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汽车防抱死制动系统的自寻最优控制
摘要
随着汽车行驶速度的提高,以及道路行车密度的增大,对汽车行驶的安全性要求也越来越高。特别是在低附着系数的路面或干湿混合路面上,制动时车轮打滑严重, 不仅系统效率低,且容易使汽车丧失方向稳定性,汽车防抱死制动系统就是在这种情况下产生和发展起来的。汽车防抱死制动系统是汽车重要的主动安全装置之一,其控制目标是使车轮在获得最佳制动效率的同时又不会抱死,使汽车能够在制动过程中保持良好的方向稳定性。其控制系统设计的基本思想是在制动过程中自动控制和调节制动力矩的大小,当车轮将要抱死时降低制动力,而当车轮不会抱死时,又增加制动力,如此反复动作,使轮胎与路面间的纵向和侧向附着系数控制在其峰值附近,防止车轮抱死,进而消除制动过程中的侧滑、跑偏、丧失转向能力等非稳定状态,以获得良好的制动性能、操纵性能和稳定性能。
针对汽车防抱死制动系统中路况经常变化的特殊性,提出了将最优控制策略应用到防抱死控制中.构建了防抱死制动系统和制动时车辆动力学模型,设计了依据制动力矩和附着力矩变化量符号改变来调节制动力矩的自寻最优控制器.仿真结果验证,自寻最优控制可以自动搜寻到最佳滑移率,并使系统在最佳滑移率附近工作,达到最佳制动效果.本文为汽车制动性能的研究提供了有效可行的防抱死控制策略. 关键词: 防抱死制动系统;最优控制; 制动力矩
1. 汽车防抱死制动系统
汽车防抱死制动系统是汽车重要的主动安全装置之一,其控制目标是使车轮在获得最佳制动效率的同时又不会抱死, 使汽车能够在制动过程中保持良好的方向稳定性。其控制系统设计的基本思想是在制动过程中自动控制和调节制动力矩的大小,当车轮将要抱死时降低制动力, 而当车轮不会抱死时,又增加制动力,如此反复动作,使轮胎与路面间的纵向和侧向附着系数控制在其峰值附近, 防止车轮抱死, 进而消除制动过程中的侧滑、跑偏、丧失转向能力等非稳定状态, 以获得良好的制动性能、操纵性能和稳定性能汽车防抱死制动系统是在常规制动系统基础上,增设一个电子控制系统而构成的,它由轮速传感器、电子控制单元、制动力矩调节器等构成, 其结构图图1所示.
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图1汽车防抱死制动系统的结构图
在制动过程中, 当车轮尚未抱死时, 制动过程与常规制动完全相同. 只有当车轮趋于抱死时, 电子控制单元根据接收到的轮速和控制信号, 计算出汽车的车速和滑移率, 并按一定的控制策略制定调节制动力矩的指令信号, 驱动制动压力调节器中的电磁阀和回液泵电机工作, 使制动力矩升高、保持或降低，实现制动力矩自动调节. 汽车防抱死制动系统就是通过自动调节制动力矩, 使车轮滑移率保持在理想滑移率附近的狭小范围内, 每个车轮尽可能获得较大的地面制动力, 防止紧急制动时车轮抱死滑移,从而获得最佳制动效能.制动力矩与车速、滑移率等参数的关系, 可以从汽车的动力学方程中得到.
根据达朗伯 原理, 对四分之一车体在行驶方向和车轮绕主轴方向两个自由度建立动力学方程, 考虑制动时, 发动机力矩Te为零, 可得到简化的车辆动力学方程为和车轮绕主轴方向两个自由度建立动力学方程,考虑制动时, 发动机力矩Te 为零, 可得到简化的车辆动力学方程为
???Fx （1） mv??FxR?Tb?Tg?Tb （2） I?Fx??Fz （3）
式中:m为四分之下车体总质量(kg);V为汽车行驶时车身速度
(m/s);Fx为轮胎和地面的附着力;I为车轮相对于转轴的转动惯量
(kg?m2 ); ?为车轮的转动角速度(rad/s); R 为轮胎有效半径(m);Tb为制动力矩;Tg为轮胎和地面的附着力矩;?为轮胎与地面的附着系数也为车轮的附着系数;Fz为车轮所受的法向力(N ).
汽车制动时车轮附着系数和车轮滑移率之间的关系为:
?????f?D?sin?C?arctan[B???E??B???arctan?B????]? (4)
式中: f 为轮胎的静摩擦系数; D 为峰值因子; B 为刚度因子; C 为曲线形状因子; E 为曲线曲率因子, 表示曲线最大值附近的形
状;?为滑移率.f相当于车轮在纯滚动时附着系数,一般情况下设为0; D、B、C、E 都是与路面有关的常数, 通过改变这些参数可模拟不同路面的附着系数. 干混凝土路面下f = 0,D = 0.9, C = 2.2, B = 6.0, E = 0.98; 湿沥青路面下f = 0, D = 0.78, C = 2.1, B = 6.0, E = 0.8. 图2示出了相应的这两种路面下附着系数-滑移率曲线.
图2 两种路面下的附着系数与滑移率曲线
为了获得较好的制动力矩控制, 需要根据以上方程给出的各量之间的关系, 制定出合理的控制策略.
为了使汽车在制动过程中获得良好的行驶性能, 就要充分合理地利用轮胎与路面之间的附着力, 附着力的大小又取决于轮胎与路面之间的垂直载荷和附着系数。在制动过程中, 轮胎与路面之间的垂直载荷和附着系数都会随许多因素而变化, 其中车轮相对于路面的运动状态对附着系数的影响就很大。当滑移率二左右时, 轮胎的附着系数侧向附着系数、纵向附着系数取得较大值, 可使汽车制动力达到最佳, 如果车轮完全抱死,不但达不到最佳制动效果, 而且还会丧失转向能力和抵抗侧向力的能力, 造成汽车制动时方向不稳定。另外,
制动时车轮发生抱死还会导致轮胎过度的不均匀磨损, 也增加了驾驶员在制动时的紧张程度。
2. 最优控制器设计
防抱死制动系统自寻最优控制器就是要通过控制制动力矩Tb使轮胎工作在最大附着系数附近, 这样既可避免车轮抱死, 同时还可获得最大附着力.
在图2中, 曲线的峰值点处的滑移率为最佳滑移率, 此时?=?d, 附着系数取得最大值; 在该点的左侧区即?
附着力矩Tg 的变化反映了附着力的变化,也即附着系数?的变化. 若已知前一时刻的制动力矩Tb和当前时刻的角加(减)速度? , 由公式( 2)即可得当前时刻的Tg. 若Tb 增大时, Tg 增大, 说明曲线在最佳滑移率点的左侧区域,Tb还应继续增大; 若Tb增大时, Tg 减小, 说明曲线在最佳滑移率点的右侧区域, Tb 需要减小; Tb 减小, 滑移率减小, 因而T g开始逐渐增大, 此时曲线仍在最佳滑移率点的右侧区域, 因此Tb 仍要减小; 当过了最佳滑移点时, T g又要随着滑移率",的减小而减小, 所以当Tb 减小,Tg 也减小时, 说明控制曲线已经处在最佳滑移率点左侧区域, 这时Tb 又要增大. 这样系统便不断重复地进行这种周期性的搜索过程, 直到找到最优的制动力矩, 并且在它附近循环工作.
?
根据以上的思路, 得出如下的ABS自寻最优控制策略:
?Tb>0, ?Tg?0 (?
?Tb>0, ?Tg?0 (?>?d ) 减压 ?Tb<0, ?Tg?0 ((?>?d) 减压 ?Tb<0, ?Tg?0 (?
从上述关系式可以看出: 当制动力矩和附着力矩变化量?Tb、?Tg 符号相同时应增加制动力矩, 即增压; 反之, 当符号相异时, 则应减少制动力矩, 即减压.