刹车控制系统

附件1：项目编号米塔尔学生创新创业项目资助创新项目申请书项目中文名称： 混合动力汽车电、液混合制动控制系统的研究 项目英文名称： Research on Electric-Hydraulic Braking Control System of Hybrid Electric Vehicle 项目负 责人： （本科生 研究生）指 导 教 师： 负责人所在单位： 机电工程学院 完 成 日 期： 中 南 大 学 制2012 年 10 月一、申请项目及申报人情况项目负责人免冠近照项目简况申报项目名称混合动力汽车电、液混合制动控制系统的研究拟定起止年月2012年10月2013年10月已获资助情况负 责 人 简 况姓名赵文帅性别男出生年月1992.11学历：本科生 研究生身份证号码41272819920226253X专业班级10级机电试验班所在单位机电工程学院联系电话15274938445E-mail1159307825通讯地址中南大学升华公寓2#723指导教师简况姓名性别出生年月学历学位所在单位联系电话技术职称从事专业团队成员简况姓名性别出生年月学院专业班级学历研究专长项目分工项目简介（限100字）项目情况技术领域机械组件技术来源项目优势资金情况项目所需资金自有资金投入金额已获资金金额已获资金来源申请资金金额申请资金主要用途二、项目论证（项目的理论与现实意义；项目的基本内容、重点、难点、创新点；项目的实施方案、实施方法和具体工作计划）（请附详细计划）1. 项目的理论与现实意义 混合电动汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)是介于传统内燃机汽车和纯电动汽车之间的一类新能源汽车；相对于内燃机动力汽车，它具有更好的尾气排放性能和燃油经济性；相对于纯电动汽车，混合电动汽车行驶里程更长且对能源补给基础设施的要求更低，是目前极具发展前景和推广潜力的道路交通工具之一。 与传统内燃机动力汽车不同，混合电动汽车装备有能量再生式制动系统和ABS（ ABS: Anti-Lock Braking System）液压制动系统两套制动系统。能量再生式制动系统(Regenerative Brake System, RBS )利用发电机或置于发电模式的发电/电动一体机输出作用于车辆驱动轴的制动扭矩，并将部分车辆运行的动能转化为电能，储存在电池或超级电容等储能装置中供车辆起动或加速时使用（如图1），有效地提高车辆的燃油经济性和行驶里程；考虑到电机的制动效能以及制动稳定性，当前的混合动力汽车大都保留了原有的ABS液压制动控制系统。ABS液压制动系统是在现有摩擦式制动系统(Friction Brake System, FBS )的基础上增加了电子控制系统，利用鼓式或盘式等摩擦制动器通过摩擦作用将车辆的动能转化为热能散发到空气中，根据需要对车辆所有的车轮实现制动。图1 因此，如何在确保制动安全性的前提下，使能量回收制动和ABS液压制动协同工作，最大限度回收能量就成为混合动力汽车研究的关键性技术之一。混合动力汽车与传统车辆的制动控制系统有所不同，在传统的液压制动控制的基础上需要对电机制动进行控制，在确保制动安全的前提下尽量提高能量回收效率。目前关于混合动力汽车制动控制系统研究的文献相对较少，以丰田、本田为代表的国外混合动力汽车厂家，虽然有自己比较成熟的控制技术，但是作为企业的核心技术机密，不可能将其公诸十众，这些公司的研究人员公开发表的论文，通常都只是泛泛谈及控制策略，且回避了相关的细节问题。另外，由于制动控制系统的控制策略针对性非常的强，一般不会有现成的策略可以套用，因此我国要自主研发混合动力汽车，就必须自力更生，研究开发具有自主知识产权的控制策略。本项目致力于对混合动力汽车制动控制系统的研究，希望为相关研究打下基础，提供参考，是极具前瞻性和实用性的。2.项目的基本内容、重点、难点、创新点2.1项目的基本内容2.1.1相关基本知识的介绍 汽车行驶时能够在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能够维持一定车速的能力称为汽车的制动性能。制动性能是汽车的主要性能之一，制动性能直接关系到交通安全，重大交通事故往往与制动失效、紧急制动时发生侧滑等情况有关，因此汽车的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。 如图2，给出了混合动力汽车制动车轮的力学分析。在回转方向上，车轮的力学平衡方程为：图2 驱动车轮受力分析 式中： -轮胎纵向力，-液压制动力矩，-车轮转动惯量， -车轮角速度， -车轮滚动半径， -滚动阻力矩， -电动机制动力矩。 由上式可知,车轮在制动状态下的运动情况是由传统的液压制动力矩、电机提供的能量回收制动力矩，滚动阻力矩以及地面附着力共同决定的。轮胎与路面之间的作用力(包括纵向力和侧向力)是受附着条件限制的，所以当总的制动力矩过大时，车轮会出现抱死拖滑的危险工况，此时轮速和车速不再保持一致。我们通常采用滑移率的概念来描述车轮的打滑情况，车轮纵向滑移率的定义如下式: 其中，-汽车纵向行驶速度；-车轮纵向滑移率。 要保证车轮不发生抱死拖滑的现象，对制动力矩的控制是至关重要的，制动力矩的控制有很多方法，以下是几种常用的控制方法： 电控制动（BBW）控制这种控制方法可以根据车轮的滑移情况，方便的实现制动力矩的增大或减小，对于混合动力汽车而言，能够较为理想的实现能量回收制动和液压制动的综合制动控制。BBW制动以电气连线取代油压或气压来传送驾驶员的制动意图。传感器在获得驾驶员的制动意图后，比如:从踩踏油门迅速改为踩制动踏板时，就可判断出有紧急制动的需要，可在瞬间给出较大的电机制动油门并同时完成液压系统的快速加压，在短时间内完成制动过程。该系统具有可将紧急制动时的制动距离缩短3%的效果，而且还可在转弯时给外侧的车轮分配更强的制动力，有助于进一步提高电子稳定性控制系统(ESP)的控制效果。BBW制动在执行效果和功能上都非常符合混合动力车辆制动系统的要求，是理想的制动控制方法，但是它的缺点是系统过于复杂且花费较高，而且，在安全性和可靠性方面也有很多问题有待解决。液压调节器控制采用液压调节器的控制方法，液压制动力矩的调节是通过液压调节阀进行的。采用这种控制方法，必须时刻监测车轮的滑移情况，通过不断调节制动轮缸（W/C）的压力来防止车轮抱死。对于混合动力汽车而言，采用这种控制方法能量回收率相对BBW控制方法要低一些，这主要是由于液压制动力矩损耗了制动过程中的部分动能，但是，采用液压调节器的控制方法具有相当高的可靠性和安全性，且价格较为合理，目前大部分的中、小型乘用车辆都采用这种制动控制方式。真空助力控制这种方法只需要对普通车辆制动系统中的真空助力器进行改进，添加制动控制阀，使其能够控制液压制动力矩。在道路状况较好的情况下这种控制方法能够达到相当的安全性和可靠性，而且制造成本低，但是对复杂路面和恶劣环境的适应性较差。对于混合动力汽车而言，由于在制动过程中不能够对液压制动力矩进行有效的控制，因而能量回收率很低。2.1.2 混合动力汽车制动控制 对于行驶的车辆，最优的驾驶员感觉和最大的能量回收效率是不可能同时取得的，在驾驶员感觉和能量回收效率两者之间必须要有一个折中的方案。最终的折中方案要在实际车辆上进行匹配测试才能够得以实现。能量回收制动控制策略的目的就是要在兼顾制动安全性和驾驶员制动感觉的前提下实现高效率的能量回收。制动控制策略的设计是一个涉及复杂问题决策和非线性时变系统控制的复杂问题，由于混合动力汽车的制动系统涉及电、液两个系统的协同工作，因而建立能够反映制动系统实际情况的仿真数学模型非常困难，同时，由于路面附着条件的影响以及驾驶员制动意图的不确定性，也增加了制动控制策略设计的难度。电控液压式制动（Electronic Hydraulic Brake，EHB）系统，在控制器驱动下，向各车轮提供独立制动扭矩；能量再生时制动系统由安装于变速器输入轴的永磁同步电机、电能储能装置的超级电容、逆变器和传动系统组成。本项目致力于研究混合电动汽车制动系统的控制技术，以实现车辆制动安全、能量优化和行驶平顺等为控制目标；以现代控制理论为理论基础，采用基于模型的控制技术，对控制系统进行分析、研究、设计。2.2项目的重点、难点和创新点 项目致力于研究混合动力汽车制动系统的控制技术，需要在现有技术和研究的基础上，建立混合动力汽车制动系统的模型，提出制动系统的控制策略，并积极致力于基于模糊控制的控制器的开发，对控制系统的设计提供一定的研究基础。2.2.1混合动力汽车制动系统的研究建模建立既能反映研究问题的本质需要，又能满足仿真要求的控制系统模型，对于解决实际问题可以提供处理对象的最优决策和控制。制动控制系统的建模通常包括以下步骤:确定模型的使用目的和性能要求，确定系统和它周围的环境条件，确定系统组成的单元，研究单元之间的相互关系，建立单元模型，根据对象的试验数据，对包含在模型中未确定参数进行辨识，根据所得模型进行仿真研究，检验模型与实际系统的对应关系，最后修正模型。项目根据上述理论要求和实际问题研究的需要，需要建立以下模型：制动控制系统动力学模型液压控制系统模型电机及其控制系统模型电池及其控制系统模型2.2.2模糊控制策略的学习研究 模糊控制策略已经在很多工程应用领域中被证明是一种优越的控制技术，在许多传统的控制技术不能够胜任的时候，应用模糊控制可以取得比较好的控制效果，在混合动力汽车制动控制领域，模糊控制策略也是一种比较适合的控制技术，具有良好的应用前景。模糊控制策略与综合制动控制策略联系密切，在制动控制策略的分析和综合方面，综合制动控制策略研究可以作为模糊控制策略研究的基础，而模糊控制策略则将成为综合制动控制策略的延伸和发展。 由于基础知识的局限，本项目组成员需在学习现有知识的基础上进行研究与创新，势必具有一定的挑战性，但这种挑战对于项目组成员也是一种激励和鞭策，依托项目的开展，成员既能从中学习到前沿的科学和工程方面的知识，又能充分锻炼动手能力和创新能力。2.2.3制动系统综合制动控制器的开发 开发研制一种既具有实际效用、又符合司机操作习惯的混合动力制动控制系统是非常困难的，本项目需要结合实际研究需要和前人的研究成果，对混合动力汽车制动系统实用化控制技术一制动系统综合制动控制策略进行深入的研究和系统的开发，使制动控制策略在确保制动安全性的前提下尽可能多的回收制动能量，减少制动过程的动能损失，提高制动效率。3.项目的实施方案、实施方法和具体工作计划3.1项目的实施方案前期准备工作文献检索确定研究对象和大致研究方案根据指导老师指导修改项目申报讨论分工学习相关理论和技术进一步文献检索形成详细的技术方案多次加工修改实验进一步完善撰写项目报告申请专利3.2实施方法和具体工作计划（一）前期准备工作（2012年7月9日-2012年10月8日）A.组建团队 选取对本项目感兴趣、学习实践能力强，同时有信心、有能力保证完成项目的同学，组建本项目研究团队，且适合研究分工，各有所长。B.文献检索 阅读相关的书籍，学习相关方面的技术，并作记录。熟悉电控液压式制动系统和能量回收式制动控制系统的技术原理及要求。查阅现有国内外的研究文献，熟悉目前的研究现状。C.技术方案 在以上工作的基础上，进一步查找阅读相关资料，小组成员积极交流讨论，实施头脑风暴，确定大致的技术方案，保证具有可行性和创新性。确定大致的技术分工、攻关。D.指导老师指导，修改 形成大致的方案之后，全部小组成员征询指导老师的建议与意见，仔细分析，做进一步修改。进一步提高项目的质量。E项目的申报 撰写相关材料，申报项目。（二）项目的具体工作计划（12个月）如何在确保制动安全性的前提下，使能量回收制动和ABS液压制动协同工作，最大限度回收能量就成为混合动力汽车研究的关键性技术之一。混合动力汽车与传统车辆的制动控制系统有所不同，在传统的液压制动控制的基础上需要对电机制动进行控制，在确保制动安全的前提下尽量提高能量回收效率。为达到以上要求，我们制定以下研究计划：A.基础理论知识的学习巩固 包括各方面材料的搜集与整合，创新性发展方向的确定。在本阶段小组成员初步掌握混合动力汽车、液压制动控制系统、能量回收式制动控制系统的相关知识，了解制动控制的国内外发展状况，整合现有的研究成果与前沿技术，找到相关技术突破点与创新点，同时找到本项目所具有的特色与创新性，确定明确而具体的研究发展方向。在此阶段，常与指导老师保持联系与交流，及时纠正学习研究中的错误，争取少走弯路。B.思路整合，完成方案设计 需要多种方案整合优化，找到最具创新性的设计，进行数学建模、仿真分析。在研究过程中，及时总结相关方法，与理论结合，形成理论分析体系。C.学习模糊数学和模糊控制的基础知识 要熟悉模糊控制的现有应用，并学以致用，为下一步进行模糊控制器的开发做基础。D.实验与实物制作 基于以上的模型和分析，开始着手进行相关实验。包括材料的购买和加工，实验设备的操作运用，将理论知识转化为实际操作和实物制作。同时多加思考观察，及时发现问题并请教指导老师，争取尽快找到解决办法，对系统进一步优化。E.完成验收 撰写并提交项目报告，将实物和相关资料交予学校，完成检查。项目的实施过程应尽量采取科学的研究方法，养成良好的科研素养。一些细节可以根据具体实际需要进行适当调节。（三）项目的后续工作在产品的研究和实物制作完成后，准备将研究成果写成论文，投到专业期刊，以求将研究成果价值的最大化，为以后的相关研究及作品的优化提供基础和参考。将实物作品上报申请专利，并同时联系相关厂家或投资商。以技术入股，实现产品的产业化生产，真正做到学以致用，将技术转化为生产力，并尽可能大的方便消费者，扩大经济效益。 三、项目已具备的基本条件和项目负责人及主要成员现有的研究基础1. 项目的人力分析本项目组共有3名来自机械设计与制造专业的成员。硬件方面，本组成员熟悉基本的机械原理和相关的设计制造知识与技术。具有较强的绘图软件和仿真、分析软件的使用能力。如：AUTOCAD、PROE、ADAMS和MATLAB等。另外，小组成员擅长动手制作，极具团队合作意识。软件方面，我们都具有较强的学习能力和独立思考善于观察的能力，并且对本项目具有极大的兴趣和较高的成果预期。因此，本项目会得到项目组成员全力以赴的实施，激发出小组成员的智慧与创造力。项目组的成员学习成绩优秀，具有良好的时间管理能力和自学能力，能够确保专业成绩优异的情况下，从事一定的科研工作。本项目成员张瑞强曾参加过湖南省机械创新设计大赛，并获得二等奖，具有较为丰富的机械设计制造经验。另外两名组员也都主持或参加过校级及以上的科研项目，具有一定的科研基础。最后，我们的指导老师在机械控制方面具有资深的研究经验，并对我们的项目给予巨大的支持与厚望。相信，在与老师的指导下，我们定能养成良好的科学素养以及优秀的科研习惯，充分发挥项目的育人作用，为以后更多更深的科学研究提供人文基础。2. 项目的技术分析本项目成员主要来自机械专业，对于机电一体化、控制、制造等方面的知识较为熟悉，与课题的基础知识和技术要求相适应。另外，现有国内外的研究状况，也为我们提供了一定的技术指导和启发。如：上海交通大学彭栋博士的“混合动力汽车制动能量回收与ABS集成控制研究”武汉理工大学于翔鹏博士的“混合电动汽车制动系统的控制技术研究”华中科技大学何海博士的“混合动力汽车控制系统设计与仿真”等前人所做的工作对我们开展研究提供了巨大的帮助，减少了重复的科研工作，提高了我们的研究基础，使得我们可以集中经历针对项目最有价值的研究点进行研究。最后，学校和学院的实验设备也为我们进行科学研究和实验提供了良好的平台和硬件基础。四、项目预期研究成果和效果主要阶段性成果1.熟悉液压制动控制系统和能量回收式制动系统的工作原理和技术要求，并将相关文献整理成“文献综述”一份；2.针对实际情况，为反映和表达车辆制动系统的本质关系，建立以下几个数学模型：制动控制系统动力学模型液压控制系统模型电机及其控制系统模型电池及其控制系统模型最终研究成果1.关于混合动力汽车电、液混合制动控制系统研究和技术的文献综述报告一篇；2.对于模糊控制的理论和技术的综述报告一篇；3.建立混合制动控制系统的数学模型和仿真分析，并形成论文；4.在以上研究的基础上提出制动系统综合制动控制器的开发，并提出自己的设计方案5.进行控制器的实物制作和相关程序编码，并进行实验，发现问题并提出优化方案；6.将项目的实物成果申请专利；7.联系相关企业和厂家，以技术入股，实现产学研的有机结合五、经费预算明细序号用途金额1调研、材料搜集、差旅费0.1万2实验零部件材料0.25万3版面、专利费0.15万合计0.5万六、指导教师意见签名：年 月 日七、项目负责人所在单位推荐意见单位负责人（签名）：单 位（盖章）：年 月 日八、学校评审专家组意见 专家组长（签名）：年 月 日九、学校学生创新创业指导中心审核意见单位负责人（签名）：单位（盖章）年 月 日十、学校意见 校领导（签章）：年 月 日