《汽车制动防抱死系统（ABS）控制策略》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车制动防抱死系统（ABS）控制策略（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2018/9/4,车辆ABS的控制策略,cqjtu 机电与汽车工程学院 伍岳,2018/9/4,ABS系统简介,ABS(Anti-braking system)是一种在汽车制动时能够自动调节车轮制动力矩的车载电子控制系统。它能防止车轮抱死，有效地缩短制动时间和制动距离，提高制动时的方向稳定性。,2018/9/4,ABS发展历史,1910年代 铁路部门为了防止Wheel-lock现象开始试用当中意外发现制动距离缩短效果。 1950年代 飞机着陆装置中开始开发并使用。 1954年代 美国FORD林肯轿车最初使用法国制飞机用ABS。 1970年代 林肯、凯迪拉克等高级轿车开始使用（后轮控制式） 19
2、78年代 BENZ 450SEL和BMW 7系列使用BOSCH社的4轮 控制式ABS。 1984年代 日本车开始使用NIPPON社的ABS德国开发与Master Cylinder 一体型的H .U。1990年代 韩国车辆开始使用ABS（选装）。,2018/9/4,系统组成,(1)轮速传感器常用的轮速传感器是电磁式的，即利用电磁感应原理检测车轮速度，并把轮速转换成脉冲信号送至ECU。一般轮速传感器都安装在车轮上，有些后轮驱动的车辆，检测后轮速度的传感器安装在差速器内。 (2)电子控制单元(ECU)ECU的作用是接收轮速传感器发出的信号，计算出车轮的运动状态。据此对压力调节装置发出控制指令。当系统
3、发生异常时，由警报灯或蜂鸣器报警，使整个系统停止工作，恢复到常规制动方式。目前ECU主要是由集成度、运算精度都很高的数字电路构成。 (3)压力调节装置压力调节装置也就是ABS的执行机构，它根据ECU的指令来调节各车轮制动器的制动压力。制动压力调节器可分为液压式、气压式和空气液压加力式。目前应用最广泛的是液压制动系统。制动压力调节器的主要元件是电动泵、液压控制阀和液压控制通道。,2018/9/4,ABS的作用,1) 确保方向安全性（Stability） 2) 确保方向操纵性（Steerability） 3) 缩短制动距离（Stopping Distance） 4) 减少轮胎的局部过度磨损 ,提高
4、轮胎的使用寿命 5) 减少刹车消耗，延长刹车轮鼓、碟片的使用寿命,ABS防抱死系统并非万能，在轮胎与路面附着力较差的情况下(如冰面)或特殊路况下，ABS的作用并不明显。,2018/9/4,ABS制动理论基础, 驾驶员踩制动踏板增加制动力矩（T）时滑移率（S）和制动力（Q）跟T成正比上升。但侧向附着力随T的增加而减小。 T继续增加制动力（Q）在理想滑移率（Si）时最大，这时侧向附着力的减量也较小，制动性能在最佳状态。 SSi时制动力减小轮胎也会抱死（S=100%）这时侧向附着力急减，车辆以不稳定状态行驶。 前轮抱死时CFf接近0行驶中制动 效果明显下降失去方向操纵性，后轮 抱死时CFr接近0制动
5、时车辆稳定性下 降车辆左右振动或发生旋转现象。,2018/9/4,ABS的基本工作原理是通过传感器监测制动过程中的车辆状态，由电子控制单元对各车轮的轮速、参考车速、加减速度以及滑移率等重要参数进行计算、分析、比较，根据这些参数对制动压力发出增压、保压或减压的控制指令，驱动调节制动压力来控制汽车制动过程中的车轮运动状态，使车轮保持在最佳制动状态，获得最佳制动效果。,2018/9/4,ABS综合控制分类,ABS按控制通道分类有四通道、三通道、二通道、一通道。 控制通道是指能够独立进行制动压力调节的制动管路。,一通道式ABS :又常叫单通道，它是在后轮制动器总管中设置一个制动压力调节器，在后桥主减速
6、器上安装一个轮速传感器，有的也在后轮上各安装一个。其性能特点是，制动时两后轮不会抱死，能够显著提高制动时的方向稳定性，同时结构简单、成本低。所以，一通道式在轻型载货车上的应用较为广泛。,二通道式ABS：二通道式ABS难以在方向稳定性、转向控制性和制动效能各 方面得到兼顾，目前采用很少。,2018/9/4,三通道:指的是对两前轮进行独立控制，两后轮则按低选原则进行一同控制，也称混合控制。其性能特点是，可以保证汽车在各种条件下两后轮的制动力相等，使两个后轮的制动力始终保持平衡，保证汽车在各种条件下制动时都具有良好的方向稳定性。而对两前轮的独立控制，则适用于小轿车，因为它一方面使汽车获得尽可能大的总
7、制动力，利于缩短制动距离，另一方面可使制动中两前轮始终保持较大的横向附着力，使汽车保持良好转向能力。,2018/9/4,四通道:指的是它有四个轮速传感器，在通往四个车轮制动分泵的管路中，各设一个制动压力调节器装置，进行独立控制，构成四通道控制形式。其性能特点是，可以最大程度地利用每个车轮的最大附着力，特别适用于汽车左右两侧车轮附着系数接近的路面，不仅可以获得良好的方向稳定性和方向控制能力，而且可以得到最短的制动距离。,2018/9/4,ABS系统的多轮控制策略,控制方式：一个车桥上的两个车轮由一条通道控制，即两个轮速传感器对应一个压力控制阀，制动压力取决于预先抱死车轮的状态，对于不对称路面，选
8、择附着系数较低的一侧车轮；优点：左右车轮产生的制动力相同，减少或消除了横摆和转向力矩； 操纵性和方向稳定性好缺点：附着系数较高的一侧车轮的附着系数得不到充分利用。 制动距离加大,低选择控制,2018/9/4,控制方式：一个车桥上的两个车轮由一条通道控制，即两个轮速传感器对应一个压力控制阀，制动压力取决于后抱死车轮的状态，对于不对称路面，选择附着系数较高的一侧车轮进行控制。 优点：附着系数得到充分利用。制动距离短 缺点：对于附着系数不对称的路面，该控制方式会产生附加的横摆力矩。 降低制动时的方向稳定性,高选择控制,2018/9/4,控制方式：和独立控制一样，每个轮速传感器对应一个压力控制阀。具体
9、控制方式是，对一个车桥上的左右轮中附着系数低的一侧车轮用独立控制，附着系数高的另一侧按一定的比例以低于最大附着系数利用率进行控制，或者使其控制压力的建立时间推后一段。 优点：综合了独立控制和低选择控制的优点。制动距离较短，方向稳定性较好,修正的独立控制,2018/9/4,ABS的单轮控制策略,单轮模型某车辆简化后的单轮制动力模型如图所示。其中单轮质量为m，车轮滚动半径为rd，车轮转动惯量为Iw，车轮旋转角速度为w，车轮中心前进速度为uo，地面制动力为Fxb，作用于车轮的制动力矩为Tb。忽略空气阻力和车轮滚动阻力，则系统的运动方程如下：,公式中，地面制动力Fxb等于作用于车轮的法向反力Fz与路面
10、附着系数 的乘积，其中 为制动滑移率S的函数。,单轮制动力模型,2018/9/4,车轮滑移率模型,2018/9/4,常见控制策略,1.BANG-BANG控制策略2.PID控制策略3.模糊控制（模糊PID控制）策略4.滑模变结构控制策略5.神经元网络控制策略,2018/9/4,BANG-BANG控制,Bang-Bang控制可以选取两种目标函数，即时间最小和能量最省。通常使用的是基于最小时间控制理论的时间最优控制。这种控制是一种位开关控制，又为快速控制法，其控制输出只能是离散的数值。它将系统的控制作用维持在极限值上，而且不断的从一个极限值切换到另一个极限值，构成一种最大力量的控制，这样设计出来的系
11、统是在现实基础上最快的系统，从而实现最小时间最优控制。将Bang-Bang控制算法应用在ABS时，控制器的输入为期望滑移率与实际滑移率的逻辑判断，经过位开关控制，输出为刹车盘制动力矩。,2018/9/4,汽车开始制动时，驾驶员踩下制动踏板，对制动管路中油压进行控制，制动器使车轮产生制动力矩，同时产生地面制动力。车辆进入制动状态后首先对滑移率进行判断，如果滑移率小于Smin，应进入增压状态；如滑移率大于Smin，接着检查是否大于Smax，如大于Smax将进入减压状态；如果滑移率在Smin至Smax之间，接下来则会进入制动器的保压状态。BANG-BANG控制算法预选两个门限值Smin和Smax，并
12、通过门限值值之间的逻辑关系，进行循环控制，使车轮的速度控制在一定的范围内而不产生抱死。,2018/9/4,BANG-BANG控制的仿真程序及结果基本仿真参数：,2018/9/4,部分仿真程序：*由滑移率计算出附着系数*if s(k)=0phi(k)=phi_h/S0*s(k);elseif s(k)S0elseif s(k)=0 制动器保压,2018/9/4,仿真结果：,2018/9/4,2018/9/4,PID控制策略,1 .PID控制基本原理： PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好及可靠性高，被广泛用于过程控制和运动控制中。PID控制量u和偏差P的函数关系式为：
13、式中：Kp是比例系数，1Ti是积分系数，Td是微分系数，三个系数对系统有不同的影响，通过调整三个系数，使闭环系统得到预期控制效果。,2018/9/4,2.PID控制分析： PID控制方案并不要求精确的受控对象数学模型，也不要求系统线性，只要现场整定PID参数合适，就会得到很好的控制效果，因此在工业界得到广泛的应用。 将PID控制算法应用在ABS时，PID控制器是以期望滑移率与实际滑移率之差作为输入，输出为刹车盘制动力矩。,2018/9/4,PID 控制器包括比例、积分和微分三个环节，各环节的作用如下： ( 1) 比例环节: 主要用于提高系统的动态响应速度和减小系统稳态误差即提高系统的控制精度。
14、该环节成比例地反映控制系统的偏差信号e( r) ，一旦产生偏差，控制器立即产生控制作用，以减少偏差使实际值接近目标值。 ( 2) 积分环节: 在一般的PID 控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间波动、振荡次数增加和调整时间延长，使系统的稳定性下降。通常用积分时间常数Ti来表示积分作用的强弱，Ti取值必须合适，Ti取值太大会导致系统趋于不稳定，反之其取值太小影响系统控制性能，使控制性能变差。 ( 3) 微分环节: 根据偏差信号的变化趋势( 变化速率) 对其进行修正，在偏差信号值变得太大之前，引入一个有
15、效的修正信号，从而使系统的动作速度加快，减小调节时间。,2018/9/4,PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：（1）理论计算整定法主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。 （2）工程整定方法主要有Ziegler-Nichols整定法、临界比例度法、衰减曲线法。这三种方法各有特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。工程整定法的基本特点是：不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进
16、行现场整定；方法简单，计算简便，易于掌握。,2018/9/4,一种基于PID的ABS控制：PID 控制器以制动时轮胎的期望滑移率为控制目标，通过轮速与车速传感器采集汽车速度、车轮转速信号，根据实际采集的速度信号计算出汽车各轮胎实际滑移率，再将实际滑移率与期望滑移率进行比较，得出二者的偏差，将其作为PID 控制器的输入量，控制器输出控制量用以调节制动器制动压力的大小，在控制的过程中要不断地调整PID 控制的各参数，从而调节制动力的大小，轮胎受制动器不同制动力作用后，实际滑移率会发生相应的变化，通过反馈后，与期望滑移率的偏差也发生了相应的变化，反复调节控制器的控制参数，最终使实际滑移率始终处于最佳滑移率附近，汽车在最佳滑移率所对应的地面制动力下进行制动，制动效果达到最佳。,
