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汽车防抱死制动系统控制技术的发展趋势 |
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作者：吴昌扣 孙骏 |
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摘要：本文简要介绍了汽车防抱死制动系统（Anti-lock Braking System，简称ABS）的控制原理，对目前汽车防抱死制动系统所采用的控制技术进行了综述，并对其发展趋势进行了预测。
关键词：汽车 防抱死制动系统 控制技术
1 概述
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。汽车防抱死制动系统（简称ABS）已越来越多地应用在汽车上。
汽车防抱死制动系统是指汽车在制动过程中能实时判定车轮的滑动率，自动调节作用在车轮上的制动力矩，防止车轮抱死。从而获得最佳制动效能的电子装置。它能把车轮的滑动率控制在一定的范围之内，充分地利用轮胎与路面之间的附着力，有效地缩短制动距离，显著地提高车辆制动时的可操纵性和稳定性，从而避免了车轮抱死时易出现的各种交通事故。
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，一般用滑动率S 来说明制动过程中滑动成分的多少。滑动率越大，滑动成分越少[1]。
其中： u——车轮中心的速度；
r——没有地面制动力时的车轮滚动半径；
w——车轮的角速度。
纵向和侧向附着系数可表达为车轮滑动率的函数（如图1）。最大纵向附着系数所对应的滑动率称为临界稳定点SK。根据控制理论把滑动率小于SK 的区域称为稳定制动区，SK 以后的为非稳定制动区。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SK 附近，使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[2]。
图1 附着系数-滑动率曲线
目前所采用的ABS 主要由轮速传感器，电子控制单元，压力控制阀和线束、管路等附件组成。ABS 的开发主要是研究设计优化运算和控制程序软件，实现实时精确制动调节的技术，同时提高硬件的水平[3]。
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控制技术[4]。目前所采用的主要是逻辑门限值控制技术。为进一步提高ABS 的性能，还提出了一些基于滑动率的控制技术，如PID 控制，滑动模态变结构控制，模糊控制等。每种控制均以不同的控制规律逼近期望的点。
2.1 PID 控制[5]
定义期望滑动率S0 与实际滑动率S 之差为控制误差e=S-S0，则PID 的控制规律可表示为：
因此，ABS 控制器的设计最后就归结为，根据ABS 动态系统，确定出一组最佳的参数Kp、Ki 和Kd，使车轮的滑动率以最快的方式逼近设定目标S0。
2.2 滑动模态变结构控制[6]
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Sk，则滑动模态变结构根据系统当时的状态、偏差及其导数值，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（S，×S）沿滑动换节曲线滑向控制目标（Sk，0）。
通常取制动力矩为控制变量U，切换条件为：
其中 Mb- 、Mb+分别代表由调节系统所决定的制动力矩减少、增加两种不同的状态。
 为切换函数，e=S－Sk 为实际滑动率相对目标点的偏差。
2.3 模糊控制[7]
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
其中α为修正因子，α值的大小直接反映了对偏差及偏差变化率的加权程度。通过调整修正因子α，就可以改变控制规则。当α较大时，表明对偏差的加权大，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。通常采用带两个α值的修正因子表达式就可满足性能要求，即：
其中，修正因子α1 、α2∈(0，1)且α1<α2 ，控制系统在判断E 值的大小之后，选择控制规则表达式。
2.4 逻辑门限值控制[8]
此方法预先对若干个控制参数设定一些控制极限（门限）值，制动时，根据计算的实时参数值与对应门限值的大小关系，来判定车轮的运动状态，从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。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等三种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于保证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。
3 发展趋势
采用逻辑门限值控制算法，可避免一系列繁杂的理论分析和对一些不确定因素的定量计量。简化了控制器的设计，而且因仅需测定车轮的角速度，便于实现，所以装车成本低。该算法现已趋近成熟，为当前汽车ABS 系统所普遍采用，但它并非最佳的控制算法。由于不同路况下各种门限值及保压时间都是经过反复试验得出的经验数值，没有十分明确的理论依据，故ABS 开发的周期长，且控制品质难以保证。
基于滑动率的控制算法容易实现连续控制，且有十分明确的理论加以指导，但目前制约其发展的瓶颈主要是实现的成本问题，根据我们的研究认为，今后ABS 控制算法的发展方向将在以下几方面。
(1) 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。其中预测控制技术值得重视。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。由于该算法采用的是不断在线滚动优化，且在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[9]。
(2) 随着体积更小，价格更便宜，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（如光电式、多谱勒仪等）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，简单实用等特点而会被广泛采用。
(3) 由单一的ABS 控制目标转向多目标的综合控制[10]，其中已出现的牵引力控制系统（TCS）不仅能够在制动过程中防止车轮发生抱死，而且能够在驱动过程中（特别是在起步、加速、转弯等过程中）防止驱动轮发生滑转，使汽车在驱动过程中的方向稳定性、转向操纵能力和加速性能等也都得到提高。未来汽车电子控制系统将朝着从多电子控制单元（ECU）的分散的独立控制向单一ECU 的整车控制，以网络的方式实现数据共享和综合控制的方向发展；或者向动态递阶控制方向发展，即各分散控制系统的ECU 不仅是各自独立地构造自己的动态补偿器，而且要再统一地建立一个高层的动态协调器来帮助确定各ECU 的控制策略，以增强各ECU 的控制能力，解决分散控制系统存在不稳定模时不能用动态分散控制镇定的问题[11]，使整车综合性能得到保证。
4 总结
汽车防抱死制动系统（ABS）能提高汽车在低附着系数或变附着系数路面条件下的制动性能。目前ABS 的控制技术主要采用逻辑门限值控制方法，但随着车速传感器技术的发展，基于车轮滑动率的各种控制算法将被广泛的重视和采用。另外。未来汽车电子控制技术与装置将以网络的方式实现资源共享和综合控制，并朝着多目标综合控制，以提高系统性能成本比的方向发展。
参考文献
1 余志生. 汽车理论（修订版）. 北京：机械工业出版社，1993
2 李朝禄. 汽车制动防抱装置（ABS）构造与原理. 刘荣华译. 北京：机械工业出版社，1995
3 柯愈治，谢怀喧等. 汽车防抱制动系统结构原理与检修. 北京：人民交通出版社，1998
4 潘旭峰. 现代汽车电子技术. 北京：北京理工大学出版社，1998
5 周云山，于秀敏. 汽车电控系统理论与设计. 北京：北京理工大学出版社，1999
6 张洪欣. 汽车系统动力学. 上海：同济大学出版社，1996
7 Gerorge F.maner，Gerard F.Gissinger，etc. Fuzzy Logic Continues and Quantizing Control of an ABS Braking system. SAE Technical paper 940030，1033~1042
8 司利增. 汽车防滑控制系统——ABS 与ASR. 北京：人民交通出版社，1996
9 席裕庚。预测控制。北京：国防工业出版社，1993
10 Timonty w. Athan，Panos T.Papalambros. Multi-criteria Optimization of Anti-lock Braking System Control Algorithms. Engineering Optimization，1996，Vol.27，199~227
11 高为炳，霍伟. 大系统的稳定性，分散控制及动态递阶控制基础. 北京：北京航空航天大学出版社，1994(end)
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(6/9/2005) |
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