汽车防抱死制动系统控制技术
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[11]
− b
不同的状态。 控制变量 Mb 的选 S = e +C1e为切换函数 e = λ − λT ； 择应满足条件S × S <0。 2.4 PID 控制 PID 控制也叫比例积分微分控制， 它有多种形式， 诸 如自适应 PID 控制、 增量式 PID 控制及数字式 PID 控 制等。 但总的来说， 如果定义期望滑移率 S 0 与实际滑移 率 S 之差为控制误差 e =S 0 -S， 则 PID 的控制规律可表示为：
[5]
阶跃响应快， 控制能量主要用于减少偏差， 但易出现超 调； 当 α 较小时， 控制目的是减 少超调， 但响应 过 程 较慢。 通常采用带 2 个 α 值的修正因子表达式就可满足 性能要求， 即： ˄ᔧ Eˈ EC 䕗ᇣᯊ˅ α 1 E + (1 − α 1 ) EC U= ˄ᔧ Eˈ EC 䕗ᯊ˅ α 2 E + ( 1 - α 2 ) EC α2 ∈（0， α1<α2， 其中， 修正因子 α1， 1） ， 控制系统在 判断 E 值的大小之后， 选择相应的控制规则表达式， 以 得到快速稳定的控制系统。 2.3 滑模控制 [9] 由汽车防抱死制动的基本原理可知， 其制动过程的 本质问题是把车轮的滑动率控制在附着系数的峰值点， 则滑动模态变化结构根据系统当时的状态、 偏差及其导
2009(5)
Feature
FOCUS 技术聚焦
Auto Engineer
汽车防抱死制动系统 控制技术
潘开广 唐梦柔 （江西交通职业技术学院汽车工程系）
摘要： 汽车防抱死制动系统 （ABS） 可以控制汽车制动时的滑移程度， 防止车轮抱死拖滑， 提高汽车制动时的操纵稳定性。 文章介绍了 ABS 的基本功能和控制原理， 阐述了目前 ABS 所采用的控制技术及发展方向。 指出随着车速传感器技术的 发展， 基于车轮滑移率的各种控制算法将被广泛重视和采用； 将各种控制算法结合起来是 ABS 控制技术的一个重要发展 方向。 关键词： 汽车； 防抱死制动系统； 控制技术； 发展方向
α 值的大小直接反映了对偏差 其中 α 为修正因子， 移率的控制技术， 如模糊控制、 滑模控制及 PID 控制等， 及偏差变化率的加权程度。 通过调整修正因子 α， 就可 每种控制均以不同的控制规律逼近期望的点。 以改变控制规则。 当 α 较大时， 表明对偏差的加权大， 2.1 逻辑门限值控制 这种方法也是目前使用最多的方法， 国内外许多学 者对其做了一定的研究， 如 Yeh Edge C 等人研究了基于 二阶非线性系统的相平面分析法， 发展了一种分析防抱 制动特性的共轭边界分析法， 对 Guntur 等人提出的几 种 ABS 准则产生极限环的存在性进行了详尽的分析， 根 据简化的单轮车辆模型， 给出了一些确定门限值的计算 公式， 认为 P2R4’ (P2: − ω R4’ : ω < κ 4 ) 边界条 ω > κ 2， 件的组合是最佳的防抱逻辑 [3]。 文献 [4] 以相平面理论 和自行研制的实时硬件闭环模拟系统为工具 ， 对实际 防抱控制算法进行了相平面分析和实验验证， 提出了以 防抱两循环之间车轮速度恢复的最高点， 作为车体减速
S >0 M Mb = + S >0 S <0 M b M Mb = + − M ， S <0 S >0 M b 分别为由控制器、 其中 电磁阀及车轮制动 M b b= + M S 0 < 器组成的调节系统所决定的制动力矩减少和增加 2种 b
− b
ሷࠀ
᭤ሷࠀ
ጫՔ
φ ΟՔ
门限值的大小关系， 来判定车轮的运动状态， 进而控制 调节制动压力， 以获取足够大的制动强度和良好的方向 稳定性。 该方法中常作为 ABS 控制参数的有： 车轮滑移 . 率 S， 车轮转动的角加 （减） 速度 ω 及其变化率 ω 等 3 种
0
ν −ω r ν
1
ABS 的基本功能
ABS 的基本功能是可感知制动轮每一瞬时的运动
状态， 并根据其运动状态相应地调节制动器制动力矩的 大小以避免车轮出现抱死现象， 使车轮一直处于最佳的 制动状态， 最有效地利用地面附着力， 得到最佳的制动 距离和制动稳定性。
- 43 万方数据
Auto Engineer
技术聚焦 FOCUS
2009 年 5 月
技术看点
路面附着性能得到最充分的发挥， 从而达到最佳的制动 效果。
S
度计算点的参考滑移率计算方法对于防抱第 1 个循环设 计了压力阶梯上升策略， 在车轮达到较小减速度门限时 进行保压， 进入第 2 个减速度门限， 然后继续升压直至 达到规定的减速度门限， 这样保证第一循环的轮速波动 不至于过大。 另外， 还有学者也提出了 一些新的门限控制 逻辑算法 [6-7]， 适应不同车辆和条件的需要。 虽然这种方法有多种形式， 但是其基本原理都差不 多， 就是预先对若干个控制参数设定一些控制门限值， 制动时， ABS 电控单元根据所计算的实时参数值与对应
1） 随着体积更小、 价格更便宜及可靠性更高的车速 传感器的出现， ABS 系统中增加车速传感器成为可能， 确定车轮滑动率将变得准确而快速。 其中非接触式的车 速传感器 （如多普勒测速传感器） 今后最有可能应用于 汽车 ABS 系统中， 此时基于滑动率的控制算法就可被 重视。 其中模糊控制将以其不依赖对象的数学模型， 便 于利用人的经验知识， 鲁棒性好， 简单实用等特点而被 广泛采用。 2） 针对当前广泛采用的逻辑门限值控制算法所存 在的缺点， 研究能跟踪路面特性变化， 使 ABS 各项性能 指标始终处于最佳状态的控制算法。 其中基于路面附着 系数的控制算法和预测控制技术值得重视。 基于路面附 着系数的防抱死制动系统控制算法能够适应各种路面 变化， 控制滑移率在最佳滑移率附近， 使制动效果得到 改善， 是一种全新的算法， 还有此算法只需测量车轮转速， 不需要测量车身的速度， 也不需要做大量的试验来获得 门限值等控制参数， 因而具有很好的应用前景。 另外， 由 于在制动过程中， 轮胎与路面间的摩擦特性导致防抱死 制动系统具有非常明显的非线性、 时变性和不确定性， 因而难于建立其精确的数学模型。 而预测控制具有预测 模型、 滚动优化和反馈校正的基本特性， 可根据某一优 化指标设计控制系统， 确定一个控制量的时间序列， 使 未来一段时间内被调量与经过柔化后的期望轨迹之间的 误差为最小。 由于预测控制算法采用的是不断在线滚动 优化， 且优化过程中不断通过实测系统输出与预测模型 输出的误差来进行反馈校正， 所以能在一定程度上克服 由于预测模型误差和某些不确定性干扰等的影响， 使系 统的鲁棒性得到增强 [10]， 适用于控制比较复杂的机械 工业。 3） 由单一的 ABS 控制目标转向多目标的综合控 制
Control Technology of Automotive Anti-lock Braking System
Abstract: Anti-lock braking system (ABS) can control automotive slipping degree, avoid wheel locked and improve operation stability. The basic function and control principle of ABS is introduced in this paper. And the present control technology and development trend of ABS adopted is described. With the development of vehicle speed sensing technology, based on the varieties of control arithmetic of wheel slip rate widely used, combined all kinds of control arithmetic is an important direction of ABS control technology. Key words: Automobile; Anti-lock braking system; Control technology; Development trend
- 44 万方数据
第5期
Feature
FOCUS 技术聚焦
Auto Engineer
数值， 在不同的控制区域， 以理想开关的方式切换控制 量的大小和符号， 以保证系统在滑动区域很小的范围内， 状态轨迹沿滑动切换曲线滑向控制目标 0） 。 λ（ − λT ， 通常取制动力矩 Mb 为控制变量， 切换条件为：
20
40
图 1 附着系数与滑移率的关系
S
60
80
100
描述车轮运动情况或动力学状态的参数。 由于仅用一个控制参数难以保证 ABS 在各种行驶 条件下都具有良好的性能， 因此， 目前逻辑门限值控制 方法通常将车轮转动的角加 （减）速度作为主要控制 参数， 而将车轮的滑动率 S 作为辅助控制参数。 其中滑 动率是从各轮速信号按一定逻辑确定汽车的参考速度 后， 计算出的参考滑动率， 与实际滑动率存在着差异。 2.2 模糊控制 [8] 对于以滑动率为控制对象的防抱死制动系统， 其输 入量取期望滑动率与车轮实际滑动率的偏差 E 以及偏 差的变化率 EC， 输出量为制动管路油压。 采用带修正因 子的模糊控制器， 把用模糊推理算法形成的控制表概括 为一个解析式： U = α × E + (1-α) EC
目前所采用的 ABS 主要由轮速传感器、 电子控制 单元、 压力调节器和电子辅助件组成。 ABS 的关键技术 体现在 ABS 压力调节器设计及制造加工技术、 电控单 元的软硬件技术、 轮速传感器技术及路面识别技术 4 个 方面 ， 其中 ABS 电控单元软件控制技术是最主要的 关键技术。
[2]
2
目前 ABS 所采用的控制技术
ABS 的控制效果很大程度上取决于系统所采用的
Fra Baidu bibliotek
控制技术， 因此， ABS 的发展主要是控制技术的发展， 一方面扩大控制范围， 增加控制功能； 另一方面是采用 更好的控制方法。 目前， 使用中的 ABS 所采用的主要是 逻辑门限值控制技术。 随着车辆动力学和计算机技术的 发展， 为进一步提高 ABS 的性能， 还提出了一些基于滑
从汽车诞生时起， 车辆制动系统在车辆的安全方 面就扮演着至关重要的角色。 近年来， 随着汽车工业的 迅猛发展和高速公路的不断修建， 汽车的行驶安全性越 来越为人们重视。 为了全面满足制动过程中汽车对制动 的要求， 使制动器制动力分配更趋合理。 人们试图开发 一些新的安全装置安装到汽车上。 在这方面， 进过人们 不断地研究与开发， 集微电子技术、 精密加工技术及液 压控制技术为一体的汽车防抱死制动系统 （ABS， Antilock Braking System)， 由于其具有在汽车制动时制动控 制车轮的滑移程度， 防止车轮抱死拖滑， 大大提高汽车 制动时的操纵稳定性， 转向控制能力并缩小制动距离的 特性， 因此 ABS 已经成为许多国家汽车的标准设备。
在汽车制动过程中， 随着制动强度的增加， 车轮滚 动成分越来越少， 而滑动成分越来越多， 一用滑动率 S 来说明制动过程中滑移成分的多少滑动率越大， 滑动成 分越少 [1]， 滑动 （移） 率可以用下面的公式计算：
S=
ν ——车轮中心的速度； 式中： r ——没有地面制动力时的车轮滚动半径； ω——车轮的角速度。 滑移的程度与制动的距离、 制动时的方向可控性和 制动的平稳性密切相关。 其原因在于滑移率 S 与汽车和 地面间的纵向附着系统和侧向附着系数 φ 的关系呈一定 的非线性曲线关系， 如图 1 所示。 综合考虑纵向和侧向 附着系数， 最佳滑移率一般在 0.2 左右。 最大纵向附着 系数所对应的滑移率称为临界稳定点。 根据现代控制理 论把滑移率小于临界稳定点的区域称为稳定制动区， 其 余为非稳定制动区。 ABS 正是利用道路与轮胎之间的关 系， 强制性地把车轮滑动率控制在临界稳定点附近， 使
− b
不同的状态。 控制变量 Mb 的选 S = e +C1e为切换函数 e = λ − λT ； 择应满足条件S × S <0。 2.4 PID 控制 PID 控制也叫比例积分微分控制， 它有多种形式， 诸 如自适应 PID 控制、 增量式 PID 控制及数字式 PID 控 制等。 但总的来说， 如果定义期望滑移率 S 0 与实际滑移 率 S 之差为控制误差 e =S 0 -S， 则 PID 的控制规律可表示为：
[5]
阶跃响应快， 控制能量主要用于减少偏差， 但易出现超 调； 当 α 较小时， 控制目的是减 少超调， 但响应 过 程 较慢。 通常采用带 2 个 α 值的修正因子表达式就可满足 性能要求， 即： ˄ᔧ Eˈ EC 䕗ᇣᯊ˅ α 1 E + (1 − α 1 ) EC U= ˄ᔧ Eˈ EC 䕗ᯊ˅ α 2 E + ( 1 - α 2 ) EC α2 ∈（0， α1<α2， 其中， 修正因子 α1， 1） ， 控制系统在 判断 E 值的大小之后， 选择相应的控制规则表达式， 以 得到快速稳定的控制系统。 2.3 滑模控制 [9] 由汽车防抱死制动的基本原理可知， 其制动过程的 本质问题是把车轮的滑动率控制在附着系数的峰值点， 则滑动模态变化结构根据系统当时的状态、 偏差及其导
2009(5)
Feature
FOCUS 技术聚焦
Auto Engineer
汽车防抱死制动系统 控制技术
潘开广 唐梦柔 （江西交通职业技术学院汽车工程系）
摘要： 汽车防抱死制动系统 （ABS） 可以控制汽车制动时的滑移程度， 防止车轮抱死拖滑， 提高汽车制动时的操纵稳定性。 文章介绍了 ABS 的基本功能和控制原理， 阐述了目前 ABS 所采用的控制技术及发展方向。 指出随着车速传感器技术的 发展， 基于车轮滑移率的各种控制算法将被广泛重视和采用； 将各种控制算法结合起来是 ABS 控制技术的一个重要发展 方向。 关键词： 汽车； 防抱死制动系统； 控制技术； 发展方向
α 值的大小直接反映了对偏差 其中 α 为修正因子， 移率的控制技术， 如模糊控制、 滑模控制及 PID 控制等， 及偏差变化率的加权程度。 通过调整修正因子 α， 就可 每种控制均以不同的控制规律逼近期望的点。 以改变控制规则。 当 α 较大时， 表明对偏差的加权大， 2.1 逻辑门限值控制 这种方法也是目前使用最多的方法， 国内外许多学 者对其做了一定的研究， 如 Yeh Edge C 等人研究了基于 二阶非线性系统的相平面分析法， 发展了一种分析防抱 制动特性的共轭边界分析法， 对 Guntur 等人提出的几 种 ABS 准则产生极限环的存在性进行了详尽的分析， 根 据简化的单轮车辆模型， 给出了一些确定门限值的计算 公式， 认为 P2R4’ (P2: − ω R4’ : ω < κ 4 ) 边界条 ω > κ 2， 件的组合是最佳的防抱逻辑 [3]。 文献 [4] 以相平面理论 和自行研制的实时硬件闭环模拟系统为工具 ， 对实际 防抱控制算法进行了相平面分析和实验验证， 提出了以 防抱两循环之间车轮速度恢复的最高点， 作为车体减速
S >0 M Mb = + S >0 S <0 M b M Mb = + − M ， S <0 S >0 M b 分别为由控制器、 其中 电磁阀及车轮制动 M b b= + M S 0 < 器组成的调节系统所决定的制动力矩减少和增加 2种 b
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ጫՔ
φ ΟՔ
门限值的大小关系， 来判定车轮的运动状态， 进而控制 调节制动压力， 以获取足够大的制动强度和良好的方向 稳定性。 该方法中常作为 ABS 控制参数的有： 车轮滑移 . 率 S， 车轮转动的角加 （减） 速度 ω 及其变化率 ω 等 3 种
0
ν −ω r ν
1
ABS 的基本功能
ABS 的基本功能是可感知制动轮每一瞬时的运动
状态， 并根据其运动状态相应地调节制动器制动力矩的 大小以避免车轮出现抱死现象， 使车轮一直处于最佳的 制动状态， 最有效地利用地面附着力， 得到最佳的制动 距离和制动稳定性。
- 43 万方数据
Auto Engineer
技术聚焦 FOCUS
2009 年 5 月
技术看点
路面附着性能得到最充分的发挥， 从而达到最佳的制动 效果。
S
度计算点的参考滑移率计算方法对于防抱第 1 个循环设 计了压力阶梯上升策略， 在车轮达到较小减速度门限时 进行保压， 进入第 2 个减速度门限， 然后继续升压直至 达到规定的减速度门限， 这样保证第一循环的轮速波动 不至于过大。 另外， 还有学者也提出了 一些新的门限控制 逻辑算法 [6-7]， 适应不同车辆和条件的需要。 虽然这种方法有多种形式， 但是其基本原理都差不 多， 就是预先对若干个控制参数设定一些控制门限值， 制动时， ABS 电控单元根据所计算的实时参数值与对应
1） 随着体积更小、 价格更便宜及可靠性更高的车速 传感器的出现， ABS 系统中增加车速传感器成为可能， 确定车轮滑动率将变得准确而快速。 其中非接触式的车 速传感器 （如多普勒测速传感器） 今后最有可能应用于 汽车 ABS 系统中， 此时基于滑动率的控制算法就可被 重视。 其中模糊控制将以其不依赖对象的数学模型， 便 于利用人的经验知识， 鲁棒性好， 简单实用等特点而被 广泛采用。 2） 针对当前广泛采用的逻辑门限值控制算法所存 在的缺点， 研究能跟踪路面特性变化， 使 ABS 各项性能 指标始终处于最佳状态的控制算法。 其中基于路面附着 系数的控制算法和预测控制技术值得重视。 基于路面附 着系数的防抱死制动系统控制算法能够适应各种路面 变化， 控制滑移率在最佳滑移率附近， 使制动效果得到 改善， 是一种全新的算法， 还有此算法只需测量车轮转速， 不需要测量车身的速度， 也不需要做大量的试验来获得 门限值等控制参数， 因而具有很好的应用前景。 另外， 由 于在制动过程中， 轮胎与路面间的摩擦特性导致防抱死 制动系统具有非常明显的非线性、 时变性和不确定性， 因而难于建立其精确的数学模型。 而预测控制具有预测 模型、 滚动优化和反馈校正的基本特性， 可根据某一优 化指标设计控制系统， 确定一个控制量的时间序列， 使 未来一段时间内被调量与经过柔化后的期望轨迹之间的 误差为最小。 由于预测控制算法采用的是不断在线滚动 优化， 且优化过程中不断通过实测系统输出与预测模型 输出的误差来进行反馈校正， 所以能在一定程度上克服 由于预测模型误差和某些不确定性干扰等的影响， 使系 统的鲁棒性得到增强 [10]， 适用于控制比较复杂的机械 工业。 3） 由单一的 ABS 控制目标转向多目标的综合控 制
Control Technology of Automotive Anti-lock Braking System
Abstract: Anti-lock braking system (ABS) can control automotive slipping degree, avoid wheel locked and improve operation stability. The basic function and control principle of ABS is introduced in this paper. And the present control technology and development trend of ABS adopted is described. With the development of vehicle speed sensing technology, based on the varieties of control arithmetic of wheel slip rate widely used, combined all kinds of control arithmetic is an important direction of ABS control technology. Key words: Automobile; Anti-lock braking system; Control technology; Development trend
- 44 万方数据
第5期
Feature
FOCUS 技术聚焦
Auto Engineer
数值， 在不同的控制区域， 以理想开关的方式切换控制 量的大小和符号， 以保证系统在滑动区域很小的范围内， 状态轨迹沿滑动切换曲线滑向控制目标 0） 。 λ（ − λT ， 通常取制动力矩 Mb 为控制变量， 切换条件为：
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图 1 附着系数与滑移率的关系
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描述车轮运动情况或动力学状态的参数。 由于仅用一个控制参数难以保证 ABS 在各种行驶 条件下都具有良好的性能， 因此， 目前逻辑门限值控制 方法通常将车轮转动的角加 （减）速度作为主要控制 参数， 而将车轮的滑动率 S 作为辅助控制参数。 其中滑 动率是从各轮速信号按一定逻辑确定汽车的参考速度 后， 计算出的参考滑动率， 与实际滑动率存在着差异。 2.2 模糊控制 [8] 对于以滑动率为控制对象的防抱死制动系统， 其输 入量取期望滑动率与车轮实际滑动率的偏差 E 以及偏 差的变化率 EC， 输出量为制动管路油压。 采用带修正因 子的模糊控制器， 把用模糊推理算法形成的控制表概括 为一个解析式： U = α × E + (1-α) EC
目前所采用的 ABS 主要由轮速传感器、 电子控制 单元、 压力调节器和电子辅助件组成。 ABS 的关键技术 体现在 ABS 压力调节器设计及制造加工技术、 电控单 元的软硬件技术、 轮速传感器技术及路面识别技术 4 个 方面 ， 其中 ABS 电控单元软件控制技术是最主要的 关键技术。
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目前 ABS 所采用的控制技术
ABS 的控制效果很大程度上取决于系统所采用的
Fra Baidu bibliotek
控制技术， 因此， ABS 的发展主要是控制技术的发展， 一方面扩大控制范围， 增加控制功能； 另一方面是采用 更好的控制方法。 目前， 使用中的 ABS 所采用的主要是 逻辑门限值控制技术。 随着车辆动力学和计算机技术的 发展， 为进一步提高 ABS 的性能， 还提出了一些基于滑
从汽车诞生时起， 车辆制动系统在车辆的安全方 面就扮演着至关重要的角色。 近年来， 随着汽车工业的 迅猛发展和高速公路的不断修建， 汽车的行驶安全性越 来越为人们重视。 为了全面满足制动过程中汽车对制动 的要求， 使制动器制动力分配更趋合理。 人们试图开发 一些新的安全装置安装到汽车上。 在这方面， 进过人们 不断地研究与开发， 集微电子技术、 精密加工技术及液 压控制技术为一体的汽车防抱死制动系统 （ABS， Antilock Braking System)， 由于其具有在汽车制动时制动控 制车轮的滑移程度， 防止车轮抱死拖滑， 大大提高汽车 制动时的操纵稳定性， 转向控制能力并缩小制动距离的 特性， 因此 ABS 已经成为许多国家汽车的标准设备。
在汽车制动过程中， 随着制动强度的增加， 车轮滚 动成分越来越少， 而滑动成分越来越多， 一用滑动率 S 来说明制动过程中滑移成分的多少滑动率越大， 滑动成 分越少 [1]， 滑动 （移） 率可以用下面的公式计算：
S=
ν ——车轮中心的速度； 式中： r ——没有地面制动力时的车轮滚动半径； ω——车轮的角速度。 滑移的程度与制动的距离、 制动时的方向可控性和 制动的平稳性密切相关。 其原因在于滑移率 S 与汽车和 地面间的纵向附着系统和侧向附着系数 φ 的关系呈一定 的非线性曲线关系， 如图 1 所示。 综合考虑纵向和侧向 附着系数， 最佳滑移率一般在 0.2 左右。 最大纵向附着 系数所对应的滑移率称为临界稳定点。 根据现代控制理 论把滑移率小于临界稳定点的区域称为稳定制动区， 其 余为非稳定制动区。 ABS 正是利用道路与轮胎之间的关 系， 强制性地把车轮滑动率控制在临界稳定点附近， 使