lecture04汽车纵向动力学的电子控制(ABS.ASR).ppt

汽车纵向动力学的电子控制,主讲：王文林 博士,南昌大学机电工程学院车辆工程技术研究中心,ABS视频,汽车制动性能的评价,汽车的制动性能通常用制动效能、制动效能的恒定性、制动时汽车的方向稳定性等指标来评价。,1、制动效能,制动效能是指汽车以某一速度行驶制动时，迅速降低行驶速度直至停车的制动距离或制动减速度。,汽车制动性能的评价,2、制动效能的恒定性,制动效能的恒定性是指制动器的抗热、抗水衰退性能。制动器的抗热衰退性能是指汽车高速行驶或下长坡连续制动时，制动效能的保持程度。,3、制动时汽车的方向稳定性,制动时汽车的方向稳定性是指汽车在制动过程中维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力。制动时汽车若发生跑偏、侧滑或失去转向能力，则汽车必将偏离原来的行驶轨迹。,汽车制动方式的改变,开环制动系统传统制动系统,制动器制动力矩的大小仅与驾驶员的操纵力、制动力的分配调节、以及制动器的尺寸和形式有关，由于没有车轮运动状态的反馈信号，因此就不能根据车轮的实际运动状态来调节各轮缸或气室制动压力的大小。,开环制动系统可能出现的结果,在紧急制动时，不可避免地出现车轮在地面上抱死拖滑的现象。当车轮抱死时，地面的侧向附着性能很差，所能提供的侧向附着力很小，在汽车所受到各种干扰外力作用下就会出现方向失稳问题，容易发生交通事故。,汽车制动方式的改变,闭环制动系统的出现,由于开环制动系统的种种不便，所以产生了汽车防抱死制动系统(ABS)，它可感知制动轮每一瞬间的运动状态，并根据其运动状态相应地调节各制动器制动力矩的大小，避免轮胎抱死，为闭环制动系统。,汽车制动方式的改变,什么是汽车防抱死制动系统(ABS)?,汽车制动方式的改变,汽车制动防抱死系统是指在汽车制动过程中自动控制和调节制动力的大小，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、操作性能和稳定性能，英文全称为：Anti-lock Braking System。,汽车制动方式的改变,ABS是个闭环制动系统,路面状况交通状况气候状况,制动踏板动作,轮缸压力调节器,车轮,电子控制装置,驾驶员制动意识,管道流体压力,制动轮缸压力,转速信号,控制指令,地面制动力,车轮运动状态,汽车ABS的工作原理、特点,汽车制动时，轮速传感器测定车轮转速，并将此信号输送给电子控制单元。当车轮快要抱死时，电子控制单元发出指令给制动压力调节器，控制其降压，轮速开始回升。当轮速回升到一定数值，电子控制单元又发出指令给制动压力调节器，控制其升压，轮速开始降低。如此反复，保持前轮转向能力，并维持汽车制动时的稳定性。,ABS在制动时可以保持车轮转动，从而保证制动时车辆的方向稳定性，使制动力达到最大。有ABS的车辆制动力更强且制动距离更短，正常工作时不受车速的限制。,汽车ABS的基本构成,1、轮速传感器,汽车ABS的基本构成,轮速传感器的输出信号,汽车ABS的基本构成,汽车ABS的基本构成,轮速传感器的安装,为了保证轮速传感器无错误输出，安装轮速传感器时应使传感头精确地对准齿圈，且其之间的空气隙大小适合，并要求安装牢固。为了避免灰尘和飞溅的泥、水等对传感器工作的影响，应有适当的密封与润滑措施。,2、压力调节器,汽车ABS的基本构成,压力调节器的功用：是接受并执行来自电子控制装置的指令，使制动轮缸或气室能实现压力增高、压力保持或压力降低。它在自动调节轮缸或气室的压力时，不受驾驶员的控制。,汽车ABS的基本构成,汽车ABS的基本构成,电磁阀控制三种状态：加 压：进油阀开，出油阀关。减 压：进油阀关，出油阀开。保 压：进油阀关，出油阀关。,汽车ABS的基本构成,对压力调节器的特性要求：,调节器除必须具备制动系一般阀类部件的性能（如可靠性高，寿命长，高温和低温性能良好，密封性好，便于维护等）之外，还必须具备ABS对其特有的要求：（1）反应时间、反应频率。（2）速率与频率的协调性。,汽车ABS的基本构成,滑阀式液压制动,驾驶员接到制动信号，踩下踏板，滑阀1通，2关。轮缸压力增大车轮开始制动，传感器检测车轮状态，电控装置分析将抱死，就向调节器发出减压信号，滑阀1关，2通。同时电机工作，驱动油泵抽轮缸油减压。,汽车ABS的基本构成,柱塞式液压制动,与滑阀式结构相比，它最大优点是：当轮缸需减压时，调节系统不需打开，减压或增压只通过柱塞的移动来改变油缸容积即可，反应快捷。,汽车ABS的基本构成,3、电控单元,电子控制装置(ECU)的主要任务是接收传感器送来的信号，进行测量比较、分析放大和判别处理。然后通过精确的计算，得出制动滑移率和车轮角加（减）速度，再进行逻辑比较，最后输出级向压力调节器发出指令，控制制动压力，进而调节车轮的制动力矩。,汽车ABS的基本构成,汽车ABS的布置形式,1、四通道ABS,H型(前后)或X型(对角)两种布置形式。,由于四通道ABS可以最大程度地利用每个车轮的附着力进行制动，因此汽车的制动效能最好。但在附着系数分离(两侧车轮的附着系数不相等)的路面上制动时，由于同一轴上的制动力不相等，使得汽车产生较大的偏转力矩而产生制动跑偏。因此，ABS通常不对四个车轮进行独立的制动压力调节。,汽车ABS的布置形式,2、三通道ABS(应用较多),三通道系统都是对两前轮的制动压力进行单独控制，对两后轮的制动压力按低选原则一同控制。,汽车紧急制动时，会发生很大的轴荷转移(前轴荷增加，后轴荷减小)，使得前轮的附着力比后轮的附着力大很多(前置前驱动汽车的前轮附着力约占汽车总附着力的70%-80%)。对前轮制动压力进行独立控制，可充分利用两前轮的附着力对汽车进行制动，有利于缩短制动距离，并且汽车的方向稳定性可以得到较大改善。,汽车ABS的布置形式,3、两通道ABS,双通道ABS在前后制动管路中各设置一个制动压力调节装置，分别对两前轮和两后轮进行一同控制。两前轮可以根据附着条件进行高选和低选转换，两后轮则按低选原则一同控制。,由于双通道ABS难以在方向稳定性、转向操纵能力和制动距离等方面得到兼顾，因此目前很少被采用。,汽车ABS的布置形式,4、单通道ABS,所有单通道ABS都是设置一个制动压力调节装置，对于后轮驱动的汽车只需在传动系中安装一个转速传感器。,ABS的控制算法,如何控制？,ABS的控制算法,动作要求,偏差,控制算法ECU,能量输入,外部扰动,执行机构,被控对象动态模型,传感装置,输出,反馈控制原理回顾,ABS的控制算法,汽车系统动力学知识回顾,单纯滚动,边滚边滑,拖滑,ABS的控制算法,随着制动强度的增加，车轮的滑动成份越来越大。它通常用滑移率S表示。,ABS的控制算法,ABS的控制算法,1、必须实时采集车速，而目前工程上难以实现。,采用滑移率S 实施反馈控制的局限性：,2、制动时汽车的动力学模型、道路条件等不确定性因素太多，无法精确计算。,ABS的控制算法,ABS的逻辑控制算法,目前，ABS广泛采用的控制方式是“加速度门限值逻辑控制”，并附加一些辅助参考门限值。其主要的控制参数有:（1）车轮的加（减）速度；（2）参考滑移率。车轮的加减速度可以通过测取车轮速度的办法获得；参考滑移率是通过车轮速度和车辆的参考速度获得的。,ABS的控制算法,ABS的逻辑控制算法,ABS的逻辑控制算法,制动开始时，制动压力和车轮角减速度增加，在阶段1末，即轮减速度达到设定的门限值-a，相应的电磁阀转换到“压力保持”状态。同时形成参考车速并以一定速率递减，参考滑动率的值是由参考车速计算得出，如果参考滑动率小于门限值，系统则进行一段保压（阶段2）。,控制过程,ABS的逻辑控制算法,控制过程,当滑动率大于门限值，电磁阀转换到“压力下降”的状态，即阶段3。由于制动压力下降，车轮的角减速度回升，当达到-a值时，制动压力开始保持（第4阶段）。,ABS的逻辑控制算法,控制过程,当角减速度随着轮速的回升而加速，达到门限值a，这时压力仍然保持，让车轮进一步回升到门限值Ak（表明是高附着系数路面），这时使制动压力再次增加（第5阶段），迫使车轮角加速度下降。当车轮角加速度再回到+Ak时，进行保压（第6阶段）。,ABS的逻辑控制算法,控制过程,车轮角加速度值回落到a值，此时车轮已进入稳定制动区域，并且稍有制动不足，这一区域的制动时间要尽可能延长，因此，阶段7的制动压力采用小的阶梯上升，一般较初始压力梯度小得多，直到车轮减速度再次超过门限值-a值，以后的控制循环过程就和前面一样了。,ABS的逻辑控制算法,1、逻辑控制隐含了系统模型与路面特性的依赖关系，避免了需要精确模型进行控制的缺点。但逻辑控制的非连续性，显然不能期望逻辑控制算法在不同的路面条件都能达到最佳控制效果。3、逻辑控制特点：算法简单、便于工程实现、装车成本低。目前已经比较成熟。,逻辑门限控制算法的特点,ABS的优、缺点,实践证明，装用ABS装置的汽车在各种行驶条件下制动，特别是紧急制动时，不仅能较好地利用路面的附着系数、发挥制动效能、缩短制动距离，还能有效保持汽车的方向稳定性。,汽车ABS系统的优点很突出，但它还是有它的不足之处，主要是：（1）通用性差。（2）振动和噪声。（3）制动器的摩擦副，即制动鼓（盘）与摩擦片的磨损稍快。,ABS的发展历程,1965 年前后，开始安装在汽车上进行路试；1968年在英国投入实际运营；1971年后得到第一次大发展；80年代迎来了第二次大发展；80年代中期以后，得到迅猛发展；1991年起，欧共体规定所有成员国新车型都必须有防抱死系统。,ABS视频,什么是ASR?,汽车系统动力学知识回顾,什么是ASR?,驱动控制装置（Anti-Skidding Restraint,Traction Control,简称ASR或TCS），用于防止汽车加速、起步过程中的滑转，特别防止汽车在非对称路面或在转弯时驱动轮的空转，以便保持方向稳定性、操纵性和最佳驱动力。,什么是ASR?,什么是ASR?,通常采用两种方法防止驱动轮滑转：1）制动控制方式，即对将要空转的驱动轮施加制动力。2）发动机转矩控制，即调节发动机输入到驱动轮上的转矩。制动控制方式比发动机控制方式响应速度快，且能对每个驱动轮进行独立控制，但发动机控制可以节能。两种方法可单独使用，也可组合使用。,什么是ASR?,发动机转矩调节方式,发动机断油控制,设期望滑转率为，则发动机转矩控制规律为：,减小发动机转矩,增加发动机转矩,减小发动机转矩输出最简单的方法是停止某些缸喷油，如四缸机可将发动机转矩分为4级。,发动机转矩调节方式,节气门开度控制,上述方法不需要增加硬件，但发动机噪声大，运转不平稳。因此，目前更广泛采用的是节气门调节方式。节气门调节方式是采用步进电机驱动副节气门来实现的，所以这种方式响应较慢。,发动机转矩调节方式,基于节气门和发动机管理控制的驱动控制性能几乎达到制动控制的水平，而实现的成本比制动控制方式低，且消除了纯粹的供油中断方式的噪声和振动。但这种控制方式和其它基于发动机转矩控制方式一样，在非对称路面的效果不好。,采用制动方式的转矩调节,1、ASR系统建模 有发动机模型、传动系模型、汽车模型等（略）。2、ASR逻辑控制算法 防滑控制也可采用类似于ABS的逻辑门限方式。这种控制算法简单、可靠性强、便于实现。另外，防滑控制与防抱制动集成于一体，算法类似，可以大大简化程序结构。,采用制动方式的转矩调节,和,和,或,ASR控制算法,ASR控制与ABS控制相比，其控制算法有相同的地方，也有不同的地方，既有它简单的方面，又有它复杂的方面。ASR和ABS虽然都是最佳利用路面附着系数，但两者所利用的区间不同，附着系数的理想工作点也不同。ABS控制的是车轮的滑移率，并把滑移率控制在附着系数曲线的峰值；而ASR控制的是车轮的滑转率，通常把滑转率控制在10左右。,采用制动方式的转矩调节,ASR与ABS控制算法的比较,采用制动方式的转矩调节,直接进行道路试验工作量很大，也不容易实现一个典型的试验环境。一般采用有硬件系统与计算机混合的仿真系统。硬件系统为真实的ASR装置，计算机模拟部分为汽车模型、控制算法、轮胎与路面相互作用模型及发动机模型。要求模拟系统完成一步计算所需的时间应小于等于实时控制的时间。,Hardware-in-the-Loop试验方法：,联合转矩调节,上述两种驱动控制方式各有优缺点，因此，为了实现驱动力最佳控制，即最大限度地提高汽车的经济性、动力性、方向稳定性及可操纵性，通常采用发动机转矩与车轮制动的组合控制方式。Crown ASR控制系统Lexus ASR控制系统,联合转矩调节,联合转矩调节,联合转矩调节,ASR的本质,ASR系统的本质是：1）控制作用在驱动轮上的转矩。2）在非对称路面，对传到驱动轮上的转矩实现最佳分配，从而改善汽车的加速性，方向稳定性和操纵性。,复习题,1在汽车上配置ABS的目的是什么？配置ABS的制动系统包括那些零部件？各起什么作用？试叙述ABS的控制原理。2、ABS的通道数是指什么？一般几通道ABS应用最广？为什么？3、在理论上，ABS控制车轮的什么参数？用公式写出来并说明其最佳控制区间，为什么工程上不宜采用？工程上采用加速度逻辑门限值ABS控制算法有什么好处？4、什么是ASR？ASR控制车轮的什么参数？用公式写出来并说明其最佳控制区间。工程上一般采用什么控制方法并与什么系统一起集成？5、ASR控制常采用的控制方式包括那些？各有什么有缺点？工程上常采取什么控制方法？6、在汽车上实施ASR控制，其本质是什么？,