汽车ABS系统仿真研究

摘要

摘 要

本文首先剖析了防抱死制动系统的控制原理，在此基础上详细介绍了ABS的结构以及各部分的作用，并建立了仿真模型。仿真模型充分考虑了车体的力学模型、轮胎力学模型、制动系统模型。为达到仿真可行性与可信度的统一本文对模型均做了合理简化。

本文在总结前人工作的基础上，主要侧重于汽车 ABS 控制算法的理论研究。文章首先介绍了目前常用的ABS 控制方法，包括逻辑门限值控制方法和于滑移率的控制方法，并分析了各自的优缺点。由于 ABS是一个时变非线性系统，而滑模变结构控制对系统不确定性及外部干扰具有良好的自适应性，因此本文在建立 ABS 动力学系统模型 (包括车辆动力学模型、轮胎模型、液压系统模型和制动器模型)的基础上将滑模变结构控制引入ABS控制系统中，并针对滑模控制的缺点设计了一个带有扰动观测器的无抖振滑模控制器应用于ABS，通过使用扰动观测器对系统模型的不确定因素进行补偿，并设计了光滑的控制规律来消除滑模控制固有的抖振现象。此外，针对防抱死制动系统研究中存在的最佳滑移率寻优及参考车速估算等关键问题，本文采用的自寻优控制算法可以实现在不需要路面辨识的情况下对车轮滑移率在线寻优，另外利用减速度信号，结合已有的车轮轮速对参考车速进行在线计算，使问题得到有效解决。 关键词:防抱死制动系统，滑模控制，扰动观测器，抖振，自寻优控制

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Abstract

This paper analyzes the control principle of anti-lock braking system, on the basis of a detailed description of the tructure and the role of each part, and the simulation model. The simulation model takes into account the dynamic model of the vehicle, the tire mechanics model, the braking system model. In order to achieve the simulation feasibility and credibility of unity, the paper have done a reasonable simplified model.

This paper summarizes the basis of previous work, mainly focused on automotive ABS control theory algorithmsThe study. The article first introduces the most commonly used ABS control method comprising logic threshold control partyLaw and based on the slip rate control method, and analyzed their advantages and disadvantages. Since the ABS is a time.Variable nonlinear system, variable structure control of the system uncertainties and external disturbances have good.Adaptability, this article in establishing ABS system dynamics model (including vehicle dynamics model,Tire model, the hydraulic brake system model and model) will be the basis to introduce variable structure control.ABS control system, and for the shortcomings in the design of the sliding mode control with a disturbance observer without shaking.Vibration sliding mode controller applied to ABS, by using the disturbance observer of uncertainty into the system model.Compensate, and smooth control law is designed to eliminate sliding mode control inherent chattering. In addition,Optimize and reference speed for optimum slip ratio estimation lock braking system existed in the research and other key.Questions for optimizing control algorithm used in this paper can be achieved without the need for identification of the road.Wheel slip ratio line optimization, in addition to the use of the deceleration signal, combined with the existing wheel speed of the reference.Online calculation speed, so that the problem be effectively addressed.

Keywords: anti-lock braking system, sliding mode control, the disturbance observer, chattering, self optimizing control.

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目录

目 录

摘 要.............................................................. I Abstract .......................................................... II 目录.............................................................. III 第1章 绪论 ............................................................................................................................... 1

1.1 本课题的研究背景 ..................................................................................................... 1 1.2 ABS发展历程概述 ............................................. 3

1.2.1 ABS系统的概念 ......................................... 3 1.2.2汽车ABS的研究现状 ..................................... 3

1.2.3 ABS在国内外的发展情况 ................................. 4 1.3汽车ABS的重要性及制动状况分析 ............................... 5 1.4本文主要研究任务 ............................................. 8 第2章 汽车ABS系统的工作原理及过程 ........................................................................ 9

2.1汽车ABS系统的结构及各部件的作用 .................................................................. 9

2.1.1车轮转速传感器 ........................................ 10 2.1.2电子控制单元ECU ...................................... 11 2.1.3制动压力调节器 ........................................ 12 2.2 ABS主要控制方法 ................................................................................................... 12 2.3汽车ABS系统的工作原理 ...................................................................................... 12

2.3.1汽车ABS理论依据 ...................................... 12 2.3.2汽车ABS的工作原理与工作过程 .......................... 14 2.4本章小结 ..................................................................................................................... 15 第三章 汽车ABS系统的建模 .............................................................................................. 16

3.1车辆动力学模拟的概况 .......................................................................................... 16

3.1.1人工建模及编程计算方法 ................................ 16 3.1.2 图形建模计算方法 ..................................... 16 3.1.3 计算机模拟 ........................................... 17 3.2 汽车动力学模型研究概况 ................................................................................... 17

3.2.1一般车辆模型 .......................................... 17 3.2.2 四轮汽车模型 ......................................... 17 3.3.3双轮车辆模型 .......................................... 18 3.3.4单轮车辆模型 .......................................... 18 3.3 车辆动力学模型 .................................................................................................... 19

3.3.1 轮胎模型 ............................................. 21 3.3.2 制动系统模型 ......................................... 27 3.4汽车防抱制动系统的MATLAB/SIMULINK模型 ................................................. 30

3.4.1单轮车辆子系统 ........................................ 31 3.4.2制动模型子系统 ........................................ 31 3.4.3制动模型子系统 ........................................ 32 3.5本章小结 ..................................................................................................................... 33 第四章 ABS控制算法研究和仿真试验 ............................................................................. 34

4.1 ABS控制算法概述 ............................................ 34 4.2 ABS系统逻辑门限值控制算法研究 .............................. 34

III

4.2.1逻辑门限值控制的墓本方法 .............................. 35 4.2.2控制量的选择 .......................................... 35 4.2.3 典型的逻辑门限值控制过程 ............................. 35 4.3逻辑门限值控制方法几个关键问题的研究 ...................................................... 37

4.3.1制动稳定区域和不稳定区域的判定 ........................ 38 4.3.2参考车速的估计方法 .................................... 39 4.4 ABS系统仿真试验 .................................................................................................... 41

4.4.1 无ABS控制时的仿真实验 ............................... 43 4.4.2逻辑门限值方法仿真实验 ................................ 44 4.4.3仿真实验分析 .......................................... 46 4.5小结 ............................................................................................................................... 47 第5章 总结与展望 .............................................................................................................. 48

5.1工作总结 .................................................... 48 5.2 未来展望 ................................................... 48 参考文献 .......................................................... 50 致 谢............................................................. 52

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绪论

第1章 绪论

1.1 本课题的研究背景

在工业技术飞速发展的今天，人们的生活节奏逐渐加快，同时对汽车的行驶速度、舒适性、安全性都提出了更加严格的要求，通过进一步改善和提高汽车的性能来满足这种要求。然而，汽车要在在不同条件状况的道路上行驶，可能会遇到各种各样的突发状况，比如在积水的泊油路上或者在冬天时候的冰雪路面紧急制动时，在情况较轻时，汽车会发生侧滑；情况比较严重时，很可能导致汽车掉头、甩尾，甚至产生剧烈旋转，产生以上这些危险情况的原因在于汽车的车轮在制动过程中产生抱死现象，此时，相对于路面而言，车轮的运动不再是正常状况下的滚动，而是滑动，路面作用在轮胎上的侧滑摩擦力和纵向制动力变得很小，路面越滑，车轮越容易滑动。

ABS防抱死制动装置就是为了防止以上缺陷发生而研制出的装置，它具有以下几个主要作用： ABS的第一个作用是增加了汽车在制动时候的稳定性。车辆在制动的时候，作用于四个轮子上的制动力是不一样的，在某些情况下，如果汽车的前轮抱死，则驾驶员就会无法掌控汽车的行驶方向，这种情况是非常危险的；另一方面，倘若汽车的后轮先抱死，则会出现侧滑、甩尾，甚至导致汽车整个掉头等严重事故。ABS可以防止四个轮子制动时被完全抱死，提高了汽车行驶的稳定性。汽车生产厂家的研究数据表明，装有ABS的车辆，可使因车论侧滑引起的事故比例下降8%左右。 ABS系统的第二个优点是能缩短汽车在恶劣路面上的制动距离。这是因为在同样紧急制动情况下，ABS系统可以将滑移率控制在最佳点附近，即可获得较大的纵向制动力的结果。ABS的第三个作用是改善了轮胎的磨损状况，防止爆胎。事实上，车轮抱死会造成轮胎小平面磨损，轮胎面损耗会不均匀，使轮胎磨损消耗费增加，严重时将无法继续使用。ABS的最后一个作用是降低了驾驶员的心理疲劳。由于 ABS 系统的使用方法与常规制动系统一致，不需要额外增加驾驶员的工作量，只要高速状态下急踩制动踏板，ABS 系统即可进入工作状态，驾驶员不用顾虑车轮抱死的问题，这样就可从心理上减轻驾驶员的疲劳。因此，装有ABS具有一定的经济效益和安全保障。

ABS系统从目前看可以分为以下几种：博世(Bosch)ABS系统、坦孚

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(Teves)ABS系统、达科(Delco)ABS系统和本迪克斯(Bendix)ABS系统。这四种系统都是目前广泛应用的系统，而且还在不断的发展、更新和换代。尽管不同公司生产的ABS系统的类型不同，但它们都有相同的基本组成和基本工作原理，它们的重要区别是电子控制模块(电脑)及控制线路不同。

另外，ABS使用方便，工作可靠。ABS的使用与普通制动系统的使用几乎没有区别，紧急制动时只有把脚用力踏在制动踏板上，ABS就会根据情况进入工作状态，即使雨雪路滑，ABS也会使制动状态保持在最佳点。ABS利用电脑控制车轮制动力，可以充分发挥制动器的效能，提高制动减速度和缩短制动距离，并能有效地提高车辆制动的稳定性，防止车辆侧滑和甩尾，减少车祸事故的发生，因此被认为是当前提高汽车行驶安全性的有效措施。

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绪论

1.2 ABS发展历程概述 1.2.1 ABS系统的概念

汽车防抱死制动系统(Anti-lock Braking System，简称ABS)是在传统车辆制动系统基础上采用电子控制技术，在制动时防止车轮抱死的一种汽车主动安全装置。它能在制动过程中实时测定车轮的滑移率，自动调节各个车轮的制动力矩，防止车轮抱死并取得最佳制动效能。

当汽车在行驶中遇到紧急情况，驾驶员通常会猛踩制动踏板施加全制动以期望获得最强的制动效果，但这样做往往会使各车轮制动力矩过大或者分配不均，导致车轮抱死拖滑，并使车辆进入各种不稳定状态，如侧滑、跑偏、失去转向操纵能力。相当多的交通事故就是因此而发生。具体地说，常规制动系统在紧急制动时可能造成的负面影响有以下几个方面:

(1)如果前车轮被抱死，车辆丧失转向能力，不能实现转弯转向，躲避障碍物者行人;如果后车轮抱死，车辆丧失稳定性，产生侧滑。

(2)在非对称附着系数的路面，汽车将丧失直线行驶的稳定性，出现侧滑、甩尾及急转等危险现象。

(3)车轮抱死导致轮胎局部与地面拖滑，大大降低了轮胎的使用寿命。 为了提高制动安全性，在现代汽车上装备 ABS以成为必然趋势。防抱死制动系统能把车轮的滑移率控制在一定的范围以内，可充分利用轮胎与路面之间的附着力，有效地缩短制动距离，显著地提高车辆制动时的可操纵性和稳定性，避免车轮抱死时出现的各种交通事故，使制动器的效能发挥到最佳状态。故此ASS技术是目前世界普遍公认的提高汽车安全性的有效措施。 1.2.2汽车ABS的研究现状

国外许多著名ABS生产厂商从传感器、制动器、控制器软硬件等方面着手，并一直致力于已有ABS品牌性能的进一步提高，争取在技术上获得领先。目前的研究主要包括：

1）利用软件来补偿轮速传感器测量误差(由传感齿轮的制造、安装误差及腐蚀所引起)，以提高轮速信号测量精度;

2)将体积小、重量轻、性能可靠、成本低廉的微电子装置应用于ABS中，以测量车辆运行速度；

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3)将路面探测装置用于轮胎路面间摩擦的实时估计；

4)建立液压ABS制动系统精确的数学模型，并结合Navier-Stokes流量方程，对ABS作用时制动管路的瞬态压力进行分析，以寻求减小制动管路压力波动的措施；

5)将一些具有鲁棒性的控制算法应用于ABS控制逻辑的设计中，以适应车辆参数、载荷和路面状况的变化。

我国ABS 的研究开始于80 年代初。从事ABS研制工作的单位和企业很多,诸如东风汽车公司、重庆公路研究所、清华大学、吉林大学、北京理工大学、上海汽车制动有限公司和山东重汽集团等。具有代表性的有以下几个。清华大学汽车安全与节能国家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、Kodak 高速图像运动分析系统、电液振动台、直流电力测功机、发动机排放分析仪、发动机电控系统开发装置及工况模拟器、计算机工作站及ADAMS、IDEAS 软件、非接触式速度仪、噪声测试系统、转鼓试验台、电动车蓄电池试验台、电机及其控制系统试验台等。该实验室针对ABS 做了多方面的研究，其中，在ABS 控制量、轮速信号抗干扰处理、轮速信号异点剔除、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。

1.2.3 ABS在国内外的发展情况

我国对汽车防抱制动系统((ABS)的研究始于20世纪80年代初，现在刚刚进入产品试制和装车试验阶段。汽车防抱制动系统(ABS)是国家十五规划中重点发展的汽车电子产品。

目前，国内研究ABS的院校及机构很多，具代表性的有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、以宋健等多名博导、教授为代表的清华大学汽车安全与节能国家重点实验室、以吴浩硅教授为代表的华南理工交通学院汽车系，还有以ABS专家程军为代表的济南程军电子科技公司。其中，吉林大学汽车动态模拟国家重点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

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绪论

进水平。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室在ABS控制量、轮速信号抗干扰处理、轮速信号异点剔除、防抱电磁阀动作响应研究等方面的研究处于国内领先地位。华南理工交通学院汽车系在ABS技术方面有独到之处，能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。济南程军电子科技公司对ABS控制算法研究颇深，他们在基于

MATLAB仿真环境实现防抱制动逻辑、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。

国内生产ABS的公司也不少，但大多数公司是和国外著名ABS公司合作生产，其产品并非自主研制开发出来的。主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所以及重庆宏安ABS有限公司等。其中，东风汽车公司从80年代初就开始研究ABS，是国内较早研究ABS的厂家之一现研究工作的主要目标是对国外的产品进行消化吸收，如将德国瓦布科公司的ABS装于EQ 145型汽车上进行各种试验。交通部重庆公路研究所相继开发出了两代ABS产品，第一代ABS的ECU采用了Z80芯片。第二代ABS产品为FKX-ACI型，该装置的ECU中的CPU微处理器采用了美国INTEL的MCS-%系列8098单片机。重庆宏安ABS公司是我国批量生产ABS的厂家，该公司生产的ABS 121防抱制动系统和ABS 141防抱制动系统的年生产能力可达30万套。总的来说，ABS技术含量较高，我国ABS的研发工作起步较晚，技术水平与先进国家相比还有较大差距，人力与资金的投入严重不足，实际上仍处于研制、试验阶段。国内有些ABS研发单位尽管也具有生产ABS的能力，但技术尚不够成熟，产品的应用并不广泛，在短期内还是主要依靠进口或与国外厂商协作。为了跟上汽车国产化的步伐，满足低成本高性能的要求，研发新一代的ABS控制器己迫在眉睫。该控制器要具有自主知识产权，不但可以与国内各汽车厂家的各种汽车配套有关的 ABS，也可以有出口的机会。汽车工业在国内和国际上都是支柱产业，ABS有很大市场，只要技术上先进，产品可靠，其经济效益是不估量的。 1.3汽车ABS的重要性及制动状况分析

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

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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。

制动时汽车跑偏的原因有两个：

1）汽车左、右车轮，特别是前轴左、右车轮（转向轮）制动器的制动力不相等。

2）制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上的不协调（互相干涉）。 其中，第一个原因是制造、调整误差造成的，汽车究竟向左或者是向右跑偏，要根据具体情况而定；而第二个原因是设计造成的，制动时汽车总是向左（向右）一方跑偏。

图1-1给出了由于转向轴左、右车轮制动力不相等而引起跑偏的受力分析。

图1-1 汽车制动跑偏时的受力

如图1-1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，FY1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。

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绪论

a）前轴侧滑 b ）后轴侧滑

图1-2 汽车侧滑是的运动

图1-2a是前轮抱死而后轮滚动，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1-2a所示)，汽车失去转向能力。图1-3b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1-3b所示)。

a）前轮抱死时的情况 b)后轮抱死时的情况

图1-3 抱死时的运动情况

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1.4本文主要研究任务

在本文设计中，以改进ABS控制器为目的，以优化ABS控制器的算法为途径，以控制器的设计步骤为脉络，以汲取前人的设计经验为基础，主要阐述了ABS发展前景，比较了ABS控制器的几种算法优劣，分析了汽车动力性，探讨了整车动力模型研究方法。本论文第一章介绍了汽车ABS的一些基本知识与发展趋势、状况；第二章中介绍了汽车ABS的工作原理及系统结构和各部件的作用，最后分析了制动过程中车轮抱死的运动状况；第三章则主要讲解了汽车ABS的建模与MATLAB仿真；第四章首先介绍了MATLAB的基本知识，然后建立了MATLAB/SIMULINK仿真模型与仿真结果分析，论文最后作出总结与展望。

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汽车ABS系统的工作原理及过程

第2章 汽车ABS系统的工作原理及过程

2.1汽车ABS系统的结构及各部件的作用

不同的汽车制动系统会有差异，同样 ABS 也随车型的不同而不同，但是基本都是由轮速传感器、制动压力调节装置和电子控制单元等组成。在不同的 ABS 系统中，电子控制单元的内部结构和控制逻辑也不尽相同，制动压力调节装置的结构形式和工作原理往往也不同，下图2-1是一个典型的 ABS 系统结构图

图2-1 典型的 ABS 系统结构图

如图 2-1 所示的 ABS 系统结构图，四个车轮分别安装有一个轮速传感器，用来实时采集各车轮的转速信号，并发送给电子控制单元（ECU），ECU 根据各轮轮速信号对该轮的运行状态进行判断，并发出相应的指令给制动压力调节装置，对该轮的制动压力进行调节。制动压力调节装置主要由调压电磁阀总成、储液器和电动泵总成等组成。它接收来自 ECU 的控制信号，驱动电磁阀动作以实现对压力的调节，是 ABS 系统中的执行机构。ECU 是 ABS 系统的核心部件，是控制逻辑的载体，它接收来自速度传感器的速度信号，并经过信号处理电路的处理，由运算单元计算出滑移率，然后按照预设的滑移率、加速度及减速度

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门限值，得出增压、保压或减压的控制指令，并通过电磁阀输出控制指令。

传感器 控制器 执行机构 行驶车辆 制动系统

图2-2 ABS系统结构框图

ABS系统是在汽车原有的传统制动系统基础上所安装的电控系统总的来

说，装有 ABS 的汽车制动系统由两部分组成，即基本制动系统和制动力调节系统。前者是制动主缸、制动轮缸和制动管路等组成的普通制动系统，可以完成汽车的常规制动。而后者是由轮速传感器、ABS 控制器、ABS 执行器等构成的压力调节控制系统，在制动过程中是用以保证车轮由始至终不会抱死，车轮滑移率一直在合理范围内浮动，系统框图如图2-2所示。

ABS ECU与基本输入/输出信号如图2-3所示。

图2-3 ABS ECU与基本输入/输出信号图

2.1.1车轮转速传感器

车轮转速传感器通常是电磁感应式转速传感器，目前也有霍尔效应式车轮

右后轮转速传感器 左后轮转速传感器 右前轮转速传感器 左前轮转速传感器 液压控制单元 （液压调节器） 电子控制 单元 （ECU） 故障指示灯 自诊断系统 10

汽车ABS系统的工作原理及过程

转速传感器。传感器的功能是检测车轮的转速并把转速信号送到ECU。它安装在随车轮或者驱动轴旋转的齿圈处，并与齿圈对齐。

当今汽车的 ABS 系统中都装有电磁感应式的轮速传感器，它能够安装在车轮上，也可装备在主减速器和变速器中。

轮速传感器由永久磁铁、磁极、线圈和齿圈四部分组成。当齿圈在磁场中旋转，齿圈齿顶和电极的间隙就以恒定的速度改变，使磁路中的磁阻改变。其结果是使磁通量周期地增减，在线圈的两端产生正比于磁通量增减速度的感应电压，并将该交流电压信号输送给电子控制器。 2.1.2电子控制单元ECU

现代的ABS都以微处理器(CPU)为核心组成电子控制装置,该系统主要有输入电路、控制为微处理器、安全微处理器，输出电路及电源控制电路等部分组成。

ECU是ABS的控制中枢，其作用是接受从各个车轮速度传感器送来的信号，经过整形放大变换为同频率的方波脉冲信号，经过计算电路计算清楚参考车速、各车轮速度和减速度（或者加速度），并对计算结果与设定的基准值加以比较，发出控制指令信号，经过功率放大器放大，控制制动压力调节器的电磁阀动作，从而调节制动压力。此外，ECU还具有对整个ABS工作状况自检和安全监视警告功能。

当汽车制动时,车轮转速传感器不断地将车轮角速度信号传输给CPU,CPU基一于模糊控制的汽车ABS系统仿真研究则根据这些信号进行逻辑判断和分析,并加以计算,一旦识别出某一或某些乍轮有抱死现象时,就发出命令,送到制动压力调节装置中,通过对压力调节器中调压元件进行“升压”、“压力保持”及“降压”三种不同的状态的控制,从而调节制动器室的制动压力,防止车轮制动抱死。

为了有效的防止电子控制装置发生故障而引起误动作,车辆上实际装用的ABS控制电路,大都装有两个CPU,可同时接受相同的输入信号,且按相同的程序进行运算和处理,在通过交互式通讯方式对处理结果进行比较,若两结果不完全相同时,则其中的任何一个CPU均可使ABS退出工作状态。当ABS正常工作时,微处理器主要用于系统的控制,另一个微处理器则用于系统的检测。

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2.1.3制动压力调节器

在压力调节器中含有几个电磁阀,它们将主缸和轮缸间的管路接通或断开,另外,在轮缸和回液泵之间用管路相连,电磁阀为二位二通阀,在主缸和轮缸之间的进液电磁阀是为建立制动液压力而设计的,在轮缸和回液泵之间的出液电磁阀是为降低制动液压力而设计的。在正常状态,压力调节器地磁阀处于建立制动压力的位置,进液电磁阀接通，压力调节器使主缸和轮缸相通。在制动时,主缸中建立的制动压力直接传递到不同车轮的轮缸。

在光滑的行驶路面制动或完全制动时,车轮抱死的危险会随制动滑转率的增大而增大。电磁阀放在保持制动压力位置,进液电磁阀关闭,主缸与轮缸间的通路切断\主缸中的制动压力的进一步增加不会引起轮缸制动压力的增加。

如果采用上述措施后车轮的滑转率还在增大,则必须降低轮缸中制动液的现有压力,这时需要将电磁阀放在降低制动液压力位置，进液电磁阀仍然关闭，利用组合在压力调剂器中的回液泵将轮缸中的制动液经出液电磁阀受控的泵出。轮缸中的制动液压力下降,车轮不在抱死。 2.2 ABS主要控制方法

汽车ABS具有其自身的特点:1) 由于汽车本身环境差而要求系统具有较强的抗干扰能力及高可靠性;2) 控制过程要求快速。大部分系统的控制循环都要求毫秒量级，这样极大地限制了控制算法的应用，复杂的算法无法实现或实现的硬件成本太高，而简单的算法得不到理想的控制品质。ABS的控制方法一般分为两类:一种是基于车轮加、减速度门限及参考滑移率方法，即逻辑门限值控制方法，目前比较成熟的商用 ABS产品大多采用这种基于经验的逻辑门限值控制;另一种是基于车轮滑移率的防抱死控制方法 。 2.3汽车ABS系统的工作原理 2.3.1汽车ABS理论依据

在驾驶员、汽车和环境三者所组成的闭环控制系统中，汽车与路面之间的联系是轮胎与路面之间的作用力。由于汽车的行驶状态主要是有轮胎与路面之间的纵向作用力与横向作用力决定的，因此，驾驶员对汽车的控制实质是控制车轮与路面之间的作用力。

在行驶的路面上，轮胎与路面之间的附着力是轮胎与路面之间的摩擦力。

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汽车ABS系统的工作原理及过程

因此，轮胎与路面之间的附着力必然遵循摩擦定律，即轮胎与路面之间的附着力取决于其间的垂直载荷和附着系数，其关系为公式（2-1）

F??F?? (2-1) 式中 F? 轮胎与路面之间的附着力； F? 轮胎与路面之间的垂直载荷；

μ 轮胎与路面之间的附着系数。 地面制动力的首先取决于制动器制动力，但同时又受到地面附着条件研制。要想获得足够的地面制动力，首先汽车应具有足够的制动器制动力，其次路面还要提供较高的附着力。由式（2-1）可知，要提高地面制动力，改善汽车的制动效果，则必须提高路面附着系数。由于在汽车行驶过程中制动时的路面附着系数 μ并非是一个常数，而是一个与车轮滑移程度即滑移率有关的变量。滑移率即为汽车制动时出现车轮速度小于汽车车身速度而导致车轮既滚动又滑动的现象。车轮的滑移率[17]定义为公式（2-2）

v?vv???RR?? (2-2) S?R?100%?()?100%?(1?)?100%vvv 式中 S——滑移率；

ω——车轮旋转的角速度，rad/s；

V——汽车行驶（平移）的瞬时速度，m/s； R——车轮有效滚动半径，m。

当 V=VR时，滑移率 S=0，此时车轮处于自由滚动状态；

当R=0 时，滑移率 S=100%，车轮处于完全被抱死状态，此时车轮可能会出现侧滑、甩尾等现象；

当V> VR时，滑移率 0

根据车辆行驶方向可将附着系数分为：纵向附着系数?b(或记作? )和侧向

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附着系数?s(或称横向附着系数)。这样在考虑路面制动力时，就可将轮胎的附着力分为纵向附着力和侧向附着力(或称横向附着力)。

制动附着系数、侧向附着系数和滑移率 S 之间存在着密切的关系，通常具有图 2-4 所示的特性。

图2-4 滑移率与附着系数的关系

2.3.2汽车ABS的工作原理与工作过程

对于同一辆汽车来说,纵向附着系数越大,则制动时地面所能提供的制动力就越大。制动减速度也越大,制动距离就越小;侧向附着系数越大,则制动时地面所能提供的侧向力就越大,汽车抵抗侧向干扰的能力就越强,不易出现侧滑。试验证明:当车轮滑移率为20%左右时轮胎与地面之间具有最大纵向附着系数，并且具有较大的侧向附着系数，此时制动性能最佳\制动防抱死系统就是通过压力调节装置调节制动管路中制动压力的大小，是整个制动过程中车轮始终不会抱死，并且滑移率一直保持在标附近，如图2-4所示。

ABS的工作过程可以分为常规制动、制动压力保持、制动压力减小和制动压力增大等阶段。

（1）开始制动阶段

在常规制动阶段，ABS并不介入制动压力控制，调压电磁阀总成中的各进液电磁阀均不通电而处于开启状态，各出液压电磁阀均不通电而处于关闭状态，电动泵也不通电运转，制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于沟通状态，而各制动轮缸至储液器的制动管路均处于封闭状态，各制动轮缸的制动

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汽车ABS系统的工作原理及过程

压力将随制动主缸的输出压力而变化，此时的制动过程与常规制动系统的制动过程完全相同。

开始制动时，驾驶员踩制动踏板，制动压力由制动主缸产生，通过常开的不通电的进油阀作用到车轮制动轮缸上。此时，不通电的出油阀依然关闭，ABS系统没有参与控制，整个过程和常规液压制动系统相同，制动压力不断上升

（2）压力保持

当驾驶员继续踩制动踏板，制动压力继续升高到车轮出现抱死趋势时，ABS电子控制单元发出指令使进油阀通电并关闭阀门，出油阀依然不通电压仍保持关闭，系统油压保持不变。

（3）压力降低

若制动压力保持不变，车轮有抱死趋势时，ABS ECU给出油阀通电打开出油阀，系统油压通过低压储液罐降低油压，此时进油阀继续通电保持关闭状态，有抱死趋势的车轮被释放，车轮转速开始上升。与此同时，电动液压泵开始启动，将制动液由低压储液罐送至制动主缸。

（4）压力增加

为了使制动最优化，当车轮转速增加到一定后，电子控制单元给出油阀门，关闭此阀门，进油阀同样也不通电而打开，电动液压泵继续工作从低压储液罐中吸取制动液泵入液压制动系统。随着制动压力的增加，车轮转速又降低。这样反复循环地控制。如果ABS系统出现故障,ABS ECU将使进油阀始终常开，出油阀始终关闭，使常规液压制动系统继续工作而ABS系统不工作，直到ABS系统故障排除为止。 2.4本章小结

本章主要介绍了汽车ABS系统的结构及各其部件的作用，简单叙述了AB的工作原理及理论依据，分析了汽车制动器制动力、地面制动力、附着力三者的关系,同时深入分析了汽车制动附着系数和滑移率的关系，在本章的最后则介绍了汽车ABS的工作过程。

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第三章 汽车ABS系统的建模

3.1车辆动力学模拟的概况

车辆动力学模拟一般包括两个方面的内容:一是建立描述车辆动力学性能

的微分方程,即建模;二是采用数值方法解方程,即计算。现在常用的动力学模拟方法有三种:人工建模与计算、图形建模和计算机模拟。 3.1.1人工建模及编程计算方法

它是最为传统的方法,即首先通过对车辆的力学分析建立车辆运动的微分方程组,然后采用数值积分方法,通过VCFORTRAN、VB等计算机语言编制相应程序,求解微分方程组。

这种方法工作量比较大,要求设计者具有一定的动力学基础,对车辆系统各部件的联系十分清楚,并且计算工作和方程的调试非常困难,设计周期长。但通过人工对整个系统的建模和计算,能对系统各参数变量的动特性和物理意义有深入的了解。

3.1.2 图形建模计算方法

此方法的建模与前一种方法相同,用力学原理推导出车辆运动方程。计算则

采用专用软件包,如:ACSL模拟语言、MATLAB语言及MATRIX仿真语言等。其中,MATLAB语言是由美国Math Works公司于1967年推出的“Matrix Laboratory”软件包,它是一款功能强、效率高、便于进行科学与工程计算的交互式软件包。而SIMULINK是MATLAB专用于系统动力学模拟的工具箱,它集建模、分析、模拟、控制于一体,具有数值计算与图形功能。SIMULINK将各种标准的物理环节做成图形模块,提供给用户进行图形建模及系统的计算仿真,免去了用户从底层编程开发的麻烦,彻底改变了过去人工编程的方式。它为用户提供了众多标准的动力学系统图形模块库,包括输入源库、接收器库、线性系统库、非线性系统库、离散系统库及连续系统库等。另外,SIMULINK不仅实现了可视化动态仿真,也实现了与MATLAB、C甚至硬件之间的相互数据传递,极大地扩展了它的功能。因此,不但可以进行仿真计算,也可以进行模型分析、控制系统设计等等。

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式中,f轮胎的静摩擦系数 D 峰值因子 B 刚度因子 C曲线形状因子

E 曲线曲率因子,表示曲线最大值附近的形状 S 滑移率 ? 纵向附着系数

f相当于车轮在纯滚动时附着系数,一般情况下设为0;D、B、C、E都是与路面有关的常数,通过改变这些参数可模拟不同路面的附着系数。本文所采用的干混凝土路面和湿沥青路面(如图3-2所示)对应的魔术公式各参数为 干混凝土路面:

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汽车ABS系统的建模

湿沥青路面 ：

2.Burckhardt 模型

根据实验,在路面类型和轮胎已定的情况下,附着系数

S确定,同时还与车速v。但是汽车速度v对附着系数

主要由车轮滑移率

的影响较小,汽车速度为

10km/h和6okm/h时附着系数峰值之差的绝对值仅0.05左右。由Burckhardt将纵向附着系数

表示成滑移率S的函数,与车速无关。其表达式为。

式中,B、C、D都是与路面有关的参数。这方法虽然没有考虑汽车速度的影响,但仍然较真实地反映了地面附着系数的特性,而且计算量也小。本文所采用的干混凝土路面和湿沥青路面对应的魔术Burckhardt模型中各参数为: 干混凝土路面:B=0.956,今20.822,D=0.21 湿沥青路面:B=0.868,C=19.622,D=0.366

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3.双线性模型

如图3-3所示,在一些情况下为了获得一种解析解,采用双线性模型来简化轮胎模型。

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汽车ABS系统的建模

根据上图,推导出轮胎的双线性模型表达式为

基于本课题的研究目的,我们采用双线性模型分别模拟四种典型路面的?-S曲线，并应用于汽车防抱制动系统的控制仿真模型中(参数如表3-2所示)。

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根据表3-2的参数,我们分别建立了四种典型路面的双线性模型： 干燥混凝：

湿沥青路：

湿泥土路面：

结冰路面：

以上四种典型路面的纵向附着系数?与滑移率S的关系曲线如图3-5所示：

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为输出,并将制动器制动力矩送入单轮车辆子系统进行仿真(如下图3-8)

轮胎模型子系统的

仿真模型,是根据式3-6的双线性数

为输出,

学模型建立起来的图形模块。它以滑移率s为输入,以纵向附着系数并将终向附着系数

送入单轮车辆子系统进行仿真(如图3-8所示)

3.4.3制动模型子系统

制动模型子系统的SIMULINK仿真模型,是根据式3-20、3-22的数学模型

建立起来的图形模块。它以控制器的控制信号为输入,以制动器的制动力矩为输出,并将制动器制动力矩几送入单轮车辆子系统进行仿真(如图3-9)。

滑移率计算子系统的SIMUL州K仿真模型,是根据滑移率S的定义式(式2-3)建立起来的图形功能模块。它以车身速度v和车轮线速度

为输入,

以滑移率S为输出,并将滑移率S送入轮胎模型子系统及控制器模型子系统进行仿真(如图3-10所示)

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汽车ABS系统的建模

以上各子系统SIMULINK仿真模型的参数选择同表3-l和表3-2

3.5本章小结

本章简述了车辆动力学建模的方法和模型概况,并建立了汽车防抱制动系统各个模块的数学模型(包括车辆模型、车轮模型及制动器模型等)和MATLAB/SIMULINK仿真模型。对无ABS的车辆模型进行了制动仿真研究和分析。

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第四章 ABS控制算法研究和仿真试验

4.1 ABS控制算法概述

汽车ABS系统的工作环境十分恶劣，要求系统本身抗干扰能力强，可靠性高。车轮在紧急制动中的抱死过程很快，约为0.2-0.5s，要求 ABS系统实时监控能力强，控制过程迅速，大部分系统的循环都要求毫秒量级。以上特点对研究可行的ABS控制算法有很大的限制，复杂的算法很难实现。如果采用高级的硬件设备，则系统硬件成本太高，无法满足要求。

传统的ABS控制方法是基于经验式的逻辑门限方法，每装配一种新的车型都需要通过大量的道路试验来确定经验参数。产品的发展往往经历了漫长的历史。由于这些因素，汽车电子学的实用化进展并不是像人们预料的那样快速。 随着硬件设备性能飞速提高，在ABS算法领域也出现了基于现代控制理论的方法，较为典型的有滑模变结构控制方法。它是一种非线性控制策略，是根据系统状态偏离滑模面的程度来变更控制器结构，使系统按照滑模面规定规律运行的一种控制方法。ABS过程中，车轮滑移率的变化也是一个非线性过程，为了达到控制滑移率的目的，可以用滑模变结构理论进行控制。

另一类方法是智能控制的方法，比较典型的方法是模糊控制方法。模糊控制是基于经验规则又可以结合数学过程的新型控制方法，它与系统的模型无关，不需要建立控制过程精确的数学模型，而是完全凭人的经验，将语言变量代替数字变量进行自动控制. ABS系统利用模糊逻辑可通过制动时车辆运动特征与路面特性间的关系估计路面特征，根据滑移率和滑移率误差的变化，确定防抱系统压力调节器的压力调节值。这种方法具有很好的鲁棒性和控制规则的灵活性，但调试设定参数比较困难，对设计人员经验依赖性很大. 虽然近年在ABS控制算法领域提出了许多新的方法，但这些方法在应用中并不顺利，这主要是由于车辆本身参数及行驶工况的复杂特性。因此在本文中，仍重点研究逻辑门限值方法极其应用。

4.2 ABS系统逻辑门限值控制算法研究

逻辑门限值方法的基本的原理是将车轮加减角速度门限及参考滑移率作为控制量，使滑移率在车轮峰值附着系数附近处波动，从而获得较大的车轮纵向

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ABS控制算法研究和仿真试验

和横向力，使车辆同时具有较短的制动距离和制动稳定性。 4.2.1逻辑门限值控制的墓本方法

1)在制动的初始阶段，制动压力上升，车轮产生制动减速度.当车轮达到某一减速度值，说明车轮已有抱死倾向，加速度车轮状态已处于不稳定的区域，此时则命令减小制动压力。

2)车轮由于惯性仍有一段制动减速度下降，随后制动减速度开始上升，最终产生车轮角加速度。这表明车轮已恢复到稳定的车轮特性区域，我们希望车辆尽可能多的时间内停留在这一区域内，所以保持制动压力.

3)车轮由于惯性的原因加速度会继续上升一段时间，然后呈下降趋势。这时如果维持保压，车轮减速度比较小，达不到峰值附着系数，所以当加速度下降到某一门限时，制动压力要重新开始增加。 为使制动状态能较长时间地停留在稳定区域内，则采用交替式的增压减压，/获得不同的压力增加速率，得到最优的制动效果。门限值控制法大多选择加、减速度门限作为主要门限，以滑移率作为辅助门限。 4.2.2控制量的选择

由上面分析可知，车轮的加减速度和滑移率都与控制有关。仅用加、减速度作为控制门限有很大的局限性。在初始紧急制动情况下，减速度取决于车辆初速度V，制动器制动系数a, μ-S曲线的斜率K.在高速、紧急制动及μ-S曲线斜率较小的情况下，在稳定区域车轮就可能达到减速度门限，而这时的滑移率很小。对于非驱动轮，如果制动时离合器没有及时脱开，则由于车轮系统的转动惯量较大，在许多情况下也会造成制动减速度达不到门限值就进入不稳定区域，最后导致过早抱死，使防抱死控制循环失效。 仅以滑移率作为防抱死控制门限时，由于路况的不同，最佳滑移率在5%-30%之间变化，选择一种固定的滑移率作为门限，就很难在各种路况下得到最佳的控制效果。因此，需要将两种门限结合起来，以辨识不同路况，进行自适应的控制。 4.2.3 典型的逻辑门限值控制过程

ABS控制过程的第一个循环过程如图4.1所示。在制动初始时，如果测得的车轮角减速度低于角减速度门限al时，取此刻车轮速度作为车体的初始参考

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速度。.此后，车体参考速度依据车体的减速度计算，即

，由此可算出任意时刻的参考滑移率。

在制动初始阶段，为使车辆避免在稳定区域内进入减压阶段，这时还要比较滑移率。如果SSl，确保车轮进入μ-S轮胎曲线峰值附近的不稳定区域。然后进入第3阶段开启减压。

由于减压，车轮角减速度开始回升。当车轮角减速度高于门限al时，电磁阀开启到保压位置进入第4阶段.由于制动系统的惯性及制动分泵所保持的压力，使此时车轮速度继续上升，角减速度由负值增加到正值，直至超过角加速度门限值al.为了适应高附着系数路面附着系数的突然增加，可以设定第二角加速度门限 a2。在给定的保压时间内，如果车轮角减速度不能超过门限值 al，则属于低附着系数路面的情况:如果超过门限值al,则继续保压，此时会出现两种情况，一是出现附着系数突然增加的情况，角减速度超过a2门限;二是减速度再次低于al门限。对于前者，要进行一次增压，以适应附着系数的增加，直至角减速度低于a2门限，再次保压至低于al门限。对于后者，说明车轮进入声μ-S曲线峰值附近稳定区域，并稍有制动不足。因此，两种情况的角减速度都可低于al门限，进入稳定区域。

由于μ-S曲线峰值附近的附着系数比较大，要使在这一区域内的制动时间尽量延长，因此制动压力采用小的上升梯度，通常较初始压力梯度小得多。电磁阀以增压一保压的方式不断切换，直到车轮减速度再次低于al门限。此时，不再考虑S1门限，进入下一循环的防抱制动，即这一循环结束.

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