汽车系统动力学-控制系统PPT

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dω ϕp −ϕs m gr ϕsmgr T − − 0 ω= dt 1−sp Iω 1− I I 0
解方程得
ϕp −ϕs mgr t 1−sp Iω0
(1−s ) Iω T ω= (ϕ −ϕ ) m g r
2 p 2 0 0 2 2 2 p s
ϕs (1−sp )ω T (1−sp )ω 0 0 − + 0 t +e 2 (ϕp −ϕs ) (ϕp −ϕs )mgr
& ω B =− ω H 0
T spω & =− 0 0 ω m ϕp gr
T 0 =B I
m ϕp gr Isp
=H
ω s =1− ω 0
B Bω sp = tp − 20 H H
Isp ω0 mgrϕp H tp = sp + = + B H T m ϕp gr 0
2)当 )
sp <s ≤1
(1−s)(ϕp −ϕs ) dω I = ϕs + gr 0 m −T t dt 1−sp
为了分析方便, 为了分析方便,假设 1)车轮抱死过程很快,忽略车速的降低。 )车轮抱死过程很快,忽略车速的降低。 2)车轮的载荷是一个常数,FZ=mg 。 )车轮的载荷是一个常数, 3)附着力滑移曲线可以用两直线段来近似,即 )附着力滑移曲线可以用两直线段来近似,
s ϕ 0 ≤ s ≤ sp ps p ϕb = (1−s)(ϕp −ϕs ) s+ ϕ 1−sp
• 不同 情况下的控制周期 不同-a情况下的控制周期
• 为了防止在稳定区域内出现不必要的减压,- a必须比 为了防止在稳定区域内出现不必要的减压, 必须比 所对应的汽车减速度µ 稍大一点。如果一a比 所对应的汽车减速度 p稍大一点。如果一 比µp所对 应的汽车减速度小,车轮超过稳定界限之前, 应的汽车减速度小,车轮超过稳定界限之前,过早地 就要减压,则附着系数达不到µ 就要减压,则附着系数达不到 p,其结果会是制动距 离延长。 离延长。
sp < s ≤1
为了分析方便, 为了分析方便,假设 4)制动力矩是时间的线性函数。 )制动力矩是时间的线性函数。 设车轮制动器的制动效能为K 设车轮制动器的制动效能为 ef,制动轮缸的压 液压增长斜率。 力 p(t) = p0t,p0—液压增长斜率。 液压增长斜率 制动器的制动力矩 T = p(t)F Kef r µ s k r Fs—轮缸面积; k—制动器摩擦力的等效作用半径。 轮缸面积; 制动器摩擦力的等效作用半径。
汽车系统动力学
2010-4
ABS的作用
• 随着汽车工业的发展,社会汽车保有量的不断增加,人们 对汽车的行车安全性越来越重视,汽车防抱死制动系统 ABS(anti-lockbraking system)技术是改善汽车制动安全性 的新技术,它能提高汽车在不同附着系数路面条件下的制 动性能。在汽车制动时,ABS系统可以自动调节车轮制动 压力,防止车轮抱死以取得最佳制动效果,从而保障车辆 的稳定性,减少交通事故的发生,具有明显的社会效益。
令 0 = p0F Kef rk T s
T =T t µ 0
4.求解微分方程 1)当 0 < s ≤ sp
dω s I =ϕp F r −T t Z 0 dt sp
u −rω ω ω s= =1− =1− u ur ω 0
T 0 =B I
m ϕp gr Isp =H
ω dω ϕp I = m 1− −T t gr 0 dt sp 0 ω
• 一般来说,当s<sH时,车轮角减速度在紧 急制动开始后,先是按指数变化规律增长, 并迅速接近极限值,然后稳定在这个值附 近 • 直到纵向附着系数达到纵向附着极限后, 再次直线上升,直到车轮抱死.
以车辆加速度和减速度为控制参数
增加一个车辆加速度信号的控制周期
含保压过程的控制过程
以滑移率为控制参数
& &s tp/ms ωp /g ts /ms ω
309.1 213.5 103.7 86.1 1.019 1.529 4.244 6.048 462.2 364.3 239.7 212.4
/g
23.16 22.64 21.75 21.68
• (1)滑移率达到λopt之前,能够通过制动器制动力 矩即通过制动压力来稳定地控制车轮的旋转。超 过λopt以后,车轮转速对制动器制动力矩很敏感, 不能通过制动压力控制车轮的旋转,车轮很容易 抱死。 • (2)如果把制动过程的滑移率人控制在λopt处,则µ 可以保持最大值,那么制动距离可以缩短。 • (3)滑移率始终保持在λopt处,侧向附着系数µs也 可保持较大的值,就能够确保汽车方向的稳定性 和操纵性。
• 子午线轮胎在干燥的水泥路面、积雪路面、初融 冰面上,冬季轮胎在湿柏油路面上有着不同的u-λ 特性曲线
• 曲线表明,滑移率越低,同一侧偏角条件下的侧 向力附着系数越大,即轮胎保持转向、防止侧滑 的能力越大; • 在同样车速条件下,侧偏角越大,则地面制动力 越低,侧向力越大; ; • 在同一侧偏角条件下,车速越高,则制动力与侧 向力均越低。 • 存在一定的滑移率范围内,在不同车速、不同侧 偏角条件下,便可获得较大的制动力与较高的侧 向力。这样,制动效能与车辆的制动稳定性、转 向操纵性都能得到有效的保证。
• 非制动状态制动力附着系数等于零 非制动状态制动力附着系数等于零; • 制动状态下,滑移率达到入opt时u0最大,之后随着入的 时 最大, 制动状态下,滑移率达到入 增大W,反而减小。 增大 ,反而减小。 • 当车轮在路面上自由滚动时,侧向力附着系数最大,之后 当车轮在路面上自由滚动时,侧向力附着系数最大, 随着车轮滑移率入数值的增大,侧向附着系数会迅速减小。 随着车轮滑移率入数值的增大,侧向附着系数会迅速减小。 当车轮完全抱死, 当车轮完全抱死,车轮将完全丧失抵抗外界横向作用力的 能力。 能力。
• 目前ABS的控制算法还主要是最基本的逻 辑门限值算法。 • 逻辑门限值控制防抱死制动系统发展至今, 大多数汽车ABS产品都采用角加减速度门 限,它采用加、减速度门限控制,并加上 一些辅助门限,并不涉及具体系统的数学 模型。
PID控制
• 为了进一步提高汽车ABS的性能,许多文献都在研究基于 滑移率的控制系统,用滑移率作为控制目标容易实现连续 控制。实现连续控制的最简单是PID(Proportional Integral and Derivative,即比例、积分及微分控制)。实 施这一过程采用两个PI控制,构成串级控制系统。内环为 压力控制,外环为滑移率控制,要求内环的控制响应要快 于外环的响应,才能得到比较好的控制精度及控制稳定性。
其它控制方法
• 基于模型的控制 滑模变结构 最优化控制 • 不基于模型的控制 耗散功率控制 模糊控制
ABS控制的主要难题
• 1,滑移率的测量 • 2,滑移率的控制精度 • 3,路面识别
• 在图中,若在λ d左侧区域中,对汽车施加制动力,λ增加, 在图中,若在 左侧区域中 对汽车施加制动力, 增加 左侧区域中, 增加, µb增加,附着力增加,则λ减小,µb减小,附着力减小, 增加, 减小, 减小 附着力减小, 减小, 增加 附着力增加, 减小 形成负反馈,使得汽车制动稳定; 形成负反馈,使得汽车制动稳定; • 若在 d右侧区域中,对汽车施加制动力,λ增加, µ b减 若在λ 右侧区域中 对汽车施加制动力, 增加 右侧区域中, 增加, 减 附着力减小, 继续增大, 仍然减小, 小,附着力减小,则λ继续增大, µ b仍然减小,附着力 继续增大 仍然减小 减小,形成正反馈,使得汽车制动过程不稳定。 减小,形成正反馈,使得汽车制动过程不稳定。 • 综合以上分析,在制动过程中最好将滑移率 控制在图阴 综合以上分析,在制动过程中最好将滑移率λ控制在图阴 影范围内。 影范围内。 • 理想状态给各车轮施加最合 适的制动力,从而将滑移率 控制在最优滑移率稳定区域 或直接在最优滑移率上,以 最大限度的利用地面制动力 增强汽车制动的稳定性、可 操作性,并缩短汽车制动距 离。
3.ABS单轮模型
m
ua
F b = F ϕb X Z
ω
T µ
dω I = F br −T X µ dt
Fb X
FZ
• (1)当制动器制动力矩大于地面制动力矩时,车轮 速度下降,其减速度正比例于制动器制动力矩和 地面制动力矩的差值; • (2)当地面制动力矩大于制动器制动力矩时,车轮 速度上升,其加速度正比例于地面制动力矩和制 动器制动力矩的差值。
• 滑移率是由汽车速度和车轮速度计算得到的。在 实际应用中,可以用轮速传感器准确的测出轮速, 却没有理想的用于准确测出瞬时车速的方法,因 而这种控制方式的关键在于如何准确地测出车速。 • 当然可以采用具有多普勒雷达效果的非接触速度 传感器或加速度传感器测出汽车减速度,然后计 算出车速。但是,采用非接触速度传感器成本高、 技术复杂;采用加速度传感会受到道路坡度的影响, 误差较大,这两种方法都缺乏实用性。
ϕp −ϕs mgr t 1−sp Iω0
ϕp −ϕs mgr & + e ω= (ϕp −ϕs )mgr 1−sp Iω0
T (1−sp )ω 0 0
表4-5 用 Runge-K 法解算的实例 utta 路面 干沥青 湿沥青 雪路 冰路 峰值附 滑动附 着系数 着系数 0.9 0.6 0.2 0.1 0.78 0.5 0.15 0.07
dω ω + H = H −B t dt ω0
解方程得
B ω ω0 t Bω0 B 0 ω2 ω=− e − t +ω + 2 0 H H H
2 0 2 − H
− t ω B B 0 ω =1− Βιβλιοθήκη Baidu + 2 −e ω 1 H H ω 0 H
0
忽略过渡过程
ω Bω B =1+ 20 − t ω H H 0
在制动过程中防止车轮被制动抱死, 在制动过程中防止车轮被制动抱死,提高汽车 的方向稳定性和转向操纵能力, 的方向稳定性和转向操纵能力,缩短制动距离的安 全装置。 全装置。
1.ABS系统的组成
2.ABS的液压原理
• ABS理论的提出是在1928年,ABS的最早实践是 在火车上,40年代末50年代初民航飞机开始采用 ABS。1954年Ford公司首次将ABS系统装在林肯 牌轿车上,从而揭开了汽车应用ABS的序幕。 1973年,美国国家公路交通安全局(NHTSA)颁布 了FMVSS121法规,规定采用空气制动的载货车 必须安装ABS装置。法规迫使大量的汽车装上了 ABS,但是ABS的故障带来了大量的使用问题, 相继发生了一些制动事故。从而迫使NHTSA不到 一年就撤消了FMVSS121中关于制动距离和车轮 不得抱死的要求。
• 汽车的制动过程具有时变性强,受外界条 件影响大及非线性明显等特点。因此要求 汽车防抱制动系统具有(对各种路况)适应性 强,反映速度快的特性。 • 除了硬件因素外,控制软件是使得ABS满 足汽车制动性能要求的关键。控制软件主 要是指ABS的控制逻辑和控制方法。
以车辆减速度为控制参数的控制算法
• 就是仅在发生-a信号的期间内降低制动压力, 其他时候则增加制动压力。从而,如果制 动压力的降压速度比较适当,就会得到如 图所示的制动周期。
• 在OA段,虽有一定的滑移率,但轮胎并没有与 地面真正的相对滑动。滑移率大于零的原因是轮 胎的滚动半径变大。当出现地面制动力时,轮胎 前面即将地面接触的胎面受到拉伸而有微量的伸 长,滚动半径随地面制动力而增大,滚动半径与 地面制动力成正比增大,曲线OA段近似直线。 • 至A点后,轮胎接地面积中出现局部的相对滑动,u 值的增大速度减慢。 • 因为摩擦副间滑动摩擦系数小于静摩擦系数,故u 值在C点达最大值后又逐渐降低。
• 目前,ABS系统在欧美日等汽车强国得到 了广泛的应用,1992年,欧洲EEC指令委 员会规定了汽车装用ABS的时间表:要求大 货车、大客车和挂车在1998年之后必须装 用ABS系统:自1989年起欧共体成员国汽车 厂凡申请新车型许可证时,该车型必须装 备ABS系统;禁止未装备ABS系统的车辆进 口。1992年,日本规定所有观光客车必须 安装ABS系统。
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