汽车工程（增刊）２００３年１０月（ＳＡＥ－Ｃ２００３Ｔ３０２）汽车防抱制动系统控制策略研究一死中动态特性宋健李永清华大学汽车安全与节能国家重点实验室ｆ摘要Ｊ汽车防抱制动系统（简称ＡＢＳ）是主要的汽车主动安全性装置，是汽车制动电子技术的主要载体。ＡＢｓ控制策略是ＡＢＳ的关键技术。掌握ＡＢｓ控制策略的理论和实验方法，对于自主开发ＡＢｓ和掌握主动安全性设计有着重大的意义。本文基于制动器耗散功率的ＡＢｓ控制理论，对制动器的％一Ｐ（制动力矩、压力）动态特性进行了系统的研究，得出系统控制结论，探索出制动力矩与油压的动态特性。关键词：制动器力矩压力迟滞环路Ｄｙｎ锄ｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ一Ｓｔｕｄｙｏｎｏｆ万－尸Ｃｏｎ仃ｏｌＴｈｅｏ巧ｏｆＡｎｔｉ－ｌｏｃｋＢｒ呔ｉｎｇＳｙｓｔｅｍＳＯｎｇＪｉａｎ，ＬｉＹＯｎｇ＆口招Ｋ秒三口６Ｄ删Ｄ秒Ｑ似跏ｍｏｆ＾馏蛳彳ｎｄ点钯劬西以咖蛔洳如Ｐ憎砂【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａｎｔｉ－ｌｏｃｋＢｒａｌ（ｉｎｇＳｙｓｔｅｍ（ＡＢＳ），ｗｈｉｃｈｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａＩｌｔｄｅＶｉｃｅｔｏｉｍｐｒｏＶｅｍｅａｃｔｉＶｅｓａｆｅ够ｏｆｃｏｒｅｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｉｓｍｅｂ舔ｉｓｏｆⅡ１ｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｂｒａｌ（ｉｎｇｅｌｅｃ仃０ｎｉｃｔｅｃｌｌＩｌｏｌｏｇｙ．ＴｌｌｅｏｆＡＢＳｔｅｃｌｌｌｌｏｌｏｇｙｉｓＡＢＳｃｏＩｌｔｒｏｌｉｎｍｅｔｌｌｏｄａ１１ｄｍｅｃｏｍｍａＩｌｄｏｆｔｌｌｅｄｅｓｉｇｎａｌｌｄｍａｔｃｈｉｎｇｔｌｌｅｃｏｎ仃ｏｌｍｅｔｌｌｏｄｉｓｍｕｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｄｅＶｅｌｏｐｉｌｌｇＢａｓｅｄｏｎｏｕｒｏｗｎＡＢＳａＩｌｄｉｎｄｏｉｎｇ缸恤ｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｌｌｅｔｌｌｅｏ巧锄ｄｔｅｃｌｌＩｌｏｌｏｇ）ｒｏｆ也ｅＶｅｈｉｃｌｅａｃｔｉＶｅｓａｆ．ｅｔｙ．ａｓＡＢＳｃｏｎ仃０１ｔｌｌｅｏ巧ｗｈｉｃｈｔａｌ（ｅｓｍｅｍａ）【ｉｍｕｍｏｆ廿１ｅｄｅｃａｙｐｏｗｅｒｏｆｂｒａｌ（ｅａＩｌｉｔｓｏｂｊｅｃｔ，廿１ｅｐ印ｅｒａｃｃｏｒｄｉｌｌｇｌｙｃｏｎｄｕｃｔＳｉＩｌ－ｄｅｐｔｌｌｓｔｕｄｙｏｆｔｌｌｅｄｙｎ锄ｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ砀一Ｐｏｆｂｒａｌ（ｅｓ，ｔｌｌｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｄｍ、＾ｒ１１ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎａｌｃｕｎ，ｅｏｆ％ａＪｌｄｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｒａｋｅｍＯｍｅｎｔｐ瑚ｓｕ阳ｓｌｕｇｇｉｓｈｒｉｎｇ１前言制动过程中的方向稳定性和转向能力，已经成为人们关注的焦点。研究显示，在道路交通事故中，大约１０％的事故是由于车辆在制动偏离预定轨道或甩尾造成的。因此完善制动性能是减少交通事故的重要措施。目前在提高制动性能的各种技术中，最有效并且得到广泛应用的是防抱制动系统（ＡｎｔｉｌｏｃｋＢｒａｋｅＳｙｓｔｅｍ），简称ＡＢＳ。由于安装ＡＢＳ能显著改善汽车的主动安全性，国外早在１９３０年就开始了ＡＢＳ的研究。１９８０年以后，ＡＢＳ在技术上得到很大发展，许多汽车零部件公司纷纷开始生产ＡＢＳ产品。汽车新车的ＡＢＳ装车率在美国已超过９８％以上。尤其是对重型车、大客车，欧洲和美国在法规的要求下其装车率已达１００％。在发展过程中，ＡＢＳ体积逐步减小，重量逐步减轻，控制和诊断功能不断增强。液压ＡＢＳ…系统已将控制器与控制阀体集成为一体，可作为一个附加系统添加到常规的制动系统中去。控制器已普遍采用３２位单片机作为ＣＰＵ，同时采用通用的诊断协议接口。ＡＢＳ系统呈现集成化、低价格、大批量的发展方向。万方数据 ２００３年１０月（ＳＡＥ－Ｃ２００３Ｔ３０２）汽车工程（增刊）近年来，一方面随着我国对汽车工业的大规模投资及国内汽车工业与国外汽车工业的合资，汽车工业得到迅速的发展，产量大幅度增加，另～方面，虽然公路建设得到各级的重视，总里程数也在迅速增加，但总的趋势是车流及车辆密度不断增加，道路交通事故也随之增加。为了有效地减少交通事故，装用防抱制动系统是极为有效的手段之一，这已为国外的大量经验所证明犯卅。目前ＡＢＳ研究正成为国内汽车界的热门课题，各大汽车集团、汽车研究所及高等院校都开始进行积极的研究工作。２制动器耗散功率法目前，汽车工程技术中已有的ＡＢＳ产品几乎毫无例外地采用逻辑门限值卜５Ｊ控制方法。ＡＢＳ整车控制模型如图１所示。此方法具有控制简单，计算量小，便于实现的优点。但是，由于其缺乏足够可靠的理论指导，属于半经验型的控制方法【６】，需要进行大量的实验来匹配参数（消耗大量的时间与资金），而且通用性较差。对于这些问题，科学家们根据古典的和现代的控制理论提出了一些新颖的控制方法。例如：ＰＩＤ＋自适应调节；滑移模态变结构控制及模糊控制等。但是它们往往存在所需计算量过大，需要测量系统状态量乃至其高阶导数的缺陷，难以实际应用。根据汽车制动过程的物理本质，我们提出了一种以制动器耗散功率最大为目标的ＡＢＳ控制方法。耗散功率法中对路面的识别，基本借鉴了逻辑门限值控制的方法，同时加入了一些新的判断。因为耗散功率法的一个主要信号是压力，而根据控制逻辑进行首次升压时所达到的最大压力值，是与路面的最大附着系数相对应的。因此对于不同的路况压力达到的最大值有很大区别。利用首次升压的最大值进行路面判断。路面判断后，后续的控制过程压力门限也可以根据此最大值进行比例设定，从而适应不同路面。在实际应用中，还需要对压力信号进行滤波处理，避免因为干扰信号产生错误的判断。耗散功率法有其自身的特点，在某些方面克服了逻辑门限值控制方法中的缺点，比如增加了压力信号，可以不依赖于车轮角减速度的判断，减少了误操作的可能性。但是由于该方法还处于研究阶段，因此在实际应用中还有一些问题需要解决。耗散功率法的实现，还需要大量的道路实验和仿真计算，才能做到稳定可靠地发挥其功用。图１ＡＢＳ整车控制模型３３．１制动器实验台架设备制动力矩制动器的基本目的就是耗散能量，常用方法是使之转化为热量，而且同时必须保证可控性和稳定性，就是说，不出现突然抱死和衰退。制动力矩计算：Ｍ＝，．・Ｆ＝ｒ．ｍ．ｇ・ｓｉｎａ式中膨－＿一力矩设计值；（１卜前效车轮半径；Ｐ一实际受力；ｇ一重力加速度万方数据 附一车轮所承受的质量；１００汽车工程（增刊）２００３年１０月（ＳＡＥ－Ｃ２００３Ｔ３０２）口——路面倾斜角。输入计算参数：Ｍ＝Ｊ。。『Ｔ０式中。厶Ｍ旷—＿试件所承受的转动惯量；（２）卜前效车轮半径。当输入倾斜角设计值后，系统会按下式计算：Ｍ２９－ｓｉｎａ－Ｊ式中，ｓ∞ｍｓｅｆｒｗ（３）ｓｉｎａ＝【Ｇ／（Ｇ２＋１）】ｏ一．（ｋ／～）Ｇ——斜率。３．２惯性制动器实验台的数字控制３．２．１惯性式制动器实验台惯性式制动器实验台是对汽车制动器及其它零部件进行测试和研究。其主要结构部分：ａ．实验工作站；ｂ．飞轮装置；ｃ．直流电动机驱动单元。实验工作站用来装配汽车制动器进行测试。它主要用来装夹鼓式制动器支承板和盘式制动器钳体。力矩的测试是通过水平装配的压力传感器，测出试件和实验台所产生的力矩。飞轮装置是用来模拟汽车转动惯量，从而模拟汽车的道路驾驶情况，它的传动轴上连有一个用来装夹制动盘或制动鼓的法兰，并且还有飞轮片的离合装置。飞轮装置在加速或减速作用的过程中，会产生加速度或制动力矩，设置飞轮模拟质量要依据该类型汽车的有关参数计算出被试制动器所承受的惯量来确定。制动器实验制动模型如图２所示，受力简图如图３所示。图２制动器实验制动模型简图图３制动模型受力简图转动惯量由下式校准Ｉ，：三ｙ．Ｍｒ２（４）式中．严一转动惯量（ｋｇｍ２）；三矽，＿一相关试样所分配到的比例负载；历——汽车质量（ｋｇ）；控制系统主要组成部分：飞轮装置、晶闸管直流电动机和实验制动器。直流电动机的转子质量已经当作额外的飞轮装置考虑。所有非线性系统消耗或延迟的时间将被累加到一个输入模型。并且根据下面的补偿方式可予忽略，从而达到最优化控制（如图４所示）。ｒ一动态车轮半径。万方数据 ２００３年１０月（ＳＡＥ—Ｃ２００３Ｔ３０２）汽车工程（增刊）１０１图４控制系统激励器模型图中，Ｉａ＝直流电动机电枢电流；Ｍａ＝直流电动机转矩；％＝制动器的制动力矩；Ｍｒ实验台摩擦力矩；∞】｝＝实际角速度。力矩：Ｍｓ２朋口一Ｍｂ—Ｍｒ对角速度进行积分求出转速：Ｍ口一Ｍｂ—Ｍｒ—Ｊｆ・ｄａｇｄｔ＝０（６）（７）（８）（５）ｄｏ＝№。一Ｍ６一Ｍ，）／Ｊｉ】．ｄｔ∞：ｆ№。一Ｍ６一Ｍ，）／Ｊｆ】．ｄｔ＂：［６０／２］，ｘ．ｆｍ。一Ｍ６一Ｍ，）／ＪＪｄｔ（９）式中％一转动轴上的计算总力矩（Ｎｍ）；必广—一直流电动机力矩（Ｎｍ）；坛——实验制动器制动力矩（Ｎｍ）；；。卜转动惯量（ｋｇｍ２）；∞——角速度（ｒａｄ／ｓ）：瞄－一实验台摩擦力矩（Ｎｍ）；矿一每分钟转数；卜时间（ｓ）。基础数据实验准备。在获得大量实验数据的基础上，运用曲线拟合和优化技术，建立了制动压力．力矩关系的动力学模型。最后，在相同或不同压力输入的基础上，把模型的理论计算结果与实验结果进行了比较，分析所建模型的有效性和精确性，为ＡＢＳ研究做ＳＣＨＥＮＣＫ（Ｐ、Ⅵ卜℃～一７５—２００）惯性式制动器测功机如图５所示。此自动实验系统适用于轿车或轻型车制动器总成的动态功能测试，以测功机作为手段，根据有关国际或国内的制动器性能要求，进行实车状态模拟，对制动器的总成进行全方位的功能测试。其柔性控制技术和传感技术均属国际先进水平。（１）实验机特点：１）实验机工作效率高，属全自动测试系统；２）测量精度高，且温度和扭矩测量采用遥感技术；３）可进行无级惯量电模拟，最精确地模拟实车行车状态；４）应用了基于ＷｉｎＮＴ操作系统的Ｘ．ＯＮＥ实验平台，其Ｘ．ｂｒａｋｅ软件可进行柔性实验过程控制；５）配备手动遥控盒，便于现场进行手动控制实验；６）可进行行车状态的冷却风模拟；７）具有多种制动方式：可恒速拖磨、减速制动、全停制动；８）具有多种控制模式：可恒压力控制、可恒减速度、恒力矩控制和进行上升（Ｒａｍｐ）实验或使各控制量按特定控制方程的变化规律进行控制等多种控制方式，以满足国内外各种实验标准的需要。图５制动器实验台万方数据 万方数据 映反了，性特态动的器动制了虑考，中究研些一。少较比还究研的性特态动器动制对，止为今迄。性特态动ｐ％种一了立建，法方究研的有已考参，象４．对究研为首先检查压缩空气供给是否正常，确保压不少于６此，关总的）柜电统系（ｌＥ＋上合，后之ｒａｂ后启动Ｘ．Ｂｒａｋｅ操作。应用—Ｏｎｅ（１１）选择实验程序表，进行必要的２）输入试样３）定义测量、４）定义实验极限数据范围，用于通过测量柜上的ＤＲＢｌ６６控制器，选择液压系统控（２动制成门仓验实开打可时此。载装样试行进后然，”器的安装，测量和放气等准备工作，并用手动控制盒进行低速运转，检查关开“为择选式模作工的上把先首关有和验实把：即载装序程动手或序程动自行进，参数等数据库传到ＶＭＥ过程控制计算机），启动直”开“择选式模作工把，门仓验实好关３）按下绿色“启动”按扭，开始实验，实验过程中可进行在线监控和４）程序运行结束，保存数据，关掉直（３１）从数据库中选择实验２）进行数据格式转变，然后进入处理系统，进行）示图见（线曲果结验实具出）３ｔ助ｐｒｇｒａｍｍａｎａｇｅｒ可调出如下啦茕粕压＊４：实测盘式制动器砖压№Ｂ：为盘式制动器实验机一阶模拟模型珞万方数据 汽车工程（增刊）２００３年１０月（ＳＡＥ—Ｃ２００３Ｔ３０２）４．３实验中的迟滞问题系统的迟滞对ＡＢＳ控制的影响是很大的，系统迟滞的存在使控制逻辑变得复杂。对迟滞特性的处理是ＡＢＳ控制软件匹配的一个关键环节。ＡＢＳ系统的迟滞指的是ＡＢＳ从采集轮速信号到实现制动力矩的调整之间的时间差。主要包括以下一些具体的环节：（１）轮速、轮加减速度的计算的滞后。（２）电磁阀的动作的滞后。（３１制动液体压力的传递的滞后。实验的制动压力循环通过软件调节频率较高，达到７．８Ｈｚ左右，盘式制动器殇中响应呈现出严重的非线性与滞环，本文所建系统能反映此特性，不论在曲线的形状还是在变化趋势方面；鼓式制动器在制动循环频率较高时，％中关系没有出现非线性迟滞，系统误差很小。当初始升压速率很高时，制动力矩的滞后很大，这是由制动器元器件的惯性、弹性以及克服初始制动间隙等原因造成的。对滞后时间常数变化规律的研究，使所建系统能够很好地模拟这一过程。５结论在增减压过程中，实验中只能实现起始升降，不能实现阶梯升降，针对ＡＢＳ的工作过程，后续采用模糊插值算法【７】来模拟这一过程。对防抱制动系统％－Ｐ动态特性的研究，根据制动器耗散功率的理论特性，未来我们提出以下理论方法分别进行研究：①模糊推理动态鲁棒性控制理论；②可控基因遗传算法；⑨ＢＰ神经网络法：④庞加莱映射摄动法；⑤当量控制法【８】；⑥梯度渐进法【９】ｏ鉴于以上分析，需特别提出的是，在ＡＢＳ控制理论计算方法中，将制动器的耗散功率作为车轮制动过程的特征值，作为ＡＢＳ执行机构的本质控制参数。参考文献１Ｓａｌｍａｎ．ＲｏｂｕｓｔＳｅｒｖｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒＢｒａｋｅＦｏｒｃｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＡＭＳＥ，１１２（４），１９９０：４４２～４４７２３４ＭａｒｋＡｋｅｙ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＡＢＳＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＣｏｍｍｅｒｃｉａｌＴｒｕｃｋｓ［Ｊ】．ＳＡＥｐａｐｅｒ，Ｎｏ．９５２６７３ＪｅｆｆｅｒｙＲＥｄｇｅＣＡｎｔｏｎＬａｙｎｅ．ＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓａｎｄＱｕａｎｔｉｚｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌｏｆａｎＡＢＳＢｒａｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＳＡＥｐａｐｅｒ，Ｎｏ．９４０８３０ＢｒａｋｅＳｙｓｔｅｍＵｓｉｎｇＰｏｉｎｃａｒｅＣｏｎｃｅｐｔ叨．Ｉｎｔ．Ｊ．Ｖｅｈｉｃｌｅｄｅｓｉｇｎ，１３（２），１９９２：２１０～３２Ｙｅｈ，ｅｔ．ａ１．ＡＰａｒａｍｅｔｒｉｃＳｔｕｄｙｏｆＡｎｔｉ・ｓｋｉｄ５Ｔｈ．ＶａｎＺａｎｔｅｎ，ＲａｎｔｅｎＥｒｈａｒｄｔｅｔｃ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＤｅｖｅｌｏｐ－ｍｅｍｏｆｔｈｅＢｏｓｃｈ—ＶＤＣ［Ｊ］，ＳＡＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，１９９６，１０５（６７）．６～ｌ１６７宋健，李永．汽车防抱死制动系统控制方法的研究进展【Ｊ】．公路交通科技，２００２，１９（６）：１４０～１４５李永，宋健，张志民．梯度功能力学（清华大学学术专著）【Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００３李永，宋健，张志民．梯度功能材料结构的广义当量反对称弯曲理论【Ｊ】．中国科学，Ｅ辑，２００２，３２（４）：４３３～４４１８９李永，宋健，张志民．非均质梯度功能材料复合结构的Ｋａｎｔｏｒｏｖｉｃｈ宏细观精化解法【Ｊ】．中国科学，Ｅ辑，２００３，３３（１）：２９～４１万方数据
