854611253汽车防抱死制动系统的建模与仿真（含开题报告 中英文翻译）

分类号 编 号 毕 业 论 文题目 汽车防抱制动系统的建模与仿真 模糊控制在ABS中的应用学 院 机械学院专 业 机械设计制造及其自动化毕 业 设 计 任 务 书 设计题目：汽车防抱制动系统的建模与仿真专 业：机械设计制造及其自动化班级学号： 姓 名: 院、系： 机 械 学 院 2010年 2 月 26 日一、毕业设计的目的毕业设计是本科教育中培养学生的重要的实践性教学环节，也是最后一个教学环节。其目的：1. 培养学生综合运用基础理论知识、专业知识和技能，解决工程实际问题的能力；2. 培养学生运用机械设计手册、图册、国家标准规范和规程的能力；3. 培养学生学会机械设计的思想、方法和步骤，掌握计算方法、掌握计算机绘图及编写工程设计文件等基本技能；4. 提高学生分析问题、解决问题和独立工作的能力。二、主要设计内容1. 专业外文资料翻译；2. 毕业实习，实习报告；3. 开题报告；4. 汽车防抱制动系统的建模与仿真。三、重点研究问题1. 汽车防抱制动系统的车辆仿真模型的建立；2. 采用的控制方法模型的建立；四、主要技术指标和主要设计参数1收集资料确定一个自己的设计参数，在查阅资料后确定下来。2控制方法根据所查找文献自己确定。五、设计成果要求1. 开题报告1份(要求3 000字左右、查阅文献10篇以上、文献综述引用5篇以上，样表从教务处表格下载中下载)；2. 实习报告1份；3. 专业外文资料翻译1篇 (不少于2 000汉字)；4. 毕业设计（论文）1份 (设计说明书应在10000字以上，论文应在6000字以上，包括封面、任务书、开题报告、中英文摘要、目录、正文、参考文献、附录)；5. 设计图纸一套（不少于A0图2张）；6. 所有内容电子文档一套；7. 毕业论文成果材料清单一份。华北水利水电学院本科生毕业设计开题报告 2010 年 03 月 30日学生姓名学号专业机械设计制造及其自动化题目名称汽车防抱死制动系统的建模与仿真课题来源自 选主要内容一本课题设计的目的与意义本课题为汽车防抱制动系统的建模与仿真，要求我们收集资料自己确定一个设计参数，并查阅相关文献选择一种ABS的控制方法。而后分别对系统和所选控制器进行建模，并用软件MATLAB/Simulink对其进行仿真分析，以验证所选控制方法的可行性。本设计选题有以下目的和意义：1.培养我们综合运用基础理论知识、专业知识和技能解决工程问题的能力；2.培养我们检索查阅相关资料和文献，合理引用其先进理论和方法，并将它们转化为自己的知识储备的能力，为我们以后的进一步发展打下坚实的理论基础；3.培养我们对一般的机械系统分析建模，并熟练运用相关软件对其进行仿真分析的能力；4.培养我们编写工程设计文件的基本技能；5.培养我们学习新知识、接受新事物、发现问题、分析问题，并能解决问题的能力；6.培养我们独立工作的能力。二汽车防抱死制动系统的概述及其发展趋势随着汽车工业、公路建设的迅猛发展，汽车安全性的提高越来越受到各个国家的重视。目前，作为汽车制动安全技术重要体现的汽车防抱死制动系统（ABS）已经安装在各类中高级轿车和载重汽车上。ABS是一种在制动时能自动调节制动管路压力，使车轮不致抱死，从而避免前轮失去转向能力或后轮侧滑，以提高汽车行驶稳定性、操纵稳定性和制动安全性，并最大限度地利用地面附着力的制动调节系统。ABS发展至今，其产品结构已趋于成熟。目前，国内外的研究机构主要把精力放在如何提高ABS各方面的性能指标上。预计今后的ABS产品将会往以下几个方面发展：1.ABS控制方法的优化：一是扩大控制范围，增加控制功能；二是采用现代控制理论，实施伺服控制和高精度控制。目前，ABS产品广泛采用的是以加、减速度和滑移率为控制参数的门限值控制算法，其缺点是控制逻辑比较复杂，调试困难，缺乏理论依据，开发周期长，互换性不佳，需要大量实车匹配试验等2.减小体积和质量，提高集成度以降低成本，简化安装工作。ABS作为附加的安全装置，会增加整车重量并占据安装空间，对燃油经济性不利。减小ABS体积的主要途径就是优化结构设计，提高集成度。3.ABS和ASR（驱动防滑转系统）一体化。ABS的功能是当汽车制动时防止车轮抱死，ASR的功能是当汽车驱动时防止车轮过分滑转；ABS是为了缓解过分的制动，ASR则是对滑转的车轮施加一定程度的制动。两者都是通过控制车轮的滑移率，使汽车获得较大的纵向力和侧向力，且都能在低附着路面上充分体现它们的作用，所以可以将二者有机地结合起来。4.汽车动态控制系统（VDC）的出现。将ABS/ASR与电子全控式或半控式悬挂、电子控制四轮转向、电子控制液压转向、电子控制自动变速器等行驶系统和动力传动系统在结构和功能上有机地结合起来，可以保证汽车行驶的方向稳定性和动态稳定性。三ABS的基本构成及工作原理ABS通常由车轮轮速传感器、制动压力调节装置、电子控制装置和ABS警示灯等组成。在不同的ABS系统中，制动压力调节装置的结构形式和工作原理往往不同，电子控制装置的内部结构和控制逻辑也可能不尽相同。1. 车轮轮速传感器轮速传感器可以测出车轮上与驱动轴共同旋转的齿圈数，然后产生与车轮轮速成正比的交流信号，从而测量出车轮的转速。目前，用于ABS系统的轮速传感器主要有磁电式传感器和霍尔式传感器两种。磁电式传感器是利用电磁感应原理，将物体的转动速度转换成感应电动势来测量车轮速度的。因此，在电控防抱死制动系统中使用的多数为磁电式轮速传感器。2.制动压力调节装置制动压力调节器是汽车制动系统中电子控制单元的执行器，其作用是根据电子控制装置ECU的指令，控制压力调节器中电磁阀的动作，适时地调节制动系统管路中的液压或气压，实现控制车轮制动器中压力的增减或保持，达到调节制动力矩的目的。制动压力调节器主要有真空式、液压式、机械式、气压式和空气液压加力式等几种形式。3.电子控制装置电子控制单元是整个ABS系统中的控制中枢，它接收车轮轮速传感器送来的信号，计算出车轮制动时车轮的转速、车速、滑移率及车轮加减速度等值，并对其进行比较、分析和判断。然后，向制动压力调节装置发出控制指令，使其产生最合适的制动压力，控制车轮的转速，将滑移率保持在最佳值附近，从而防止车轮抱死。 四本课题相关软件的介绍建立了车辆各个部分的数学模型之后，利用这些数学模型之间的相互联系，在给出初始条件的情况下对其进行数值求解，就可以得到汽车在不同时刻的运动参数。一般的数值求解可以利用专门用于数值计算的软件，本课题使用的是美国Math Works公司出品的用于科学计算的MATLAB软件，以及它所提供的在MATLAB环境下运行的仿真系统工具包Simulink。作为一种图形化界面的仿真建模软件，基于MATLAB语言环境的Simulink软件用户界面友好，操作方便，是目前工程界常用的仿真工具。Simulink可以将数学模型通过图形化的方式直观的表达出来，并通过其内部的数值求解器进行求解，在仿真中使用Simulink是十分方便的。Simulink免去了程序代码编程带来的低效与繁琐，既可用于动力学模拟也适用于控制系统的设计。各种功能模块化，可以直接用鼠标拖放模块，建立信号连接进行建模。它是以模块进行建模，控制系统和控制对象可以分别进行建模，每个子模块的参数可以单独修改，不影响其它模块的运行，从而给系统的扩展带来了方便。由于被控对象的模块化、标准化，采用不同的控制模块可以对比不同控制方式的优劣，从中选择最佳的控制算法。目前，Simulink软件由于其自身的众多优点，已经被汽车行业作为系统建模和控制仿真的首选之一。五本课题相关控制方法的介绍本课题采用的是基于模糊控制的ABS算法。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。其基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。模糊控制器获得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点： 1.模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受和理解，设计简单，便于应用。2.由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态性不易掌握或变化性非常显著的对象非常适用。3.基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异。但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。4.模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。5.模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。采取的主要技术路线或方法1.查阅相关文献和资料，确定防抱制动系统的总体结构和主要术参数。2.根据所查的参考文献，建立系统的车体模型、轮胎模型和制动系统模型。 3.仔细阅读和分析相关文献和资料后，选择一种合适的控制方法，并建立一种可行的控制器模型。本文所选的是基于滑移率的ABS控制算法和基于模糊控制理论的模糊控制器。4.用MATLAB/Simulink软件分别对不带ABS的系统和带自行设计的模糊控制器的系统进行制动仿真分析，根据对比结果验证ABS的必要性和安全性。然后，再分别对装有自行设计的模糊控制器的系统在不同附着系数的路面上进行制动仿真分析，验证ABS的可靠性和适用性。预期的成果及形式 1.在设计初期阶段进行认真调研，在查阅相关文献、充分理解课题内容和要求的基础上，写出3000字左右的开题报告。2.在设计初期进行毕业实习，实习时间为一周左右。实习结束后对实习过程进行总结，并提交不少于2000字的实习报告。3.不少于2000汉字的英文资料翻译。4.在毕业设计后期，提交毕业论文一本和设计图纸一套。5.所有内容电子文档一套，毕业论文成果材料清单一份。时间安排第1-2周，翻译英文资料，检索查阅与ABS相关的文献和资料。第3周，仔细阅读和分析相关文献和资料，撰写开题报告。第4周，去西安实习，结束后撰写实习报告。第5-6周，建立系统的车体、轮胎和制动系统的模型，熟悉控制方法并建立控制器的模型。第7-12周，熟悉MATLAB软件，并对系统从不同的角度进行仿真分析，得出正确的结论。第13周，编写设计说明书。第14周，修改设计说明书，并将其按顺序装订成册。第15周，充满信心地进行毕业答辩。指导教师意见 签名： 年 月 日备注 参考文献1. 陈家瑞，马天飞 汽车构造(第五版) 北京：人民交通出版社 20062. 余志生 汽车理论 北京： 机械工业出版社 20053. 周志立 汽车ABS原理与结构 北京： 机械工业出版社 20054. 姚俊 ，马松辉 Simulink建模与仿真【M】 西安： 西安电子科技大学出版社 20035. 黄巨成， 陈志鹏 MATLAB/Simulink在汽车防抱死系统仿真分析中的应用【M】 CAD/CAM与制造业信息化 2008，（10）6. 安永东， 杜嘉勇 ，罗萌 基于Simulink的汽车ABS建模与仿真 【J】 黑龙江工程学院学报（自然科学版） 2008，22（2）7. 王伟达， 丁能根， 徐向阳 ，杨磊 基于轮速和压力控制状态信息的ABS参考车速算法研究及其实验验证【M】 中国机械工程 2008，19（3） 8. 王继森 ，马瑾 ，寇长鹏， 何长安 四相控制方法在ABS中的仿真研究【M】 计算机仿真 2006，23（4） 9. 马瑾 ，王继森 ，何长安 一种新型ABS控制策略的仿真研究【J】 系统仿真学报 2004，16（7） 10. 王保华 ，陶建民 ABS模糊控制的研究【M】 汽车科技 2000，（2） 11. 周桂梅 ABS汽车制动防抱死系统应用与展望【M】 江苏科技信息 2009，（6）12. 解龙 ，陈家琪 ABS四轮车辆的Matlab/Simulink建模与仿真【J】 上海理工大学学报 2004，26（2） 13. 陈杰平， 李勤华 基于模糊控制理论的ABS仿真研究【M】 机械设计与制造 2008，（6） 14. 尹安东 ，刘闪闪 ，严耀双 基于路面识别的汽车ABS模糊控制仿真【M】 机电工程 2009，26（1）15. 林怡青， 彭美春 车辆ABS系统的计算机仿真研究【M】 机电工程技术 2007，36（3） 16. 宋昱 车辆防抱死系统控制策略研究与仿真【D】（1-34） 北京工业大学 2007 17. 吴兴敏 汽车防抱死制动系统的控制算法及仿研究【D】 长安大学 2007 18. 蔺玉辉 ABS模拟仿真与模糊控制设计【D】 东北大学 2005 摘 要汽车防抱死系统(ABS)是一种在制动时能够自动调节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最佳制动效果的制动系统。它是目前提高汽车制动安全性能最为有效且得到广泛应用的先进技术，己经成为现代汽车制动系统的关键部件。我国的ABS研究起步较晚，拥有自主知识产权的ABS产品很少。因此，研究ABS技术对我国汽车产业的发展具有现实意义，它目前已成为我国汽车界的重要课题。本文首先在阅读了大量文献的基础上，介绍了ABS的基本原理、组成和发展趋势等。而后，建立了相应的车辆模型，包括单轮车辆模型、双线性轮胎模型和液压制动系统模型，并在Matlab中对模型进行了仿真实现。接着，根据模糊理论建立了一种简单的模糊控制器，并将其应用在车辆的仿真系统中。仿真结果表明，该模糊控制器应用于汽车ABS系统取得良好的控制效果，且算法简单、具有实际应用价值。关键词：ABS；车辆模型；模糊控制；仿真。ABSTRACTAnti-lock braking system(ABS)is a kind of device which can regulate the wheels braking force automatically, prevent the wheels from locking and acquire the best effect during breakingAt present , ABS is the advanced technology which is used widely and can improve the safety capability of automobile most effectively, and has become the key part of modern automobileIn our country, the start of ABS research is late comparatively, and we lack the knowledge property right of ABS products. Hence, the research of ABS technology has practical significance to the development of Chinese automobile industry, and currently has become the important topic of Chinese automobile field.Firstly, the basic principle，structure and development of the ABS are introduced in this paper based on reading a lot of literatureSecondly, automotive models ,including a single-wheel vehicle model，a double-linear tire model and a hydraulical braking system model, are established and simulated in MatlabThen, a simple fuzzy controller is established based on the fuzzy theory, and applied to the automotive simulated models. Simulation indicates that the fuzzy controller enhances braking performances of ABSequipped vehicles, and with simple algorithm, and it has practical application value KEY WORDS: ABS; automotive models; fuzzy control; simulation.目 录第1章 绪 论11.1 汽车防抱制动系统（ABS）概述11.1.1 引言11.1.2 ABS的理论基础11.1.3 ABS的基本构成及工作原理312 ABS的发展趋势4第2章 车辆模型的建立52.1车辆动力学模型52.2 轮胎模型62.3 制动系统模型82.3.1 传动机构模型82.3.2 制动器模型824 车辆模型的Simulink实现92.4.1 Simulink简介92.4.2 Simulink下的车辆模型9第3章 基于滑移率的ABS控制策略的研究与仿真1131 引言1132 基于模糊控制的ABS算法113.2.1 模糊控制简介113.2.2 ABS模糊控制器的设计1233 ABS控制算法的仿真及分析183.3.1 ABS控制性能的评价标准183.3.2 ABS控制算法的仿真实现18参考文献28致 谢30英语原文31英语翻译38 第1章 绪 论1.1 汽车防抱制动系统（ABS）概述1.1.1 引言随着汽车工业、公路建设的迅猛发展，汽车安全性能的提高越来越受到各个国家的重视。目前，作为汽车主动安全技术的重要体现的车辆制动防抱死系统(ABS)已经普遍安装在各类中高级轿车和载重车上。ABS是一种在制动时能自动调节制动管路压力，使车轮不致抱死，从而避免汽车后轮侧滑和前轮失去转向能力，以提高汽车行驶稳定性、操纵稳定性和制动安全性，并最大限度地利用地面附着力的制动调节系统。在ABS研究方面，国外ABS技术已经投入实用，我国在这方面起步较晚，因此加快ABS技术的研究，开发具有自主知识产权的ABS系统对于提高国产汽车的安全性和增加我国汽车业的国际竞争力具有重要的战略意义。1.1.2 ABS的理论基础在制动过程中，汽车是利用地面与轮胎之间产生的与车轮行进方向相反的摩擦力来减速的，这个摩擦力称为地面制动力。与地面制动力相关的摩擦系数称为制动附着系数或称纵向附着系数。纵向附着系数越大，则地面制动力越大，使汽车停止的制动距离越短。在轮胎和地面的接触面上还存在着另外一个摩擦力，它与地面制动力不同，是作用在车轮横向上的，称为侧滑摩擦力或侧向力。与侧滑摩擦力相关的摩擦系数称为侧向附着系数。一般来说，侧向力越大汽车的方向稳定性越好，操纵性越好；反之，侧向力很小或消失时，汽车就无法按照驾驶员的意图行驶。影响轮胎地面制动力和侧向力的主要因素是车轮在制动时的滑移状态，轮胎的滑移状态通常用滑移率来描述。滑移率的定义如下式： (1-1)其中，车辆前进速度（）; 车轮半径（）； 车轮角速度（）。 从上式可以看出，当车速等于轮速时滑移率为零。汽车制动时，两者差别越大，滑移率越大。如果车轮抱死，则轮速为零，滑移率将达到100。轮胎滑移率与地面制动力、侧向力之间的关系可以用曲线来描述，其中代表附着系数(如图11)。 图1-1 附着系数与滑移率S的关系曲线 在制动过程中，由于制动器制动力矩的影响，滑移率将产生变化。从上图可以看出，随着滑移率的不断增大，轮胎的纵向附着系数先增大后减小，而侧向附着系数则是不断减小。当滑移率时，车轮的纵向附着系数随滑移率的增大而增大；当时，对应的车轮纵向附着系数为最大，称为峰值附着系数，此时的车轮能产生最大的地面制动力，而此时侧向附着系数也较大。当滑移率越过这一点继续增大时，纵向附着系数反而会减小。而当滑移率为1时，侧向附着系数接近为0。这表明车轮抱死时，车辆将失去转向能力和稳定性。从制动性能上考虑，将轮胎的滑移率控制在无。这一点时，可以获得最短的制动距离；而从车辆的稳定性和转向性来考虑，滑移率的值越小，车辆的转向和稳定性就越好。综合这两方面的原因，将滑移率控制在Sc附近时，车辆可以获得最好的制动效果。我们把称为最佳滑移率。综合各种路面，最佳滑移率在10-30之间。为了达到最有效的制动控制效果，应将滑移率控制在这一范围，这正是ABS系统实现控制的最重要的理论基础。1.1.3 ABS的基本构成及工作原理ABS通常由车轮转速传感器、制动压力调节装置、电子控制装置和ABS警示灯等组成，在不同的ABS系统中，制动压力调节装置的结构形式和工作原理往往不同，电子控制装置的内部结构和控制逻辑也可能不尽相同。典型ABS的系统构成如图1-2所示。1.车轮转速传感器轮速传感器可以测出车轮与驱动轴共同旋转的齿圈数，然后产生与车轮转速成正比的交流信号，从而测量出车轮的转速。目前用于ABS系统的轮速传感主要有磁电式轮速传感器和霍尔式轮速传感器两种型。磁电式传感器是利用电磁感应原理，将物体转动速度转换成感应电势来测量车轮速度的。在电控防抱制动系统中使用的传感器，多数为磁电式轮速传感器。2制动压力调节装置制动压力调节器是汽车制动系统中电子控制单元的执行器。其作用是根据ECU的指令，控制压力调节器中电磁阀的动作，适时地调节制动系统管路中的液压或气压，实现控制车轮制动器中压力的增减和保持，达到调节制动力的目的。制动压力调节器主要有真空式、液压式、机械式、气压式和空气液压加力式等几种形式。3.电子控制装置ECU电子控制单元是整个ABS系统的控制中枢。它接收车轮轮速传感器送来的信号，计算出制动时车轮的转速、车速、滑移率以及车轮加减速度等值，并对其进行比较、分析和判断，然后向制动压力调节装置发出控制指令，使其产生最合适的制动压力，控制车轮的转速，将滑移率保持在最佳滑移率附近，从而防止车轮抱死。12 ABS的发展趋势ABS发展至今，其产品结构己趋于成熟。目前，国内外的研究机构主要把精力放在如何提高ABS各方面的性能指标上。预计今后ABS产品将会往以下凡方面发展：(1)ABS控制方法的优化：一是扩大控制范围、增加控制功能；二是采用现代控制理论，实旋伺服控制和高精度控制。目前ABS产品广泛采用的是以加、减速度和滑移率为控制参数的门限值控制算法，其缺点是控制逻辑比较复杂，调试困难，缺乏理论依据，开发周期长，互换性不佳，需要大量实车匹配试验等。(2)减小体积和质量，提高集成度以降低成本，并简化安装工作。ABS作为附加的安全装置，它会增加整车重量并占据安装空间，对燃油经济性不利。减少ABS体积的主要途径之一就是优化结构设计(如减小压力调节器)，二是提高集成度(3)ABS和ASR(防滑控制装置)一体化。ABS以防止车轮制动抱死为目的，ASR的功能是当汽车驱动时，防止车轮的过分滑转，ABS是为了缓解过分的制动，ASR则是对滑移车轮施加一定程度的制动。两者都是控制车轮的滑移率，获得较大的纵向力和侧向力，且都能在低附着路面上充分体现它们的作用，所以可以将二者有机地结合起来。 (4)汽车动态控制系统VDC(Vehicle Dynamics Contr01)。将ABSASR与电子全控式(或半控式)悬挂、电子控制四轮转向、电子控制液压转向、电子控制自动变速器等行驶系统和动力传动系统在功能、结构上有机地结合起来，可以保证汽车行驶的方向稳定性和良好的动态稳定性。41第2章 车辆模型的建立对车辆的制动过程进行动态研究，是分析车辆制动性能，指导ABS控制器设计的有效途径。本文根据实际问题研究的需要，将ABS的控制对象模型(车辆模型)分为3个单元，包括车辆动力学模型、轮胎模型以及制动器模型，分别对其进行研究,并借助Simulink仿真建模工具对模型进行了实现。2.1车辆动力学模型汽车车辆动力学模型可以采用牛顿力学建立各个刚体的运动学方程，由于应用的目的不同，各种模型的繁简程度也不相同。目前，经常采用的车辆模型主要有单轮车辆模型、双轮车辆模型以及四轮车辆模型。上述三种模型的仿真精度和计算复杂性对比如下表所示。 表2-1 车辆模型对比属性类型计算复杂性仿真精度单轮模型 小 较低双轮模型 较大较高四轮模型 大 高由于本课题研究的主要目的是对汽车防抱制动系统进行控制器的设计及制动性能的分析，故经过仔细对比分析，综合考虑车辆模型的计算复杂性和仿真精度，我们采用经典的单轮车辆模型。在建立车辆动力学模型时，我们对其做如下假设： 1. 汽车行驶在水平公路上，道路无起伏；2. 忽略空气阻力和滚动阻力的影响；3. 忽略汽车的俯仰、侧倾和垂向运动；4. 各个轮胎的机械特性相同；5. 不考虑载荷转移，汽车质量均匀地分布在每个车轮上。 图2-1 单轮车辆模型如上图所示，根据达朗贝尔原理，对模型中车体在行驶方向和车轮绕主轴方向两个自由度建立动力学方程，可得简化的车辆动力学方程。车辆运动方程： (2-1)车轮动力学方程： （2-2）车轮纵向摩擦力： (2-3)式中，M-车轮的承载质量（）;-车身速度(m/s); F-地面制动力（）;J-车轮转动惯量(）; -车轮角速度（）;R-车轮半径（）; -制动器制动力矩（）; -地面纵向附着系数；N-地面支反力（）。2.2 轮胎模型 轮胎模型是指制动过程中轮胎附着力和其它各种参数之间的函数关系式，通常用轮胎附着系数与各种参数的函数关系式来表示。而影响附着系数的因素很多，如前所述除滑移率外，道路的材料、路面的状况与轮胎的结构、胎面花纹、材料以及汽车运动速度等都是影响因素。但在实际应用中，很难得出上述多种变量对附着系数影响的关系式，而较为实际与合理的办法则是只考虑对附着系数影响较大的因素，建立附着系数的计算表达式。经典的轮胎模型有魔术公式轮胎模型、双线性模型、Dugoff轮胎模型和Burckhardt轮胎模型等，本文采取应用比较广泛的双线性模型。 图2-2 纵向附着系数 与滑移率的关系曲线 根据上图，推导出双线性轮胎模型的数学表达式为： (2-4)基于本课题的研究目的，我们采用双线性模型分别模拟三种典型路面的 曲线，并应用于汽车防抱制动系统的控制仿真模型中。参数如下表2-2所示。 表2-2 典型路面的实验参数典型路面 干混凝土路面0.20.90.75湿沥青路面0.20.780.5结冰路面0.10.10280.07根据表3-2的参数，我们分别建立了三种典型路面的双线性模型：干混凝土路面： (2-5)湿沥青路面： (2-6)结冰路面： (2-7) 2.3 制动系统模型制动系统包括传动机构和制动器两部分。因此，对制动系统的建模也应该包括传动机构建模和制动器建模两部分。2.3.1 传动机构模型传动机构包括气压和液压两种，本文采用液压机构。为简化系统，我们忽略电磁阀弹簧的非线性因素及压力传送的延迟，将液压传动系统简化为一个电磁阀环节 、一个典型一阶惯性环节的弹簧阻尼系统和一个积分环节 。又因为电磁阀的时间常数死远远小于弹簧阻尼系统的时问常数L所以本课题仿真时将电磁阀的环节忽略不计。因为电磁阀的响应时间一般小于或等于10 ms，故仿真时惯性环节的参数T取O01，同时K取100。综上所述，整个液压传动系统的简化模型传递函数为： （2-8）2.3.2 制动器模型制动器模型指制动器力矩与制动液压之间的关系模型。为了便于控制算法研究，我们在进行仿真时假设制动器为理想元件，认为其非线性特性较弱并忽略了其滞后带来的影响。因此，制动器方程为： （2-9）式中，-制动器制动力矩（）； -制动器制动因数（/）; -制动压力（）。 24 车辆模型的Simulink实现2.4.1 Simulink简介本章前几节中建立了车辆各个部分的数学模型，利用这些数学模型之间的相互联系，在给出初始条件的情况下，对其进行数值求解，就可以得到汽车在不同时刻的运动参数。一般的数值求解可以利用专门用于数值计算的软件。本文使用的是美国MathWorks公司出品的用于科学计算的Matlab软件以及它所提供的在Matlab环境下运行的仿真系统工具包Simulink。作为一种图形化界面的仿真建模软件，基于Matlab语言环境的Simulink软件用户界面友好，操作方便，是目前工程界常用的仿真工具。Simulink可以将数学模型通过图形化的方式直观的表达出来，并通过其内部的数值求解器进行求解，在仿真中使用Simulink是十分方便的。Simulink免去了程序代码编程带来的低效与繁琐，既可用于动力学模拟也适用于控制系统的设计，各种功能模块化，可以直接用鼠标拖放模块，建立信号连接，进行建模。它是以模块进行建模，控制系统和控制对象可以分别进行建模，每个子模块的参数可以单独修改，不影响其他模块的运行，从而给系统的扩展带来了方便。由于被控对象的模块化、标准化，采用不同控制模块可以对比不同控制方式的优劣，从中选择最佳的控制算法。目前，Simulink软件由于其自身的众多优点，己经被汽车行业作为系统建模和控制仿真的首选之一。2.4.2 Simulink下的车辆模型车辆模型包括单轮车体模型、双线性轮胎模型和液压制动系统模型，三种模型的仿真图分别如下页所示：图2-3 单轮车体模型图2-4 双线性轮胎模型图2-5 液压制动系统模第3章 基于滑移率的ABS控制策略的研究与仿真31 引言 ABS性能优劣的关键技术在于控制方法的选取和控制规律的设计上。传统的ABS控制策略大都采用加、减速度门限值控制，并附加一些辅助门限。这种控制方式不涉及具体系统的数学模型，对于非线性系统的控制非常有效，但由于门限值是通过反复不断的道路试验获得的，选择不同的门限值就会产生不同的控制逻辑，因此系统的控制逻辑比较复杂，稳定性差，同时也难以使车辆获得最佳的制动性能。科学技术的不断进步，尤其是传感器、微控制器领域的不断发展，为许多基于现代控制理论的ABS算法的实现奠定了基础。以滑移率为控制目标的控制算法是其中的一种，它的控制思想是：通过调整制动器压力，将车轮的滑移率控制在最佳滑移率附近，以获得较好的制动性能，同时保证车辆不丧失稳定性和转向能力。目前，应用比较广泛的控制方法有模糊控制、模糊PID控制、PID控制、滑膜变结构控制和自寻优控制等，本文采用比较简单有效的模糊控制。32 基于模糊控制的ABS算法3.2.1 模糊控制简介1.模糊控制的概念与特点模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Contro1)简称模糊控制(Fuzzy Contro1)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。模糊控制器获得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点：(1)模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。(2)由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。(3)基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。(4)模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。(5)模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。2模糊控制系统的基本组成模糊控制系统一般由四个部分组成：模糊控制器、输入输出接口装置、被控对象及执行机构和传感器等，如下图所： 图3-1 模糊控制系统的基本组成3.模糊控制器设计的基本方法模糊控制器是模糊控制系统中的关键一环，它的设计包括以下几项内容： (1)确定模糊控制器的输入变量与输出变量； (2)选择模糊控制器输入输出变量的基本论域，确定合适的模糊语言变量；(3)设计模糊语言变量的隶属度函数；(4)建立模糊控制规则；(5)选择模糊推理方法及清晰化方法.3.2.2 ABS模糊控制器的设计1.模糊控制器的输入变量和输出变量本文采用目前广泛使用的二维模糊控制器，选取滑移率误差E（E=Sc-S）和滑移率误差变化率EC为输入变量，制动压力变化率U为输出变量。2.输入输出变量的论域和模糊语言变量的设定将滑移率误差E及其变化率EC的论域均设为【-6，6】，并分别将它们分成均匀的七个模糊子集NB、NM、NS、ZR、PS、PM和PB，分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大；将制动压力变化率U的论域设为【-1，1】，并将其分成七个均匀的模糊子集QDEC、MDEC、SDEC、HOLD、SINC、MINC和QINC,分别代表快速减压、中速减压、慢速减压、保压、慢速增压、中速增压和快速增压。3.模糊语言变量的隶属度函数的设计根据实际经验和反复仿真试验调整，三个模糊语言变量的隶属度函数如下三图所示。图3-2 滑移率误差E的隶属函数图3-3 滑移率误差变化率EC的隶属函数图3-4 制动压力变化率U的隶属函数4.模糊控制器的控制规则设计模糊控制规则是模糊控制器的一个重要组成部分，它用语言的方式描述了控制器输入量和输出量之间的关系，即它们之间的模糊关系。ABS模糊控制规则的设计原则：当滑移率的误差较大时，控制量的变化应尽量使误差迅速减小；当滑移率误差较小时，控制量的变化除了要消除误差之外，还要考虑误差变化率的大小，以保证系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调；当滑移率误差为负时，制动压力过大，系统处于不稳定状态，车轮将很快抱死，控制量的变化以消除误差为主：当滑移率误差为正或零时，系统处于稳定状态，控制量的变化以保持系统稳定、防止超调为主。形成的控制规则见表3-1。表3-1 模糊控制规则表EcUENBNM NS ZR PS PM PBNBQDECQDECQDECQDECQDECMDECMDECNMQDECQDECQDECMDECMDECSDECSDECNSQDECMDECMDECSDECHOLDHOLDHOLDZRSDECSDECSDECHOLDSINCSINCSINCPSHOLDSINCSINCMINCQINCQINCQINCPMSINCQINCQINCQINCQINCQINCQINCPBQINCQINCQINCQINCQINCQINCQINC上表对应的模糊规则如下图所示：图3-6 模糊控制规则下图为模糊规则曲面，它以坐标的形式直观的再现了控制规则前件和后件的关系。从图中我们可以看出模糊控制规则呈现非线性特征。E或EC接近0时，曲面变化较大；E或EC远离0时，曲面变化较小。这一特征与建立模糊控制规则的思想相符，即误差接近0时，对应的规则多些，保证精细控制；误差远离0时，对应的规则少些，以保证控制的灵敏度。图3-7 模糊规则曲面5模糊推理及清晰化方法的选择模糊规则确定后，要选择模糊推理方法。常用的模糊推理方法有Mamdani极大极小法，Larscn乘积运算法。前者在模糊控制系统中最常见，其合成方法直接采用极大极小运算，计算比较简单；后者可以获得线性推理结果，隶属函数可取正、负值，实现外差推理。本文采用的模糊推理方法为Mamdani极大极小法。模糊推理得到的结果都是模糊值，不能直接应用于被控对象，需要先转化成一个执行机构可以执行的精确量。此过程一般称为清晰化过程，它可以看作从模糊空间到清晰空间的一种映射。目前在模糊控制系统中应用比较广泛的清晰化方法是重心法。本文也采用这种推理方法。33 ABS控制算法的仿真及分析3.3.1 ABS控制性能的评价标准 由于本文主要研究的是ABS对汽车制动性能的改善，故其评价标准可在参考相关资料的基础上进一步简化为：1 车轮在任何路面上制动时不能抱死；2 在保证车辆稳定性的前提下，尽可能的减小其制动距离。3.3.2 ABS控制算法的仿真实现 本节参照上述评价标准，在Matlab/Simulink环境下对所设计的ABS模糊控制器进行多种工况下的仿真。表3-2 仿真车辆参数汽车质量车轮半径车轮转动惯量制动器制动因数重力加速度15000.3m4.5219.8m/其中不带模糊控制器和带模糊控制器的系统仿真模型分别如下所示：图3-8 不带模糊控制器的系统仿真模型图3-9 带模糊控制器的系统仿真模型 下面我们采取两种制动工况，分别对系统进行制动仿真分析。制动工况1：汽车制动初速度为30m/s,高附着系数路面（干混凝土路面，Sc=0.2, =0.9）。表3-3 制动工况1下的仿真数据制动工况1制动时间制动距离车轮抱死时刻不带模糊控制器4.75s80.77m第1.5s带模糊控制器3.72s60.59m无(1) 车体(实线)和车轮(虚线)速度曲线(2) 车轮滑移率曲线(3) 制动距离曲线（80.77m） 图3-10 不带模糊控制器的系统仿真曲线 （1）车体(实线)和车轮(虚线)速度曲线（2）车轮滑移率曲线(3) 制动距离曲线（60.59m）图3-11 带模糊控制器的系统仿真曲线在制动工况1下，对装有模糊控制器的车辆和未装模糊控制器的车辆的制动效果进行了仿真对比(如图3-10，3-11，表3-3)。从仿真结果中可以看出：在整个制动过程中，ABS控制器能够很好的发挥防抱死的作用，并且使滑移率维持在最佳滑移率O2左右，保证轮胎能够获得最大的地面制动力，从而获得最短的制动距离。与未装ABS的车辆相比，制动距离缩短了20多米。制动工况2：汽车制动初速度为20m/s,中附着系数（湿沥青路面，Sc=0.2,=0.78)和低附着系数路面（结冰路面，Sc=0.1, =0.1028）。表3-4 制动工况2下的仿真数据制动工况2制动时间制动距离车轮抱死时刻中附着系数路面2.88s31.83m无低附着系数路面20.62s208.2m无(1) 车体(实线)和车轮(虚线)速度曲线(2) 车轮滑移率曲线(3) 制动距离曲线（31.83m）图3-12 系统在中附着系数路面上的仿真曲线 (1) 车体(实线)和车轮(虚线)速度曲线（2）车轮滑移率曲线（3）制动距离曲线（208.2m）图3-13 系统在低附着系数路面上的仿真曲线在制动工况2下，对装有模糊控制器的车辆在中附着系数和低附着系数路面上进行了制动仿真。从仿真结果(图3-12，3-13,表3-4)中可以看出，基于滑移率的控制算法能够很好的适应不同的路面状况(无抱死状况)；同时，算法能够识别对应路面的最佳滑移率，使轮胎能够充分利用路面的最大附着系数，从而使车辆获得最佳的制动性能。依照ABS的评价标准，上述仿真分别从不同角度对算法进行了评价，可以总结出：(1)基于滑移率的ABS控制算法能够很好的适应不同的制动工况，车轮没有发生抱死，这体现了模糊控制很好的鲁棒性；(2)算法能够很快的跟踪到最佳控制目标，整个控制过程相对比较平稳，没有出现较大波动，体现了基于滑移率的控制方法相对于传统控制方法的优势；(3)对于不同的路面，算法都能使车辆在保证稳定的前提下充分利用路面的附着系数，使制动性能达到最佳，说明路面识别对控制效果起到了优化的作用。 结 束 语随着汽车工业的飞速发展和人们生活水平的不断提高，作为主动安全系统之一的汽车防抱制动系统(ABS)越来越受到汽车生产厂家和众多消费者的重视。在ABS的研究方面，我国起步较晚，尚未形成实用的具有自主知识产权的产品，因此加快ABS技术的研究，开发具有自主知识产权的ABS系统对于提高国产汽车的安全性和增加我国汽车工业的国际竞争力具有重要的战略意义。本文主要围绕ABS系统的控制策略及仿真手段展开研究，主要研究内容及结论如下：(1)使用MatlabSimulink建立了防抱死系统的控制对象模型，包括单轮车辆模型、双线性轮胎模型及液压制动系统模型。该模型能够很好的反映车辆在制动时的制动性能，为进一步研究ABS的控制算法打下了基础。(2)在深入分析ABS的控制理论以及前人研究成果之后，本文对基于滑移率的ABS控制算法进行了研究和仿真：根据模糊控制理论，建立了ABS模糊控制器以控制滑移率。在Matlab中通过多种工况的仿真分析，证明了该算法能够很好的适应不同路面，使车辆在制动过程中始终能保持较好的制动性能。 参考文献1. 陈家瑞，马天飞 汽车构造（第五版） 北京：人民交通出版社 20062. 周志立 汽车ABS原理与结构 北京：机械工业出版社 20053. 王保华，陶建民 ABS模糊控制的研究【M】 汽车科技 2000，（2）4. 陈杰平，李勤华 基于模糊控制理论的ABS仿真研究【M】 机械设计与制造 2008，（6）5. 黄巨成，陈志鹏 MATLAB/Simulink在汽车防抱死系统仿真分析中的应用【M】 CAD/CAM与制造业信息化 2008，（10）6. 周桂梅 ABS汽车制动防抱死系统应用于展望【M】 江苏科技信息 2009，（6）7. 解龙，陈家琪 ABS四轮车辆的Matlab/Simulink建模与仿真【J】 上海理工大学学报 2004,26（2）8. 王英杰，林怡青，彭美春 车辆ABS系统的计算机仿真研究【M】 机电工程技术 2007,36（3）9. 安永东，杜嘉勇，罗萌 基于Simulink的汽车ABS建模与仿真【J】 黑龙江工程学院学报 2008,22（2）10. 赵林辉，刘志远，陈虹 车速和路面附着系数的滚动时域估计【M】 汽车工程 2009,3