寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)文獻綜述課題題目 : ABS 汽車制動系統(tǒng)設(shè)計 所在學(xué)院: 宋體四號加粗 班 級: 姓 名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 合作導(dǎo)師: 日期: 2013 年 11 月 15 日汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)摘要:本文簡要介紹了汽車防抱死制動系統(tǒng)(Anti-lock Braking System,簡稱ABS)的控制原理,對目前汽車防抱死制動系統(tǒng)所采用的控制技術(shù)進行了綜述,并對其發(fā)展趨勢進行了預(yù)測。 關(guān)鍵詞:汽車;防抱死制動系統(tǒng);控制技術(shù)1.概述 隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和高速公路的不斷修建,汽車的行駛安全性越來越為人們重視。為了全面滿足制動過程中汽車對制動的要求,使制動器制動力分配更趨合理。汽車防抱死制動系統(tǒng)(簡稱 ABS)已越來越多地應(yīng)用在汽車上。 “ABS”中文譯為“防鎖死剎車系統(tǒng)”.它是一種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點的汽車安全控制系統(tǒng)。ABS 是常規(guī)剎車裝置基礎(chǔ)上的改進型技術(shù),可分機械式和電子式兩種?,F(xiàn)代汽車上大量安裝防抱死制動系統(tǒng),ABS 既有普通制動系統(tǒng)的制動功能,又能防止車輪鎖死,使汽車在制動狀態(tài)下仍能轉(zhuǎn)向,保證汽車的制動方向穩(wěn)定性,防止產(chǎn)生側(cè)滑和跑偏,是目前汽車上最先進、制動效果最佳的制動裝置。 普通制動系統(tǒng)在濕滑路面上制動,或在緊急制動的時候,車輪容易因制動力超過輪胎與地面的摩擦力而安全抱死。 汽車防抱死制動系統(tǒng)是指汽車在制動過程中能實時判定車輪的滑動率,自動調(diào)節(jié)作用在車輪上的制動力矩,防止車輪抱死。從而獲得最佳制動效能的電子裝置。它能把車輪的滑動率控制在一定的范圍之內(nèi),充分地利用輪胎與路面之間的附著力,有效地縮短制動距離,顯著地提高車輛制動時的可操縱性和穩(wěn)定性,從而避免了車輪抱死時易出現(xiàn)的各種交通事故。 隨著制動強度的增加,車輪滾動成分越來越少,而滑動成分越來越多,一般用滑動率 S 來說明制動過程中滑動成分的多少?;瑒勇试酱?,滑動成分越少。 其中: u——車輪中心的速度; r——沒有地面制動力時的車輪滾動半徑; w——車輪的角速度。 縱向和側(cè)向附著系數(shù)可表達為車輪滑動率的函數(shù)(如圖 1) 。最大縱向附著系數(shù)所對應(yīng)的滑動率稱為臨界穩(wěn)定點 SK。根據(jù)控制理論把滑動率小于 SK 的區(qū)域稱為穩(wěn)定制動區(qū),SK 以后的為非穩(wěn)定制動區(qū)。ABS 正是利用道路與輪胎之間的關(guān)系,強制性地把車輪滑動率控制在臨界穩(wěn)定點 SK 附近,使路面附著性能得到最充分的發(fā)揮,從而達到最佳的制動效果。 圖 1 附著系數(shù)-滑動率曲線目前所采用的 ABS 主要由輪速傳感器,電子控制單元,壓力控制閥和線束、管路等附件組成。ABS 的開發(fā)主要是研究設(shè)計優(yōu)化運算和控制程序軟件,實現(xiàn)實時精確制動調(diào)節(jié)的技術(shù),同時提高硬件的水平。 2.目前 ABS 所采用的控制技術(shù) ABS 的控制效果很大程度上取決于系統(tǒng)所采用的控制技術(shù)[4]。目前所采用的主要是邏輯門限值控制技術(shù)。為進一步提高 ABS 的性能,還提出了一些基于滑動率的控制技術(shù),如 PID 控制,滑動模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制,模糊控制等。每種控制均以不同的控制規(guī)律逼近期望的點。 2.1 PID 控制定義期望滑動率 S0 與實際滑動率 S 之差為控制誤差 e=S-S0,則 PID 的控制規(guī)律可表示為: 因此,ABS 控制器的設(shè)計最后就歸結(jié)為,根據(jù) ABS 動態(tài)系統(tǒng),確定出一組最佳的參數(shù)Kp、Ki 和 Kd,使車輪的滑動率以最快的方式逼近設(shè)定目標 S0。 2.2 滑動模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制由汽車防抱死制動的基本原理可知,其制動過程的本質(zhì)問題是把車輪的滑動率控制在附著系數(shù)的峰值點 Sk,則滑動模態(tài)變結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時的狀態(tài)、偏差及其導(dǎo)數(shù)值,在不同的控制區(qū)域,以理想開關(guān)的方式切換控制量的大小和符號,以保證系統(tǒng)在滑動區(qū)域很小的范圍內(nèi),狀態(tài)軌跡(S,×S)沿滑動換節(jié)曲線滑向控制目標(Sk,0) 。 通常取制動力矩為控制變量 U,切換條件為: 其中 Mb- 、Mb+分別代表由調(diào)節(jié)系統(tǒng)所決定的制動力矩減少、增加兩種不同的狀態(tài)。 為切換函數(shù),e=S-Sk 為實際滑動率相對目標點的偏差。 2.3 模糊控制對于以滑動率為控制對象的防抱死制動系統(tǒng),其輸入量取期望滑動率與車輪實際滑動率的偏差 E 以及偏差的變化率 EC,輸出量為制動管路油壓。采用帶修正因子的模糊控制器,把用模糊推理算法形成的控制表概括為一個解析式: U =α × E + (1-α)EC 其中 α 為修正因子,α 值的大小直接反映了對偏差及偏差變化率的加權(quán)程度。通過調(diào)整修正因子 α,就可以改變控制規(guī)則。當(dāng) α 較大時,表明對偏差的加權(quán)大,階躍響應(yīng)快,控制能量主要用于減少偏差,但易出現(xiàn)超調(diào);當(dāng) α 較小時,控制目的是減少超調(diào),但響應(yīng)過程較慢。通常采用帶兩個 α 值的修正因子表達式就可滿足性能要求,即: 其中,修正因子 α1 、α2∈(0,1)且 α1α2 ,控制系統(tǒng)在判斷 E 值的大小之后,選擇控制規(guī)則表達式。 2.4 邏輯門限值控制 此方法預(yù)先對若干個控制參數(shù)設(shè)定一些控制極限(門限)值,制動時,根據(jù)計算的實時參數(shù)值與對應(yīng)門限值的大小關(guān)系,來判定車輪的運動狀態(tài),從而控制調(diào)節(jié)制動壓力,以獲取足夠大的制動強度和良好的方向穩(wěn)定性。常作為 ABS 控制參數(shù)的有:車輪滑移率 S,車輪轉(zhuǎn)動的角加(減)速度 ω 及其變化率.ω 等三種描述車輪運動情況或動力學(xué)狀態(tài)的參數(shù)。由于僅用一個控制參數(shù)難于保證 ABS 在各種行駛條件下都具有良好的性能,因此,目前邏輯門限值控制方法通常將車輪轉(zhuǎn)動的角加(減)速度作為主要控制參數(shù),而將車輪的滑動率 S 作為輔助控制參數(shù)。其中滑動率是從各輪速信號按一定邏輯確定汽車的參考速度后,計算出的參考滑動率,與實際滑動率存在著差異。2.5 雙參數(shù)控制 雙參數(shù)控制的 ABS ,由車速傳感器 ( 測速雷達 ) 、輪速傳感器、控制裝置 ( 電腦 ) 和執(zhí)行機構(gòu)組成。 其工作原理是車速傳感器和輪速傳感器,分別將車速和輪速信號輸入電腦,由電腦計算出實際滑移率,并與理想滑移率 15 %一 20 %作比較,再通過電磁閥增減制動器的制動力。 這種曳速傳感器常用多普勒測速雷達。當(dāng)汽車行駛時,多普勒雷達天線以一定頻率不斷向地面發(fā)射電磁波,同時又接收反射回來的電磁波,測量汽車雷達發(fā)射與接收的差值,便可以準確計算出汽車車速。而輪速傳感器裝在變速器外殼,由變速器輸出軸驅(qū)動,它是一個脈沖電機,所產(chǎn)生的頻率與輪速成正比。 執(zhí)行機構(gòu)由電磁閥及繼電器等組成。電磁閥調(diào)整制動力,以便保持理想的滑移率。 這種 ABS 可保證滑移率的理想控制,防抱制動性能好,但由于增加了一個測速雷達,因此結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,成本也較高。2.6 單參數(shù)控制 它以控制車輪的角減速度為對象,控制車輪的制動力,實現(xiàn)防抱死制動,其結(jié)構(gòu)主要由輪速傳感器、控制器 ( 電腦 ) 及電磁閥組成。 為了準確無誤地測量輪速,傳感頭與車輪齒圈間應(yīng)留有 1mm 間隙。為避免水、泥、灰塵對傳感器的影響,安裝前應(yīng)將傳感器加注黃油。電磁閥用于車輪制動器的壓力調(diào)節(jié)。對于四通道制動系統(tǒng),一個車輪圈有一個電磁閥;三通道制動系統(tǒng),每個前輪擁有一個,兩個后輪共用一個。電磁閥有三個液壓孔,分別與制動主缸與車輪制動分缸相連,并能實現(xiàn)壓力升高、壓力保持、壓力降低的調(diào)壓功能。工作原理如下:1) 升壓 在電磁閥不工作時,制動主缸接口和各制動分缸接口直通。由于主彈簧強度大,使進油閥開啟,制動器壓力增加。 2) 壓力保持 當(dāng)車輪的制動分缸中的壓力增長到一定值時,進油閥切斷關(guān)閉。支架就保持在中間狀態(tài),三個孔間相互密封,保持制動壓力。 3) 降壓 當(dāng)電磁閥工作時,支架克服兩個彈簧的彈力,打開卸荷肉使制動分缸壓力降低。壓力一旦降低,電磁閥就轉(zhuǎn)換到壓力保持狀態(tài),或升壓的準備狀態(tài)。 控制裝置 ECU 的主要任務(wù)是把各車輪的傳感器傳回來的信號進行計算、分析、放大和判別,再由輸出級將指令信號輸出到電磁閥,去執(zhí)行制動壓力調(diào)節(jié)任務(wù)。電子控制裝置,由四大部分組成,輸入級 A 、控制器 B 、輸出級 C ,穩(wěn)壓與保護裝置 D 。 電子控制器以 4 一 101tz 的頻率驅(qū)動電磁閥,這是駕駛員無法做到的。 這種單參數(shù)控制方式的 ABS ,由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低,故目前使用較廣。 在美國克萊斯勒型高級轎車中大多配備了這種單參數(shù)控制方式的 ABS 。它在轎車的四個輪上都裝有輪速傳感器。 在車輪軸上安裝有 45 齒或 100 齒的齒圈,輪速傳感器的傳感頭裝在齒圈的頂上。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時,使傳感器不斷產(chǎn)生電壓信號,并輸入電腦,與 RoM 中理想速度比較,算出車輪的增速或減速,向電磁閥發(fā)出升壓或卸壓的指令,以控制制動分缸制動力。3. ABS 使用中注意的問題 1) 更換制動器或更換液壓制動系部件后,應(yīng)排凈制動管路中的空氣,以免影響制動系統(tǒng)的正常工作。 2) 裝有 ABS 的汽車,每年應(yīng)更換一次制動液。否則,制動液吸濕性很強,含水后不僅會降低沸點,產(chǎn)生腐蝕,而且還會造成制動效能衰退。 3) 檢查 ABS 防抱死制動系統(tǒng)前應(yīng)先拔去電源。4. 發(fā)展趨勢 采用邏輯門限值控制算法,可避免一系列繁雜的理論分析和對一些不確定因素的定量計量。簡化了控制器的設(shè)計,而且因僅需測定車輪的角速度,便于實現(xiàn),所以裝車成本低。該算法現(xiàn)已趨近成熟,為當(dāng)前汽車 ABS 系統(tǒng)所普遍采用,但它并非最佳的控制算法。由于不同路況下各種門限值及保壓時間都是經(jīng)過反復(fù)試驗得出的經(jīng)驗數(shù)值,沒有十分明確的理論依據(jù),故 ABS 開發(fā)的周期長,且控制品質(zhì)難以保證。 基于滑動率的控制算法容易實現(xiàn)連續(xù)控制,且有十分明確的理論加以指導(dǎo),但目前制約其發(fā)展的瓶頸主要是實現(xiàn)的成本問題,根據(jù)我們的研究認為,今后 ABS 控制算法的發(fā)展方向?qū)⒃谝韵聨追矫妗?(1) 針對當(dāng)前廣泛采用的邏輯門限值控制算法所存在的缺點,研究能跟蹤路面特性變化,使 ABS 各項性能指標始終處于最佳狀態(tài)的控制算法。其中預(yù)測控制技術(shù)值得重視。由于在制動過程中,輪胎與路面間的摩擦特性導(dǎo)致防抱死制動系統(tǒng)具有非常明顯的非線性、時變性和不確定性。因而難于建立其精確的數(shù)學(xué)模型,而預(yù)測控制具有預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正的基本特性,可根據(jù)某一優(yōu)化指標設(shè)計控制系統(tǒng),確定一個控制量的時間序列,使未來一段時間內(nèi)被調(diào)量與經(jīng)過柔化后的期望軌跡之間的誤差為最小。由于該算法采用的是不斷在線滾動優(yōu)化,且在優(yōu)化過程中不斷通過實測系統(tǒng)輸出與預(yù)測模型輸出的誤差來進行反饋校正,所以能在一定程度上克服由于預(yù)測模型誤差和某些不確定性干擾等的影響,使系統(tǒng)的魯棒性得到增強。 (2) 隨著體積更小,價格更便宜,可靠性更高的車速傳感器的出現(xiàn),ABS 系統(tǒng)中增加車速傳感器成為可能,確定車輪滑動率將變得準確而快速。其中非接觸式的車速傳感器(如光電式、多譜勒儀等)今后最有可能應(yīng)用于汽車 ABS 系統(tǒng)中。此時基于滑動率的控制算法就可被重視。其中模糊控制將以其不依賴對象的數(shù)學(xué)模型,便于利用人的經(jīng)驗知識,魯棒性好,簡單實用等特點而會被廣泛采用。(3) 由單一的 ABS 控制目標轉(zhuǎn)向多目標的綜合控制[10],其中已出現(xiàn)的牽引力控制系統(tǒng)(TCS)不僅能夠在制動過程中防止車輪發(fā)生抱死,而且能夠在驅(qū)動過程中(特別是在起步、加速、轉(zhuǎn)彎等過程中)防止驅(qū)動輪發(fā)生滑轉(zhuǎn),使汽車在驅(qū)動過程中的方向穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向操縱能力和加速性能等也都得到提高。未來汽車電子控制系統(tǒng)將朝著從多電子控制單元(ECU)的分散的獨立控制向單一 ECU 的整車控制,以網(wǎng)絡(luò)的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和綜合控制的方向發(fā)展;或者向動態(tài)遞階控制方向發(fā)展,即各分散控制系統(tǒng)的 ECU 不僅是各自獨立地構(gòu)造自己的動態(tài)補償器,而且要再統(tǒng)一地建立一個高層的動態(tài)協(xié)調(diào)器來幫助確定各 ECU 的控制策略,以增強各 ECU 的控制能力,解決分散控制系統(tǒng)存在不穩(wěn)定模時不能用動態(tài)分散控制鎮(zhèn)定的問題[11],使整車綜合性能得到保證。 5. 總結(jié) 汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)能提高汽車在低附著系數(shù)或變附著系數(shù)路面條件下的制動性能。目前 ABS 的控制技術(shù)主要采用邏輯門限值控制方法,但隨著車速傳感器技術(shù)的發(fā)展,基于車輪滑動率的各種控制算法將被廣泛的重視和采用。另外。未來汽車電子控制技術(shù)與裝置將以網(wǎng)絡(luò)的方式實現(xiàn)資源共享和綜合控制,并朝著多目標綜合控制,以提高系統(tǒng)性能成本比的方向發(fā)展。 參考文獻1 余志生. 汽車理論(修訂版). 北京:機械工業(yè)出版社,1993 2 李朝祿. 汽車制動防抱裝置(ABS)構(gòu)造與原理. 劉榮華譯. 北京:機械工業(yè)出版社,1995 3 柯愈治,謝懷喧等. 汽車防抱制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理與檢修. 北京:人民交通出版社,1998 4 潘旭峰. 現(xiàn)代汽車電子技術(shù). 北京:北京理工大學(xué)出版社,1998 5 周云山,于秀敏. 汽車電控系統(tǒng)理論與設(shè)計. 北京:北京理工大學(xué)出版社,1999 6 張洪欣. 汽車系統(tǒng)動力學(xué). 上海:同濟大學(xué)出版社,1996 7 Gerorge F.maner,Gerard F.Gissinger,etc. Fuzzy Logic Continues and Quantizing Control of an ABS Braking system. 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