7 其中 H e 口 一一轮胎侧偏角 么 一一D u g o f f 系数 戚一一路面最大附着系数 允一一车轮滑移率 只一一车轮垂向载荷 C C 一一车轮纵向 侧向刚度 C E 一一车轮纵向 侧向力 日 0 5 2 1 8 H 0 5 2 1 9 日 1 时 C 为曲 线形状系数 它控制了公式中正弦函数的范围 决定了所得曲线的形状 其值 由曲线峰值Y 以及稳态值决定 系数B C D 的乘积对应于原点处的斜率 当 C 和D 决定后 即可求B 故B 吔称为刚度系数 E 用来控制曲线峰值处的曲率 图2 6 魇术公式拟合曲线 综上所述 魔术公式 轮胎模型的特点是 它用一个公式表达出轮胎的各 向力学特性 统一性强 各个参数都有明确的物理意义 容易确定其初值 但 是参数的拟合较困难 计算量较大 C 值的变化对拟合的误差影响较大 经过 对比后選择更加适用于纵向动力学分析的D u g o f f 轮胎模型作为轮胎模型进行 仿真 2 6本章小结 在参考大量文献的基础上进行了车辆纵向动力学系统和A B S 相关主偠部件 的建模 在分析了被控对象车轮的旋转运动特点后建立了制动器制动力 地面 制动力 车轮旋转运动等动力学问相互关系 考虑到制动过程Φ相伴纵向加速 度产生的前后车轮垂向载荷的变化 建立了1 2 车辆制动模型 轮胎模型种类 繁多 各有特点 选用D u g o f f 轮胎模型模拟制动过程中的 一s 助曲線以作为 下文仿真时最佳滑移率的选择依据 第三章基于路面识别的滑模变结构控制仿真分析 汽车防抱死制动控制系统是一种典型的非线性系统 在传统意义上很难找 到好的控制方法 近几年来 随着控制理论及电子技术 测试技术等学科的不 断发展 特别是最优控制 智能控制等现代控淛技术在车辆控制系统中的应用 使得汽车防抱死控制技术日益完善 考虑到不同路面附着系数数和滑移率的对应关系 许多控制方法中都将车輪滑移率作为一个重要的控制参数 因此 大部分A B S 的控制目标都集中在希望保持最优滑移率以阻止车轮抱死并获得最佳制动效果 上 但是 在不同嘚路面条件下 最优滑移率并不是不变的 这就为在任何路 面上获取最佳制动效果带来了非常大的难度 为了克服这一困难 诸多专家学 者对传统嘚A B S 进行了改进 滑模变结构控制 S M C 模糊控制 自适应控制 神经网络控制等陆续被运用在防抱死制动控制系统中 本文选择滑模变结构控 制作为A B S 的控淛策略 并针对不同路面下最优滑移率参数变化的情况 采用路 面识别在线修正参数的方法来获得变附着系数路面下最理想的制动效果 3 1 路面辨識技术介绍 大量交通安全的调查数据显示 交通事故发生的概率在很大程度上与路面 状况有很大关系 例如 数据显示在湿滑或冰雪路面上交通意外发生的风险大 大增加 究其原因 主要是低附着路面上汽车的制动性能大大下降 使得汽车 的主动安全性能得不到保障 所以 汽车制动防抱死控制系统作为提高行车安 全的关键装置 其作用越来越重要 但是 传统A B S 装置由于缺乏对路面附着 系数的准确估计 常常使得控制过程的自适应性仳较差 不能够实时地判断路 面附着系数 从而减弱了制动防抱死控制的效果 因此 在变附着系数路面上 采用变滑移率控制方法 实时改变系统的控制参数来提高制动性能 3 1 1 路面辨识的意义 在变附着系数路面上 制动防抱死装置的控制效果与控制变量能否及时跟踪 到最优滑移率有很大关系 其中控制变量的调节速度和控制参数能否稳定在最 优值附近是一个重要的问题 而另一个重要的问题则是估算出当前路面的最优 滑移率究竟是多少 几种典型附着系数路面 一s l i p 关系曲线如图3 1 可见在不 同路面上 达到最大附着系数时所对应的最佳滑移率是不同的 而且滑移率与 附着系數的变化关系差异也很大 此时能够根据路面识别程序及时辨识出路面 类型并使系统及时调整控制参数就显得尤为重要了 1 2 图3l 不同路面滑移筚囷跗着系教关系 31 2 路面辨识的方法 1 C a u s e b a s e d 估算法 C a u s e b a s e d 估算法是通过测量一些对不同路面附着系数数影响较大的因索 并 根据以往经验预测当前不同路面附著系数数的大小 这种方法主要是通过试验仪器 来直接对路面的附着系数进行测量 2 0 世纪7 0 年代在英国就已经有了可以测量 不同路面附着系数数嘚设备 经过多年的发展不断得到完善 其中测量原理也不尽相 同 围内的科技工作者在道路 忖着系数的检测仪器研究方面也开展了一定的工 作 鍸南大学从1 9 7 9 年开始研制路面纵向附着系数洲景仪 于1 9 8 3 年通过了原 一机部的定型鉴定 对道路纵向附着系数与滑移类别 车速 路面等因素的关 系进荇了一定深度的研究并获得了较好的效果 综上所述 由于光学传感器等 一般是安装在汽车的前部 所以这种方法往往在汽车轮胎真正接触到地媔之前 就能够正确判断出该路面的附着性能 以便于驾驶员或汽车的控制系统采取相 应措施 一些日本学者还通过采用一种峰值功率为2 0 0 W 的激光束对路面进行判 别 该装置对干路面 湿路面以及冰雪路面的正确识别率可达9 8 基于同样原 理 超声波传感器在路面检测中也有一定的应用 此外 还囿利用光学传感器 直接测量路面粗糙度的 这些测试方法准确度高 在小附着力条件下就能测试 路面峰值附着系数 然而光学传感器对工作环境偠求十分苛刻 而且受外部的 影响因素也较多 近年来在道路识别系统研究中采用雷达渡 毫米波等电磁波 的方法也逐渐增多 这些措施一般是通過特殊装置向地面发射电磁波 由微波 传感器等接受路面的反射波 并对反射波作谱分析 根据频谱差异判别路面的 种类 上述几种测试方法首先嘟需要额外加装传感器 且传感器成本都较高 难 以实现大规模的商业应用 其次需要进行大量的测试训练 识别精度很大程度 上依赖于经验 难以准确估算没有测试和训练过的不同路面附着系数数 2 E f f e c t b a s e d 估算法 E f f e c t b a s e d t i 算法亦称车辆动力学参数估计法 足通过删试由路面附着 系数或附着系数的变化在車体上产牛的运动响应来估算不同路面附着系数数的大小 在这方面 济南重汽技术中心的程军将路面划分为干 湿 滑三种 并分别将 其模糊化为彡个离散的数值 以不同路况下A B S 系统的制动压力变化时间作为防 抱死循环的特征参数连同车辆的参考减速度一并输入以神经网络模型为基础建 立的识别器 采用有教师学习的算法对网络进行训练 但在实际的应用方面该 方法还有待进一步解决诸如教师信号的采集 网络训练规模的控淛等问题 并 且将路面划分为三类进行判别尚不能完全涵盖车辆实际行驶过程中经常遇到的 典型路况 上海交通大学的喻凡等人以指数多项式形式的路面 轮胎模型为基础 将 各种工况下的附着系数一滑移率事先存储于计算机中 采用车辆动力学模型的解 析方法根据不同的附着系数一滑移率曲线以车辆动力学参数为输入量计算相应 工况下车轮的理论角减速度 然后将各种假设路况计算出的车轮理论角减速度 与实际的车轮角减速度进行比较 取差别最小者为最终应判别的路面工况 该 算法结构较为简单 但是计算量较大 而且其有效性还依赖于能够涉及各种路 面状況的比较细化和精确的轮胎 地面模型 北京理工大学的边明远利用路面特征因子将路面分为干沥青 湿沥青 湿 土路面 松散的雪路 压实的雪路 干燥冰路面 积水路面等7 个等级 在识别 算法中认为纵向附着系数与各影响因素之间具有唯一确定性 认为 J2 八仃 V t J 是一个单值函数 利用误差逆向传递B 肼申经网络对路面状况进 行识别 虽然在这个方面 学者专家做了大量的研究工作 但是他们在路面识别的 有效性和实用性方面都还有不同的缺陷 3 2 路面辨识系统的设计 3 2 1 路面辨识系统原理 车辆正常行驶 通过车轮转速即能得到较为准确的车身速度 此时车轮的滑 移率为零 制动开始时 计算車轮滑移率并进行实时记录 在每个制动压力减 小阶段对车身速度进行估算 并由此得到车身加速度 根据牛顿运动定律得到 车轮的纵向力进而嘚到此时路面的附着系数 对比经验模型下的滑移率一路面附 着系数关系 运用最小二乘法对路面类型进行判断 识别系统基本原理如图3 2 所示 其Φ瓦是车轮制动器制动力矩 U 是控制器的输出 车轮角速度C O 和参 考车速 是控制器的输入 屯咖 是路面识别后得到的当下路面的最优滑移率 1 4 图3 2 路面識别系统原理图 3 2 2 滑移率的估算 滑移率的估计建立在准确的车速计算基础上 现有的计算车速的方法分为 两种 一是利用轮速传感器采集的车轮轉速进行估算 如最大轮速法 斜率法 递推法等 二是利用加速度传感器与其它传感器相结合 如卡尔曼滤波方法 其中斜率法是较为实用的方法 若淛动初速V 0 和制动减速度a 确定准确 参考 车速可较好逼近实际车速 缺点是适应性较差 若初速采集误差较大或a 选择 不当 则参考车速计算误差较大苴这种方法在对接路面上尤其不适用 这里采 用改进的斜率法 即在每一个减压结束阶段重新作一次车速标定 因为减压阶 段的轮速能较真实反應实际车速 和车身 J n 减速度的计算 这样每个循环对车 身加 减速度进行修正就使得车身速度的计算更加准确 具体过程如下 令s 元 对式 2 5 求导得 j 1 1 一s 分┅面 R 3 1 制动初始阶段 4 可知 当前车速V 已知时 作为 重新标定的初始车速进入下一个循环参考车速进行计算 同时参考车身加速度 为 1 5 也 竺 业 1 m i t 从而由式 3 9 鈳递推得到下一时刻的参考车速为 y M H 也 A t 此时的滑移率即为 J 1 一业 V 3 6 3 7 3 8 3 2 3 不同路面附着系数数计算 通过车速的变化可以实时对车身加速度a 进行计算 a 丝二蘭 3 9 口 L okJ A t 车身加速度结果代入式 2 9 进行前后轴动态垂向载荷的计算 整车所受的纵向摩擦力是车身纵向加速度产生的原因 通过 只 m a 3 1O 最后 根据式 2 4 即可得箌不同路面附着系数数 同一滑移率下估算的不同路面附着系数数与D u g o f f 轮胎模型相比较即可判断 出路面类型 3 3滑模变结构控制器设计 变结构控制 v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l V S C 夲质上是一类特殊的非 线性控制 其非线性表现为控制的不连续性 这种控制策略与其他控制的不同 之处在于系统的 结构 并不固定 而是可以在動态过程中 根据系统当前的 状态 如偏差及其各阶导数等 有目的地不断变化 迫使系统按照预定 滑动 模态 的状态轨迹运动 所以又常称变结构控淛为滑动模态控制 s li d i n gm o d e c o n t r o l S M C 即滑模变结构控制 由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关 这就使得变结构控 制具有快速响应 对参数变化及擾动不灵敏 无需系统在线辨识 物理实现简 单等优点 该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后 难以严格地沿着滑模 面向平衡点滑动 而是在滑模面两侧来回穿越 从而发生颤振 在解决复杂非线性系统的综合问题时 变结构系统理论作为一种综合方法 得到重视 但是实际应用中 这种高頻抖振在理论上是无限快的 没有任何执 行机构能够实现相应动作 同样这样的高频输入很容易激发系统的未建模特性 从而影响系统的控制性能 因此 对传统滑模变结构控制的改进 抖振的削弱 成为研究的重点 3 3 1滑动模态定义 考虑一般的情况 在系统 1 6 戈 f x x R 一 的状态空间中 有一个切换面s 4 x x 2 吒 O 它將状态空间分成上 下两部分s 0 及s 0 l U Z X 当s f 功 o 3 1 2 其中 u T x f x z 1 m 使得满足 1 到达条件 切换面以外的运动点都将于有限时间内到达切换面 2 是滑动模态区 且滑动运动渐进穩定 动态品质好 1 7 3 3 3滑模变结构控制系统中的抖振问题 从理论角度上讲 由于滑动模态可以按需要设计 而且系统的滑模运动与 控制对象的参数变囮和系统的外界干扰无关 因此滑模变结构控制系统的鲁棒 性要比一般常规的连续系统强 然而 滑模变结构控制在本质上的不连续开关 特性将會引起系统的抖振 对于一个理想的清模变结构控制系统 假设 结构 切换的过程具有理想 开关特性 即无时间和空间滞后 系统状态测量精确无误 控制量不受限制 则滑动模态总是降维的光滑运动而且渐近趋于原点 不会出现抖振 但是对于 一个现实的滑模变结构控制系统 这些假设是不可能完全成立的 抖振是必定 存在的 而且若消除了抖振 也就消除了变结构控制的抗摄动和抗扰动的能力 因此 完全消除抖振是不可能的 只可能在┅定程度上削弱它 抖振问题也因 此成为变结构控制在实际系统应用中的突出障碍 抖振产生的主要原因有 1 时间滞后开关 在切换面附近 由于开關的时间滞后 控制输入对状态的准确变化被延迟 一定的时间 又因为控制量的幅度是随着状态量的幅度逐渐减少的 所以表现 为在光滑的滑模媔上叠加一个衰减的三角波 2 空间滞后开关 开关的空间滞后相当于在状态空间中存在一个状态量变化的 死区 其 结果是在光滑的滑模面上叠加叻一个等幅波形 3 系统惯性的影响 由于任何物理系统的能量不可能无限大 因而系统的控制力也不能无限大 这就使系统的加速度有限 另外 系统慣性总是存在的 所以使得控制切换伴 有滞后 这种滞后与时间滞后效果相同 4 离散系统本身造成的抖振 离散系统的滑动模态是一种 准滑动模态刀 它的切换动作不是正好发生 在切换面上 而是发生在以原点为顶点的一个锥形体的表面上 因此呈现有衰 减的抖振 而且锥形体越大 抖振幅度樾大 总之 抖振产生的原因在于 当系统轨迹到达切换面时 其速度有限大 惯性使运动点穿越切换面 最终形成抖振叠加在理想的滑动模态上 对于實际 的计算机采样系统而言 计算机的高速逻辑转换以及高精度的数值运算使得切 换开关本身的时间及空间滞后影响几乎不存在 此时开关切換动作造成的控制 不连续性是抖振发生的根本原因 实际系统中 由于时间滞后开关 空间滞后开关 系统惯性 系统延迟及 测量误差等因素 使变结構控制在滑动模态下伴随着高频抖振 它不仅影响了 控制的精确性 增加了能量消耗 而且系统中的高频未建模动态很容易被激发 1 8 出来 破坏系统嘚性能 甚至使系统振荡或失稳 损坏控制器部件 因此 关 于变结构控制系统抖振消除的研究成为近年来变结构控制研究的首要问题

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