汽车主动制动控制系统的设计

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该专著由三部分组成,第一部分包括第1章和第2章,介绍了防抱死制动系统的发展历程及未来展望,以及在研究制动系统及其控制时使用的模型;第二部分包括第3章、第4章和第5章,介绍了制动控制系统设计的基本解决方案;第三部分包括第6章、第7章和第8章,提出了主动制动控制系统设计和轮胎-路面附着系数估计的更先进的解决方案。   该专著后面还有附录,提供了本专著用到的动态系统的分析和推理工具以及轮速传感器的信号处理方法。该专著主要内容来自米兰理工大学与先进的汽车工业领域联合研究的*成果,既有较深的理论深度,又与汽车工业实际紧密联系。可作为车辆工程相关专业本科生或者研究生的教材,也可作为汽车工业领域相关工程技术
目 录 Ⅻ 6.4MSD控制的稳态滑移率 115 6.5数值分析 117 6.6总结 120 第7章非线性车轮滑移率控制设计 121 7.1引言 …121 7.2基于李雅普诺夫( Lyapunov)方法的车轮滑移率控制 121 7.2.1假设………… …………122 7.2.2控制器设计… 122 7.3数值分析 131 7.4总结 ……133 第8章轮胎一路面附着条件的识别 135 8.1引言 135 8.2通过车轮减速度测量值检测附着系数曲线峰值点…………………135 8.2.1附着系数曲线斜率符号的实时检测…………………………136 8.2.2ABS监督控制逻辑 ………………………138 8.2.3试验结果 ………139 8.3轮胎一路面附着条件的实时识别 ,··, 143 8.3.1识别策略… 144 8.3.2数值分析 146 8.3.3试验结果…………… 150 8.4通过轮胎内置传感器直接估计接触力 155 8.4.1引言 156 8.4.2试验装置 157 8.4.3主要概念 +.·,,,,9,,·.,·,·,,,, 158 8.4.4信号处理… ∴……………160 8.4.5试验结果… ∴…………166 8.5总结 170 附录 附录A动态系统的分析和推理工具 172 A.1引言 172 A.2动态系统分析 173 A.2.1平衡点的稳定性:李雅普诺夫( Lyapunov)定理…… 176 A.2.2特殊情况:二阶动态系统 182 A.3非线性设计工具 189 汽车主动制动控制系统设计 A.4总结…… 193 附录B轮速传感器的信号处理 194 B.1引言 194 B.2轮速传感器信号 194 B.2.1速度估计算法 195 B.2.2轮径校准 200 B.3轮速传感器信号的分析和滤波 202 B.4总结 205 参考文献 207 第1部分 制动控制系统设计 绪论和建模 本书第Ⅰ部分首先介绍主动制动控制系统的发展史,然后探讨其工业应 用和理论发展,以及未来的研究前景。此外,本书还提供了对制动系统的功 能描述以及数学描述。最后,讨论了用于控制器设计的面向控制的制动动力 学模型。总之,这些问题是本书将要讨论的控制方法所涉及的主要内容。 第1章主动制动控制系统绪论 1.1引言 不可否认,自轮式车辆诞生以来,车轮打滑就一直是一件很麻烦的事情。固 特异航空航天公司的A.C. Gunsaulus于1952年发表的论文28将侧滑简单地描述 为“不按驾驶人意愿的不希望的(汽车的)侧向运动……其主要原因是路面上轮 胎的附着力较低并且侧向力大于轮胎的附着力,其结果通常是使驾驶人部分或者 完全失去对车辆的控制。” 对于在公路上行驶的车辆,主动制动控制系统可以防止不希望的侧滑现象 发生。 事实上,现代绝大部分在公路上行驶的车辆都装备了电控防抱死制动系统 (ABS)。防抱死制动系统(ABS)能够极大地改进汽车在极端环境下的安全性,因 为它能够在保持轮胎与路面最大纵向附着力的同时,保持较大的能够确保汽车操 纵性能的侧向附着力。自动制动控制系统的应用也已经扩展到了电子稳定控制 (ESC)系统(见参考文献[27,39,45,88])。 毫无疑问,自动制动控制系统的设计主要取决于制动系统的特性以及执行器 的性能。众所周知,装备传统液压执行器的轮式车辆的标准ABS主要采用基于 规则的控制逻辑(见参考文献[124])。 另一方面,执行器最新的技术进展已经导致了电子一液压和电子一机械制动 系统的发展,这些系统能连续调节制动力矩,因而允许我们将主动制动系统作为 一个经典问题予以描述(见参考文献[15,23,41,90])。在自动制动控制领域,最 近十年有大量的方法和途径被提出,范围从传统的调节回路,到滑动模型、模糊 神经或者混合结构(见参考文献[15,38,39,53,54,59,60,95,101,122])。 本章将提供ABS的概述,包括ABS发展史以及在这一领域的科技发展成果。 此外,还讨论了本书涉及的制动系统的主要特性,并且提供了对它们的数学描 述。本章最后简要介绍了主动底盘控制系统研究的最新进展,包括作为所谓底盘 综合控制(GCC)子系统的制动控制器。 第1章主动制动控制系统绪论 1.2ABS的发展史 现在的液压ABS是由1900年代早期为火车开发的系统发展而来的,该领域 的第一项专利(一种防止汽车制动时车轮抱死的改进安全性的装置)是在1932年 诞生的,而类似的成果(防止车轮滑动装置)于1936年由美国发布专利。 然而,这些早期的装置都没有足够快的反应速度足以防止车轮抱死,缩短制 动距离,或者在紧急情况下提供对汽车的更有效的控制。飞机轮子打滑问题在第 二次世界大战期间随着空战的进行表现得更加突出,第二次世界大战结束后,有 几家飞机制造商及其分包商开始为飞机设计防滑装置。1947年,飞机防抱死制 动装置首先用于波音公司的B-47飞机,以防止在干燥的水泥跑道上轮胎爆裂, 而在冰雪覆盖的跑道上滑行距离过长。在1950年代早期,机械式防滑装置已经 出现在军用和商用飞机上。 首先用于汽车的ABS是在1954年生产的限量版林肯汽车上,该ABS原来是 装在法国飞机上的。1965年, Jensen FF提供了一种由 Dunlop开发的机械式 ABS。到1960年代后期,福特、克莱斯勒和凯迪拉克在其顶级车型上都装备了 ABS。这些早期的系统都采用了模拟计算机和真空驱动调节器,由于真空驱动调 节器工作非常缓慢,汽车的实际制动距离会明显增加,尽管汽车的安全性和侧向 稳定性得到了改善。 在日本,日产和丰田公司宣布开发了电控ABS,而在德国 Telefunken和Ben dix合作将一种被称为 Texline的ABS推向市场。然而,那时的电子设计工具还 不可靠,模拟电路仍然会受到来自汽车工作环境的较大干扰,包括较大的工作温 度范围的变化、潮湿,特别是振动的影响。这些问题导致了许多工业项目的失败 和法律方面的问题,然后在美国终止了这一发展,在随后的10~20年间欧洲公 司主导了这一发展领域。 事实上,1978年博世( Bosch)公司推出了其防抱死制动系统(anti- blockier system),防抱死制动系统从此由其首字母ABS表示,并且开始了ABS技术在汽 车领域的广泛应用,也开启了ABS的新时代。 到1985年,梅赛德斯、宝马和奥迪都引进了博世的ABS,福特引进了其第 一个戴维斯( Teves)系统。到1980年代后期,ABS被装备到许多高档轿车和跑车 上。今天,大多数的轿车和许多轻型货车的制动系统都已经变成了复杂的计算机 控制的ABS。从1980年代中期开始,汽车制造商引进了许多不同的ABS,这些 系统在硬件结构和控制策略上都不相同。 在ABS第一次出现在量产汽车上50年以后的今天,这些主动制动控制系统 已经在所有的轿车上成为标准配置。 汽车主动制动控制系统设计 尽管ABS的发展取得了重大进展,但新技术和新的控制策略远未完善。在 制动力驱动技术以及在传感器技术方面每前进一步,都需要找到主要控制算法的 全面的重新设计方案。特别是即将出现的电子一机械制动系统(EMBs)和大功率 轮毂电动机将可能是主动制动控制系统的下一次革命。 1.3执行器主要技术和功能介绍 大多数轿车的ABS都装备有液压式离散动态执行器(HAB:液压驱动制动) 这种系统如图1-1所示。 制动踏板 制动轮缸 油管1 加压电磁阀 油管2 液压泵 减压电磁阀 储液器 压力调节器 图1-1液压制动系统 在这些系统中,驾驶人通过制动踏板施加制动压力并通过加压电磁阀(图1 1)传递到液压系统,加压电磁阀与制动轮缸相通。另外,液压系统还有一个减 压电磁阀(图1-1),它能够降低制动压力并与低压储液器连接。此外还有液压 泵,它们一起构成了整个液压系统。制动力作用于轮缸,将其传递到制动块并最 终到达制动盘。 根据其物理特性,液压驱动制动(HAB)执行器只能提供3种不同的控制作 用。①增加制动压力:在这种情况下加压电磁阀打开,减压电磁阀关闭;②保持 制动压力:在这种情况下两个电磁阀都关闭;③降低制动压力:在这种情况下加 压电磁阀关闭,减压电磁阀打开。 在为制动控制系统设计这种类型的执行器时,可以假设一个静态制动块摩擦 第1章主动制动控制系统绪论 5 模型,即由测得的制动压力P。可以计算出制动力矩T为 b=ravan b (1.1) 式中,r4是制动盘半径;v是制动块摩擦系数(恒定值);A是制动活塞面积。 注意制动块摩擦系数通常在其使用寿命期内并非恒定值,而是随着使用而变 化。然而,制动动态特性的变化通常由伺服控制回路通过调节制动压力得到补 偿。因此,我们假设制动压力p的变化可以作为制动系统伺服控制的输出,伺 服控制系统可以补偿系统的变化,因此可以使用恒定的摩擦系数v。 还应注意的是,压力的增大和降低实际上受到执行器速率极限k的限制,速 率极限决定了执行器的性能。根据这一描述,液压驱动制动(HAB)执行器制动 力矩动态特性可描述为 dT dt u (1.2) 式中,u={-k,0,k} 根据控制变量u值,我们可以模拟3种可能的执行器作用,即u=-k对应 着减压控制作用;u=0对应着保压控制作用;u=k对应着增压控制作用。速率 极限k∈R是一个已知参数,在本书中其标准值设为5kN/s 请注意,在某些工业制动系统中,制动压力增加或降低的速率不完全是恒定 的,主要是由于在每一个轮缸和制动主缸之间存在着(未知的)压力差121。尽管 如此,无论是确定的还是使用者可选择的(在物理极限范围内的)执行器速率极 限的假设都已经被用在基于规则的ABS的不同工作过程中,例如像在参考文献 [26,49,74]中那样。在本书讨论的控制设计方法中,采用恒定的执行器速率极 限,并且为了简便,认为在增加和降低控制作用时执行器速率极限是相等的。 液压驱动制动(HAB)系统具有使用寿命长、可靠性好的特点,这是直到现 在新一代制动系统(电子一液压和电子一机械制动系统)不能大批量生产的主要 原因。 另一方面,液压驱动制动(HAB)系统的缺点是在人机工程学方面存在问题: 实际上在使用这些制动系统时,如果ABS起作用,驾驶人能够感觉到制动踏板 上的压力振动,这样的振动是由于在液压回路中压力变化较大引起的。事实上, 液压驱动制动(HAB)系统与制动踏板是相连的,因此它们的动作不可能不受驾 驶人踩踏板的影响,但是它们是相互叠加在一起的。 新一代制动控制系统将不是基于电子一液压制动就是基于电子一机械制动, 未来还将会采用线控制动(BBW)系统。 在电子一液压制动系统(EHBs)中,有一个反馈力提供到制动踏板上(使驾 驶人感觉到有踏下踏板的压力),并且有一个通过位置传感器测得的电信号被传 递到电子控制单元(ECU),液压单元与电子控制单元一体并且与制动钳(即构成 汽车主动制动控制系统设计 制动器壳体的系统)相连。电子一机械制动系统(EMBs)是一种无液压的纯电气 部件组成的系统,它用电动机驱动单元代替了传统的执行器(图1-2)。 A 图1-2电子一机械制动系统 与传统的基于电磁阀的制动系统相比,电子一机械制动系统(EMBs)主要有 以下潜在的优点: 1)允许制动力精确地连续调节。 2)即使ABS正在工作,制动踏板也不会出现反弹(压力振动)。 3)由于有电子接口,与其他主动控制系统集成比较容易。 4)由于不使用有毒的制动液,减少了污染。 不同执行器之间的简单比较见表1-1,从表中可以看出电子一机械制动系统 (EMBs)的主要特点及其伺服控制器的基本特性。 表1-1制动系统执行器的比较 HAB(液压驱动制动)EHB(电子一液压制动) EMB(电子一机械制动) 技术类型 液压 电子一液压 电子一机械 制动力调节 不连续(通/断) 连续 连续 人机工程学 踏板振动 无振动 无振动 环境问题 制动液有毒 制动液有毒 无制动液 典型的电子一机械制动(EMB)执行器如图1-3所示,从图中可以看出,该制 动系统的主要部件有: 1)一个无刷电动机。 2)一个行星齿轮传动机构。

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